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
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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
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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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控制测量学
电磁波测距仪的分类
电磁波测距仪精度 精度公式
mD A BD
A： 固定误差
BD ：比例误差 B : ppm 10 6
m m偶2 然 m系2 统 A2 BD 2
2mm 2 ppm
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲 直接测定器发射的脉冲信号往返于被测距离的传 播时间，而得到距离值
f 1 T
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲法的时间测定
光脉冲发生器
主脉冲
回波脉冲
计数系统
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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 微波的折射率 温度：1℃， 1.4ppm 气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 4.6ppm 测定微波折射率的关键是水汽分压的测定 由于微波受大气气象元素的影响较大，因此微波 测距的精度低于光波测距的精度
N 2
N 2
D vt 1 c 1 c c 2 2 2 2f 4f
D
c
4f
2N
c 2f
N
2
2
N
N
D u(N N ) 测尺：多义性
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控制测量学
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
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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
巴热尔-希尔斯公式
Ng0
(ng 0
1) 106
287.604
1.6288
3 2
5
0.0136
4
埃德伦公式
Ng0
(ng 0
1) 106
287.5834
1.6134
3 2
5
0.01442
4
波长误差为5nm时，引起的折射率误差为0.3ppm， 所以电磁波波长需要精确确定
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
反射器 激光、红外、微波测距仪的合作目标 全反射棱镜：激光、红外测距仪 有源反射器：微波测距仪
全反射棱镜(反光镜) 四面体的光学玻璃，三面互相垂直 平行性：反射光线与入射光线平行
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题
不同点处的折射率不同，为便于计算距离，应使 用整条光程上的平均速度
D V t2D / 2
电磁波通过微分光程dx的时间为：
dt dx / v(x)
电磁波往返传播的时间为：
t2D
2D dx 2 D dx dx 0 v(x) 0 v(x)
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题
路程的平均速度
V D / D dx dx
0 v(x)
路程上的每一个点
v(x) C0 / n(v) V 1
C0
C0
D
n(v)dx
n
D0
C0 1
D
n(v)dx
n D0
目前采用的方法是在测线的一端或两端，再加测线中 间几个点测定大气气象元素，计算大气的折射率，取 平均值作为平均折射率。
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气对电磁波测距的影响 速度变化，增加传播时间 电磁波传播的波道弯曲，观测距离大于实际距离 需要解决的问题 确定具体工作条件下的电磁波的实际传播速度 电磁波波道的弯曲改正
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
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
精度 1cm 10cm 1m 10m 100m
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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 气象元素误差对折射率的影响大小
温度：1℃， 1ppm
气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 0.04ppm 为保证折射率的测定精度，精确确定温度是关键 在测站两端分别测量温度，计算折射率取平均值
每3-5min测定一次
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气参数的测定 大气压的测定： 使用精度高于1mb的高质量空盒气压计测量， 气压计放在阴凉处一段时间后再读数 大气湿度的测定： 测定方法有两种：湿度计和通风干湿计
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
D c 1 2 f1 2
D c 2 2 f2 2
1
2 2
2
D c 2 f1
D c
2
f
2
相减
1 2 2
D c
2 f1
f2
D us (Ns Ns )
D
2
c f1
1 2
f2 2
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控制测量学
第四章 电磁波测距及其距离测量
西南林业大学 土木工程学院
刁建鹏
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控制测量学
本章提要
4.1 电磁波测距的物理原理及分类 4.2 电磁波测距的基本原理和应用 4.3 光波测距仪的合作目标及检验 4.4 电磁波在大气中的传播 4.5 测距成果的归算 4.6 误差来源及精度估计 4.7 微波测距概要
气象条件是限制电磁波测距精度的主要因素，如 何克服和进一步减少其影响，时当前电磁波测距
技术的一个重要课题
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1km 10km 100km
1m 10m 100m
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
Mekometer ME5000
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mD 0.2mm 0.2 ppm D
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控制测量学
干涉法测距的基本原理
略
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气参数的测定
取决于测距仪的类型、内精度、测距精度以及距 离测长短
至少测定仪器站和反光镜战的干温、湿温、气压
大气温度的测定：
通风干湿计或遥测通风干湿计，连同湿度一起 测定。干、湿温的测定精度为0.2℃和0.1℃
温度放在阴凉、通风处、离地物等 1.5m外，
高频 电脉冲
优点：免棱镜 缺点：精度低，米级
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲法的时间测定 Wild DI-3000脉冲式测距仪
mD 3mm 1ppm D
Wild DIOR-3200
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控制测量学
相位法测距的基本原理
空中悬浮颗粒会引起无法控制的的吸收
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的传播速度 电磁波速度
c c0 n 大气折射率与大气实际介质性质的气体成分、
温度、压力、湿度及波长有关
n f (,T, P,e)
纯单色波的相折射率
群波的群折射率
n
c0 c
D标 D实(1 R)
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控制测量学
光波测距仪的检验
仪器常数
六段解析法
D
n1 n2 n3 nd
n
D K (d1 K ) (d2 K ) (dn K ) (di K )
i 1
n
D di
K
i 1
n 1
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相位法 测量连续的调制信号在待测距离上往返传播产 生的相位变化间接测定传播时间
e1 em sint
e2 em sint t2D
t2D
t2D
D vt 1 c 1 c c 2 2 2 2f 4f
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法 2
N (H ) nH0 exp( q(H H0 ))
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题 大气模型 双指数函数模型
N (H )
Nt (H)
N
f
(H )
Nt
exp(
H Ht
)
N
f
exp(
H Hf t
)
Nt和Nf为大气的折射指数的干、湿分量
D0 v0 39d D40z V40 K Asin( 0 40)
1
D1z
2
360
i
1
d
(i
1)
2
360
1
(i
1)
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控制测量学
光波测距仪的检验
仪器常数
仪器加常数
仪器加常数
D0 D'Ki Kr D'K通过电子路线补偿反光镜常数乘常数
全反射棱镜(反光镜) 单棱镜、三棱镜、六棱镜、九棱镜
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控制测量学
光波测距仪的检验
周期误差 加常数
乘常数
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控制测量学
光波测距仪的检验
周期误差
来源：仪器内部固定的串行信号 周期误差的周期来源于精测尺的尺长 周期为2π，等于精测尺的长度 加大测距信号强度，可减小周期误差
ng
n
d n
d
ng
c0 cg
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的传播速度 电磁波速度 对于无线电微波，对流层为非色散介质，群速 度与相速度一致 对于光波，对流层为色散介质，两者不同 光电测距仪采用调制波，需要采用群速
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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
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控制测量学
本章提要
[知识点及学习要求] 1、电磁波在大气中的传播 2、测距成果的归算 3、误差来源及精度估计
[重点] 误差来源及精度估
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控制测量学
电光调制和光电转换
省略
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控制测量学
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题 大气模型 大气折射率主要受空气密度的制约
n 1
D
n[H (x)]dx
D0
n(H ) nH0 f (H )
无线电气象学中，认为大气折射指数与高度成线性、
抛物线、指数的函数关系
指数模型适用于近地几公里的大气
ek
e1
Δφ
φ1
φ
e2
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控制测量学
光波测距仪的检验
周期误差
D0 d d
d
改正计算公式
123
n-1 n
Vi Asin(0 i )
平台法
D0 v0 D1z V1 K Asin( 0 1)
D0 v0 d D2z V2 K Asin( 0 2 )