黑龙江工程学院黑龙江工程学院1第四章第四章 电磁波测距电磁波测距一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正三、光电测距的误差来源三、光电测距的误差来源黑龙江工程学院黑龙江工程学院2一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理1、电磁波和电磁波谱 根据麦克斯韦电磁场理论根据麦克斯韦电磁场理论, ,变化的电场能够在它的变化的电场能够在它的周围引起变化的磁场周围引起变化的磁场, ,这个变化的磁场又在较远的这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场区域内引起新的变化电场, ,并在更远的区域内引起并在更远的区域内引起新的变化磁场新的变化磁场. .这种变化的电场和磁场交替产生这种变化的电场和磁场交替产生, ,以以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁电磁波波。黑龙江工程学院黑龙江工程学院3一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理不同的波源产生不同的电磁波。电磁波：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。黑龙江工程学院黑龙江工程学院4一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院52、测距仪的分类和分级、测距仪的分类和分级按测定按测定t t的方法的方法按载波按载波按测程按测程一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院6按载波数按载波数按反射目标按反射目标一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院7分级分级 1999年年城市测量规范城市测量规范规定，按规定，按1km测距中误差测距中误差(即即 ，当，当D=1km时时)划分为两级：划分为两级：I级：级： 5mm;II级：级：5mm 10mm。 级：级：10mm 20mm。a-固定误差固定误差(mm), b-比例误差系数比例误差系数(mm/km)，D-测距边长度测距边长度(km)一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院8一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理3、电磁波测距基本原理公式、电磁波测距基本原理公式 ABD黑龙江工程学院黑龙江工程学院9一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理测定测定t方法有方法有直接测时：脉冲式测距仪直接测时：脉冲式测距仪 间接测时：相位式测距仪间接测时：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，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。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。黑龙江工程学院黑龙江工程学院10计数显示电子门时标脉冲触发器脉冲发射脉冲接收反射器DBA光电脉冲法测距原理光电脉冲法测距原理一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院114、相位式测距原理公式、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）作为它是用一种连续波（精密光波测距仪采用光波）作为“运运输工具输工具”（称为载波），通过一个调制器使载波的振幅或频（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播时间t，进而求得待测距离进而求得待测距离D。调制波的调制频率调制波的调制频率f角频率角频率周期周期T 波长波长 设调制波在距离设调制波在距离D往返一次产生的相位变化为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调制信号一个周期相位变化为2，则调制波的传播则调制波的传播时间时间t为：为：一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院12设调制信号为正弦信号，设调制信号为正弦信号， 包含包含2的整倍数的整倍数N2，和不足和不足2的尾数部分的尾数部分，即：即：单位长，单位长，“测尺测尺”，“电子尺电子尺”相位式测距仪是相位式测距仪是用长度为用长度为u u的的“测尺测尺”去量测距去量测距离，量了离，量了N N个整个整尺段加上不足一尺段加上不足一个个u u的长度就是的长度就是所测距离。所测距离。 一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院13N值解算的一般原理：值解算的一般原理：在上式中在上式中u=/2u=/2是已知的，是已知的，NN可测出（测相器只能测定余可测出（测相器只能测定余长长uNuN，而不能测出整周数而不能测出整周数NN）但仍有两个未知数，即待测但仍有两个未知数，即待测距离距离D D和整周数和整周数NN，这就使距离产生多值性，如能解出这就使距离产生多值性，如能解出NN，距离距离D D就成为单值解。就成为单值解。 由于测相器只能测定余长由于测相器只能测定余长uNuN，而不能测出整周数而不能测出整周数NN，例例如用一个频率测得如用一个频率测得2.5782.578mm，它可以是尾数都是它可以是尾数都是2.5782.578mm的若干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频率的测量只能得到余长而解不出NN。如果选择如果选择“测尺测尺”（或（或频率）大于待测距离频率）大于待测距离，则上式变成，则上式变成D=uN,D=uN,这可解出距离这可解出距离D D。但由于测相精度只能达到但由于测相精度只能达到1010-3-3，所以想要用单一频率的测量来，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。获得距离的单值解，则精度和测程就不可能兼顾。 一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院14一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理测尺频率15MHz1.5MHz150kHz15kHz1.5kHz测尺长度10m100m1km10km100km精度1cm10cm1m10m100m黑龙江工程学院黑龙江工程学院15为解决扩大测程和提高精度的矛盾，既得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程，相位式测距仪一般采用一组“测尺测尺”共同测距，即用精测频率测定余长以保证共同测距，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，从而解决而保证测程，从而解决“多值性多值性”问题。问题。 一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院16（限制所测距离（限制所测距离D小于小于u2） 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：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：N1为正整数，为正整数，N1为小于为小于1的小数，该式的小数，该式两边的整数部份和小数部份应分别相等两边的整数部份和小数部份应分别相等例：例：u1=10m, u2=1000m, k=100, 测尺放大系数测尺放大系数一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理黑龙江工程学院黑龙江工程学院17一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理如果用两个频率如果用两个频率f1 f1和和f2f2的调制波分别测量同一距离，则的调制波分别测量同一距离，则黑龙江工程学院黑龙江工程学院18一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理 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。黑龙江工程学院黑龙江工程学院19第一类仪器本身所造成的改正：加常数第一类仪器本身所造成的改正：加常数 置平置平 乘常数（频率）乘常数（频率） 周期误差周期误差第二类大气折光而引起的改正：气象第二类大气折光而引起的改正：气象 波道弯曲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）第三类归算方面的改正：倾斜和投影到椭球面上（下册） 二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正说明：由于现在测距仪的性能和自动化程度不同，测距说明：由于现在测距仪的性能和自动化程度不同，测距仪的精度要求也各异，故有些改正可不需进行，有的在仪的精度要求也各异，故有些改正可不需进行，有的在观测时只需在仪器中直接输入有关数值或改正值即可。观测时只需在仪器中直接输入有关数值或改正值即可。黑龙江工程学院黑龙江工程学院20二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正1、周期误差的测定 （1）什么是周期误差 所谓的周期误差是指按照一定的距离为周期的重复出现的误差。 周期误差主要来源于仪器的内部固定的串扰信号。 设测距信号为e1,串扰信号为e2,两者的相位差为 ，两者的比值为黑龙江工程学院黑龙江工程学院21二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正 根据分析和推导，同频串扰时，有下列关系存在：则由于串扰信号引起的附加位移为黑龙江工程学院黑龙江工程学院22二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正ViViViVi为周期误差改正数；为周期误差改正数；为周期误差改正数；为周期误差改正数；A A A A为周期误差的振幅；为周期误差的振幅；为周期误差的振幅；为周期误差的振幅； 为初相角，为初相角，为初相角，为初相角， 为与为与为与为与待测距离的尾数相应的相位角。待测距离的尾数相应的相位角。待测距离的尾数相应的相位角。待测距离的尾数相应的相位角。 黑龙江工程学院黑龙江工程学院23二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正（2）周期误差的测定方法 1）观测 在室外选择一平坦场地，设置一个平台。平台长度应于仪器的精测尺长度相适应。 观测时先由近至远在反光镜各个位置测定距离，反光镜每次移动的四十分之一精测尺的长度，序号为1，2，3-40。黑龙江工程学院黑龙江工程学院24二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正2）计算1误差方程式黑龙江工程学院黑龙江工程学院25二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正黑龙江工程学院黑龙江工程学院26二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正2组成法方程黑龙江工程学院黑龙江工程学院27二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正3精度评定一次测量中误差一次测量中误差周期误差的中误差周期误差的中误差黑龙江工程学院黑龙江工程学院28二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正2、仪器常数的测定、仪器常数的测定什么是仪器常数？什么是仪器常数？ 所谓的仪器常数包括仪器的加常数和乘所谓的仪器常数包括仪器的加常数和乘常数。常数。 加常数是由于仪器的电子中心与其机械加常数是由于仪器的电子中心与其机械中心不重合而形成的。中心不重合而形成的。 乘常数是由于测距频率偏差而形成的。乘常数是由于测距频率偏差而形成的。 黑龙江工程学院黑龙江工程学院292、仪器常数的测定、仪器常数的测定 加常数加常数Kn n测距仪的机械中心与调制波发测距仪的机械中心与调制波发测距仪的机械中心与调制波发测距仪的机械中心与调制波发射和接收的等效面不一致；测距射和接收的等效面不一致；测距射和接收的等效面不一致；测距射和接收的等效面不一致；测距仪的机械中心与内光路等效面不仪的机械中心与内光路等效面不仪的机械中心与内光路等效面不仪的机械中心与内光路等效面不一致使仪器产生（与所测距离长一致使仪器产生（与所测距离长一致使仪器产生（与所测距离长一致使仪器产生（与所测距离长短无关的）加常数。短无关的）加常数。短无关的）加常数。短无关的）加常数。（2）乘常数）乘常数 电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。这就是乘常数。这就是乘常数。这就是乘常数。这就是乘常数。 乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，可以经检定求得。可以经检定求得。可以经检定求得。可以经检定求得。二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正黑龙江工程学院黑龙江工程学院30用六段解析法测定加常数用六段解析法测定加常数 得得n=6.5一般取一般取n=6（段）段） 二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正黑龙江工程学院黑龙江工程学院312、气象改正、气象改正 这是电磁波测距最重要的改正，因为电磁波在大气中传这是电磁波测距最重要的改正，因为电磁波在大气中传输时受气象条件的影响很大。实质是大气折射率对距离的输时受气象条件的影响很大。实质是大气折射率对距离的改正，因大气折射率与气压、气温、湿度有关，因此习惯改正，因大气折射率与气压、气温、湿度有关，因此习惯叫气象改正。叫气象改正。二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正黑龙江工程学院黑龙江工程学院32二、距离观测值的改正二、距离观测值的改正黑龙江工程学院黑龙江工程学院33三、光电恻距的误差来源三、光电恻距的误差来源黑龙江工程学院黑龙江工程学院342、测距精度估计、测距精度估计衡量仪器的测距精度，一是仪器的内部符合精度，衡量仪器的测距精度，一是仪器的内部符合精度，二是仪器的外部符合精度。二是仪器的外部符合精度。内部符合精度：指仪器对同一距离进行多次观测，内部符合精度：指仪器对同一距离进行多次观测，其观测值之间的符合程度。其观测值之间的符合程度。它反映了仪器的测相误差以及外界大气条件的影响它反映了仪器的测相误差以及外界大气条件的影响外部符合精度：指用测距仪在基线上比测后，所得外部符合精度：指用测距仪在基线上比测后，所得到的量测值与基线比较而求得的精度指标。到的量测值与基线比较而求得的精度指标。每台仪器出厂时的标准精度也是外部符合精度。每台仪器出厂时的标准精度也是外部符合精度。