第3章距离测量B.ppt

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1、1 1948年瑞典AGA厂推出了第一台光波测距仪随着需求的增长和光学、微电子学的发展使电磁波测距的技术迅速发展。进一步推进了测量学的发展尽管GPS应用很广，短程电磁波测距仪仍然大有用途3-3 光电测距光电测距2电磁波测距仪的分类按载波分微波测距仪激光测距仪红外光测距仪按测程分远（长）程测距仪中、短程测距仪3 w w红外光源：红外光源：采用砷化镓发光二极管发出采用砷化镓发光二极管发出不可见的红外光，目前工程测量中所使用不可见的红外光，目前工程测量中所使用的的短程测距仪大都采用此光源。短程测距仪大都采用此光源。w w激光光源：激光光源：采用固体激光器、气体激采用固体激光器、气体激光器或半导体激光器

2、发出的方向性强、亮光器或半导体激光器发出的方向性强、亮度高、相干性好的激光作光源，一般用于度高、相干性好的激光作光源，一般用于中远程测距仪上。中远程测距仪上。4光电测距仪分类按距离分短程光电测距仪短程光电测距仪：测程小于：测程小于3公里，公里，用于用于工程测量。工程测量。中程光电测距仪中程光电测距仪：测程为：测程为315公里，公里，通常用于一般等级控制测量。通常用于一般等级控制测量。远程光电测距仪远程光电测距仪：测程大于测程大于15公里公里，通通常用于国家三角网及特级导线。常用于国家三角网及特级导线。5电子全站仪电子全站仪棱棱镜镜全全站站仪仪67n下图是南方测绘公司生产的下图是南方测绘公司生产

3、的ND3000红外相位式测距仪，红外相位式测距仪，n它自带望远镜，望远镜的视准轴、发射光轴和接收光轴同轴，它自带望远镜，望远镜的视准轴、发射光轴和接收光轴同轴，n有垂直制动螺旋和微动螺旋，可以安装在光学经纬仪上或电子经纬仪上。有垂直制动螺旋和微动螺旋，可以安装在光学经纬仪上或电子经纬仪上。n测距时，测距仪瞄准棱镜测距，经纬仪瞄准棱镜测量竖直角，测距时，测距仪瞄准棱镜测距，经纬仪瞄准棱镜测量竖直角，n通过测距仪面板上的键盘，将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中，通过测距仪面板上的键盘，将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中，n可以计算出水平距离和高差。可以计算出水平距离和高差。n右图为与仪器配套的

4、棱镜对中杆与支架，它用于放样测量非常方便。右图为与仪器配套的棱镜对中杆与支架，它用于放样测量非常方便。8n下图是徕卡公司生产的下图是徕卡公司生产的DI1000红外相位式测距仪，红外相位式测距仪，n它不带望远镜，发射光轴和接收光轴是分立的，它不带望远镜，发射光轴和接收光轴是分立的，n仪器通过专用连接装置安装到徕卡公司生产的光学经纬仪或电子经纬仪上。仪器通过专用连接装置安装到徕卡公司生产的光学经纬仪或电子经纬仪上。n测距时，当经纬仪的望远镜瞄准棱镜下的照准觇牌时，测距时，当经纬仪的望远镜瞄准棱镜下的照准觇牌时，n测距仪的发射光轴就瞄准了棱镜，测距仪的发射光轴就瞄准了棱镜，n使用仪器的附加键盘将经纬

5、仪测量出的天顶距输入到测距仪中，使用仪器的附加键盘将经纬仪测量出的天顶距输入到测距仪中，n即可计算出水平距离和高差。即可计算出水平距离和高差。91011光波测距仪光波测距仪 AGA 2AAGA 2A激光测距仪激光测距仪 AGA8AGA8微波测距仪微波测距仪 CMW20CMW20红外测距仪红外测距仪 DI5DI512光电测距原理lAB两点距离：两点距离：D ct/2式中式中 c电磁波信号在大气中的传播速度电磁波信号在大气中的传播速度，其值约为，其值约为c 3108米米/秒。秒。t 测量测量2D所需的时间。所需的时间。13时间t2D的测定测量距离的精度将主要取决于测量时间的精度，光测量距离的精度将

6、主要取决于测量时间的精度，光电测距关键是时间的测定，在电子测距中测量时间一般电测距关键是时间的测定，在电子测距中测量时间一般采用两种方法采用两种方法 (1)直接测定时间直接测定时间：如：如电子脉冲法电子脉冲法.(2)间接的测定时间间接的测定时间：相位法相位法(通过测量电磁波信号通过测量电磁波信号往返传播所产生的相位移来间接的测定时间往返传播所产生的相位移来间接的测定时间)。14相位法测距仪的基本结构图f发生器测相装置GaAs光源接收装置电 源反射器接口15按电磁波理论：光是电磁波，其数学表达式为:它表达了光波在转播空间任一位置上电磁振动的状态。其中：)sin(0tAEfCfCCTTTfftA；

7、播的距离称为波长；波在一个振动周期内传变化一次的时间；是周期，即正弦波循环是频率，的值，是单位时间内相位变化是初始相位；是相位；是振幅；10016相位法测距原理通过测定光波的相位移代替测定T2D.如图为测距仪发出经调制的按正弦波变化的调制信号的往返传播情况。v信号的周期为T，一个周期信号的相位变化为2，v信号往返所产生的相位移为:17v信号的周期为信号的周期为T，一个周期信号的相位变化为一个周期信号的相位变化为2，v信号往返所产生的相位移为信号往返所产生的相位移为:式中式中f调制信号的频率；调制信号的频率；t调制信号往返传播的时间；调制信号往返传播的时间；c调制信号在大气中的传播速度；调制信号

8、在大气中的传播速度；调制信号的波长。（调制信号的波长。（图图4-7）)(2222122121)(2)(2cfcfcctDABbftaft距离：则：18如如图图4-7，信号往返所产生的相位移为：，信号往返所产生的相位移为：N2 2（N）（d）式中：式中：N为相位移的整周期数为相位移的整周期数,为不足一周期的尾数。将其代入为不足一周期的尾数。将其代入c式式(D=(c/2f)(/2 )得：得：D （N）（NN）式中：式中：，为调制正弦波信号的波长；为调制正弦波信号的波长；N。令令u，上式可写成上式可写成：Du（NN）2fc212fc22219 Du（NN）可以理解为用一把长度为可以理解为用一把长度为

9、“u ”的的“光测尺光测尺”量距，量距，N为整尺段数，为整尺段数，N为不足一整尺段的尾数为不足一整尺段的尾数,相当于钢尺量距相当于钢尺量距D=nl+q。但仪器用于测量相位的装置（称相位计）只能测量出但仪器用于测量相位的装置（称相位计）只能测量出,即即尺段尾数尺段尾数N(N=/2 )，而不能测量整周数而不能测量整周数N。如：当测尺长度为如：当测尺长度为u10m时，时，要测量距离为要测量距离为835.486m时，测量出的距离只能为时，测量出的距离只能为5.486m，即此时只能测即此时只能测量小于量小于10m的距离。的距离。为了能得到距离的单解值，可将调制频率降低，使调制波长为了能得到距离的单解值，

10、可将调制频率降低，使调制波长大于待测大于待测距离的距离的2倍，这时待测距离的相位移即为倍，这时待测距离的相位移即为 。将将相位计记录的相位计记录的 转换为距转换为距离，在测距仪的显示窗中显示出来。离，在测距仪的显示窗中显示出来。20w 仪器的测相精度只有仪器的测相精度只有1/1000，故当测尺，故当测尺距离越长，距离测量距离越长，距离测量误差越大误差越大，例如：例如：当当f1=15MHZ时，测尺长度时，测尺长度/2=10m，距离误差为距离误差为 0.01m，当当f2=0.15MHZ时，测尺长度时，测尺长度/2=1000m，距离误差为距离误差为 1m。图图4-J2 AAB21例：例：测量距离时采

11、用测量距离时采用u110m和和u21000m测尺测尺，测量结果如下：测量结果如下：精测精测结果结果5.486粗测粗测结果结果835.4仪器显示仪器显示835.486w w 为了兼顾测程和精度，为了兼顾测程和精度，仪器中采用一组测尺配合测距仪器中采用一组测尺配合测距，“粗测尺粗测尺（长度较大的测尺长度较大的测尺：如：如：1000m)”，“精测尺精测尺（长度较小的测尺长度较小的测尺：如：如：10m）”.同时测距，然后将粗测结果和精测结果组合得最后结果。同时测距，然后将粗测结果和精测结果组合得最后结果。粗测尺保证了测程，精测尺保证了精度。粗测尺保证了测程，精测尺保证了精度。22测程和精度测相的精度是

12、有限的。例如可以把测相的精度是有限的。例如可以把细分细分1000倍，则测量的精倍，则测量的精度为测尺的度为测尺的1/1000。设。设，这时最小读数为，这时最小读数为cm。m102电子尺若要提高读数精度，就应缩短电子尺。但由于凭一个若要提高读数精度，就应缩短电子尺。但由于凭一个无法求无法求得整尺段数得整尺段数N，即不知待测距离的大数。就是说：即不知待测距离的大数。就是说：用短的电子尺用短的电子尺测量精度高但测程小测量精度高但测程小。如果用长的电子尺能扩大测程，但由于细分技术的限制，不能求如果用长的电子尺能扩大测程，但由于细分技术的限制，不能求得精确的尾数。即得精确的尾数。即测程大但精度低测程大但

13、精度低。用两个频率的波（两个不同的电子尺）进行测量，一个用来测量用两个频率的波（两个不同的电子尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。23测距仪基本操作设立目标和安置反射器；设立目标和安置反射器；安置测距仪：安置测距仪：固定测距仪，对中、整平固定测距仪，对中、整平瞄准反射器：根据反射器的构造，瞄准位瞄准反射器：根据反射器的构造，瞄准位置不同，一般瞄准反射棱镜中心。置不同，一般瞄准反射棱镜中心。操作相应按键进

14、行测距：可测斜距和平距操作相应按键进行测距：可测斜距和平距测量气象元素测量气象元素记录及存储相关数据记录及存储相关数据关机收测关机收测24光电测距成果处理光电测距成果处理 测距成果化算测距成果化算 气象改正气象改正 加常数改正加常数改正 乘常数改正乘常数改正 倾斜改正倾斜改正251气象改正气象改正 l l 测距公式测距公式中中电磁波在大气中的电磁波在大气中的传播速度传播速度c 随气象条件变化随气象条件变化而变化而变化；而仪器中只能按一个固定值计算测距值。而仪器中只能按一个固定值计算测距值。因此应进行气因此应进行气象改正。象改正。l l 气象改正气象改正根据测距时的气象条件对测距成果进行改正根据

15、测距时的气象条件对测距成果进行改正。l l 不同的仪器给出的气象改正公式也不尽相同，一般在其使用不同的仪器给出的气象改正公式也不尽相同，一般在其使用说明书中给出。说明书中给出。日本产日本产TOPCON牌的测距仪给出的气象改正公式为：牌的测距仪给出的气象改正公式为：Ka（279.66 ）10-6tp15.27395.7式中式中:p大气压力（大气压力（Pa）;t大气温度大气温度()26 l 气压气压P的单位的单位：我国我国:mb（毫巴）、毫巴）、mmHg（毫米汞柱）毫米汞柱）国际国际:Pa（帕）、帕）、100Pa（百帕）、百帕）、kPa（千帕）千帕）1mb=0.75005mmHg=100Pa（百百

16、帕）帕）l 大气改正图：大气改正图：有的仪器说明书上还给出了该值，根有的仪器说明书上还给出了该值，根据大气改正图可方便地查取气象改正值。据大气改正图可方便地查取气象改正值。气象改正数气象改正数Ka的计算公式中有的是按公里数的计算公式中有的是按公里数(10-6)求出的求出的,有有的是按百米数的是按百米数mm/百米求出的百米求出的.27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。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。可以经检定求得。2加、乘常数改正加、乘常数改正28加常数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（与所测距离长短无关的）加常数。加常数通过检定可以求得。29 w w加常数与距离的长短无关，即：加常数与距离的长短无关，即：加常数改正值加常数改正值=加常数本身加常数本身 w w乘常数一般以乘常数一般以mm/百米或百米或mm/公里公里表示，表示，乘常数改正值乘常数改正值=乘常数乘常数距离距离303倾斜改正倾斜改正l改正后斜距化算为测站所在水准面上的距离改正后斜距化算为测站所在水准面上的