第四章 电磁波测距
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电磁波测距的原理
电磁波测距的原理
电磁波测距的原理基于电磁波的传播速度恒定不变这一性质，利用发射器发送出的电磁波，经过被测对象的反射后被接收器接收到，然后通过测量电磁波从发射器到接收器的时间差，可以间接得出被测对象与测距设备之间的距离。
具体来说，电磁波测距可利用无线电波、雷达、激光测距等技术实现。
无论采用哪种技术，测距设备都包括一个发射器和一个接收器。
发射器会发出一定频率的电磁波，经过空气传播，当遇到被测对象时，部分电磁波会被对象反射回来并被接收器接收到。
电磁波测距的原理即是利用这部分反射的电磁波来计算距离。
当发射器发出电磁波后，通过计时器记录发射时刻，然后在接收器接收到反射的电磁波后立即停止计时，记录接收时刻。
通过计算发射和接收的时间差，再结合电磁波在真空中传播速度（近似等于光速），就可以推算出被测对象与测距设备之间的距离。
需要注意的是，由于电磁波在不同介质中传播速度会有所变化，所以在实际应用中需要根据介质的不同对测距结果进行修正。
另外，电磁波测距还需要考虑到多路径效应、噪声干扰等因素，以提高测距精度。
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
第四章 电磁波测距1
29
GPT-8200A系列
河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
第二讲 电磁波测距的基本原理
拓普康第二代WinCE智能全站仪——WinCE全站仪 ● 全新2000米无棱镜测距技术 ● GPT-7500提供世界上最长的无棱镜电子测距 (2000m).这是拓普康第三代无棱镜测距技术的傲人 成果。 2000米的无棱镜测程确保了可以测量350米 范围内的任何目标，甚至可以透过栅栏，树枝进行 测量。采用最安全的一级激光，避免了对测量人员 的伤害，同时，在某些环境内（如油罐）无疑更让 人放心 ● 高速Intel Xscale处理内核。测量全面加速！ ● 标准、Mini双USB接口，可直读U盘 ● 5000mAh超大容量锂电池，动力强劲 ● 丰富的应用软件
河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
6
短程测距仪
中程测距仪
北京光学仪器 厂—HGC-1红 外测距仪
武汉地震仪器厂JCY-2A 激光测距仪
7
河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
第一讲、电磁波测距仪分类
3、测距仪的分级 1999年《城市测量规范》规定，按1km测距中误差 (即 mD a b D ，当D=1km时)划分为两级： 测距仪精度等级 每公里测距中误差 m D ( mm )
1 1 m D cmt D Ct2 D 2 2 8 m c 3 10 要求mD 3mm s
mt 2 10
11
s 一般只能达到10
8
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25
第二讲 电磁波测距的基本原理
GPT-8200A系列
河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
第二讲 电磁波测距的基本原理
拓普康第二代WinCE智能全站仪——WinCE全站仪 ● 全新2000米无棱镜测距技术 ● GPT-7500提供世界上最长的无棱镜电子测距 (2000m).这是拓普康第三代无棱镜测距技术的傲人 成果。 2000米的无棱镜测程确保了可以测量350米 范围内的任何目标，甚至可以透过栅栏，树枝进行 测量。采用最安全的一级激光，避免了对测量人员 的伤害，同时，在某些环境内（如油罐）无疑更让 人放心 ● 高速Intel Xscale处理内核。测量全面加速！ ● 标准、Mini双USB接口，可直读U盘 ● 5000mAh超大容量锂电池，动力强劲 ● 丰富的应用软件
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短程测距仪
中程测距仪
北京光学仪器 厂—HGC-1红 外测距仪
武汉地震仪器厂JCY-2A 激光测距仪
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第一讲、电磁波测距仪分类
3、测距仪的分级 1999年《城市测量规范》规定，按1km测距中误差 (即 mD a b D ，当D=1km时)划分为两级： 测距仪精度等级 每公里测距中误差 m D ( mm )
1 1 m D cmt D Ct2 D 2 2 8 m c 3 10 要求mD 3mm s
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s 一般只能达到10
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河南城建学院测绘与城市空间信息系<<控制测量学>>
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第二讲 电磁波测距的基本原理
控制测量学上册第4章 电磁波测距及其距离测量
电磁波在大气中传播时的现象 电磁波辐射能量的大气衰减，测程减少 电磁波有关参数的随机变化 降低了信噪比 解决方法 选择有利的观测时间 日出后1小时和日落前1小时
2020年3月29日12时49分
26 /21
控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的大气衰减 大气衰减的原因 大气分子的吸收 大气密度的变化及空中微粒的散射 强度衰减与大气折射率、传播距离及波长有关 影响 电磁波的测程
电磁波测距仪的分类
按时间测量方式分类
电磁波作为载波和调制波进行距离测量
D 1 vt 2
t 2f
脉冲式
相位式
D 1 vt v 2 4f
直接测定脉冲信 号往返传播时间
2020年3月29日12时49分
测定测距信号往返的相位 滞后相位，转化为时间
5 /21
控制测量学
电磁波测距仪的分类
按测程 长程、中程、短程
29 /21
控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率
光波的折射率与波长、气压、温度、适度有关
折射率与波长的关系
柯希公式
希梅公式
N0
A
B
2
C
4
N0
A'
a
B'
2
C'
b
2
N0 (n0 1) 10 6 为大气折射指数
群折射率
Ng0
(ng 0
1) 106
A
B
2
C
4
2020年3月29日12时49分
按载波源 光波、微波
按载波数 单载波、双载波、三载波
按反射目标 射目标、合作目标、有源反射器
2020年3月29日12时49分
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的大气衰减 大气衰减的原因 大气分子的吸收 大气密度的变化及空中微粒的散射 强度衰减与大气折射率、传播距离及波长有关 影响 电磁波的测程
电磁波测距仪的分类
按时间测量方式分类
电磁波作为载波和调制波进行距离测量
D 1 vt 2
t 2f
脉冲式
相位式
D 1 vt v 2 4f
直接测定脉冲信 号往返传播时间
2020年3月29日12时49分
测定测距信号往返的相位 滞后相位，转化为时间
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控制测量学
电磁波测距仪的分类
按测程 长程、中程、短程
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率
光波的折射率与波长、气压、温度、适度有关
折射率与波长的关系
柯希公式
希梅公式
N0
A
B
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C
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N0
A'
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B'
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C'
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N0 (n0 1) 10 6 为大气折射指数
群折射率
Ng0
(ng 0
1) 106
A
B
2
C
4
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按载波源 光波、微波
按载波数 单载波、双载波、三载波
按反射目标 射目标、合作目标、有源反射器
2020年3月29日12时49分
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
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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
设调制波在距离D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2π，则调制波的传播 时间t为：
c cT f
t 2f
c D 4f
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
4
一、电磁波测距的基本原理
设调制信号为正弦信号， 即：
包含2π的整倍数N2π，和不足2π的尾数部分ψ，
N 2 2 ( N ) 2 ( N N ) N 2 2 c D 4f c c D ( N N ) ( N N ) u 2f 2 2f 2
两边的整数部份和小数部份应分别相等
N1 k N2的整数部份
例：u1=10m, u2=1000m, k=100,
N1 k N2的小数部份
N1 0.698 N 2 0.387
N1 kN 2的整数部份 38
D u1 ( N1 N1 ) 386.98 m
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
一、电磁波测距的基本原理
1、电磁波测距基本原理公式 D
A
1 D Ct2 D 2
2007.5.9
B
入射光 出射光
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
1
一、电磁波测距的基本原理
测定t方法有①直接测时：脉冲式测距仪 ②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，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。
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
7
一、电磁波测距的基本原理
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：
D u1 ( N1 N1 )
D u 2 ( N 2 N 2 ) u 2 N 2
（限制所测距离D小于u2）
u2 k 测尺放大系数 u1 N1 N1 kN 2 N1为正整数，ΔN1为小于1的小数，该式
D u( N N )
单位长，“测尺”，“电子尺
相位式测距仪是 用长度为u的 “测尺”去量测 距离，量了N个 整尺段加上不足 一个u的长度就 是所测距离。
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
5
一、电磁波测距的基本原理
N值解算的一般原理：
D u( N N )
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控.9
10
一、电磁波测距的基本原理
分级 1999年《城市测量规范》规定，按1km测距中误差 (即 mD a b D ，当D=1km时)划分为两级： mD ≤5mm; I级： II级：5mm< mD ≤10mm。 Ⅲ级：10mm< mD ≤20mm。 a----固定误差(mm), b---比例误差系数(mm/km)， D---测距边长度(km)
1 D Ct2 D 2
c 3 10 m
8
1 m D cmt 2
s
要求mD 3mm
11
mt 2 10
s 一般只能达到10
2007.5.9
8
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2
一、电磁波测距的基本原理
光电脉冲法测距原理
时标脉冲 触 电子门 计数显示 发
2007.5.9
8
一、电磁波测距的基本原理
3、测距仪的分类和分级
脉冲式测距仪 按测定t的方法 相位式测距仪
按载波
光波 激光测距仪, 红外测距仪 微波 微波测距仪
长程 几十公里 按测程 中程 数公里至十多公里 短程 3公里以下
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
6
一、电磁波测距的基本原理
• 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 程，相位式测距仪一般采用一组“测尺” 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N 而保证测程，从而解决“多值性”问题。
重庆交通大学土木建筑学院测绘系<<控制测量学>>
2007.5.9
9
一、电磁波测距的基本原理
单载波 可见光, 红外光, 微波 按载波数 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
漫反射目标(非合作目标) 按反射目标 合作目标 平面反射镜, 角反射镜 有源反射器 同频载波应答机, 非同频载波应答机