[2017年整理]3电磁波测距1

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1、几何量电子传感测量武汉大学测绘学院测量工程研究所武汉大学测绘学院测量工程研究所 叶晓明叶晓明电磁波测距n电磁波测距的一般原理n脉冲式光电测距n相位式光电测距n干涉式激光测距n微波干涉测距n微波伪码测距电磁波测距仪的一般工作原理 n电磁波测距的原理就是利用电磁波的直线传播特性 和波速稳定特性，通过测出两点之间的电磁波传播 延迟时间进而间接测得直线距离的过程。 测距仪反射器发射波反射波ADB发射机接收机发射波ADB光电测距仪的一般原理nAB两点间的距离是D，往返时间是t2D，电磁波在大 气中的速度是Vn则：DV t2D/2lt2D可由测距仪中的测时系统测出l大气中的波速V=c/n，也是可以通过大气

2、温度、湿度、压力来求 出的n于是： D=ct2D /2nn不确定度公式表明：n若要获得mm数量级的距离测量可靠度，时间测 量结果的不确定度必须达到10-11秒数量级。测距电磁波和基本方法n用于测距的电磁波l微波l激光l红外线 n电子测距的基本方法l脉冲法测距l干涉法测距l相位法测距 脉冲式光电测距n脉冲法测距就是直接测定间断电磁脉冲信号 在被测距离上往返传播所需的时间t2D，利用 公式计算距离D A D B电子门脉冲发射脉冲接收反 射 器触 发 器计数显示时钟脉冲脉冲式测距原理框图 脉冲测距的测时方法n当测距仪向反射器发射一个脉冲信号的 同时，同时还给触发器发出一个触发脉 冲，经过触发器去打开

3、电子门。n电子门一打开，计时用的时标脉冲就通 过电子门进入计数器。n当发向反射器的脉冲信号被反射器反射 回测距仪，经过测距仪接收后，也送入 触发器，通过触发器去关闭电子门。n电子门被闭合后，时标脉冲就不能通过 电子门。n那么计数器上记录下的时标脉冲个数m ，将对应于测距脉冲信号在被测D上往 返传播所需的时间t2d。n时间越长，通过脉冲信号就越多，反之 就越少，根据时标脉冲的个数可以计算 出时间t2d，从而获得距离。 脉冲测距原理优缺点 n优点：l脉冲式测距可以实现瞬间高功率脉冲发射以获得远测 程 n缺点：l精度问题。即使时钟频率到了100MHz,计数器的原 理误差(1误差)造成的时间测量误差就

4、可达 1/100MHz=10-8秒，根据公式D=Vt2d/2可得出由此 造成的距离误差可达1.5m。而电子计数器、门电路 等的工作速度达到100MHz很不容易。l技术难度问题。高频率电子线路在设计制造中会面 临干扰、能耗、成本、稳定性等麻烦问题。n针对传统脉冲测量方法的不足，诞生了精测 技术。在保持快速特点的基础上，大幅提高 了测量精度。n脉冲精测技术l内插法l微延迟计数法内插测量法n对不足一个计数时钟周期的短脉冲进行时间 积分，通过测量积分电压的高低来推算短脉 冲的时间长度，进而实现精确测量。被测脉冲计数时钟积分脉冲内插测量法nLEICA DI3000测距仪采用了此方法，测程 达10KM，精

5、度（3+1ppm）mm。n问题：积分电压测量面临干扰，产生“节拍 效应”，精度提高仍然有限。nDI3000中采取扰乱时钟和被测脉冲的相位关 系的方法，让“节拍效应”随机化，利用统计 规律来消减这种“节拍效应”误差，牺牲了测 量时间。微延迟计数法n该技术的典型代表是德国ACAM公司的TDC 时间数字转换芯片，该芯片可瞬间完成脉冲 时间的精确测量。n该芯片利用门电路的微小延迟，利用大量的 门电路串联构成集成延迟线，通过检测被测 脉冲结束时刻延迟线中的波相位实现精确时 间测量。n 测量单元由START信号触发，由 STOP信 号停止。 由环形振荡器（延迟线首尾相接而 成）中波沿所在的位置和粗值计数器

6、中的结 果计算出START与 STOP之间的时间间隔。 测量范围可达到 20位。最小分辨力可达 65ps。n1ps=10-12s，相应的光速距离为 0.3mm。典型应用：三维激光扫描仪 n通过激光测距原理瞬时测得空间三维坐标值 的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取的 空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则 的场景的三维可视化模型,既省时又省力。 n快速扫描是扫描仪诞生产生的概念。l在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等 ，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的 需求。 n三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，l最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，l而现在脉冲

7、扫描仪（scanstation2）最大速度已经达 到50000点每秒，l相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已 经达到120万点每秒， n这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本 保证。n工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测 量已经成为过去式。 典型应用：全站仪n目前许多全站仪都附带有无棱镜测距功能n其中一部分就是采用了脉冲激光测距原理。相位法测距 n相位法测距，又叫间接法测距，它不直接测 定电磁波往返传播的时间。而是测定由仪器 发出的连续正弦电磁波信号在被测距离上往 返传播而产生的相位变化(即相位差)，根据 相位差求得传播时间，从而求得距离D。 反 射 器信号发射测 相信号接

8、收A D B图3-3 相位法测距原理示意 相位法测距基本公式n设测距仪发射的电磁波为： 相位法测距的基 本公式:为角频率，=2f。往返传播时间为t2d，因此测距仪接收的电磁波为：测距仪发出的信号(参考信号)与接收的信号(测距信号)相位差为： t2d t2d /l又 ：=2f t2d / 2f将其代入 D=V t2d /2 V=c/n(c为真空光速，n为大气折光系数。)测尺(电尺)l2N+Dc(N+N)2/4 fn (N+N) /2其中N为正整数，N为小于1的小数，为波长。相位法测距就好象有一把钢尺在丈量距离，尺子的长度为/2(电尺)，N为被 测距离的整尺段数，N为不足一个整尺的尾数，半波长/2

9、叫做测尺长度。l相位法测距仪的工作过程就是计量出测尺的整尺段数和尾数的过程。 相位法测距原理的技术要点(1) l精度问题l解决精度问题的方向是使用较高频率的载波(短尺)调制 ，要获得1毫米的距离 分辨力必须获得10-11秒的时间测量分辨力。由于噪声等现实因素的存在，相位测量的精度也是有限的，对相位测量的精 度期望过高必然加重电路设计制造的困难，对使用中的稳定度指标也不利。 15MHz的高频信号来说， 10-11秒的时间延迟可产生33.9的相位延迟 ；1.5MHz 的高频信号，10-11秒的时间延迟只能产生3.39的相位延迟，要获得这么高的相 位测量精度很困难。l测程问题l相位测量只能测出一个波

10、长(周期)以内的相位差。超过一个波长以上的距 离将出现整数个波长的距离丢失-N值问题。15MHz的频率来说，其测程只有10米。l利用低频载波(长尺)实现粗测。相位法测距原理的技术要点(2)l高频信号相位测量精度问题数字相位计实现高分辨力测相的工作频段在低频段 。另外使用一高频信号(本振信号)分别对将被测量相位差 的二个高频信号和进行混合并通过一非线性电路产生二 个差频信号 ，我们称之为中频-变频技术。使用中频信号的优点 ：中频信号有利于进一步的高增益 放大、窄带过滤噪声干扰和实现自动增益控制。 表3-1 正弦信号的混频过程相位法测距原理的技术要点(4)相位计精度问题 目前几乎所有的仪器都使用数

11、字相位计实现高分辨力 测相。多周期测量实现1误差、噪声误差的自然抵偿 是其要点。光能衰减对测程的影响问题 光的发散和传输衰减将造成回光强度随距离的增大而急 剧减弱，为了获得较远的测程，选用亮度高度集中的发 光管、设计高度会聚的光路系统、选用高灵敏的雪崩光 电二极管、设计高增益低噪声接收放大器是必要的；而 近距离时回光光强很强，所以还必须有性能优良的自动 减光、自动增益控制(AGC)等自适应系统。 相位法测距原理的技术要点(5)n幅相误差问题 幅相误差的一种产生原理 相位法测距原理的技术要点(6)幅相误差是将模拟中频信号(正弦波)转化成数字信号(方波) 的过程产生，即因信号幅度(强度)不同引入的

12、转换附加相差 (非线性过程) 。 远距离和近距离的回光信号强度差距极其悬殊，必须使用自 动减光系统(自动光强控制系统)和自动增益控制的中频放大器 ，以保证信号在整形前幅度一致。这也是实现高精度距离测 量的技术关键。 自动增益控制电路的设计不合理也可能造成电路延迟参数 随信号强度变化，也能形成幅相误差。 l周期误差问题 在电路系统和光学系统中，干扰、窜扰普遍存在的。在精密 相位测量来说，同频率干扰信号将是致命的误差源，因为频 率相同就意味着不可以利用电子滤波器将其过滤。 克服干扰： 屏蔽和隔离是有效的途径 恰当使用差分放大电路等电路技术相位法测距原理的技术要点(7)l电路固有延迟问题l电路延迟包

13、含了电磁波在被测距离上的延迟，也包括了电信号在电路上的 延迟。内光路测量过程，就是直接将发射光短路回接收系统以测出电路系统所造 成的时间延迟，用于计算被测距离时扣除这部分延迟。l时间基准的精度问题 l普通石英晶体振荡器的稳定度多在 10-4 (100ppm)数量级，不能满足测 绘作业所要求的精度，所以必须使用温度补偿提高时间基准的精度。 整机控制问题 l整个仪器包含了复杂的控制和运算过程，如测尺转换控制、光路转换控制 、减光自动控制、测相节奏(时序)控制、相位距离换算、粗精尺距离衔接运 算、内部加乘常数改正、气象改正、电源监测、信号检测等等。l使用微处理器来实现这些复杂过程当然最有利。 相位式

14、测距的原理 内 光 路反 射 器微处理器晶体振荡器发光管本机振荡器接收管基准混频测距混频数字测相放大中频放大图3-5 相位式测距仪的原理框图相位式测距过程n晶体振荡器产生两路主频信号l主频调制信号对发光二极管进行调制 ;l另一路主频信号作为测相参考信号送至 基准混频电路和本机振荡信号混频产生参 考中频信号l测尺尺长：主频波长的一半/2 n发光二极管由于受主频信号的调制即发出 光强随主频信号变化的红外光，该光线经 光学系统会聚后射向目标点的反射棱镜 n光线经反射后回到接收光电二极管，光电 二极管再次将光信号转化成电信号，这时 的电信号就是主频经被测距离延迟后的被 测信号 相位式测距过程n被测信号

15、经测距混频电路与本机振荡信号 混频产生被测中频信号 n被测中频信号再经中频放大滤波整形后送 至数字测相电路 n测相电路测出参考中频和被测中频的相位 差 n内光路校准测量以测出电路的固有延迟(相 位差)n上述过程由微处理器统一控制完成多频测距原理(1) n由相位法测距仪的基本公式 可知N存在多值性。解决多值性的一个方法是采用的测尺 /2 大于待测距离。但这样会影响测距精度。n不同频率所对应的尺长及可能实现的精度对比表： 频频率30MHz15MHz1.5MHz150KHz15KHz波长长10m20m200m2000m20km测测尺长长度5m10m100m1000m10km测测距精度0.5mm1mm

16、1cm10cm1m多频测距原理(2)选定一个测距频率时其测程和精度是相矛盾的，若要测出较长距离，则相应 就要降低测距精度 。为了保证测程和测距精度，可以采用一组测距频率，即，一台仪器配有两个以 上的测尺，其中，短测尺用于保证测距精度，长测尺用于扩大仪器的测程。例如：15MHz的精尺(尺长10.000m)测得的距离是8.057m，而75KHz粗尺(尺长 2000.0m)测得的距离是1737.95m。对于精尺而言：D = N10+8.057对于粗尺而言：D = 1737.95+所以 N =(1737.95+-8.057)/10=172.9893+/10由于N为整数,很小(其绝对值远小于精尺尺长的1/2)所以 N =173，D =17310+8.057=1738.057当粗尺测量