第四章电磁波测距

§4.2 电磁波测距仪的分类
一、电磁波测距的基本原理
D 1 vt 2
式中，v 为电磁波在大气中的传播速度，约为3108 m / s
t 为电磁波的往返传播时间，D为被测距离。
§4.2 电磁波测距仪的分类
二、电磁波测距仪使用的载波
可见光
光 不可见光
波
1、光与微波
微波
机械波 电磁波
长 由 长 到
短
无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 伦琴射线 γ射线 宇宙射线
t Q Rt QR ( R )t (Q QR ) ( R )t (Q QR ) 2tD
相位移：
2tD
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
六、自动数字测相
自动数字测相：仪器在逻辑指令的控制下，通过脉冲计 数，自动测量、运算并直接显示距离的 一种测相方法。
特点：精度高，速度快，便于和数据处理设备连接，实 现了数据处理自动化。
一、主要检验项目
功能检验 照准误差测定 周期误差的测定 乘常数的测定 适应性能的检测
轴系关系正确性检验 幅相误差的测定 加常数的测定 内部、外部符合精度的检验 测程的检验
§4.7 光波测距仪的检验
二、周期误差
周期误差：按一定的距离为周期重复出现的误差。 误差来源：仪器内部的串扰信号 减弱措施：加大测距信号
mn 为折射率求定中误差 m 为相位测定中误差
mK 为加常数测定中误差 mA 为周期误差测定中误差 mg 为对中误差
§4.10 光波测距的误差来源 及精度估计
二、测距误差的分类
1、比例误差
➢光速值的误差影响：可以忽略不计。 ➢调制频率的误差影响
调制频率的误差，包括两个方面，即频率校正的误 差（反映了频率的精确度）和频率的漂移误差（反映了频 率稳定度）。 ➢大气折射率的误差影响
§4.12 全站仪
一、概述
把电子测距、电子测角和 微处理机结合成一个整体、能自 动记录、存储并具备某些固定计 算程序的电子速测仪 ，因该仪器 在一个测站点能快速进行三维坐 标测量、定位和自动数据采集、 处理、存储等工作，较完善地实 现了测量和数据处理过程的电子 化和一体化，所以称“全站型电 子速测仪”，通常又称为“电子 全站仪”或简称“全站仪”。
四、常用测尺频率方式——差频频率
假设两个调制波的频率分别为 f1, f2
由于
D 1c 1c c 2 2 2f 4f
可得
D D
c 2 f1 c
• 1 2
• 2
2 f2 2
1
2 2
2
D c
2
f1
D c 2 f2
即： D
c 2( f1
• 1 2 f2 ) 2
c 2 fs
• s 2
载波源
调制器
显示器
e基 比相器 e测
混频器 （Ⅱ）
混频器 （Ⅰ）
高频电波 接收器
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
二、计算公式
仪器发射的调制波信号为：
e1 em sin t
仪器接收到的反射波信号为：
e2 em sin(t t2D )
可得发射波与反射波之间的相位差：
t2D
则：
t2D
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
第四章
电磁波测距
第四章 电磁波测距
• §4.1 电光调制和光电转换 • §4.2 电磁波测距仪的分类 • §4.3 脉冲法测距的基本原理及应用 • §4.4 相位法测距的基本原理及应用 • §4.5 干涉法测距的基本原理及应用 • §4.6 光波测距仪的合作目标 • §4.7 光波测距仪的检验 • §4.8 电磁波及其在大气中的传播 • §4.9 测距成果的归算 • §4.10 光波测距与误差来源及精度估算 • §4.11 微波测距概要 • §4.12 全站仪
二、计算公式
可以得到：
1
1 1
D 2 ct2D 2 c
c
2 2f
c
4f
由于： 得到：
2N
测尺长度
D c (2N ) c (N ) (N N )
4f
2f
2 2
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
三、N值的确定
当测尺长度 u 大于距离 D 时，则 N 0 ，可
2
m外 2m内
测距精度： m a2 (b106 D)2
§4.11 微波测距概要
微波测距：以微波作为载波进行测量。在测线两端分别 安置两台仪器，即主台和副台，主台发射电 波被副台接收后，由副台再转发给主台。
优点： 对观测条件要求不高 架设仪器不需要精确瞄准目标 测线两端直接利用机内通讯设备进行联系，不需 要另配通信设备
§4.8 电磁波在大气中的传播
一、一般概念
真空中的光速：
c0 299 792.458km/ s 30万千米/ 秒
空气中的光速：
c c0 / n
其中，n为空气折射率
两项误差：光速误差、波道弯曲误差
§4.8 电磁波在大气中的传播
二、电磁波的大气衰减
衰减的主要原因：大气气体分子的吸收 大气密度的变化 空中微粒的散射
为仪器的参考折射率，
n参
c0
调 f调
而实际光程长度： d c0 • t2D
n2
因此，第一次速度改正数：
k'
d 'd
c0t2D 2n参
n参 n
n
§4.9 测距成果的归算
二、速度改正
第二次速度改正：
由于
1 n 2 (n1 n2 ) n
而
n
(k
k
2
)
d '2 12 R
2
因此，第二次改正数：
k"
一、基本原理
脉冲法测距：直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被 测距离的传播时间以获得距离。
时标脉冲
触
脉冲发射
反
电子门
发
射
器
脉冲接收
器
计数显示
A
D
B
§4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
§4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
§4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
§4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
二、脉冲式测距仪的基本结构
§4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
三、光脉冲测距对光脉冲的要求
具有足够的强度 具有良好的方向性 具有良好的单色性 具有很窄的脉冲宽度
§4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
四、计算系统
主要装置——晶体振荡器
脉冲信号输入
主门
计数器
显示器
晶体振荡器
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
一、基本原理
相位法测距：通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传 播产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得距离。
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
七、测距新技术
徕卡全站仪在测距方面采用了一系列的新技术 ●高频测距技术 ●温控与动态频率校正技术 ●无棱镜相位法激光测距技术
§4.5 干涉法测距的基本原理
干涉法测距：通过测定光波本身的相位叠加结 果而测定距离。
§4.6 光波测距仪的合作目标
§4.7 光波测距仪的检验
正确测定测站和镜站上的气象元素，并使算得的大 气折射系数与传播路径上的实际数值十分接近。
§4.10 光波测距的误差来源 及精度估计
二、测距误差的分类
2、固定误差
➢对中误差 要求对中误差在3mm以下，归心误差在5mm以内。
➢仪器加常数误差 经常对加常数进行及时检测。
➢测相误差 包括测相设备本身的误差，幅相误差，照准误差，信
气压：使用精度高于1mb的空盒气压计测量。 湿度：使用通风干湿计。
§4.8 电磁波在大气中的传播
四、电磁波的波道弯曲
波道的曲率半径可以表达为：
r
sin
n
dn
dH
由此得出，波道半径与折射率的梯度成反比。
一般的，对于光波来说r=50 000km，则折光系数：
k R 0.13 r
§4.9 测距成果的归算
噪比引起的误差。 ➢周期误差
有特殊性，与距离有关但不成正比
§4.10 光波测距的误差来源 及精度估计
三、测距精度估计
内符合精度：仪器对同一距离进行多次测定，其观测值
之间的符合程度。
一次测定中误差为：m vv n 1
平均中误差为： M
m
n
相对中误差为： M /D
外符合精度：测量值与已知值比较而求得的精度指标。
以求得精确距离值 D uN 。因此，选用较长测尺可 以提高测程。
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
三、N值的确定
一组测尺共同测距的原理：
短测尺—— u1, N1, N1 长测尺—— u2, N2, N2 则： D u1(N1 N1) u2N2 所以：
N1
N1
u2 u1
N 2
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
u
s
•
s 2
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
其中：
s 1 2 2 (N1 N1) 2 (N2 N2 ) 2[(N1 N2 ) (N1 N2 )]
因此：
D us
• s 2
us[( N1 N2 ) (N1 N2 )]
us (Ns Ns )
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
§4.1 电光调制和光电转换
一、调制的意义和分类
光波调制：使光波的振幅、频率或相位发生有 规律变化的过程。调制有调幅、调 频、调相三种。
J
t
原振幅不变
调制器
调幅
J
I0
t
Jm=I0·sinωt
§4.1 电光调制和光电转换
二、光电转换
原因：测距仪的测相器要求输入的是电信号，而 反射回来的是光信号。
常用的光电转换器件有光电二极管和光电倍增器。
布格（Bouguer）公式:
I D I0e ( )D
§4.8 电磁波在大气中的传播
三、电磁波的传播速度
1、折射率
c c0 / n
折射率与大气成分、温度、压力、湿度、波 长等都有关系，即
n f (,T, P,e)
§4.8 电磁波在大气中的传播
三、电磁波的传播速度
2、大气参数的测定
温度：利用通风干湿计，测定干湿温度的精度 分别为0.2℃和0.1℃。
一、概述
改正项目：
系统误差改正——加常数、乘常数改正、周期误差改正 气象条件改正——大气折射率变化所引起的改正 归算方面改正——倾斜改正、归算改正、投影改正、归
心改正、波道弯曲改正
§4.9 测距成果的归算
二、速度改正
第一次速度改正：
测距仪显示的距离：
d ' c0 • t2D n参 2
其中， n参
k0
d4
ym2 2Rm2
其中，
1
1
ym 2 ( y1 y2 ), Rm 2 (R1 R2 )
§4.10 光波测距的误差来源 及精度估计
一、测距误差的主要来源
M
2 S
D2
mc0 c0
2
mf f
2
mn n
2
4
2
m2
mK2
mA2
mg2
mc0 为光速测定中误差 m f 为测距频率中误差
减弱串扰信号 加周期误差改正数 测定方法：平台法
§4.7 光波测距仪的检验
三、加常数与乘常数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a b ppm
加常数：由于测距仪的机械中心与调制波发射 和接收的等效面不一致而产生。
乘常数：主要是由调制频率偏离设计值引起的， 是尺度比例系数。
§4.7 光波测距仪的检验
四、用六段解析法测定加常数
D
d1
d2
dn
D k (d1 K ) (d2 K) (dn K )
n
di nk i 1
由此可得：
n
D di
K
i 1
n 1
§4.7 光波测距仪的检验
五、用六段比较法测定加、乘常数
D（已知）
D01 D12 D23 D34
D45
D56
D01 v01 K D01R D01 D02 v02 K D02R D02 D56 v56 K D56R D56
§4.2 电磁波测距仪的分类
二、电磁波测距仪使用的载波 2、激光
激光的特性： 高方向性 高亮度 高单色性 高相干性
§4.2 电磁波测距仪的分类
三、测距仪的分类
脉冲式：直接测定时间
D 1 vt 2
按测定t的方法：
相位式：通过测定相位来推算时间
D 1v 2 2f
§4.2 电磁波测距仪的分类
三、测距仪的分类
按测程分：短程测距仪（<3km）、中程测距仪（3~15km）、
远程测距仪（>15km）
按载波分：光波测距仪，微波测距仪 按载波数分：单载波测距仪、双载波测距仪、三载波测距仪 按反射目标分：漫反射目标、合作目标、有源反射器 按功能分：单一型、半站型、全站型 按一公里测距中误差分：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级测距仪
§4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
五、差频测相
相位测量：利用高频测距信号、高频基准信号分别通过 混频器混频后得到两个低频信号，由这两个低 频信号经比相而测出相位差。
差频测相：把高频信号相位差的测量用差频的方法转化 为低频信号相位差的测量。分为平衡测相和自 动数字测相。
§4.4 相位法测距的基本原理及应用
五、差频测相
发射调制光的相位： 本机震荡信号的相位： 混频后低频信号的相位： 反射后的调制光相位：
d
'
n
(k
k
2
)
d '3 12 R
2
§4.9 测距成果的归算
三、几何改正
改正的目的：将速度改正后的弧 长度先归算成测站间的直 线斜距，然后再归算至椭 球面上的弦长，最后归算 至椭球面上的弧长。
d1 d2 d3 d4
§4.9 测距成果的归算
四、投影改正
改正的目的：将几何改正后的大地线长度按高斯投 影法投影到高斯平面上，并求出两点 在高斯平面上的直线距离。