第四章 2电磁波测距仪测距.
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电磁波测距
电磁波：γ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。
4.2.2 电磁波测距基本原理公式
入射光 出射光
通过测定电磁波（无线电波或光 波）在待测距离两端点间往返传 播的时间，利用电磁波在大气中 的传播速度来确定其距离
设电磁波在大气中传播速度为C，当它在距离D上往返一次 的时间为t2D，则有：
光电倍增管本身是一个混频器，有混频作用—把高频信号 变为中、低频信号，不需专设混频线路。
第四章 电磁波测距仪及其距离测量
4.1 4.2 4.3 4.4 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.13
电光调制和光电转换 电磁波测距仪分类 脉冲法测距的基本原理及应用 相位法测距的基本原理及应用 光波测距仪的合作目标 光波测距仪的检验 电磁波在大气中的传播 光波测距成果的归算 光波测距的误差来源及精度估计 全站仪原理
由于脉冲在路程中经历时间太短，通常用记录高频振荡晶 体的振动次数计算时间，自动完成。
脉冲式测距是由测距仪发射系统发射一种脉冲波，被目 标反射回来，再由仪器接收器接收，仪器的显示系统显示 出光脉冲往返传播的时间，或直接显示距离。
时标脉冲
触
脉冲发射
反
电子门
发
射
器
脉冲接收
器
计数显示
A
D
B
4.3.2 脉冲法测距的基本结构
已知：时标脉冲频率f=15 MHz,电磁波速度C=3×10E+8 m/s, 时标脉冲个数 n=100。
求： 距离 D。
D= 1/f × n×C / 2= 1000 米
测距前，电子门是关闭的，时标脉冲不能进入计数系统。 测距时，在光脉冲发射的瞬间，主脉冲把电子门打开，时标脉 冲就一个一个经过电子门进入计数系统，计数系统开始记录脉 冲数目。当回波脉冲到达时电子门关闭，计数系统停止计数， 计数系统记录下来的脉冲数目就是所测距离值。
第4章++电磁波测距及距离测量
17 /29
电子在光电倍增管中渡越时间的稳定性取决于:①极间直流电压的稳定性。②与 光束照射到阴极的入射落点位臵及入射方向有关。
光电测距
4.2电磁波测距仪分类
一、按测定t的方法
1 2 3
(l)脉冲式测距仪。 (2)相位式测距仪。
4 5
二、按测程分
6
(1)长程光电测距仪：（≥15KM)
7
(2)中程光电测距仪:（ 3～15KM
光电测距
控制测量学
1
2
3 4
第四章 电磁波测距和距离测量
5
6
7
8
9
10
1 /29
梁建昌
测绘工程系
光电测距
[本章内容]
1
4.1 光电调制和光电转换
2
4.2 电磁波测距仪分类
3
4 4.3 脉冲法测距的基本原理及应用
5 6
4.4 相位法测距的基本原理及应用
7 4.5 光波测距仪的合作目标
8
9 4.6 光波测距仪的检验
1 2 3
4
5
6
7
8
9
10
光电倍增管，是一种极其灵敏的高增益光电转换器件。
它由“阴极”K、若干个“放射极”和“阳极”A组成。
阴极由钾、钠、艳、锑等多种碱金属构成。当光照射到
16 /29 碱金属的阴极表面时，如果光子能量足够大，就能使阴极表 面发射电子(这种现象称为“光电效应”)，并且阴极的发射
数量是随着人射光强的大小而变化。
5
6 •1974年我国研制并生产了JCY-2型激光测距仪。
7 8
白天测程为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量
9 16.3kg。
第四章 电磁波测距
4．6．2
N
值的确定
由式（4-30）可以看出，当测尺长度 u 大于距离 D 时，则 N 即 D u
2
0
。，此时可求得确定的距离值， 。因此，为了扩大单值解的测
u N
程，就必须选用较长的测尺，即选用较低的调 制频率。根据 u
2 c 2f
，取 c 3 1 0
f2
c 2 f1
；粗尺频率
，相应的测尺长度为 u 2
D u1 ( N 1 N 1 ) D u2 (N 2 N 2 )
2D
而 t 是由时标脉冲振荡器不断产生的具有时间间
2D
隔（ t ）的电脉冲来决定的。 因 则
t2 D n t
D V 2 nt nd
式中， n 为时标脉冲的个数； d
V 2
t
，即在时间间
隔 t 内光脉冲往返所走的一个单位距离。所以我们只要 事先选定一个 d 值（例如l0m，5m，lm等），记下送 入计数系统的脉冲数目，就可以直接把所测距离 （ D nd ）用数码管显示出来。
徕卡TCR系列全站仪
无棱镜测距应用： • • • • 大容积标定行业 工程安装质量检查 隧道断面测量 城市地籍、房产测 量 • „„
安装质量检 查
油罐容积标定测 量
隧道断面测 量
徕卡TCR系列全站仪
应用优势 一方面，省去了作 业员爬高下低的奔 波之苦，作业强度 和危险性也大大降 低； 另一方面，对一些 重要的建筑（比如 文物）起到了一定 的保护作用。
§4.6相位法测距的基本原理 4.6.1基本原理及基本公式 1.基本原理 由载波源产生的光波（或微波）经调制器被高频电波所调制（调 幅或调频），成为连续调制信号。该信号经测线达到彼端反射器， 经反射后被接收器所接收，再进入混频器（I），变成低频（或中频） 测距信号 e 测 。另外，在高频电波对载波进行调制的同时，仪器发射 系统还产生一个高频信号， 此信号经混频器 （II） 混频后成为低频 （或 中频）基准信号 e 基 。e 基 和 e 测 在比相器中进行相位比较，由显示器显 示出调制信号在两倍测线距离上传播所产生的相位移，或者直接显 示出被测距离值。
电磁波测距原理和其距离测量方式
D
2
c f1
1 2
f2 2
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
间接测尺频率 相当于测尺频率 测尺长度 精度
f1=15MHZ
15MHZ
10m
1cm
f2=0.9f1
f1-f2=1.5MHZ 100m 10cm
f3=0.99f1 f4=0.999f1 f5=0.9999f1
f1-f3=150KHZ f1-f4=15KHZ f1-f5=1.5KHZ
相位法测距的基本原理
▪ 相位法
u D N 0 D u N
u增大，误差大
一组测尺： 精测尺保证精度 粗测尺保证测程
频率相差大 仪器不稳定
频率相近 频率差为测尺频率
测尺频率 15MHZ 1.5MHZ 150KHZ 15KHZ 1.5KHZ 测尺长度 10m 100m 1km 10km 100km
e1
Δφ
φ1 φ
ek e2
光波测距仪的检验
▪ 周期误差
▪ 改正计算公式
D0 d d 123
d n-1 n
▪ 平V台i 法 Asin(0 i )
D0 v0 D1z V1 K Asin(0 1) D0 v0 d D2z V2 K Asin(0 2 )
D0 v0 39d D40z V40 K Asin(0 40 )
1
D1z
2
360
i
1
d
(i
1)
2
360
1
(i
1)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测量员岗位知识 第四章 距离测量
l l l0
l l l0
任一长的温度与钢尺检定时的温度不同，尺长会 发生变化。
lt (t t0 )l
式中： 0.0000125 / 10 C, 钢尺膨胀系数
•倾斜改正
lh d l (l 2 h 2 )1/ 2 l h 2 1/ 2 l[(1 2 ) 1] l h2 1 h4 l[(1 2 4 ) 1] 2l 8 l h2 2l
解： DAB nl q 4 30 m 9.98 m 129.98 m
DBA nl q 4 30 m 10.02 m 130.02 m
1 1 Dav ( DAB DBA ) (129.98 m 130.02 m) 130.00 m 2 2
DAB DBA 129.98 m 130.02 m 0.04 m 1 K Dav 130.00 m 130.00 m 3250
A
1
2
3
4
5
B
仪器定线：如下图
４．两点间互不通视的定线 如图4-7所示，设AB两点在山头两侧，互不通视。定 线时，甲持标杆选择靠近AB方向的①1点立标杆，① 1点要靠近A点并能看见Ｂ点。甲指挥乙将所持标杆 定在①1B直线上，标定出②1点位置，要求②1点靠近 B点，并能看见A点。然后由乙指挥甲把标杆移动到 ②1A直线上，定出①2点。这样互相指挥，逐渐趋近， 直到①点在A②直线上，②点在①B直线上为止。这 时①、②两点就在A、B直线上了。
量距记录表
工程名称：×-× ×× 钢尺型号：5#(30m) 日期：2006. 01.08 天气：晴天 量距：×××; × 记录：×××
测线
整尺 段
零尺段
总计
测量第4章教案2
仪器说明书中精度表示：±（3mm+1ppm·D) (其中1ppm=1mm/1km=1×10-6 )
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9
二、光电测距仪的基本原理
光电测距仪是通过测量光波在测线上往返传播所需
的时间t，依下式来计算待测距离：
D=1/2 ct 其中c=c0/n c0为光在真空中的传播速度 ≈3.0×105km/s n为大气折射率 n=f(λ, t，p)
LaserAce 300手持式激光测距仪
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13
2、相位式
相位式光电测距仪是将发射光强调制成 正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距 离上往、返传播的相位移来解算时间。
徕卡CRF1200
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14
相位式测距仪的基本工作原理图：
1、由发射系统发射一个调制光波，同时至检相器；
第三节 电磁波测距
南方测距仪系列
ND3000
ND1000
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1
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2
电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，传 输测距信号，以测量两点间距离的一种方法。
电磁波测距具有测程长、精度高、作业快、工作 强度低、几乎不受地形限制等优点。
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3
一、 电磁波测距技术概述
a.激光测距仪 b.红外测距仪
➢根据测定时间方式的不同，光电测距又分为： a、脉冲式测距仪（精度稍低，多用于远程测量） b、相位式测距仪（精度高些，工程上使用较多）
电磁波测距仪： ➢根据测定距离：远程（ 30km以上)、中程(5~30km)、短程(小于5km ） ➢根据载波数：单载波、双载波、三载波（可见光、红外光、微波） ➢根据反射目标：漫反射目标（无合作目标）、合作目标（反射镜）、 有源反射器（载波应答机） ➢根据精度指标：I级：md≤5mm
电磁波测距及其距离测量
载波为无线电微波，穿透能力强，在有雾、小雨、雪的情 况下也可测量。
2020年5月13日4时42分
7
控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
按测程
长程 几十公里 中程 数公里至十多公里 短程 3公里以下
按载波数
单载波 可见光,红外光,微波 双载波 可见光与可见光 ,可见光与红外光 三载波 可见光可见光和微波 ,可见光红外光微波
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
（1）脉冲式测距仪。它是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，从而求得距离值。
这种测距仪可以达到较远的测程，但精度较低，通常适
用于精度较低的远距离测量、地形测量等。
（2）相位式测距仪。它是测定仪器所发射的连续的测距信 号往返于被测距离的滞后相位来间接推算信号的传播时间， 从而求得所测距离。
控制测量学
4.9 测距成果的归算
（2）仪器乘常数改正△DR 乘常数是指测距仪的精测调制频率偏离其标准值而引起
的一个计算改正数的乘系数，也称为比例因子。 乘常数的检测需要由专门的鉴定机构进行检测。 总之，对于加常数和乘常数，我们在测距前先进行检定。
目前的测距仪都具有设置常数的功能，我们将加常数和乘常 数预先设置在仪器中，然后在测距的时候仪器会自动改正。
2020年5月13日4时42分
3
控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
一、电磁波测距原理
电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，来传输测 距信号，以测量两点间距离的一种方法。
它的基本原理是利用仪器发出的电磁波，通过测定出电磁 波在测线两端点间往返传播的时间t来测量距离D:
2020年5月13日4时42分
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控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
按测程
长程 几十公里 中程 数公里至十多公里 短程 3公里以下
按载波数
单载波 可见光,红外光,微波 双载波 可见光与可见光 ,可见光与红外光 三载波 可见光可见光和微波 ,可见光红外光微波
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
二、电磁波测距仪的分类
（1）脉冲式测距仪。它是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，从而求得距离值。
这种测距仪可以达到较远的测程，但精度较低，通常适
用于精度较低的远距离测量、地形测量等。
（2）相位式测距仪。它是测定仪器所发射的连续的测距信 号往返于被测距离的滞后相位来间接推算信号的传播时间， 从而求得所测距离。
控制测量学
4.9 测距成果的归算
（2）仪器乘常数改正△DR 乘常数是指测距仪的精测调制频率偏离其标准值而引起
的一个计算改正数的乘系数，也称为比例因子。 乘常数的检测需要由专门的鉴定机构进行检测。 总之，对于加常数和乘常数，我们在测距前先进行检定。
目前的测距仪都具有设置常数的功能，我们将加常数和乘常 数预先设置在仪器中，然后在测距的时候仪器会自动改正。
2020年5月13日4时42分
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控制测量学
4.2 电磁波测距仪的原理及分类
一、电磁波测距原理
电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，来传输测 距信号，以测量两点间距离的一种方法。
它的基本原理是利用仪器发出的电磁波，通过测定出电磁 波在测线两端点间往返传播的时间t来测量距离D:
第四章 电磁波测距
脉冲发射
脉冲接收
反 射 器
器
A
D
B
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
3
一、电磁波测距的基本原理
2、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“运 输工具”（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 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t，进而求得待测距离D。
在上式中u=λ/2是已知的，ΔN可测出（测相器只能测定余长 uΔN，而不能测出整周数N）但仍有两个未知数，即待测距离D和整周 数N，这就使距离产生多值性，如能解出N，距离D就成为单值解。 由于测相器只能测定余长uΔN，而不能测出整周数N，例如用一个频 率测得2.578m，它可以是尾数都是2.578m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N。如果选 择“测尺”（或频率）大于待测距离，则上式变成D=uΔN,这可解出距离D。 但由于测相精度只能达到10-3，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。
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
11
二、距离观测值的改正
• 第一类仪器本身所造成的改正：加常数 置平 乘常数（频率） 周期误差 • 第二类大气折光而引起的改正：气象 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）
调制波的调制频率 f
角频率 周期T 波长
2f
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真北
A Am A Am Am
P
O
Am
A
3.方位角推算----正反方位角的计算
坐标北方向 如图所示： 坐标北方向
B
AB BA 180 BA AB 180
BA
所以可得：
AB
A
反 正 180
坐标北方向：坐标纵轴正向所指的方向 测定仪器：测角仪器 特点：平行性 子午线收敛角：过一点的真北方向与坐 标北方向之间的夹角；以真北方向为准， 东偏为正、西偏为负
-
+ X
两 方 向 重 合
Y 高斯投影带
2.方位角
定义：由基本方向北端顺时针量至直线的水平角
种类：真方位角、磁方位角、坐标方位角 换算关系：
原 则 ： 结 果 大 于 3 6 0 度 则 减 3 6 0 度
3.方位角推算----连续边方位角的推算
基本方向 前 向 方 进 前 后 如上图所示： 基本方向 后
后
前 后
180
前
前 进 方 向 前
180
前 后 180
所以可得：
如上图所示：
前 后 180
3 a
S Da cos
H S S R
H:反射镜面高程或 反射镜与测站平均高程
4.光电测距仪误差来源及标称精度
误差：
与距离D成比例的误差：光速值误差、大气折射率误差、 测距频率误差 与距离D无关的误差：测相误差、加常数误差、对中误差
标称精度：
mD ( A BD)
例：
(5mm 5 ppm D)
4-4.光电测距仪的检验
1.概述 2.测距常数的测定 3.周期误差的测定
4-5.直线定向
1.基本方向 2.方位角 3.方位角推算 4.象限角 5.坐标计算的基本公式
1.基本方向----真北方向
真北方向：地面上
某点真子午线的切
线北端所指的方向
真北方向
测定仪器：陀螺经
t
2 N 1 N 2f 2f f 2
u
2
称为光尺
D
1 c ct N N N u N N 2 2f 2 2
2.测距原理----相位式光电测距
测相装置问题的提出：
O
Ⅰ
Y y
yi yo yoi xi xo xoi yoi 由上可得： ROi | arctan | xoi
如图可知： tan ROi
RO 3 RO 2
3
Ⅱ
2
Ⅲ
5.坐标计算的基本公式—坐标正算
已知方位角、水平距 离 及A点坐标，求B点坐标
X B X A X X A DAB cos AB YB YA Y YA DAB sin AB
原则：反方位角大于180度就加180度，小于180度则减180度
3.方位角推算----相邻边方位角的推算
基本方向
基 本 方 向
左
右
左
左
右
右
右
左
如上图所示： 右
如上图所示： 右 所 以 可 得 ：右
左
左 360
360 左
纬仪或天文观测北 极星获得 特点：不平行性
1.基本方向----磁北方向
磁北方向：磁针自由静 止时，指北端所指的方 向 测定仪器：罗盘仪 特点：不平行性 磁偏角：过一点的真北 方向与磁北方向之间的 夹角；真北为准，东偏 为正、西偏为负
真北方向 磁北方向
1.基本方向----坐标北方向
红外测距仪
Ⅰ级测距仪
光电测距仪 Ⅱ级测距仪 Ⅲ级测距仪 脉冲式测距仪 光电测距仪
远程测距仪 中程测距仪 短程测距仪
光电测距仪
相位式测距仪
2.测距原理----脉冲式光电测距
2.测距原理----相位式光电测距
2
2
N 2
A
往
B
返
N 2
A
2ft 2 N
安置仪器、反光镜 观测 安置常数 仪器检查 瞄准 距离测量，角度测量 计算
3.距离测量及成果整理----成果计算
加常数改正：K=D-（D0-d） 乘常数改正：⊿DR=RD’ 气象改正： 1 c D t 2 n 倾斜改正: h2 h4
Dh
归算改正
2 Da
2D
ห้องสมุดไป่ตู้ 后 180 360
前 后 180
原则：最后结果大于360度则减360；小于0则加360度。
4.象限角
定义：由基本方向线的北端或南端顺时针或逆时针方向量至直线的水平锐角 （用R表示：如RAB） 范围：0°～ + 90°
X x
4
Ⅳ
1
RO 4 RO1
5.坐标计算的基本公式—坐标反算
已知两点坐标，求直 线 AB方位角及水平距离
tan ROi yi yo yoi xi xo xoi
4-3.电磁波测距仪测距
1.概述 2.原理 3.距离测量及成果整理 4.光电测距的误差来源及标称精度
1.概述--------基本原理
往
返
1 D c t 2
D A、B间的水平 距离 c 光的传播速度
t 光在测线上传 播的时间
1.概述
电磁波测距仪
优点：测程远、精度高、操作简便、效率高、劳动强度低等 微波测距仪 光电测距仪 激光测距仪
① 只能测定不足一个整周期的相位差
② 测相误差为千分之一的光尺（u）的长度
测尺频率与测距误差的关系 测尺频率 测尺长度 测距精度 15MHZ 10m 1cm 1.5 MHZ 100m 10cm 150 KHZ 1km 1m
D u N N c u 2 2f
150 KHZ 10km 10m 1.5 KHZ 100km 100m
测相装置问题的解决：
采用多把“光尺”配合使用进行距离测量，解决测程与精度的矛盾 高频保证精度，低频保证测程
2.测距原理----相位式光电测距
内光路的设置
内 d 内 外 D 外
'内 '外
3.距离测量及成果整理----测量
结构：主机、反光镜、电源、充电器等 步聚：