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1、,武汉大学测绘学院,精密电磁波测距 Electro-magnetic Distance Measuring,Presented by,目录,目录,1 电磁波测距概述,图1 光电测距,1.1 电磁波测距仪的分类,以电磁波为载波传输测距信号的测距仪器统称为电磁波测距仪，可分为如下几类：,按载波,按载波数,按测程,1.2 电磁波测距仪的分级,1.3 常见的电磁波测距仪,1.3 常见的电磁波测距仪,目录,2 脉冲法测距的基本原理,脉冲法测距的工作原理,光脉冲发射器,取样棱镜,光电接收器,时标脉冲振荡器,计数及显示系统,2 脉冲法测距的基本原理,只要选定一个值(10m、5m、1m)，记录计数系统的脉冲数
2、目，就可把所测距离 显示出来。,2 脉冲法测距的基本原理,脉冲式测距优缺点 主要优点：测程远。 主要缺点：由于脉冲宽度和计数器时间分辨力的限制，所以应用于精密距离测 量受到限制。 目前脉冲式测距仪，一般用固体激光器发射出高频率的光脉冲，因而这类仪器可以不用合作目标（如反射器），直接用被测目标对光脉冲产生的漫反射进行测距，在地形测量中可实现无人跑尺，从而减轻劳动强度，提高作业效率，特别是在悬崖陡壁的地方进行地形测量，此种仪器更具有实用意义。,目录,3 相位法测距的基本原理,相位式光电测距通过测量调制光在测线上往返传播所产生的相位移来求出距离。仪器的基本工作原理可用下图来说明。 由光源发出的光通过
3、调制器后, 成为光强随高频信号变化的调制光射向测线另一端的反光镜。经反光镜反射后被接收器所接收, 然后由相位计将发射信号( 又称参考信号) 与接收信号( 又称测距信号) 进行相位比较, 获得调制光在被测距离上往返传播所引起的相位移。,相位法测距仪工作原理,3 相位法测距的基本原理,如将调制波的往程和返程摊平，则有如图所示的波形。 由图可见，调制光全程的相位变化值为: =2+=2 + 2 对应的距离值为: = 2 + 式中，为相位移的整周期数或调制光整波长的个数，其值可为零或正整数;为调制光的波长; = 2 , 而为不足一个整周期的相位移尾数。,2,N2,D往,D返,A,B,A, ,相位法测距的
4、原理,3 相位法测距的基本原理,通常令= 2 ，则 = + 上式即为相位法测距的基本公式。这种测距方法的实质相当于用一把长度为的尺子来丈量待测距离，如同用钢尺量距一样。这一根“尺子”称为“测尺”，= 2 称为测尺长度。 在相位式测距仪中, 一般只能测定而无法测定整周期数, 因此使上式产生多值解，距离无法确定。 值解算的一般原理方法有固定频率法和可变频率法两种，下面分别来介绍。,3.1 固定频率法,由相位法测距的基本公式 = + 可看出，对于相位式测距仪，只要测出余长且得出 ，即可求出距离。余长可通过相位测量得到，这样直接得到的最小距离只是与调制频率相对应的一个单位长的距离。 显而易见，一个频率
5、的测量只能得到余长而解不出 。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(通常称为多级固定频率测距仪)而保证测程，从而解决“多值性”问题。这些频率在解算距离上构成特定的关系称为频率的制式。频率的制式主要有分散的直接测尺频率（各频率顺次为倍数关系）和集中的间接测尺频率两种方式。,3.1.1 直接测尺频率方式,设仪器各频率顺次为倍数关系，若采用两把测尺配合测定同一距离，则有：= 1 1 + 1 = 2 2 + 2 = 2 2 + = 1 为正整数， 1 为小于1的
6、小数，该式两边的整数部份和小数部份应分别相等,即 1 =k 2 的整数部分 1 =k 2 的小数部分 注：不能过大,否则易产生距离粗差， 一般取10或100,采用多级频率的直接测尺进制可逐级扩大到设计的测程。,（ 2 ， 2 =0),= 2 1,测尺放大系数,3.1.1 直接测尺频率方式,例 1 =10， 2 =1000， =10, 1 =0.698， 2 =0.387 则有 1 =k 2 的整数部分=38 = 1 1 + 1 =386.98 总结： 在测相精度 1 1000 （保精度）的情况下，要求 2 1 100（保测程）,保证不可靠数据有可靠数据代替得正确结果。 在仪器上设置2或3个不变
7、的测距频率，其一为“高频”，又叫精测频率，其余为“低频”，又叫粗测频率。 优缺点：这种方式直观简单，由于频率分散，高频、低频常差别几个数量级，使得放大器和调制器难有相同增益和相移稳定性。若增大测程，振荡器需设置过多，增大制造难度，远程仪器选择另一种方式。,3.1.2 间接测尺频率方式,一些远程的激光测距仪中一般用一组数值上比较接近的测尺频率，利用其差频频率，间接确定值。 设仪器采用两个频率 1 和 2 的调制波分别配合测量同一距离，则有： = 2 1 1 2 = 2 2 2 2 = 2 1 2 1 2 2 设 = 1 2 , = 1 2 , = 2 则 = 1 2 + 1 2 称为相当测尺频率
8、， 称为相当测尺长度， 1 、 2 称为间接测尺频率。,= + ,3.1.2 间接测尺频率方式,结论1： 用两个频率测量同一距离所得到的相位之差，就等于其差频频率测量距离的相位差，即 = 1 2 。 = 1 2 是该方法之基础,因频率接近, 1 = 2 ， =0，这样解决了多值性问题。 选择一组相近的测尺频率 1 , 2 ，进行测量，测得 , ， 若取 1 为精测尺频率确定精测距离，取 1 2 , 1 3 ， 为相当测尺频率，则可求 =2,3 出以确定粗测距离。 结论2： 在测相精度 1 1000 （保精度）的情况下，设一组较集中的频率分别测相（保测程），然后由各自 组合得精测尺的 u 1 总
9、波数 1 + 。,= ,目录,4 距离观测值改正,测电磁波测距是在地球自然表面上进行的, 所得长度是距离的初步值。出于建立控制网等目的，长度值应化算为标石间的水平距离。因而要进行一系列改正计算。这些改正计算大致可分为三类: 其一是仪器系统误差改正；其二是大气折射率变化所引起的改正；其三是归算改正。 仪器系统误差改正包括加常数改正、乘常数改正和周期误差改正。 电磁波在大气中传输时受气象条件的影响很大, 因而要进行大气改正。 属于归算方面的改正主要有倾斜改正、归算到参考椭球面上的改正( 简称归算改正)、投影到高斯平面上的改正(简称为投影改正)。如果有偏心观测的成果, 还要进行归心改正。对于较长距离
10、(例如10km以上)，有时还要加入波道弯曲改正。 某些类型的测距仪，通过设置比例因子, 在一定范围内可自动进行一些改正及计算。例如Wild厂生产的DJ20等红外测距仪。 下面讨论对短程光电测距仪测定的距离进行改正计算。,4.1 距离观测值改正加常数改正,如右所示，由于测距仪的距离起算中心与仪器的安置中心不一致, 以及反射镜等效反射面与反射镜安置中心不一致, 使仪器测得距离 0 与所要测定的实际距离不相等, 其差数与所测距离长短无关, 称为测距仪的加常数, 其值表示为: = 0 ,实际上，测距仪的加常数包含仪器加常数和反射镜常数，当测距仪和反射镜构成固定的一套设备后，其加常数可测出。由于加常数为
11、一固定值，可预置在仪器中，使之测距时自动加以改正。但是仪器在使用一段时间以后，此加常数可能会有变化，应进行检验, 测出加常数的变化值(称为剩余加常数)，必要时可对观测成果加以改正。此外，不同厂家的仪器所配反射镜也不相同，使用时应注意配套。,加常数,4 距离观测值改正乘常数改正,测距仪在使用过程中, 实际的调制光频率与设计的标准频率之间有偏差时, 将会影响测距成果的精度, 其影响与距离的长度成正比。 设为标准频率， 为实际工作频率, 频率偏差值 = 乘常数为: = 乘常数改正值: = 式中， 为实测距离值, 以k为单位, 单位为 。 由此可见，所谓乘常数，就是当频率偏离其标准值而引起的一个计算改
12、正数的乘系数,也称为比例因子。乘常数可通过一定的检测方法求得，必要时可对观测成果进行改正。如果有小型频率计，直接测定实际工作频率，就可方便地求得乘常数改正值。,4 距离观测值改正气象改正,光的传播速度受大气状态(温度、气压、湿度)的影响。仪器制造时只能选取某个大气状态(假定大气状态)来定出调制光的波长, 而实际测距时的大气状态一般不会与假定状态相同，因而使测尺长度发生变化，使得测距成果中含有系统误差, 所以必须加气象改正。 下面将导出气象改正数的计算公式。 由于= 1 2 = 1 2 ，因为在计算调制波波长时, 采用的是假定大气状态的折射率 ，而实际测距时的大气状态一般不同于这一假定大气状态,
13、 设此时的大气折射率为, 显然, 一般 。 将上式对取微分, 并换成有限增量得 = 1 2 2 = (1) 设由观测得到的斜距为 ，大气改正数为 , 改正后的斜距为 , 则有 = ,4 距离观测值改正气象改正,则(1)式可写成= = 结合在一般大气条件下, 大气折射率计算公式以及调制光在标准大气状态(温度=0、气压=1013、湿度=0%，二氧化碳含量为0.03%)下的大气折射率 的计算公式，则可得大气改正数计算公式： = 279 0.29 1+0.0037 式中，温度以为单位；气压以(百帕)为单位; 观测距离 以为单位； 改正数 以为单位。 不同型号的测距仪, 气象改正公式的系数也不同, 其他仪器的计算公式可按上述方法推求。在仪器使用说明书内给出了气象改正的计算公式。 气象改正也可用附加在仪器使用说明书内的气象改正表, 以测距时测定的气温和气压为引数直接查取气象改正值。,4 距离观测值改正倾斜改正,由测距仪测得的距离观测值经加常数、乘常数和气象改正后, 得到改
