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1、第二讲电磁波测距Electromagnetic Distance Measurement （EDM）距离测量1内容提要v电磁波测距原理电磁波测距原理v电磁波测距工具及使用电磁波测距工具及使用v电磁波测距的成果计算电磁波测距的成果计算v全站仪简介与使用全站仪简介与使用2钢卷尺测距的优缺点v优点优点 直观，工具简单，成本低，使用灵活。直观，工具简单，成本低，使用灵活。v缺点缺点 测量精度较低测量精度较低(cm(cmmmmm级级, , 1/2000 1/20001/21/25000) 5000) ，直线，直线定线和量距工作量大，效率低，受地形条件限制较大，在长定线和量距工作量大，效率低，受地形条件限
2、制较大，在长距离测量中难以开展。距离测量中难以开展。3更好的办法？距离测量的本质：沿两点连线的直线方向与已知长度距离测量的本质：沿两点连线的直线方向与已知长度（尺子）的比较（比长）。（尺子）的比较（比长）。 沿直线传播？沿直线传播？ 尺长已知？尺长已知？ 快速？快速？4电磁波电磁波按照波长长短，从长波开始，电磁波可以分为电能、无按照波长长短，从长波开始，电磁波可以分为电能、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、 X X射线和伽马射射线和伽马射线等。线等。电磁波谱5电磁波测距基本原理6电磁波测距历史v19491949年，瑞典的年，瑞典的Erik Bergs
3、trandErik Bergstrand博士研制出了世界第一台博士研制出了世界第一台微波测距仪微波测距仪 Geodimeter Geodimeter（10/25km10/25km）。）。7电磁波测距历史v19571957年，南非的年，南非的T. L. WadleyT. L. Wadley博士采用博士采用X X波段电磁波设计了波段电磁波设计了测程可达测程可达50Km50Km的的Telluometer Telluometer 。8工程测量用的电磁波测距仪v低频波衰减严重，高频波相位量测不准确，因此一般电磁低频波衰减严重，高频波相位量测不准确，因此一般电磁波测距仪多使用无线电波、微波、红外光波测距仪
4、多使用无线电波、微波、红外光(IR)(IR)。9测距仪的分类v按最大测程分按最大测程分短程：短程：3 3kmkm以内；以内； 中程：中程：3 31515kmkm远程：远程：1515100100kmkm； 超远程：超远程：100100kmkmv按时间测量方式分按时间测量方式分脉冲式，以激光作光源脉冲式，以激光作光源相位式，以红外光作光源相位式，以红外光作光源10脉冲式测距 通通过过光光脉脉冲冲触触发发计计时时器器开开启启和和关关闭闭的的方方式式，测测量量光光脉脉冲冲在在所所测测距距离离上上往往返返时时标标脉脉冲冲的的个个数数，进进而而确确定定光光脉脉冲冲的的传播时间。传播时间。 D = n /
5、2 = n c / ( 2 f )脉冲式测距 由由于于时时标标振振荡荡器器频频率率的的限限制制(300MHz)(300MHz)，以以及及脉脉冲冲起起始始边边缘缘时时间间误误差差TaTa和和终终止止边边缘缘时时间间误误差差TbTb难难以以直直接接测测量量得得到到，因因此脉冲式测距仪很难达到此脉冲式测距仪很难达到mmmm以上的距离测量精度。以上的距离测量精度。相位式测距 相相位位法法测测距距通通过过测测量量连连续续的的光光波波，在在待待测测距距离离上上往往返返传传播播所所产产生生的的相相位位变变化化，来来间间接接测测定定传传播播时时间间，从从而而求求得得被测距离。被测距离。相位式测距Amplitu
6、deAmplitude+ r+ r- r- r0 09090180180270270 360360v相位的测量：波曲线上任何一个点处的切线方向与波的传相位的测量：波曲线上任何一个点处的切线方向与波的传播方向之间的夹角，通过播方向之间的夹角，通过相位计相位计测量。如果相位角测量分测量。如果相位角测量分辨率为辨率为1 1度，波长为度，波长为1m1m，测距分辨率就可以达到：，测距分辨率就可以达到： 1m1m1 1度度/360/360度度0.003m0.003m。相位式测距v这种电磁波测距仪的振荡器频率只需要达到这种电磁波测距仪的振荡器频率只需要达到1010100Mhz100Mhz，电磁波发射装置容易
7、制造；电磁波发射装置容易制造；v相位角测量精度一般可以达到分辨率的相位角测量精度一般可以达到分辨率的1/10001/1000 ，相位计的，相位计的分辨率分辨率1010度即可满足要求；度即可满足要求； 因此相位式测距仪生产成本较低，而测距精度较高，使因此相位式测距仪生产成本较低，而测距精度较高，使用范围较广。用范围较广。还有哪些没有解决的问题？v第一个问题：第一个问题： 整波个数整波个数N N未知，距离不能确定。未知，距离不能确定。 相位计只能测量相位计只能测量发射时刻发射时刻、接收时刻接收时刻的相位，不能对的相位，不能对传播过程中的整波个数计数。传播过程中的整波个数计数。 解决方法：解决方法：
8、从认知习惯方面考虑，认识事物从粗略到准确从认知习惯方面考虑，认识事物从粗略到准确的过程。的过程。时间的多尺度组合 时间：时间： 3:12:11 3:12:11v时针时针走得最慢，测大走得最慢，测大数（小时）数（小时）v分针分针走得较快，测相走得较快，测相对小的数（分）对小的数（分）v秒针秒针走得最快，测最走得最快，测最小的数（秒）小的数（秒）距离的多频率组合vL = (mL = (m3 3 + p + p3 3) ) 3 3vL = (mL = (m2 2 + p + p2 2) ) 2 2vL = (mL = (m1 1 + p + p1 1) ) 1 11 12 23 34 45 56 6
9、7 78 89 9101011111212p p1 1 1 1A AB BL L 2 2p p2 2p p3 3 3 3 = =1000.000m1000.000m，p p3 3 = 0.0125= 0.0125 2 2 = 100.000m= 100.000m，p p2 2 = 0.2620 = 0.2620 1 1 = 10.000m, p= 10.000m, p1 1 = 0.2562 = 0.2562距离的多频率组合 m m3 3 =0 =0 L= (m L= (m3 3+p+p3 3) )3 3 =(0+0.1250)x1000.000= =(0+0.1250)x1000.000=
10、125125.000m.000m m m2 2 =125/ =125/ 2 2 = 125/100= 1= 125/100= 1 L = (1+0.2620)x100.000 = L = (1+0.2620)x100.000 = 126.2126.200m00m m m1 1 = 126.2/ = 126.2/ 1 1 = 126.2/10 = 12= 126.2/10 = 12 L = (12+ 0.2562)x10 = L = (12+ 0.2562)x10 = 122.562m122.562m 还有哪些没有解决的问题？v第二个问题：第二个问题：波长波长是一个固定的值吗？是一个固定的值吗？
11、 波长波长= c / f= c / f，c c是否是一个固定的值是否是一个固定的值？f f 固定固定？还有哪些没有解决的问题？c = cc = c0 0 / n, n / n, n 折射率，与介质的折射率，与介质的密度密度有关，密度与有关，密度与温度、温度、气压、湿度气压、湿度等气象参数相关，建立波长与这些影响因素之间等气象参数相关，建立波长与这些影响因素之间的函数关系，即可以对电磁波距离测量值施加气象数改正。的函数关系，即可以对电磁波距离测量值施加气象数改正。 如某种测距仪的气象改正公式（由厂家提供）如某种测距仪的气象改正公式（由厂家提供）还有哪些没有解决的问题？f f可能产生少量的偏移，可
12、能产生少量的偏移，100MHz100MHz10Hz10Hz。 长距离测量时使用频率计直接测量电磁波的频率，成本长距离测量时使用频率计直接测量电磁波的频率，成本较高；较高； 短距离与已知距离比较，给出改正数。短距离与已知距离比较，给出改正数。电磁波测距工具组合式23测距头测距头光学经纬仪光学经纬仪功能键盘功能键盘电缆电缆电池电池发发射射与与接接收轴收轴液晶显示液晶显示器器望远镜视准轴望远镜视准轴电磁波测距工具全站式24视准轴视准轴、发发射射轴轴与与接收轴三接收轴三轴同轴轴同轴反反反反射射射射棱棱棱棱镜镜镜镜电磁波测距工具反反反反射射射射棱棱棱棱镜镜镜镜电磁波测距工具电磁波测距工具v温度计温度计v
13、气压计气压计v湿度计湿度计v对讲机对讲机测距仪的使用 测量学中使用的测距仪，测量学中使用的测距仪，一般都要跟经纬仪配合使用。一般都要跟经纬仪配合使用。 （1 1）经纬仪的对中、整平，）经纬仪的对中、整平，安装测距仪；安装测距仪； （2 2）记录气压和温度；）记录气压和温度； （3 3）测距并记录竖直角。）测距并记录竖直角。29电磁波测距误差分析根据误差传播定律：根据误差传播定律： 对固定对固定误差的误差的改正，称为改正，称为加常数改正加常数改正。对比例误差的。对比例误差的改正，称为改正，称为乘常数改正乘常数改正。加常数 测距仪的竖轴中心与电磁波发射和接收的等效面不一致测距仪的竖轴中心与电磁波发
14、射和接收的等效面不一致（仪器偏移常数）；反射棱镜的竖轴中心与等效反射面不一（仪器偏移常数）；反射棱镜的竖轴中心与等效反射面不一致致( (棱镜常数棱镜常数) )。仪器的加常数改正值与距离大小无关。仪器的加常数改正值与距离大小无关。 乘常数 乘常数包括两项内容，一是由调制频率偏离设计值引乘常数包括两项内容，一是由调制频率偏离设计值引起的误差改正；二是由气象条件引起的误差改正。起的误差改正；二是由气象条件引起的误差改正。测距成果的整理测测距距仪仪测测量量得得到到的的直直接接结结果果是是倾倾斜斜距距离离，并并且且含含有有多多项项误误差差因因素素的的影影响响，为为了了得得到到两两点点之之间间真真实实的的
15、水水平平距距离离或或者大地水准面上的者大地水准面上的弧长距离弧长距离，需要经过多项改正计算。，需要经过多项改正计算。1.1.气象改正气象改正2.2.加常数改正加常数改正3.3.乘常数改正乘常数改正4.4.倾斜改正倾斜改正SABD=?D=?实例v全站仪型号全站仪型号TC1610, TC1610, S S=1578.567m, =1578.567m, p p=910 =910 ( (百帕百帕) ), , t t=25=25C,C,=+15=+1530300000; ; a a=+2=+2mmmm, , b b=+2.5=+2.5ppmppm。水平距离水平距离=?SABD=?D=?每公里改正数每公里
16、改正数1mm1mm，称为，称为1ppm1ppmv气象改正气象改正v加常数与乘常数改正加常数与乘常数改正求解v改正后的斜距改正后的斜距vABAB点间水平距离点间水平距离求解全站仪全全站站仪仪是是由由电电子子测测角角、电电子子测测距距、电电子子计计算算和和数数据据存存储储等等单单元元组组成成的的三三维维坐坐标标测测量量系系统统，是是能能自自动动显显示示测测量量结结果果并并与与外外围围设设备备交交换换信信息息的的多多功功能能测测量量仪仪器器。由由于于仪仪器器较较完完善善地地实实现现了了测测量量和和处处理理过过程程的的一一体体化化，通通常常称称之之为为全全站站型型电电子子速速测仪测仪（Electron
17、ic Total StationElectronic Total Station），简称全站仪。），简称全站仪。全站仪组成 显示器显示器键键 盘盘只读存储器只读存储器随机存储器随机存储器输入输入/ /输出输出I/OI/O单元单元微微处处理理器器水平角测量单元水平角测量单元垂直角测量单元垂直角测量单元距离测量单元距离测量单元自动补偿单元自动补偿单元光电测量系统光电测量系统微处理器及软件微处理器及软件全站仪的优点全站仪的优点u 因三轴合一，仪器结构更紧凑因三轴合一，仪器结构更紧凑u 测距、测角结果自动显示测距、测角结果自动显示u 仪器操作简便仪器操作简便u 内置微处理器和相关软件包，通过全站仪的操
18、作键盘内置微处理器和相关软件包，通过全站仪的操作键盘完成相关计算，如相关改正、水平距离计算、高差计算、完成相关计算，如相关改正、水平距离计算、高差计算、三维坐标计算等三维坐标计算等u 可与计算机通讯、进行数据传输可与计算机通讯、进行数据传输全站仪 全站仪 全站仪 全站仪 南方全站仪的使用-以NTS-660系列为例南方全站仪的使用-仪器各部件名称及其功能南方全站仪的使用-面板介绍南方全站仪的使用南方全站仪的使用键功能键功能棱镜常数 大部分棱镜都是大部分棱镜都是通用的，与仪器通用的，与仪器无关。棱镜无关。棱镜的常数可的常数可在棱镜在棱镜框上面看到框上面看到，国产棱镜两种，国产棱镜两种常数，一种是常
19、数，一种是0 OFFSET0 OFFSET，即常数输入，即常数输入0 0，还有一种是，还有一种是30 OFFSET30 OFFSET，即常数输入，即常数输入- -30mm30mm。 南方全站仪的使用菜单简介常常用用测测量量程程序序进进入入常常规规测测量量模模式式数数据据存存储储管管理理数数据据的的下下载载与与上上传传仪仪器器检检验验与与校校正正仪仪器器参参数数设设置置南方全站仪的使用-显示模式南方全站仪的使用-显示模式南方全站仪的使用-显示模式南方全站仪的使用-程序功能南方全站仪的使用-程序功能南方全站仪的使用-程序功能作业v铁道工程测量铁道工程测量 P66P66，第，第1212、1313题。
20、题。v特别提醒，看清楚乘常数的数值单位。特别提醒，看清楚乘常数的数值单位。55实习9全站仪的认识实习内容：实习内容：1.1.全站仪的对中和整平，棱镜全站仪的对中和整平，棱镜支架的支架的对中和整平。对中和整平。2.2.熟悉全站仪各部分的名称及作用。熟悉全站仪各部分的名称及作用。3 3. .掌握温度和气压、棱镜常数等参数的输入。掌握温度和气压、棱镜常数等参数的输入。4.4.角度、距离测量角度、距离测量模式的切换模式的切换。注意：注意：1.1.每组领取一台仪器，每组领取一台仪器，2 2个脚架，个脚架，1 1个棱镜支架，个棱镜支架，2 2套套棱镜。仪器配件较多，棱镜。仪器配件较多，4 4人一组人一组，请预先分好组。，请预先分好组。 2.2.此次实习内容将在最后一次的导线实现中使用，此次实习内容将在最后一次的导线实现中使用，请予以重视。请予以重视。
