第四章电磁波测距第四章第四章 电磁波测距电磁波测距 4.1 4.1 电光调制和光电转换电光调制和光电转换 4.2 4.2 电磁波测距仪的分类电磁波测距仪的分类 4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用 4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用 4.5 4.5 干涉法测距的基本原理及应用干涉法测距的基本原理及应用 4.6 4.6 光波测距仪的合作目标光波测距仪的合作目标 4.7 4.7 光波测距仪的检验光波测距仪的检验 4.8 4.8 电磁波及其在大气中的传播电磁波及其在大气中的传播 4.9 4.9 测距成果的归算测距成果的归算 4.10 4.10 光波测距与误差来源及精度估算光波测距与误差来源及精度估算 4.11 4.11 微波测距概要微波测距概要 4.12 4.12 全站仪全站仪4.1 4.1 电光调制和光电转换电光调制和光电转换一、调制的意义和分类一、调制的意义和分类光波调制：使光波的振幅、频率或相位发生有规律变化的过程。调制有调幅、调频、调相三种。原振幅不变原振幅不变J Jm m=I=I0 0sintsint调制器JtJtI0调幅调幅调幅调幅4.1 4.1 电光调制和光电转换电光调制和光电转换二、光电转换二、光电转换原因：测距仪的测相器要求输入的是电信号，而原因：测距仪的测相器要求输入的是电信号，而 反射回来的是光信号。反射回来的是光信号。常用的光电转换器件有光电二极管和光电倍增器。常用的光电转换器件有光电二极管和光电倍增器。一、电磁波测距的基本原理一、电磁波测距的基本原理式中，式中， 为电磁波在大气中的传播速度，约为为电磁波在大气中的传播速度，约为 为电磁波的往返传播时间，为电磁波的往返传播时间， 为被测距离。为被测距离。4.2 4.2 电磁波测距仪的分类电磁波测距仪的分类二、电磁波测距仪使用的载波二、电磁波测距仪使用的载波1 1、光与微波、光与微波、光与微波、光与微波光光光光可见光可见光可见光可见光不可见光不可见光不可见光不可见光微波微波微波微波机械波机械波机械波机械波电磁波电磁波电磁波电磁波无线电波无线电波无线电波无线电波红外线红外线红外线红外线可见光可见光可见光可见光紫外线紫外线紫外线紫外线X X射线射线射线射线伦琴射线伦琴射线伦琴射线伦琴射线 射线射线射线射线宇宙射线宇宙射线宇宙射线宇宙射线波波长长由由长长到到短短4.2 4.2 电磁波测距仪的分类电磁波测距仪的分类二、电磁波测距仪使用的载波二、电磁波测距仪使用的载波2 2、激光、激光激光的特性：激光的特性：激光的特性：激光的特性：高方向性高方向性高方向性高方向性高亮度高亮度高亮度高亮度高单色性高单色性高单色性高单色性高相干性高相干性高相干性高相干性4.2 4.2 电磁波测距仪的分类电磁波测距仪的分类4.2 4.2 电磁波测距仪的分类电磁波测距仪的分类三、测距仪的分类三、测距仪的分类按测定t的方法：脉冲式：直接测定时间脉冲式：直接测定时间脉冲式：直接测定时间脉冲式：直接测定时间相位式：通过测定相位来推算时间相位式：通过测定相位来推算时间相位式：通过测定相位来推算时间相位式：通过测定相位来推算时间4.2 4.2 电磁波测距仪的分类电磁波测距仪的分类按测程分：按测程分：按测程分：按测程分：短程测距仪（短程测距仪（15km）按载波分：按载波分：按载波分：按载波分：光波测距仪，微波测距仪光波测距仪，微波测距仪按载波数分：按载波数分：按载波数分：按载波数分：单载波测距仪、双载波测距仪、三载波测距仪单载波测距仪、双载波测距仪、三载波测距仪按反射目标分：按反射目标分：按反射目标分：按反射目标分：漫反射目标、合作目标、有源反射器漫反射目标、合作目标、有源反射器按功能分：按功能分：按功能分：按功能分：单一型、半站型、全站型单一型、半站型、全站型按一公里测距中误差分：按一公里测距中误差分：按一公里测距中误差分：按一公里测距中误差分：、级测距仪级测距仪三、测距仪的分类三、测距仪的分类4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用一、基本原理一、基本原理脉冲法测距：直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被脉冲法测距：直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被测距离的传播时间以获得距离。测距离的传播时间以获得距离。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DBA4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用二、脉冲式测距仪的基本结构二、脉冲式测距仪的基本结构4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用三、光脉冲测距对光脉冲的要求三、光脉冲测距对光脉冲的要求具有足够的强度具有良好的方向性具有良好的单色性具有很窄的脉冲宽度4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用4.3 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用脉冲法测距的基本原理及应用四、计算系统四、计算系统主要装置主要装置晶体振荡器晶体振荡器主门主门主门主门计数器计数器计数器计数器显示器显示器显示器显示器晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器晶体振荡器脉冲信号输入脉冲信号输入一、基本原理一、基本原理相位法测距：相位法测距：相位法测距：相位法测距：通过测量连续的调制信号在待测距离上往返传通过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来间接测定传播时间，从而求得距离。播产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得距离。显示器比相器混频器（）混频器（）高频电波接收器调制器载波源4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用二、计算公式二、计算公式仪器发射的调制波信号为：仪器接收到的反射波信号为：可得发射波与反射波之间的相位差：则：二、计算公式二、计算公式可以得到：由于：得到：测尺长度测尺长度4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用三、三、N值的确定值的确定当测尺长度当测尺长度 大于距离大于距离 时，则时，则 ，可，可以求得精确距离值以求得精确距离值 。因此，选用较长测尺可。因此，选用较长测尺可以提高测程。以提高测程。 4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用三、三、N值的确定值的确定一组测尺共同测距的原理：一组测尺共同测距的原理：短测尺短测尺长测尺长测尺则：则：所以：所以：4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用四、常用测尺频率方式四、常用测尺频率方式差频频率差频频率假设两个调制波的频率分别为假设两个调制波的频率分别为由于由于可得可得即：即：4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用其中：其中：因此：因此：五、差频测相五、差频测相相位测量：利用高频测距信号、高频基准信号分别通过 混频器混频后得到两个低频信号，由这两个低 频信号经比相而测出相位差。差频测相：把高频信号相位差的测量用差频的方法转化 为低频信号相位差的测量。分为平衡测相和自 动数字测相。4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用五、差频测相五、差频测相发射调制光的相位：本机震荡信号的相位：混频后低频信号的相位：反射后的调制光相位：相位移：4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用六、自动数字测相六、自动数字测相自动数字测相：仪器在逻辑指令的控制下，通过脉冲计 数，自动测量、运算并直接显示距离的 一种测相方法。特点：精度高，速度快，便于和数据处理设备连接，实现了数据处理自动化。4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用4.4 4.4 相位法测距的基本原理及应用相位法测距的基本原理及应用七、测距新技术七、测距新技术徕卡全站仪在测距方面采用了一系列的新技术高频测距技术温控与动态频率校正技术无棱镜相位法激光测距技术4.5 4.5 干涉法测距的基本原理干涉法测距的基本原理干涉法测距：通过测定光波本身的相位叠加结 果而测定距离。4.6 4.6 光波测距仪的合作目标光波测距仪的合作目标4.7 4.7 光波测距仪的检验光波测距仪的检验一、主要检验项目一、主要检验项目功能检验功能检验轴系关系正确性检验轴系关系正确性检验照准误差测定照准误差测定幅相误差的测定幅相误差的测定周期误差的测定周期误差的测定加常数的测定加常数的测定乘常数的测定乘常数的测定内部、外部符合精度的检验内部、外部符合精度的检验适应性能的检测适应性能的检测测程的检验测程的检验4.7 4.7 光波测距仪的检验光波测距仪的检验二、周期误差二、周期误差周期误差：按一定的距离为周期重复出现的误差。误差来源：仪器内部的串扰信号减弱措施：加大测距信号减弱串扰信号加周期误差改正数测定方法：平台法4.7 4.7 光波测距仪的检验光波测距仪的检验三、加常数与乘常数三、加常数与乘常数加常数：由于测距仪的机械中心与调制波发射 和接收的等效面不一致而产生。乘常数：主要是由调制频率偏离设计值引起的， 是尺度比例系数。4.7 4.7 光波测距仪的检验光波测距仪的检验四、用六段解析法测定加常数四、用六段解析法测定加常数d1d2dnD由此可得：4.7 4.7 光波测距仪的检验光波测距仪的检验五、用六段比较法测定加、乘常数五、用六段比较法测定加、乘常数D01D12D56D（已知）D23D34D45一、一般概念一、一般概念真空中的光速：真空中的光速：真空中的光速：真空中的光速：空气中的光速：空气中的光速：空气中的光速：空气中的光速：其中，其中，其中，其中，n n为空气折射率为空气折射率为空气折射率为空气折射率两项误差：光速误差、波道弯曲误差两项误差：光速误差、波道弯曲误差两项误差：光速误差、波道弯曲误差两项误差：光速误差、波道弯曲误差4.8 4.8 电磁波在大气中的传播电磁波在大气中的传播4.8 4.8 电磁波在大气中的传播电磁波在大气中的传播二、电磁波的大气衰减二、电磁波的大气衰减衰减的主要原因：大气气体分子的吸收大气密度的变化空中微粒的散射布格（Bouguer）公式:4.8 4.8 电磁波在大气中的传播电磁波在大气中的传播三、电磁波的传播速度三、电磁波的传播速度 1 1、折射率、折射率折射率与大气成分、温度、压力、湿度、波折射率与大气成分、温度、压力、湿度、波长等都有关系，即长等都有关系，即三、电磁波的传播速度三、电磁波的传播速度 2 2、大气参数的测定、大气参数的测定4.8 4.8 电磁波在大气中的传播电磁波在大气中的传播温度：利用通风干湿计，测定干湿温度的精度温度：利用通风干湿计，测定干湿温度的精度分别为分别为0.2和和0.1。气压：使用精度高于气压：使用精度高于1mb的空盒气压计测量。的空盒气压计测量。湿度：使用通风干湿计。湿度：使用通风干湿计。4.8 4.8 电磁波在大气中的传播电磁波在大气中的传播四、电磁波的波道弯曲四、电磁波的波道弯曲波道的曲率半径可以表达为：由此得出，波道半径与折射率的梯度成反比。一般的，对于光波来说r=50 000km，则折光系数：4.9 4.9 测距成果的归算测距成果的归算一、概述一、概述改正项目：改正项目：改正项目：改正项目：系统误差改正加常数、乘常数改正、周期误差改正气象条件改正大气折射率变化所引起的改正归算方面改正倾斜改正、归算改正、投影改正、归 心改正、波道弯曲改正4.9 4.9 测距成果的归算测距成果的归算二、速度改正二、速度改正第一次速度改正：测距仪显示的距离：测距仪显示的距离：其中，其中， 为仪器的参考折射率，为仪器的参考折射率，而实际光程长度：而实际光程长度：因此，第一次速度改正数：因此，第一次速度改正数：4.9 4.9 测距成果的归算测距成果的归算二、速度改正二、速度改正第二次速度改正：由于由于而而因此，第二次改正数：因此，第二次改正数：4.9 4.9 测距成果的归算测距成果的归算三、几何改正三、几何改正改正的目的：将速度改正后的弧改正的目的：将速度改正后的弧长度先归算成测站间的直长度先归算成测站间的直线斜距，然后再归算至椭线斜距，然后再归算至椭球面上的弦长，最后归算球面上的弦长，最后归算至椭球面上的弧长。至椭球面上的弧长。4.9 4.9 测距成果的归算测距成果的归算四、投影改正四、投影改正改正的目的：将几何改正后的大地线长度按高斯投改正的目的：将几何改正后的大地线长度按高斯投影法投影到高斯平面上，并求出两点影法投影到高斯平面上，并求出两点在高斯平面上的直线距离。在高斯平面上的直线距离。其中，其中，4.10 4.10 光波测距的误差来源光波测距的误差来源及精度估计及精度估计一、测距误差的主要来源一、测距误差的主要来源为光速测定中误差为光速测定中误差为测距频率中误差为测距频率中误差为折射率求定中误差为折射率求定中误差为相位测定中误差为相位测定中误差为加常数测定中误差为加常数测定中误差为周期误差测定中误差为周期误差测定中误差为对中误差为对中误差4.10 4.10 光波测距的误差来源光波测距的误差来源及精度估计及精度估计二、测距误差的分类二、测距误差的分类1 1、比例误差、比例误差光速值的误差影响光速值的误差影响：可以忽略不计。：可以忽略不计。调制频率的误差影响调制频率的误差影响 调调制制频频率率的的误误差差，包包括括两两个个方方面面，即即频频率率校校正正的的误误差差（反反映映了了频频率率的的精精确确度度）和和频频率率的的漂漂移移误误差差（反反映映了了频频率稳定度）。率稳定度）。大气折射率的误差影响大气折射率的误差影响正正确确测测定定测测站站和和镜镜站站上上的的气气象象元元素素，并并使使算算得得的的大大气折射系数与传播路径上的实际数值十分接近。气折射系数与传播路径上的实际数值十分接近。4.10 4.10 光波测距的误差来源光波测距的误差来源及精度估计及精度估计二、测距误差的分类二、测距误差的分类2 2、固定误差、固定误差对中误差对中误差 要求对中误差在要求对中误差在3mm3mm以下，归心误差在以下，归心误差在5mm5mm以内。以内。仪器加常数误差仪器加常数误差经常对加常数进行及时检测。经常对加常数进行及时检测。测相误差测相误差 包包括括测测相相设设备备本本身身的的误误差差，幅幅相相误误差差，照照准准误误差差，信信噪比引起的误差。噪比引起的误差。周期误差周期误差 有特殊性，与距离有关但不成正比有特殊性，与距离有关但不成正比三、测距精度估计三、测距精度估计4.10 4.10 光波测距的误差来源光波测距的误差来源及精度估计及精度估计内符合精度：内符合精度：仪器对同一距离进行多次测定，其观测值之间的符合程度。一次测定中误差为：平均中误差为：相对中误差为：外符合精度：外符合精度：测量值与已知值比较而求得的精度指标。测距精度：4.11 4.11 微波测距概要微波测距概要微波测距：以微波作为载波进行测量。在测线两端分别微波测距：以微波作为载波进行测量。在测线两端分别 安置两台仪器，即主台和副台，主台发射电安置两台仪器，即主台和副台，主台发射电 波被副台接收后，由副台再转发给主台。波被副台接收后，由副台再转发给主台。优点：优点：对观测条件要求不高对观测条件要求不高架设仪器不需要精确瞄准目标架设仪器不需要精确瞄准目标测线两端直接利用机内通讯设备进行联系，不需测线两端直接利用机内通讯设备进行联系，不需要另配通信设备要另配通信设备4.12 4.12 全站仪全站仪一、概述一、概述把把电电子子测测距距、电电子子测测角角和和微微处处理理机机结结合合成成一一个个整整体体、能能自自动动记记录录、存存储储并并具具备备某某些些固固定定计计算算程程序序的的电电子子速速测测仪仪 ，因因该该仪仪器器在在一一个个测测站站点点能能快快速速进进行行三三维维坐坐标标测测量量、定定位位和和自自动动数数据据采采集集、处处理理、存存储储等等工工作作，较较完完善善地地实实现现了了测测量量和和数数据据处处理理过过程程的的电电子子化化和和一一体体化化，所所以以称称“ “全全站站型型电电子子速速测测仪仪” ”，通通常常又又称称为为“ “电电子子全站仪全站仪” ”或简称或简称“ “全站仪全站仪” ”。 4.12 4.12 全站仪全站仪二、全站仪的组成二、全站仪的组成补偿部分测角部分测距部分CPUCPUI/OI/O接 口中央处理器输入输出电 源显 示 屏键 盘4.12 4.12 全站仪全站仪三、全站仪的精度三、全站仪的精度全站仪是由光电测距、电子测角、电子补偿、微机数据处理为一体的综合型测量仪器，其主要精度指标是测距精度和测角精度。SOKKIA SET500全站仪：测角精度=5；测距精度=（3+2ppm）mm。Leica TCA2003全站仪：测角精度=0.5；测距精度=（1+1ppm）mm。4.12 4.12 全站仪全站仪四、全站仪的等级四、全站仪的等级4.12 4.12 全站仪全站仪五、全站仪的特点五、全站仪的特点1 1）电脑操作系统。）电脑操作系统。2 2）大屏幕显示。）大屏幕显示。3 3）大容量的内存。）大容量的内存。4 4）采用国际计算机通用磁卡。）采用国际计算机通用磁卡。5 5）自动补偿功能。）自动补偿功能。6 6）测距时间快，耗电量少。）测距时间快，耗电量少。4.12 4.12 全站仪全站仪六、超站仪六、超站仪 集成集成GPSGPS接收机的高性能全站仪。接收机的高性能全站仪。GPSGPS完全嵌入全站仪，使用同一个完全嵌入全站仪，使用同一个键盘、同一块存储卡、同一个屏幕等。键盘、同一块存储卡、同一个屏幕等。可可以以单单独独作作为为全全站站仪仪、GPSGPS静静态态测测量、量、RTKRTK流动站使用。流动站使用。 测距仪使用的载波及其特点测距仪使用的载波及其特点 电磁波测距的电磁波测距的基本原理基本原理基本原理基本原理，测距仪的分类，测距仪的分类 脉冲法测距的基本原理脉冲法测距的基本原理脉冲法测距的基本原理脉冲法测距的基本原理以及对光脉冲的要求以及对光脉冲的要求 相位法测距的基本原理相位法测距的基本原理相位法测距的基本原理相位法测距的基本原理与计算与计算 相位测量的概念与方法（差频测相、自动数字测相）相位测量的概念与方法（差频测相、自动数字测相） 测距仪的检验项目测距仪的检验项目测距仪的检验项目测距仪的检验项目，周期误差的测定，周期误差的测定，加常数与乘常加常数与乘常加常数与乘常加常数与乘常数数数数的确定的确定 测距成果的归算项目测距成果的归算项目测距成果的归算项目测距成果的归算项目，大气改正，大气改正 测距误差的主要来源与分类测距误差的主要来源与分类测距误差的主要来源与分类测距误差的主要来源与分类（比例误差、固定误差），（比例误差、固定误差），测距精度估算测距精度估算 全站仪的概况全站仪的概况本章小结本章小结作业一作业一第二章第二章第二章第二章1 1 1 1、控制网优化设计有哪几类？每一类的固定参、控制网优化设计有哪几类？每一类的固定参、控制网优化设计有哪几类？每一类的固定参、控制网优化设计有哪几类？每一类的固定参数和待定参数各是哪些？数和待定参数各是哪些？数和待定参数各是哪些？数和待定参数各是哪些？2 2 2 2、简述控制网技术设计的步骤与内容。、简述控制网技术设计的步骤与内容。、简述控制网技术设计的步骤与内容。、简述控制网技术设计的步骤与内容。第三章第三章第三章第三章1 1 1 1、什么是经纬仪的三轴误差？如何测定？它们对水、什么是经纬仪的三轴误差？如何测定？它们对水、什么是经纬仪的三轴误差？如何测定？它们对水、什么是经纬仪的三轴误差？如何测定？它们对水平角观测有何影响？在观测时采用什么措施来减平角观测有何影响？在观测时采用什么措施来减平角观测有何影响？在观测时采用什么措施来减平角观测有何影响？在观测时采用什么措施来减弱或消除这些影响？弱或消除这些影响？弱或消除这些影响？弱或消除这些影响？作业二作业二第四章第四章第四章第四章1 1 1 1、试述相位测距法的测距的基本原理与公式、试述相位测距法的测距的基本原理与公式、试述相位测距法的测距的基本原理与公式、试述相位测距法的测距的基本原理与公式2 2 2 2、测距误差共有哪些？哪些属于比例误差？哪、测距误差共有哪些？哪些属于比例误差？哪、测距误差共有哪些？哪些属于比例误差？哪、测距误差共有哪些？哪些属于比例误差？哪些属于固定误差？些属于固定误差？些属于固定误差？些属于固定误差？3 3 3 3、利用电磁波测距仪进行精密距离测量时，对、利用电磁波测距仪进行精密距离测量时，对、利用电磁波测距仪进行精密距离测量时，对、利用电磁波测距仪进行精密距离测量时，对测量结果需要进行哪些改正？测量结果需要进行哪些改正？测量结果需要进行哪些改正？测量结果需要进行哪些改正？作业三作业三