第4章 光电测距
固定误差的影响 ：
测相误差，仪器加常数误差和对中误差都属于固定误差。在精 密的短程测距时，这类误差将处于突出的地位。 ➢对中误差
在控制测量中，一般要求对中误差在3mm以下，要求归心误差 在5mm左右。但在精密短程测距时，由于精度要求高，必须采用 强制归心方法，最大限度地削弱此项误差影响。 ➢仪器加常数误差
在使用光电测距仪进行精密测距时，必须在测线的另一端安置
一个反射器，使发射的调制光经它反射后，被仪器接收器接收。
相位式光电测距仪各主要部件的工作原理简介
➢光电转换器件
在光电测距仪中，接收器的信号为光信号。为了将此信号送到相 位器进行相位比较，必须把光信号变为电信号，对此要采用光电转 换器件来完成这项工作。用于测距仪的光电转换器件通常有光电二 极管，雪崩光电二极管和光电倍增管。
➢自动数字测相
随着集成电路和数字技术的发展，为测距仪向自动化和数字化方
向发展提供了条件。目前许多中、短程测距仪几乎都采用自动数字
测相技术以及距离的数字显示。
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三、测距误差来源及其影响
测距误差的主要来源 ：
M
2 S
D
2
mc0 c0
2
m f
f
2
mn n
2
4
2
m
2
m
2 K
第四章 光电测距仪
[本章提要]
建立高精度平面控制网和进行电磁波测距三角高程时，需要进行 精密距离测量。当前，主要采用电磁波测距仪进行距离测量。本章主 要讨论中、短程红外光电测距仪的基本原理；电磁波测距仪的误差来 源极其影响；地面距离观测值如何归算到椭球面上。目的是解决平面 控制网的水平距离观测问题和电磁波测距三角高程测量的斜距观测问 题。
对于采用直接测尺频率方式的测距仪，精测尺频率的确定，依 据测相精度，主要考虑仪器的测程和测量结果的准确衔接，还要使 确定的测尺长度便于计算。
例如我国的HGC-1型及长征DCH-1型红外测距仪，确定精测 尺长=10m和粗测尺长=1000m的精测尺频率和粗测尺频率。
测尺频率可依下式确定：
fi
c 2 L1i
经常对加常数进行及时检测，予以发现并改用新的加常数来避 免这种影响。 ➢测相误差
影响的目的。
比例误差的影响 ：
➢光速值的误差影响 光速值对测距误差的影响甚微，可以忽略不计。
➢调制频率的误差影响 调制频率的误差，包括两个方面，即频率校正的误差（反映了频
率的精确度）和频率的漂移误差（反映了频率稳定度）。频率误差 影响在精密中远程测距中是不容忽视的，作业前后应及时进行频率 检校，必要时还得确定晶体的温度偏频曲线，以便给以频率改正。 ➢大气折射率的误差影响
➢差频测相
目前相位式测距仪都采用差频测相，即就是使高频测距信号和高 频基准信号在进入比相前均与本振高频信号进行差频，成为测距和 基准低频信号。在比相时，由于低频信号的频率大幅度降低（如精 测尺频率为15MHz，混频后低频为4kHz时，降低了3750倍）， 周期相应扩大，即表象时间得到放大，这就大大地提高了测相精度。
c0 2 nL i
式中: —fi —光波在大气中的传播速度；
—c—大气折射率；
—n—光波在真空中的传播速度； —c0—调制频率（测尺频率）。
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二、相位式光电测距仪的工作原理
相位式光电测距仪的工作原理
相位式光电测距仪各主要部件的工作砷化镓（GaAs）二极管和氦-氖 （He-Ne）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中 远程测距仪中。
➢调制器
采用砷化镓（GaAs）二极管发射红外光的红外测距仪，发射光 强直接由注入电流调制，发射一种红外调制光，称为直接调制，故 不再需要专门的调制器。但是采用氦氖激光等作光源的相位式测距 仪，必须采用一种调制器，其作用是将测距信号载在光波上，使发 射光的振幅随测距信号电压而变化，成为一种调制光。
➢棱镜反射器
ml2
上式中的各项误差影响，就其方式来讲，有些是与距离成比例的。 这些误差称为“比例误差”；另一些误差影响与距离长短无关。称 其为“固定误差”。对于式中偶然性误差的影响，我们可以采取不 同条件下的多次观测来削弱其影响；而对系统性误差影响则不然，
但我们可以事先通过精确检定，缩小这类误差的数值，达到控制其
➢相位式光电测距仪的基本公式
D c (N / 2 ) L(N N )
2f
式中：N —/ 2— 测尺长度； ——N整周数；
L c / 2—f — /不2 足一周的尾数
➢测尺频率的选择
直接测尺频率方式：直接使用各测尺频率的测量结果组合成待测距 离的方式，。 间接测尺频率方式：用差频作为测尺频率进行测距的方式 。 测尺频率的确定：一般将用于决定仪器测距精度的测尺频率称精测 尺频率；而将用于扩展测程的测尺频率称为粗测尺频率。
国研制成功的JCY-3型等。
▪ 按载波波源分：
光波——激光、红外 微波——微波测距仪
▪ 按载波数分：
单载波——可见光；红外光；微波 双载波——可见光、可见光；可见光、红外光 三载波——可见光、可见光、微波；
▪ 按反射目标分：
漫反射目标 合作目标 有源反射器
▪ 按精度指标分：I级
mD 5mm
II级 III级 10mm 20mm
知识点
(1)电磁波测距基本原理； (2)相位式光电测距仪的工作原理 ； (3)测距误差来源及其影响 ； (4)观测结果的化算 ； (5)电子全站仪 。
[习题]
一、电磁波测距基本原理
光电测距仪按仪器测程分类：
➢短程光电测距仪：测程在3km以内，测距精度一般在lcm左右。如 我 国 的 HGC-1 、 DCH-2 、 DCH3 、 DCH-05 等 精 度 均 可 达 ±(5mm+5× 10-6)。 ➢中程光电测距仪：测程在3～15km左右的仪器称为中程光电测距 仪，这类仪器适用于二、三、四等控制网的边长测量。如我国的 JCY-2、DCS-1，精度可达±（lOmm+1 ×10-6）。 ➢远程激光测距仪：测程在15km以上的光电测距仪，精度一般可达 ±(5mm+1×10-6），能满足国家一、二等控制网的边长测量。如我
光电测距仪的基本原理
光电测距仪的基本原理
光电测距仪是一种利用光的传播速度来测量物体距离的设备。
其基本原理是通过发射一束激光或红外线的光束，当光束遇到物体时被反射或散射回来，通过测量光束的时间延迟来计算出物体与测距仪之间的距离。
光电测距仪主要包括光源、光电探测器和计时电路三个关键部分。
光源通常使用激光二极管或红外发射管，通过电流的驱动来产生一束相干光束。
光束经过透镜或准直器的调节后被发射出去，形成一条射线。
当光束遇到目标物体时，会发生反射、散射或吸收。
其中，反射是最常见的情况。
被反射的光束会在物体上再次形成一束反射光线。
这束反射光线会被传回光电测距仪的接收器。
光电探测器是测距仪的一个重要组成部分，用于接收反射回来的光线。
光电探测器通常采用光电二极管或光敏电阻等光电传感器件。
当探测器接收到光信号时，会产生一个电信号。
接收到的电信号会被送入计时电路进行处理。
计时电路会测量光信号从发射到接收之间的时间延迟，并根据光的传播速度计算出目标物体与测距仪之间的距离。
计时电路通常采用微处理器或计数器芯片来实现，可以精确测量非常短暂的时间。
需要注意的是，光电测距仪的测距精度受到多种因素的影响，如光源的发射功率、光束的散射角度、目标物体的反射能力等。
还有一些特殊环境因素，如强光、雾气、湿度等也会对测量结
果产生一定的影响。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况进行调试和校准，以保证测距精度的准确性。
第4章光电测距
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组合式全站仪
整体式全站仪
光电测距
龙岩学院
➢全站仪的精度及等级
全站仪的精度
1 2 3
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。如SET500全站仪的标称精度为：测角精度=±5〞；测
4
距精度=±（3+2ppmD）mm。
1.频率准确度的检定；
1
2.温度-频率特征的检定；
2
3.频率开机特性的检定；
3
4.频率重现性的检定。
4 5 6
• 五、周期误差的检定
检定设备
7
检定方法
8
数据处理
9
10
• 六、仪器常数的检定
六段比较法：
在比较基线场进行检定观测；
观测数据处理。
16 /2 9
• 七、综合精度的检定
光电测距
龙岩学院
四、观测结果的化算
6 /2 9
光电测距
龙岩学院
• 间接测尺频率的方式
•
直接测尺频率相差较大，测程越长，相差越悬殊，使电路
中放大器的增益和相对稳定性难于一致。远程测距采用一组数
1 2 3
值相近的测尺频率，利用其差频作为粗测频率，间接确定N值。 • 若用2个测尺频率f1和f2测量同一距离D,设所得整周数和不
足一周的尾数分别为N1、ΔN1、N2、 ΔN2，则有：
4
5 6
D
c 2 f1
N1
N1
c 2 f2
N 2
N 2
7 8
2 f1 cD来自N1N19
10
2 f2 c
D
N2
光电测距仪
随着近代光学、电子学的发展和各种新颖光源（激光、红外光等）相继出现，电磁波测距技术得到迅速的发展，出现了以激光、红外光和其他光源为载波的光电测距仪和以微波为载波的微波测距仪。因为光波和微波均属于电磁波的范畴，故它们又统称为电磁波测距仪。
由于光电测距仪不断地向自动化、数字化和小型轻便化方向发展，大大地减轻了测量工作者的劳动强度，加快了工作速度，所以在工程控制网和各种工程测量中，多使用各种类型的光电测距仪。
§4.1 电磁波测距基本原理
4.1.1 概述
建立高精度的水平控制网，需要测定控制网的边长。过去精密距离测量，都是用因瓦基线尺直接丈量待测边的长度，虽然可以达到很高的精度，但丈量工作受地形条件的限制，速度慢，效率低。从六十年代起，由于电磁波测距仪不断更新、完善和愈益精密，它以速度快，效率高取代了因瓦基线尺，广泛用于水平控制网和工程测量的精密距离测量中。
第四章 光电测距仪
[本章摘要]
建立高精度平面控制网和进行电磁波测距三角高程时，需要进行精密距离测量。当前，主要采用电磁波测距仪进行距离测量。本章主要讨论中、短程红外光电测距仪的基本原理；电磁波测距仪的误差来源极其影响；地面距离观测值如何归算到椭球面上。目的是解决平面控制网的水平距离观测问题和电磁波测距三角高程测量的斜距观测问题。
短程光电测距仪，多采用砷化镓（GaAs或GaAlAs）发光二极管作为光源（发出红 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光电测距仪按仪器测程大体分三大类：
（1）短程光电测距仪：测程在3km以内，测距精度一般在lcm左右。这种仪器可用来测量三等以下的三角锁网的起始边，以及相应等级的精密导线和三边网的边长，适用于工程测量和矿山测量。这类测程的仪器很多，如瑞士的ME3000，精度可达±
测量学—4---------距离测量
测量学4距离测量第四章距离测量测量距离是测量的基本工作之一，所谓距离是指两点间的水平长度。
如果测得的是倾斜距离，还必须改算为水平距离。
按照所用仪器、工具的不同，测量距离的方法有钢尺直接量距、光电测距仪测距和光学视距法测距等第一节钢尺量距的一般方法一、量距的工具钢尺是钢制的带尺，常用钢尺宽10mm，厚0.2mm；长度有20m、30m及50m几种，卷放在圆形盒内或金属架上。
钢尺的基本分划为厘米，在每米及每分米处有数字注记。
一般钢尺在起点处一分米内刻有毫米分划；有的钢尺，整个尺长内都刻有毫米分划。
由于尺的零点位置的不同，有端点尺和刻线尺的区别。
端点尺是以尺的最外端作为尺的零点，当从建筑物墙边开始丈量时使用很方便。
刻线尺是以尺前端的一刻线作为尺的零点，丈量距离的工具，除钢尺外，还有标杆、测钎和垂球。
标杆长2-3m，直径3-4cm，杆上涂以20cm间隔的红、白漆，以便远处清晰可见，用于标定直线。
测钎用粗铁丝制成，用来标志所量尺段的起、迄点和计算已量过的整尺段数。
测钎一组为6根或ll根。
垂球用来投点。
此外还有弹簧秤和温度计，以控制拉力和测定温度。
二、直线定线当两个地面点之间的距离较长或地势起伏较大时，为使量距工作方便起见，可分成几段进行丈量。
这种把多根标杆标定在已知直线上的工作称为直线定线。
一般量距用目视定线，三、量距方法1．平坦地区的距离丈量丈量前，先将待测距离的两个端点A、B用木桩(桩上钉一小钉)标志出来，然后在端点的外侧各立一标杆，清除直线上的障碍物后，即可开始丈量。
丈量工作一般由两人进行。
后尺手持尺的零端位于A点，并在A点上插一测钎。
前尺手持尺的末端并携带一组测钎的其余5根(或10根)，沿AB方向前进，行至一尺段处停下。
后尺手以手势指挥前尺手将钢尺拉在AB直线方向上；后尺手以尺的零点对准B点，当两人同时把钢尺拉紧、拉平和拉稳后，前尺手在尺的末端刻线处竖直地插下—测钎，得到点l，这样便量完了一个尺段。
测量学第4章
4.1.1丈量工具
钢尺是钢制的带尺，长度有20m、30m及50m几种。钢尺的基本 分划为厘米。一般钢尺在起点处一分米内刻有毫米分划。
有端点尺和刻线尺的区别。 端点尺是以尺的最外端作为尺的零点，当从建筑物墙边开始丈量 时使用很方便。 刻线尺是以尺前端的一刻线作为尺的零点，
丈量距离的工具，除钢尺外，还有标杆、测钎和垂球。
v
4.2.1 视距测量基本原理
一、视线水平时的视距公式
A B 两点间的水平距离为：
D ＝ kl + C
式中：k-----视距乘常数 C-----视距加常数
对内对光望远镜的视距常数，设计时使k＝100，C接近于零， 因此公式为： D=kl
A B 两点间的高差为： h=i- v
视距倾斜时视距测量公式
2．于午线方向(磁北方向) 磁子午线方向是磁针在地球磁场的作用下，磁针自由静止时其轴 线所指的方向。磁子午线方向可用罗盘仪测定。
3．坐标纵轴方向 (坐标北方向) 高斯投影带所在中央子午线方向。
磁偏角与子午线收敛角
1．磁偏角 ：过一点的真北方向
与磁北方向之间的夹角。
2．子午线收敛角 ：过一点的真
尺子不水平的误差 钢尺一般量距时，如果钢尺不水平，总是使所量距离偏大。精密量距时， 测出尺段两端点的高差，进行倾斜改正。用普通水准测量的方法是容易 达到的。
钢尺对点及读书误差 包括钢尺刻划对点的误差、插测钎的误差及钢尺读数误差等。这些误差 是由人的感官能力所限而产生，误差有正有负，在丈量结果中可以互相 抵消一部分，但仍是量距工作的一项主要误差来源。
一、方位角
（１）真方位角，用 A表示。
（２）磁方位角，用 Aｍ表示．
（３）坐标方位角， 用表示
【土木建筑】第4章光电测距-精选文档
3 43
• 6)记录温度t，抄录尺段高差h。
3.计算：
• 1)二项改化计算: • (1)各尺段尺长改正数Δli计算： l o l l 3 44 i i l o • (2)各尺段温度改正数计算：
l t t l t i i o i
表3-3
尺段长度 (m) 29.8535 29.8545 29.8540 29.8540 29.8720 29.8710 29.8725 29.8718 ……… 28.6945 28.6935 28.6950 28.6943 18.8900 18.8885 18.8895 18.8893 尺长 改正 温度 改正数 改正后 尺段长度 高 差 平距化算
1.目测法定线：
• 1) 二点法目测定线，二端为准，概量定点。一般在平地。
• (1)在A、B端点上树立标杆； • (2)一指挥者立B点标杆后瞄A点的标杆； • (3)二位定点人员按整尺段从A概量至1号点，根据指挥确定1号点位置 立在AB视线上； • (4)按(3)的做法依次把2、3、4 ……等分段点定在AB线上。
2.精密量距。一尺段丈量方法：
• 1)拉尺。拉尺员拉挂有弹簧秤的钢尺，拉力指示为100N (30米) ，钢尺 面刻划与分段点标志对齐。 • 2)读数。二位读数员依次读取分段点标志横线所对的钢尺刻划值。前 端读数员读至cm，后端读数员读至0.5mm，如前端读数l前=29.9800m， 后端读数l后=75.5mm。 • 3)记录。记录l前、 l后，计算尺段丈量值 l’= l前- l后。 • 4)重复丈量。按步骤1)、2)、3)重复丈量和记录，计算获得l”、l”’。 • 5)检核。Δl容=±2～3mm。
D D 返 往 D 2
光电测距的出发公式
光电测距的出发公式
1、采用可见光或红外光作为载波，通过测定光线在测线两端点间往返的传播时间t，算出距离D。
2、计算公式为：D=1/2ct，
式中，c为光波在大气中的传播速度，它可以根据观测时的气象条件来确定。
3、测定t的方法有：
①直接测定光脉冲在测线上往返传播时间的仪器，称为脉冲式光电测距仪。
②通过测量调制光在测线上往返传播所产生的相位移，间接测定时间的仪器，称为相位式光电测距仪。
4、光电测距种类很多，以激光为载波的称激光测距仪，以红外光为载波的称红外测距仪。
5、激光测距是以激光器作为光源进行测距。
（1）根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。
氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；
（2）双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；
（3）红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。
6、激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与红外光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量到人造地
球卫星、月球等远目标的距离变成现实。
第四章 距离测量
3．成果计算
根据尺长改正、温度改正和倾斜改正，计算尺段改正后的水平距离。 l ld l 尺长改正： l0 温度改正： 倾斜改正：
lt (t t0 )l
lh h
2
2l
尺段改正后的水平距离：
D l ld lt lh
每一尺段经过尺长、温度和倾斜改正算成水平距离后，求 出总和。若想对误差符合精度要求，取往返结果的平均值作 为最后成果，否则重测。
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五、钢尺量距注意事项
采用合适的方法准确定线。 尽量采用检定过的钢尺进行测量，量距时尽可能保持钢尺水平
一般量距时，尽可能在阴天进行，保持拉力均匀；精密量距时， 尽可能用点温计测定尺温进行温度改正，使用弹簧秤控制标准拉
力。
认真操作，以减少钢尺端点对不准、测钎插不准、尺子读数不 准等引起的丈量误差。
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第二节 视距测量
视距测量是利用望远镜内的视距装置配合视距尺，根据几 何光学和三角测量原理，同时测定距离和高差的方法。最简单 的视距装置是测量仪器(如经纬仪、水准仪)的望远镜十字丝分 划板上刻制上、下对称的两条短线，称视距丝。如图。视距测 量中的视距尺可用普通水准尺，也可用专用视距尺。 视距测量精度一般为1/200 ～ 1/300 ， 精 密 视 距测 量 可 达 1/2000。由于视距测量用一台 经纬仪即可同时完成两点间平 距和高差的测量，操作简便， 所以当地形起伏较大时，常用 于碎部测量和图根的加密。
' '
1 2
K l sin 2
h
1 2
K l sin 2 i v
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三、视距测量的施测
光电测距仪测距
1.安置仪器
先在测站上安置好经纬仪，对中、整 平后，将测距仪主机安装在经纬仪支架上， 用连接器固定螺丝锁紧，将电池插入主机 底部、扣紧。
在目标点安置反射棱镜，对中、整平， 并使镜面朝向主机。
2.观测垂直角、气温和气压
用经纬仪十字横丝照准觇板中心，测
出垂直角α。
同时，观测和记录温度和气压计上的 读数。
一、光电测距原理
可在A点安置能发射和接收光波的光电测距仪，在B 点设置反射棱镜。
光电测距仪发出的光束经棱镜反射后，又返回到测距 仪。
通过测定光波在AB之间传播的时间t，根据光波在大 气中的传播速度c，按下式计算距离D：
D 1 ct 2
B A
D
光电测距仪测定时间t的方式一般 采用相位式。
二、光电测距仪操作与使用
（2）测线应尽量离开地面障碍物1.3m 以上，避免通过发热体和较宽水面的上空。
（3）测线应避开强电磁场干扰的地方， 例如测线不宜接近变压器、高压线等。
（4）镜站的后面不应有反光镜和其他 强光源等背景的干扰。
（5）要严防阳光及其他强光直射接收 物镜，避免光线经镜头聚焦进入机内，将 部分元件烧坏，阳光下作业应撑伞保护仪 器。
一般情况下，只要使用同一类的反光 镜，棱镜常数不变，而温度、气压每次观 测均可能不同，需要重新设定。
4.距离测量
调节主机照准轴水平调整手轮（或经 纬仪水平微动螺旋）和主机俯仰微动螺旋， 使测距仪望远镜精确瞄准棱镜中心。
在显示“good”状态下，精确瞄准也 可根据蜂鸣器声音来判断，信号越强声音 越大，上下左右微动测距仪，使蜂鸣器的 声音最大，便完成了精确瞄准，出现 “*”。
光电测距以光波作为载波，通过测定光电波 在测线两端点间往返传播的时间来测量距离。
《测量学》第04章 距离测量
全站仪是由电子测角、光电测距、 全站仪是由电子测角、光电测距、微 型机及其软件组合而成的智能型光电测量 仪器。 仪器。世界上第一台商品化的全站仪是 1968年西德 年西德OPTON公司生产的 公司生产的Reg Elda14。 年西德 公司生产的 。
全站仪结构图
全站仪的基本功能
测量水平角、竖直角和斜距， 测量水平角、竖直角和斜距，借助于 机内固化的软件，可以组成多种测量功能， 机内固化的软件，可以组成多种测量功能， 如可以计算并显示平距、 如可以计算并显示平距、高差以及镜站点 的三维坐标，进行偏心测量、悬高测量、 的三维坐标，进行偏心测量、悬高测量、 对边测量、道路放样、面积计算等。 对边测量、道路放样、面积计算等。
一、量距工具
钢尺 标杆 垂球 测钎 温度计 弹簧秤
二、直线定线-1 直线定线1.目测定线 1.目测定线
二、直线定线-2 直线定线2.经纬仪定线 2.经纬仪定线
A
1
2
3
4
5
B
三、钢尺量距的一般方法
1.平坦地面的距离丈量 1.平坦地面的距离丈量
DAB=n×尺段长+余长 ×尺段长+
为整尺段数) (n为整尺段数) 为整尺段数
一、视准轴水平时的距离和高差公式
D = Kl = 100l h = i−v
二、视准轴倾斜时的距离和高差公式
倾斜距离S为 倾斜距离 为： 水平距离D为 水平距离 为：
D = S cos δ = Kl cos 2 δ
S＝ kl '
S = Kl ′ = Kl cos δ
N' N δ E M' M
v
B
φ φ
K=
D AB − D BA D AB