第四章 电磁波测距
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电磁波测距的原理
电磁波测距的原理
电磁波测距的原理基于电磁波的传播速度恒定不变这一性质，利用发射器发送出的电磁波，经过被测对象的反射后被接收器接收到，然后通过测量电磁波从发射器到接收器的时间差，可以间接得出被测对象与测距设备之间的距离。
具体来说，电磁波测距可利用无线电波、雷达、激光测距等技术实现。
无论采用哪种技术，测距设备都包括一个发射器和一个接收器。
发射器会发出一定频率的电磁波，经过空气传播，当遇到被测对象时，部分电磁波会被对象反射回来并被接收器接收到。
电磁波测距的原理即是利用这部分反射的电磁波来计算距离。
当发射器发出电磁波后，通过计时器记录发射时刻，然后在接收器接收到反射的电磁波后立即停止计时，记录接收时刻。
通过计算发射和接收的时间差，再结合电磁波在真空中传播速度（近似等于光速），就可以推算出被测对象与测距设备之间的距离。
需要注意的是，由于电磁波在不同介质中传播速度会有所变化，所以在实际应用中需要根据介质的不同对测距结果进行修正。
另外，电磁波测距还需要考虑到多路径效应、噪声干扰等因素，以提高测距精度。
电磁波测距
电磁波：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微 波、无线电波。
电磁波谱图：电磁波在真空中传播的波长或频率递增或 递减顺序排列。
4.2.2 电磁波测距基本原理公式
入射光 出射光
通过测定电磁波（无线电波或光 波）在待测距离两端点间往返传 播的时间，利用电磁波在大气中 的传播速度来确定其距离
设电磁波在大气中传播速度为C，当它在距离D上往返一次 的时间为t2D，则有：
光电倍增管本身是一个混频器，有混频作用—把高频信号 变为中、低频信号，不需专设混频线路。
第四章 电磁波测距仪及其距离测量
4.1 4.2 4.3 4.4 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.13
电光调制和光电转换 电磁波测距仪分类 脉冲法测距的基本原理及应用 相位法测距的基本原理及应用 光波测距仪的合作目标 光波测距仪的检验 电磁波在大气中的传播 光波测距成果的归算 光波测距的误差来源及精度估计 全站仪原理
由于脉冲在路程中经历时间太短，通常用记录高频振荡晶 体的振动次数计算时间，自动完成。
脉冲式测距是由测距仪发射系统发射一种脉冲波，被目 标反射回来，再由仪器接收器接收，仪器的显示系统显示 出光脉冲往返传播的时间，或直接显示距离。
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
4.3.2 脉冲法测距的基本结构
已知：时标脉冲频率f=15 MHz,电磁波速度C=3×10E+8 m/s, 时标脉冲个数 n=100。
求： 距离 D。
D= 1/f × n×C / 2= 1000 米
测距前，电子门是关闭的，时标脉冲不能进入计数系统。 测距时，在光脉冲发射的瞬间，主脉冲把电子门打开，时标脉 冲就一个一个经过电子门进入计数系统，计数系统开始记录脉 冲数目。当回波脉冲到达时电子门关闭，计数系统停止计数， 计数系统记录下来的脉冲数目就是所测距离值。
第4章++电磁波测距及距离测量
17 /29
电子在光电倍增管中渡越时间的稳定性取决于:①极间直流电压的稳定性。②与 光束照射到阴极的入射落点位臵及入射方向有关。
光电测距
4.2电磁波测距仪分类
一、按测定t的方法
1 2 3
(l)脉冲式测距仪。 (2)相位式测距仪。
4 5
二、按测程分
6
(1)长程光电测距仪：（≥15KM)
7
(2)中程光电测距仪:（ 3～15KM
光电测距
控制测量学
1
2
3 4
第四章 电磁波测距和距离测量
5
6
7
8
9
10
1 /29
梁建昌
测绘工程系
光电测距
[本章内容]
1
4.1 光电调制和光电转换
2
4.2 电磁波测距仪分类
3
4 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
5 6
4.4 相位法测距的基本原理及应用
7 4.5 光波测距仪的合作目标
8
9 4.6 光波测距仪的检验
1 2 3
4
5
6
7
8
9
10
光电倍增管，是一种极其灵敏的高增益光电转换器件。
它由“阴极”K、若干个“放射极”和“阳极”A组成。
阴极由钾、钠、艳、锑等多种碱金属构成。当光照射到
16 /29 碱金属的阴极表面时，如果光子能量足够大，就能使阴极表 面发射电子(这种现象称为“光电效应”)，并且阴极的发射
数量是随着人射光强的大小而变化。
5
6 •1974年我国研制并生产了JCY-2型激光测距仪。
7 8
白天测程为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量
9 16.3kg。
第四章 电磁波测距
4．6．2
N
值的确定
由式（4-30）可以看出，当测尺长度 u 大于距离 D 时，则 N 即 D u
2
0
。，此时可求得确定的距离值， 。因此，为了扩大单值解的测
u N
程，就必须选用较长的测尺，即选用较低的调 制频率。根据 u
2 c 2f
，取 c 3 1 0
f2
c 2 f1
；粗尺频率
，相应的测尺长度为 u 2
D u1 ( N 1 N 1 ) D u2 (N 2 N 2 )
2D
而 t 是由时标脉冲振荡器不断产生的具有时间间
2D
隔（ t ）的电脉冲来决定的。 因 则
t2 D n t
D V 2 nt nd
式中， n 为时标脉冲的个数； d
V 2
t
，即在时间间
隔 t 内光脉冲往返所走的一个单位距离。所以我们只要 事先选定一个 d 值（例如l0m，5m，lm等），记下送 入计数系统的脉冲数目，就可以直接把所测距离 （ D nd ）用数码管显示出来。
徕卡TCR系列全站仪
无棱镜测距应用： • • • • 大容积标定行业 工程安装质量检查 隧道断面测量 城市地籍、房产测 量 • „„
安装质量检 查
油罐容积标定测 量
隧道断面测 量
徕卡TCR系列全站仪
应用优势 一方面，省去了作 业员爬高下低的奔 波之苦，作业强度 和危险性也大大降 低； 另一方面，对一些 重要的建筑（比如 文物）起到了一定 的保护作用。
§4.6相位法测距的基本原理 4.6.1基本原理及基本公式 1.基本原理 由载波源产生的光波（或微波）经调制器被高频电波所调制（调 幅或调频），成为连续调制信号。该信号经测线达到彼端反射器， 经反射后被接收器所接收，再进入混频器（I），变成低频（或中频） 测距信号 e 测 。另外，在高频电波对载波进行调制的同时，仪器发射 系统还产生一个高频信号， 此信号经混频器 （II） 混频后成为低频 （或 中频）基准信号 e 基 。e 基 和 e 测 在比相器中进行相位比较，由显示器显 示出调制信号在两倍测线距离上传播所产生的相位移，或者直接显 示出被测距离值。
电磁波测距原理和其距离测量方式
D
2
c f1
1 2
f2 2
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
间接测尺频率 相当于测尺频率 测尺长度 精度
f1=15MHZ
15MHZ
10m
1cm
f2=0.9f1
f1-f2=1.5MHZ 100m 10cm
f3=0.99f1 f4=0.999f1 f5=0.9999f1
f1-f3=150KHZ f1-f4=15KHZ f1-f5=1.5KHZ
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
u D N 0 D u N
u增大，误差大
一组测尺： 精测尺保证精度 粗测尺保证测程
频率相差大 仪器不稳定
频率相近 频率差为测尺频率
测尺频率 15MHZ 1.5MHZ 150KHZ 15KHZ 1.5KHZ 测尺长度 10m 100m 1km 10km 100km
e1
Δφ
φ1 φ
ek e2
光波测距仪的检验
▪ 周期误差
▪ 改正计算公式
D0 d d 123
d n-1 n
▪ 平V台i 法 Asin(0 i )
D0 v0 D1z V1 K Asin(0 1) D0 v0 d D2z V2 K Asin(0 2 )
D0 v0 39d D40z V40 K Asin(0 40 )
1
D1z
2
360
i
1
d
(i
1)
2
360
1
(i
1)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第四章 电磁波测距1
29
GPT-8200A系列
河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
第二讲 电磁波测距的基本原理
拓普康第二代WinCE智能全站仪——WinCE全站仪 ● 全新2000米无棱镜测距技术 ● GPT-7500提供世界上最长的无棱镜电子测距 (2000m).这是拓普康第三代无棱镜测距技术的傲人 成果。 2000米的无棱镜测程确保了可以测量350米 范围内的任何目标，甚至可以透过栅栏，树枝进行 测量。采用最安全的一级激光，避免了对测量人员 的伤害，同时，在某些环境内（如油罐）无疑更让 人放心 ● 高速Intel Xscale处理内核。测量全面加速！ ● 标准、Mini双USB接口，可直读U盘 ● 5000mAh超大容量锂电池，动力强劲 ● 丰富的应用软件
河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
6
短程测距仪
中程测距仪
北京光学仪器 厂—HGC-1红 外测距仪
武汉地震仪器厂JCY-2A 激光测距仪
7
河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
第一讲、电磁波测距仪分类
3、测距仪的分级 1999年《城市测量规范》规定，按1km测距中误差 (即 mD a b D ，当D=1km时)划分为两级： 测距仪精度等级 每公里测距中误差 m D ( mm )
1 1 m D cmt D Ct2 D 2 2 8 m c 3 10 要求mD 3mm s
mt 2 10
11
s 一般只能达到10
8
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25
第二讲 电磁波测距的基本原理
GPT-8200A系列
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第二讲 电磁波测距的基本原理
拓普康第二代WinCE智能全站仪——WinCE全站仪 ● 全新2000米无棱镜测距技术 ● GPT-7500提供世界上最长的无棱镜电子测距 (2000m).这是拓普康第三代无棱镜测距技术的傲人 成果。 2000米的无棱镜测程确保了可以测量350米 范围内的任何目标，甚至可以透过栅栏，树枝进行 测量。采用最安全的一级激光，避免了对测量人员 的伤害，同时，在某些环境内（如油罐）无疑更让 人放心 ● 高速Intel Xscale处理内核。测量全面加速！ ● 标准、Mini双USB接口，可直读U盘 ● 5000mAh超大容量锂电池，动力强劲 ● 丰富的应用软件
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短程测距仪
中程测距仪
北京光学仪器 厂—HGC-1红 外测距仪
武汉地震仪器厂JCY-2A 激光测距仪
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第一讲、电磁波测距仪分类
3、测距仪的分级 1999年《城市测量规范》规定，按1km测距中误差 (即 mD a b D ，当D=1km时)划分为两级： 测距仪精度等级 每公里测距中误差 m D ( mm )
1 1 m D cmt D Ct2 D 2 2 8 m c 3 10 要求mD 3mm s
mt 2 10
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s 一般只能达到10
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第二讲 电磁波测距的基本原理
控制测量学上册第4章 电磁波测距及其距离测量
电磁波在大气中传播时的现象 电磁波辐射能量的大气衰减，测程减少 电磁波有关参数的随机变化 降低了信噪比 解决方法 选择有利的观测时间 日出后1小时和日落前1小时
2020年3月29日12时49分
26 /21
控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的大气衰减 大气衰减的原因 大气分子的吸收 大气密度的变化及空中微粒的散射 强度衰减与大气折射率、传播距离及波长有关 影响 电磁波的测程
电磁波测距仪的分类
按时间测量方式分类
电磁波作为载波和调制波进行距离测量
D 1 vt 2
t 2f
脉冲式
相位式
D 1 vt v 2 4f
直接测定脉冲信 号往返传播时间
2020年3月29日12时49分
测定测距信号往返的相位 滞后相位，转化为时间
5 /21
控制测量学
电磁波测距仪的分类
按测程 长程、中程、短程
29 /21
控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率
光波的折射率与波长、气压、温度、适度有关
折射率与波长的关系
柯希公式
希梅公式
N0
A
B
2
C
4
N0
A'
a
B'
2
C'
b
2
N0 (n0 1) 10 6 为大气折射指数
群折射率
Ng0
(ng 0
1) 106
A
B
2
C
4
2020年3月29日12时49分
按载波源 光波、微波
按载波数 单载波、双载波、三载波
按反射目标 射目标、合作目标、有源反射器
2020年3月29日12时49分
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的大气衰减 大气衰减的原因 大气分子的吸收 大气密度的变化及空中微粒的散射 强度衰减与大气折射率、传播距离及波长有关 影响 电磁波的测程
电磁波测距仪的分类
按时间测量方式分类
电磁波作为载波和调制波进行距离测量
D 1 vt 2
t 2f
脉冲式
相位式
D 1 vt v 2 4f
直接测定脉冲信 号往返传播时间
2020年3月29日12时49分
测定测距信号往返的相位 滞后相位，转化为时间
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控制测量学
电磁波测距仪的分类
按测程 长程、中程、短程
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率
光波的折射率与波长、气压、温度、适度有关
折射率与波长的关系
柯希公式
希梅公式
N0
A
B
2
C
4
N0
A'
a
B'
2
C'
b
2
N0 (n0 1) 10 6 为大气折射指数
群折射率
Ng0
(ng 0
1) 106
A
B
2
C
4
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按载波源 光波、微波
按载波数 单载波、双载波、三载波
按反射目标 射目标、合作目标、有源反射器
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测量员岗位知识 第四章 距离测量
l l l0
l l l0
任一长的温度与钢尺检定时的温度不同，尺长会 发生变化。
lt (t t0 )l
式中： 0.0000125 / 10 C, 钢尺膨胀系数
•倾斜改正
lh d l (l 2 h 2 )1/ 2 l h 2 1/ 2 l[(1 2 ) 1] l h2 1 h4 l[(1 2 4 ) 1] 2l 8 l h2 2l
解： DAB nl q 4 30 m 9.98 m 129.98 m
DBA nl q 4 30 m 10.02 m 130.02 m
1 1 Dav ( DAB DBA ) (129.98 m 130.02 m) 130.00 m 2 2
DAB DBA 129.98 m 130.02 m 0.04 m 1 K Dav 130.00 m 130.00 m 3250
A
1
2
3
4
5
B
仪器定线：如下图
４．两点间互不通视的定线 如图4-7所示，设AB两点在山头两侧，互不通视。定 线时，甲持标杆选择靠近AB方向的①1点立标杆，① 1点要靠近A点并能看见Ｂ点。甲指挥乙将所持标杆 定在①1B直线上，标定出②1点位置，要求②1点靠近 B点，并能看见A点。然后由乙指挥甲把标杆移动到 ②1A直线上，定出①2点。这样互相指挥，逐渐趋近， 直到①点在A②直线上，②点在①B直线上为止。这 时①、②两点就在A、B直线上了。
量距记录表
工程名称：×-× ×× 钢尺型号：5#(30m) 日期：2006. 01.08 天气：晴天 量距：×××; × 记录：×××
测线
整尺 段
零尺段
总计
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相位式（间接测定时间）
Hale Waihona Puke 测绘工程学院地形测量
（1）脉冲式
脉冲式光电测距仪是将发射光波的光强调制成
一定频率的尖脉冲，通过测量发射的尖脉冲在待测
距离上往返传播的时间来计算距离。
f
0
t
2D
qT0
q f0
：脉冲的振荡频率
q：计数器计得的时钟
脉冲个数
计数器只能记忆整数个时钟脉冲，不 足一周期的时间被丢掉了。测距精度较 低，一般在“米”级，最好的达“分米”级。
(5) 镜站的后面不应有反光镜和强光源等背景干扰。 (6) 应在大气条件比较稳定和通视良好的条件下观测。
测绘工程学院
建筑工程测量中应用较多的是短程 红外光电测距仪。
测绘工程学院
地形测量
1.测距原理
光电测距仪是通过测量光波在待测距离
D上 往、返传播的时间t2D，计算待测距离D：
D
1 2
ct 2 D
式中：c — 光波在空气中的传播速度
测绘工程学院
地形测量
2.测距方法
光电测距仪按照t2D的不同测量方式 ， 可分为：脉冲式（直接测定时间）
脉冲测距原理图 测绘工程学院
地形测量
（2）相位式
相位式光电测距仪是将发射光强调制成
正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距
离上往、返传播的相位移来解算时间。 将返程的正弦波以棱镜站为中心对称
展开后的图形：
2N
测绘工程学院
地形测量
由于
t 2 f t2D
，所以
t 2N 2f
则： D
短低程，测 一距般仪在“—米”测级程，小最于好5的km达；“分a米—”级。固定误差，单位为mm；
电磁波测距及其距离测量
载波为无线电微波，穿透能力强，在有雾、小雨、雪的情 况下也可测量。
2020年5月13日4时42分
7
控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
按测程
长程 几十公里 中程 数公里至十多公里 短程 3公里以下
按载波数
单载波 可见光,红外光,微波 双载波 可见光与可见光 ,可见光与红外光 三载波 可见光可见光和微波 ,可见光红外光微波
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
（1）脉冲式测距仪。它是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，从而求得距离值。
这种测距仪可以达到较远的测程，但精度较低，通常适
用于精度较低的远距离测量、地形测量等。
（2）相位式测距仪。它是测定仪器所发射的连续的测距信 号往返于被测距离的滞后相位来间接推算信号的传播时间， 从而求得所测距离。
控制测量学
4.9 测距成果的归算
（2）仪器乘常数改正△DR 乘常数是指测距仪的精测调制频率偏离其标准值而引起
的一个计算改正数的乘系数，也称为比例因子。 乘常数的检测需要由专门的鉴定机构进行检测。 总之，对于加常数和乘常数，我们在测距前先进行检定。
目前的测距仪都具有设置常数的功能，我们将加常数和乘常 数预先设置在仪器中，然后在测距的时候仪器会自动改正。
2020年5月13日4时42分
3
控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
一、电磁波测距原理
电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，来传输测 距信号，以测量两点间距离的一种方法。
它的基本原理是利用仪器发出的电磁波，通过测定出电磁 波在测线两端点间往返传播的时间t来测量距离D:
2020年5月13日4时42分
7
控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
按测程
长程 几十公里 中程 数公里至十多公里 短程 3公里以下
按载波数
单载波 可见光,红外光,微波 双载波 可见光与可见光 ,可见光与红外光 三载波 可见光可见光和微波 ,可见光红外光微波
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
（1）脉冲式测距仪。它是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，从而求得距离值。
这种测距仪可以达到较远的测程，但精度较低，通常适
用于精度较低的远距离测量、地形测量等。
（2）相位式测距仪。它是测定仪器所发射的连续的测距信 号往返于被测距离的滞后相位来间接推算信号的传播时间， 从而求得所测距离。
控制测量学
4.9 测距成果的归算
（2）仪器乘常数改正△DR 乘常数是指测距仪的精测调制频率偏离其标准值而引起
的一个计算改正数的乘系数，也称为比例因子。 乘常数的检测需要由专门的鉴定机构进行检测。 总之，对于加常数和乘常数，我们在测距前先进行检定。
目前的测距仪都具有设置常数的功能，我们将加常数和乘常 数预先设置在仪器中，然后在测距的时候仪器会自动改正。
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控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
一、电磁波测距原理
电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，来传输测 距信号，以测量两点间距离的一种方法。
它的基本原理是利用仪器发出的电磁波，通过测定出电磁 波在测线两端点间往返传播的时间t来测量距离D:
第四章距离测量..
精度
1cm 10cm
1m
10m 100m
控制LO测GO量
可以采用一组测尺共同测距，以短测尺（精 测尺）保证精度，长测尺（粗测尺）保证测 程，从而也解决了“多值性”的问题。 根据仪器的测程与精度要求，即可选定测尺 数目和测尺精度。
控制LO测GO量
❖ 当待测距离较长时，为了既保证必需的测距精度， 又满足测程的要求。在考虑到仪器的测相精度为千 分之一情况下，我们可以在测距仪中设置几把不同 的测尺频率，即相当于设置了几把长度不同、最小 分划值也不相同的“尺子”，用它们同测某段距离， 然后将各自所测的结果组合起来，就可得到单一的、 精确的距离值。
相位式测距仪：测定仪器发射的测距信号往返于被测距离的 滞后相位来间接推算信号的传播时间，从而求得所测距离的 一类测距仪。
控制LO测GO量
一、电磁波测距仪的分类
思考：取v=3*108m/s,f=15MHZ，当要求测距 误差小于1cm时，脉冲法测距的计时精度、相 位法测距时的测定相位角的精度应达到多少？
❖ 中程光电测距仪：测程在3～15km左右的仪器称为中程 光电测距仪，这类仪器适用于二、三、四等控制网的边 长测量。
❖ 远程激光测距仪：测程在15km以上的光电测距仪，精度 一般可达±(5mm+1×10-6），能满足国家一、二等控制 网的边长测量。
控制LO测GO量
一、电磁波测距仪的分类
3、按载波源，测距仪分为 光波 微波
各等级边长测距的主要技术要求，应符合下表的规定。
平面 控制 网等
级
三等
四等
一级 二、 三级
仪器型号
观测 次数
往返
≤ 5 mm级仪器 11
≤10 mm级仪器 ≤5 mm级仪器
控制测量学4电磁波测距仪及其距离测量
（3）：光电转换 采用光电转换器件（光电二极管）将光信号转变为电信号。测距仪中常
用的光电转换器件有光电二极管和光电倍增器。 （4）：光电混频
6
1）按时间测量方式分类： 电磁波作为载波和调制波进行距离测量（t为光波在AB之间传播的时间， v为光波在大气中的传播速度，D为AB间距离）：
D 1 vt 2
3）按载波源分类：光波（激光测距仪、红外测距仪）、微波（微波测 距仪）
4）按载波数分类：单载波（可见光、红外光、微波）、双载波（可见 光-可见光、可见光-红外光等）、三载波（可见光-可见光-微波、可见光-红 外光-微波等）
5）按反射目标分类：漫射目标（非合作目标）、合作目标（平面反射 镜、角反射镜等）、有源反射器（同频载波应答机、非同频载波应答机等）
设调制波在距离D往返一次产生的相位变化为 φ,调制信号一个周期相位
变化为2π， ω为调制波的角频率，则发射波与反射波之间的相位差为：
2ft 2 N
调制波的传播时间t为：
t2D
t 2f
2 N 2f
1 f
N本公式：
2f 2
D
1 ct 2
22
（1）：基本原理及基本公式 1）基本原理： 相位法测距：测量连续的调制信号往返传播产生的相位变化来间接测定
时间，求得被测距离。 由载波源产生的光波（或微波）经调制器被高频电波所调制，成为连续
调制信号。该信号经测线达到彼端反射器，经发射后被接收器所接受，再进 入混频器，变成低频测距信号e测。另外，在高频电波对载波进行调制的同时， 仪器发射系统还产生一个高频信号，此信号经混频器混频后成为低频基准信 号e基。e测和e基在比相器中进行相位比较，由显示器显示出调制信号在两倍 测线距离上传播所产生的相位移，或者直接显示出被测距离值。
用的光电转换器件有光电二极管和光电倍增器。 （4）：光电混频
6
1）按时间测量方式分类： 电磁波作为载波和调制波进行距离测量（t为光波在AB之间传播的时间， v为光波在大气中的传播速度，D为AB间距离）：
D 1 vt 2
3）按载波源分类：光波（激光测距仪、红外测距仪）、微波（微波测 距仪）
4）按载波数分类：单载波（可见光、红外光、微波）、双载波（可见 光-可见光、可见光-红外光等）、三载波（可见光-可见光-微波、可见光-红 外光-微波等）
5）按反射目标分类：漫射目标（非合作目标）、合作目标（平面反射 镜、角反射镜等）、有源反射器（同频载波应答机、非同频载波应答机等）
设调制波在距离D往返一次产生的相位变化为 φ,调制信号一个周期相位
变化为2π， ω为调制波的角频率，则发射波与反射波之间的相位差为：
2ft 2 N
调制波的传播时间t为：
t2D
t 2f
2 N 2f
1 f
N本公式：
2f 2
D
1 ct 2
22
（1）：基本原理及基本公式 1）基本原理： 相位法测距：测量连续的调制信号往返传播产生的相位变化来间接测定
时间，求得被测距离。 由载波源产生的光波（或微波）经调制器被高频电波所调制，成为连续
调制信号。该信号经测线达到彼端反射器，经发射后被接收器所接受，再进 入混频器，变成低频测距信号e测。另外，在高频电波对载波进行调制的同时， 仪器发射系统还产生一个高频信号，此信号经混频器混频后成为低频基准信 号e基。e测和e基在比相器中进行相位比较，由显示器显示出调制信号在两倍 测线距离上传播所产生的相位移，或者直接显示出被测距离值。
第四章--电磁波测距及其距离测量
16
控制测量学
4.9 测距成果的归算
4. 波道曲率改正 这项改正包括第一速度改正和第二速度改正
第一速度改正： 电磁波在近距离的传播可看成是直线，
当距离较远时，因受大气垂直折光的影响， 不是直线，是一条半径为的弧线。把弧长 化为弦长的改正称为第一速度改正。
Dg
D
D
k2 24 R
2
D3
（1）对于普通的距离测量，当作业的气象条件与仪器 的基准气象条件差异不大时，不进行气象改正。当存在较大 差异时，输入测区的概略气温和气压进行自动改正。
（2）对于精密测距，应根据有关规范规定，用经过鉴 定的气压计温度计，按要求的方法测定每条测线上的气压和 气温，输入仪器进行自动改正。
2019年12月21日1时43分
D N c c K 2nf 2 2nf
mD2
mc c
2
mn n
2
m f
f
2
D
2
4
2
m2
mk2
mA2
mg2
与距离有关的： 光速误差 大气折射率误差 测距频率误差
2019年12月21日1时43分
12
控制测量学
4.9 测距成果的归算
1. 仪器加常数改正和乘常数改正 （1）仪器加常数改正△Dc
测距仪、反光镜的安置中心与测距中心不一致而产生 的距离改正，称为仪器加常数改正。
仪器加常数包括测距仪加常数C1和棱镜加常数C2. 仪器加常数C1是由测距仪的距离起算点与仪器安置中 心不一致产生的。由专业鉴定部门鉴定获得；
定。目前的测距仪都具有设置常数的功能，我们将加常数和 乘常数预先设置在仪器中，然后在测距的时候仪器会自动改 正。
第4章-距离测量
将发射光波的光强调制成高频光脉冲，再由时标振荡器 产生时标脉冲(周期T0)，二者都经过电子门；发射 脉冲光打开电子门，反射回来的脉冲光关闭电子门；在 开关门之间，时标脉冲计数器计数为m；则 mT0 为脉冲 光往返传播 时间 t ， 据 此可根据光 速计算距离：
1 S CmT0 2
61 19
（二）相位式测距
用高频电振荡(周期T )将发射光进行振幅调制,使光强随 电振荡而产生周期性的明暗(相位φ)变化；调制光在测程 上往返传播，同一瞬间仪器的发射光与接收光产生相位 差Δφ，据此可算出光波往返传播时间t 。
61
20
设光速为C,调制振荡频率为f,振荡周期T=1 / f,则调制光 的波长为： CT C C f f T 调制光在测程的往返传播时间t内，变化N个整周(NT)和 一个零数Δ T，即 t NT T T N 代入电磁波 2 测距基本公 式，得到：
四、 光电测距的精度分析
（一）光电测距的误差来源
1.调制频率误差
C N 根据 C f , S 2f 2
dS df 得到： S f
调制频率的相对误差使距离测量产生相同的相对误差
2.气象参数测定误差 0.2904 p 6 根据 A 279 10 , S A A S ' 1 0.00366t 得到：dA 0.28dp 0.97dt , dS A dA S '
S nl0 l D S h
2 2
B
B
h
S
S h
AA
D
61
D
8
四、 钢尺长度检定
钢尺两端分划之间的标准长度称为实际长度，末端分划 的注记长度称为名义长度。丈量时的地面温度对尺长也 有影响。经过钢尺长度检定，得到尺长方程式，用以计 算量得的实际长度。
1 S CmT0 2
61 19
（二）相位式测距
用高频电振荡(周期T )将发射光进行振幅调制,使光强随 电振荡而产生周期性的明暗(相位φ)变化；调制光在测程 上往返传播，同一瞬间仪器的发射光与接收光产生相位 差Δφ，据此可算出光波往返传播时间t 。
61
20
设光速为C,调制振荡频率为f,振荡周期T=1 / f,则调制光 的波长为： CT C C f f T 调制光在测程的往返传播时间t内，变化N个整周(NT)和 一个零数Δ T，即 t NT T T N 代入电磁波 2 测距基本公 式，得到：
四、 光电测距的精度分析
（一）光电测距的误差来源
1.调制频率误差
C N 根据 C f , S 2f 2
dS df 得到： S f
调制频率的相对误差使距离测量产生相同的相对误差
2.气象参数测定误差 0.2904 p 6 根据 A 279 10 , S A A S ' 1 0.00366t 得到：dA 0.28dp 0.97dt , dS A dA S '
S nl0 l D S h
2 2
B
B
h
S
S h
AA
D
61
D
8
四、 钢尺长度检定
钢尺两端分划之间的标准长度称为实际长度，末端分划 的注记长度称为名义长度。丈量时的地面温度对尺长也 有影响。经过钢尺长度检定，得到尺长方程式，用以计 算量得的实际长度。
4.5电磁波测距
精确瞄准后，按“MSR”键，主机将测定并显示经温度、 气压和棱镜常数改正后的斜距。
斜距到平距的改算，一般在现场用测距仪进行，方法是： 在测距仪上进行切换
§4-5 电磁波测距
三、光电测距的注意事项
（1）气象条件对光电测距影响较大，微风的阴天是 观 测的良好时机。 （2）测线应尽量离开地面障碍物1.3m以上，避免通过发 热体和较宽水面的上空。 （3）测线应避开强电磁场干扰的地方，例如测线不宜接 近变压器、高压线等。 （4）镜站的后面不应有反光镜和其他强光源等背景的干 扰。
§4-5 电磁波测距
电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为 载波，传输测距信号，以测量两点间距离的 一种方法。
与传统的钢尺量距相比，具有测程长、精 度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形 限制等优点。
测距仪按其测程可分为短程光电测距仪 （2km以内）、中程光电测距仪（3～ 15km）和远程光电测距仪（大于15km）。
若修正原设定值，可按“TPC”键后输入温度、气压值或棱 镜常数（一般通过“ENT”键和数字键逐个输入）。
一般情况下，只要使用同一类的反光镜，棱镜常数不变， 而温度、气压每次观测均可能不同，需要重新设定。
§4-5 电磁波测距
（4）距离测量
调节主机照准轴水平调整手轮（或经纬仪水平微动螺 旋）和主机俯仰微动螺旋，使测距仪望远镜精确瞄准棱镜 中心。 在显示“good”状态下，精确瞄准也可根据蜂鸣器声音来 判断，信号越强声音越大，上下左右微动测距仪，使蜂鸣器 的声音最大，便完成了精确瞄准，出现“
B
A
2
§4-5 电磁波测距
二、测距仪操作与使用
（1）安置仪器
先在测站上安置好经纬仪，对 中、整平后，将测距仪主机安装在 经纬仪支架上，用连接器固定螺丝 锁紧，将电池插入主机底部、扣紧。
斜距到平距的改算，一般在现场用测距仪进行，方法是： 在测距仪上进行切换
§4-5 电磁波测距
三、光电测距的注意事项
（1）气象条件对光电测距影响较大，微风的阴天是 观 测的良好时机。 （2）测线应尽量离开地面障碍物1.3m以上，避免通过发 热体和较宽水面的上空。 （3）测线应避开强电磁场干扰的地方，例如测线不宜接 近变压器、高压线等。 （4）镜站的后面不应有反光镜和其他强光源等背景的干 扰。
§4-5 电磁波测距
电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为 载波，传输测距信号，以测量两点间距离的 一种方法。
与传统的钢尺量距相比，具有测程长、精 度高、作业快、工作强度低、几乎不受地形 限制等优点。
测距仪按其测程可分为短程光电测距仪 （2km以内）、中程光电测距仪（3～ 15km）和远程光电测距仪（大于15km）。
若修正原设定值，可按“TPC”键后输入温度、气压值或棱 镜常数（一般通过“ENT”键和数字键逐个输入）。
一般情况下，只要使用同一类的反光镜，棱镜常数不变， 而温度、气压每次观测均可能不同，需要重新设定。
§4-5 电磁波测距
（4）距离测量
调节主机照准轴水平调整手轮（或经纬仪水平微动螺 旋）和主机俯仰微动螺旋，使测距仪望远镜精确瞄准棱镜 中心。 在显示“good”状态下，精确瞄准也可根据蜂鸣器声音来 判断，信号越强声音越大，上下左右微动测距仪，使蜂鸣器 的声音最大，便完成了精确瞄准，出现“
B
A
2
§4-5 电磁波测距
二、测距仪操作与使用
（1）安置仪器
先在测站上安置好经纬仪，对 中、整平后，将测距仪主机安装在 经纬仪支架上，用连接器固定螺丝 锁紧，将电池插入主机底部、扣紧。
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脉冲发射
脉冲接收
反 射 器
器
A
D
B
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
3
一、电磁波测距的基本原理
2、相位式测距原理公式
它是用一种连续波（精密光波测距仪采用光波）作为“运 输工具”（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频 率按照调制波的变化做周期性变化。测距时，通过测量调制 波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地确定传 播时间t，进而求得待测距离D。
在上式中u=λ/2是已知的，ΔN可测出（测相器只能测定余长 uΔN，而不能测出整周数N）但仍有两个未知数，即待测距离D和整周 数N，这就使距离产生多值性，如能解出N，距离D就成为单值解。 由于测相器只能测定余长uΔN，而不能测出整周数N，例如用一个频 率测得2.578m，它可以是尾数都是2.578m的若干个大数不同的距离。这 好比担任量距的人记不住已经量了多少整尺段，只记得最后不足一个整尺 段的余长。显而易见，一个频率的测量只能得到余长而解不出N。如果选 择“测尺”（或频率）大于待测距离，则上式变成D=uΔN,这可解出距离D。 但由于测相精度只能达到10-3，所以想要用单一频率的测量来获得距离的 单值解，则精度和测程就不可能兼顾。
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
11
二、距离观测值的改正
• 第一类仪器本身所造成的改正：加常数 置平 乘常数（频率） 周期误差 • 第二类大气折光而引起的改正：气象 波道弯曲 • 第三类归算方面的改正：倾斜和投影到椭球面上（下册）
调制波的调制频率 f
角频率 周期T 波长
2f
设调制波在距离D往返一次产生的相位变化为 调制信号一个周期相位变化为2π，则调制波的传播 时间t为：
c cT f
t 2f
c D 4f
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
4
一、电磁波测距的基本原理
设调制信号为正弦信号， 即：
包含2π的整倍数N2π，和不足2π的尾数部分ψ，
N 2 2 ( N ) 2 ( N N ) N 2 2 c D 4f c c D ( N N ) ( N N ) u 2f 2 2f 2
两边的整数部份和小数部份应分别相等
N1 k N2的整数部份
例：u1=10m, u2=1000m, k=100,
N1 k N2的小数部份
N1 0.698 N 2 0.387
N1 kN 2的整数部份 38
D u1 ( N1 N1 ) 386.98 m
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
一、电磁波测距的基本原理
1、电磁波测距基本原理公式 D
A
1 D Ct2 D 2
2007.5.9
B
入射光 出射光
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
1
一、电磁波测距的基本原理
测定t方法有①直接测时：脉冲式测距仪 ②间接测时：相位式测距仪
直接测时一类测距仪称为脉冲式测距仪，该仪器因其精度较 低，通常只用于精度较低的远距离测量、地形测量和炮瞄雷 达测距。
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2007.5.9
7
一、电磁波测距的基本原理
设仪器采用了两把测尺配合测距，若用两者测定同一距离，则有：
D u1 ( N1 N1 )
D u 2 ( N 2 N 2 ) u 2 N 2
（限制所测距离D小于u2）
u2 k 测尺放大系数 u1 N1 N1 kN 2 N1为正整数，ΔN1为小于1的小数，该式
D u( N N )
单位长，“测尺”，“电子尺
相位式测距仪是 用长度为u的 “测尺”去量测 距离，量了N个 整尺段加上不足 一个u的长度就 是所测距离。
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
5
一、电磁波测距的基本原理
N值解算的一般原理：
D u( N N )
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控.9
10
一、电磁波测距的基本原理
分级 1999年《城市测量规范》规定，按1km测距中误差 (即 mD a b D ，当D=1km时)划分为两级： mD ≤5mm; I级： II级：5mm< mD ≤10mm。 Ⅲ级：10mm< mD ≤20mm。 a----固定误差(mm), b---比例误差系数(mm/km)， D---测距边长度(km)
1 D Ct2 D 2
c 3 10 m
8
1 m D cmt 2
s
要求mD 3mm
11
mt 2 10
s 一般只能达到10
2007.5.9
8
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2
一、电磁波测距的基本原理
光电脉冲法测距原理
时标脉冲 触 电子门 计数显示 发
2007.5.9
8
一、电磁波测距的基本原理
3、测距仪的分类和分级
脉冲式测距仪 按测定t的方法 相位式测距仪
按载波
光波 激光测距仪, 红外测距仪 微波 微波测距仪
长程 几十公里 按测程 中程 数公里至十多公里 短程 3公里以下
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2007.5.9
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一、电磁波测距的基本原理
• 为解决扩大测程和提高精度的矛盾，既得 到距离的单值解，同时具有高精度和远测 程，相位式测距仪一般采用一组“测尺” 共同测距，即用精测频率测定余长以保证 精度，设置多级频率（粗测频率）来解算N 而保证测程，从而解决“多值性”问题。
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
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一、电磁波测距的基本原理
单载波 可见光, 红外光, 微波 按载波数 双载波 可见光与可见光, 可见光与红外光 三载波 可见光可见光和微波, 可见光红外光微波
漫反射目标(非合作目标) 按反射目标 合作目标 平面反射镜, 角反射镜 有源反射器 同频载波应答机, 非同频载波应答机