控制测量学上册第4章 电磁波测距及其距离测量
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4.控制测量教案4
第四章电磁波测距教学要点一、教学内容（1）电磁波在大气中的转播；（2）电磁波测距基本原理公式及电磁波测距仪的分类、分级；（3）相位式测距的基本原理及公式；（4）距离观测值的改正和光电测距仪的检验；（5）光波测距成果的归算；（6）光电测距的误差来源及精度估计；二、重点和难点（1）重点电磁波测距基本原理公式；相位式测距的基本原理及公式；距离观测值的改正；光波测距成果的归算；光电测距的误差来源。
（2）难点电磁波在大气中的转播；光电测距仪的检验；光电测距的精度估计。
三、教学要求（1）了解大气对电磁波测距的影响；了解电磁波测距仪的分类、分级；了解水光电测距仪的检验；了解光电测距的精度估计。
（2）掌握电磁波测距基本原理公式；掌握相位式测距的基本原理及公式；掌握水距离观测值的改正；掌握光波测距成果的归算及光电测距的误差来源。
四、教学方法多媒体课件教学。
五、作业6第四章第一讲学习目标：了了解大气对电磁波测距的影响；了解电磁波测距仪的分类、分级；掌握电磁波测距基本原理公式；掌握相位式测距的基本原理及公式。
重点和难点：重点：电磁波测距基本原理公式、相位式测距的基本原理及公式。
难点：大气对电磁波测距的影响；教学内容：课前讲授：讲授学习目标。
4.2 电磁波在大气中的转播一、一般概念：1.什么是气象参考点？了解光波在大气中转播的基本情况？T0=288.16（t=15°c）、P0=760mmHg、e0=0(干燥空气)、二氧化碳含量0.03%、H=60%作为标准气象条件。
徕卡仪器（t=12°c）、拓普康（t=15°c）2.大气对电磁波测距的影响：（1）使大气中的转播转播小于真空中的光速值C0=2999792.458KM/秒，从而扩大了在一定距离内的转播时间。
（2）由于大气折射影响，使电磁波转播的波道弯曲，使距离测得过长。
二、电磁波的大气衰减：1.大气气体分子的吸收2.大气密度的变化及空中微粒的散射。
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
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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
mt 2 10
11
s 一般只能达到10
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第二讲 电磁波测距的基本原理
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
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:
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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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
6 /21
控制测量学
电磁波测距仪的分类
电磁波测距仪精度 精度公式
mD A BD
A： 固定误差
BD ：比例误差 B : ppm 10 6
m m偶2 然 m系2 统 A2 BD 2
2mm 2 ppm
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲 直接测定器发射的脉冲信号往返于被测距离的传 播时间，而得到距离值
f 1 T
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲法的时间测定
光脉冲发生器
主脉冲
回波脉冲
计数系统
2020年3月29日12时49分
32 /21
控制测量学
电磁波在大气中的传播
光波的折射率 微波的折射率 温度：1℃， 1.4ppm 气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 4.6ppm 测定微波折射率的关键是水汽分压的测定 由于微波受大气气象元素的影响较大，因此微波 测距的精度低于光波测距的精度
N 2
N 2
D vt 1 c 1 c c 2 2 2 2f 4f
D
c
4f
2N
c 2f
N
2
2
N
N
D u(N N ) 测尺：多义性
2020年3月29日12时49分
12 /21
控制测量学
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
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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
巴热尔-希尔斯公式
Ng0
(ng 0
1) 106
287.604
1.6288
3 2
5
0.0136
4
埃德伦公式
Ng0
(ng 0
1) 106
287.5834
1.6134
3 2
5
0.01442
4
波长误差为5nm时，引起的折射率误差为0.3ppm， 所以电磁波波长需要精确确定
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
反射器 激光、红外、微波测距仪的合作目标 全反射棱镜：激光、红外测距仪 有源反射器：微波测距仪
全反射棱镜(反光镜) 四面体的光学玻璃，三面互相垂直 平行性：反射光线与入射光线平行
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题
不同点处的折射率不同，为便于计算距离，应使 用整条光程上的平均速度
D V t2D / 2
电磁波通过微分光程dx的时间为：
dt dx / v(x)
电磁波往返传播的时间为：
t2D
2D dx 2 D dx dx 0 v(x) 0 v(x)
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
平均折射率的测定问题
路程的平均速度
V D / D dx dx
0 v(x)
路程上的每一个点
v(x) C0 / n(v) V 1
C0
C0
D
n(v)dx
n
D0
C0 1
D
n(v)dx
n D0
目前采用的方法是在测线的一端或两端，再加测线中 间几个点测定大气气象元素，计算大气的折射率，取 平均值作为平均折射率。
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气对电磁波测距的影响 速度变化，增加传播时间 电磁波传播的波道弯曲，观测距离大于实际距离 需要解决的问题 确定具体工作条件下的电磁波的实际传播速度 电磁波波道的弯曲改正
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
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
精度 1cm 10cm 1m 10m 100m
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
光波的折射率 气象元素误差对折射率的影响大小
温度：1℃， 1ppm
气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 0.04ppm 为保证折射率的测定精度，精确确定温度是关键 在测站两端分别测量温度，计算折射率取平均值
每3-5min测定一次
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
大气参数的测定 大气压的测定： 使用精度高于1mb的高质量空盒气压计测量， 气压计放在阴凉处一段时间后再读数 大气湿度的测定： 测定方法有两种：湿度计和通风干湿计
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
D c 1 2 f1 2
D c 2 2 f2 2
1
2 2
2
D c 2 f1
D c
2
f
2
相减
1 2 2
D c
2 f1
f2
D us (Ns Ns )
D
2
c f1
1 2
f2 2
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
第四章 电磁波测距及其距离测量
西南林业大学 土木工程学院
刁建鹏
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控制测量学
本章提要
4.1 电磁波测距的物理原理及分类 4.2 电磁波测距的基本原理和应用 4.3 光波测距仪的合作目标及检验 4.4 电磁波在大气中的传播 4.5 测距成果的归算 4.6 误差来源及精度估计 4.7 微波测距概要
气象条件是限制电磁波测距精度的主要因素，如 何克服和进一步减少其影响，时当前电磁波测距
技术的一个重要课题
2020年3月29日12时49分
1km 10km 100km
1m 10m 100m
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
Mekometer ME5000
2020年3月29日12时49分
mD 0.2mm 0.2 ppm D
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控制测量学
干涉法测距的基本原理
略
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
大气参数的测定
取决于测距仪的类型、内精度、测距精度以及距 离测长短
至少测定仪器站和反光镜战的干温、湿温、气压
大气温度的测定：
通风干湿计或遥测通风干湿计，连同湿度一起 测定。干、湿温的测定精度为0.2℃和0.1℃
温度放在阴凉、通风处、离地物等 1.5m外，
高频 电脉冲
优点：免棱镜 缺点：精度低，米级
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲法的时间测定 Wild DI-3000脉冲式测距仪
mD 3mm 1ppm D
Wild DIOR-3200
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
相位法测距的基本原理
空中悬浮颗粒会引起无法控制的的吸收
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
电磁波的传播速度 电磁波速度
c c0 n 大气折射率与大气实际介质性质的气体成分、
温度、压力、湿度及波长有关
n f (,T, P,e)
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
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
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控制测量学
电磁波测距仪的分类
电磁波测距仪精度 精度公式
mD A BD
A： 固定误差
BD ：比例误差 B : ppm 10 6
m m偶2 然 m系2 统 A2 BD 2
2mm 2 ppm
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲 直接测定器发射的脉冲信号往返于被测距离的传 播时间，而得到距离值
f 1 T
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲法的时间测定
光脉冲发生器
主脉冲
回波脉冲
计数系统
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
光波的折射率 微波的折射率 温度：1℃， 1.4ppm 气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 4.6ppm 测定微波折射率的关键是水汽分压的测定 由于微波受大气气象元素的影响较大，因此微波 测距的精度低于光波测距的精度
N 2
N 2
D vt 1 c 1 c c 2 2 2 2f 4f
D
c
4f
2N
c 2f
N
2
2
N
N
D u(N N ) 测尺：多义性
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
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
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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
巴热尔-希尔斯公式
Ng0
(ng 0
1) 106
287.604
1.6288
3 2
5
0.0136
4
埃德伦公式
Ng0
(ng 0
1) 106
287.5834
1.6134
3 2
5
0.01442
4
波长误差为5nm时，引起的折射率误差为0.3ppm， 所以电磁波波长需要精确确定
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
反射器 激光、红外、微波测距仪的合作目标 全反射棱镜：激光、红外测距仪 有源反射器：微波测距仪
全反射棱镜(反光镜) 四面体的光学玻璃，三面互相垂直 平行性：反射光线与入射光线平行
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
光波测距仪的合作目标
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
平均折射率的测定问题
不同点处的折射率不同，为便于计算距离，应使 用整条光程上的平均速度
D V t2D / 2
电磁波通过微分光程dx的时间为：
dt dx / v(x)
电磁波往返传播的时间为：
t2D
2D dx 2 D dx dx 0 v(x) 0 v(x)
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
平均折射率的测定问题
路程的平均速度
V D / D dx dx
0 v(x)
路程上的每一个点
v(x) C0 / n(v) V 1
C0
C0
D
n(v)dx
n
D0
C0 1
D
n(v)dx
n D0
目前采用的方法是在测线的一端或两端，再加测线中 间几个点测定大气气象元素，计算大气的折射率，取 平均值作为平均折射率。
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控制测量学
电磁波在大气中的传播
大气对电磁波测距的影响 速度变化，增加传播时间 电磁波传播的波道弯曲，观测距离大于实际距离 需要解决的问题 确定具体工作条件下的电磁波的实际传播速度 电磁波波道的弯曲改正
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
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
精度 1cm 10cm 1m 10m 100m
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
光波的折射率 气象元素误差对折射率的影响大小
温度：1℃， 1ppm
气压：1mb， 0.3ppm 湿度：1mb， 0.04ppm 为保证折射率的测定精度，精确确定温度是关键 在测站两端分别测量温度，计算折射率取平均值
每3-5min测定一次
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
大气参数的测定 大气压的测定： 使用精度高于1mb的高质量空盒气压计测量， 气压计放在阴凉处一段时间后再读数 大气湿度的测定： 测定方法有两种：湿度计和通风干湿计
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
D c 1 2 f1 2
D c 2 2 f2 2
1
2 2
2
D c 2 f1
D c
2
f
2
相减
1 2 2
D c
2 f1
f2
D us (Ns Ns )
D
2
c f1
1 2
f2 2
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第四章 电磁波测距及其距离测量
西南林业大学 土木工程学院
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本章提要
4.1 电磁波测距的物理原理及分类 4.2 电磁波测距的基本原理和应用 4.3 光波测距仪的合作目标及检验 4.4 电磁波在大气中的传播 4.5 测距成果的归算 4.6 误差来源及精度估计 4.7 微波测距概要
气象条件是限制电磁波测距精度的主要因素，如 何克服和进一步减少其影响，时当前电磁波测距
技术的一个重要课题
2020年3月29日12时49分
1km 10km 100km
1m 10m 100m
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控制测量学
相位法测距的基本原理
相位法
Mekometer ME5000
2020年3月29日12时49分
mD 0.2mm 0.2 ppm D
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控制测量学
干涉法测距的基本原理
略
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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
大气参数的测定
取决于测距仪的类型、内精度、测距精度以及距 离测长短
至少测定仪器站和反光镜战的干温、湿温、气压
大气温度的测定：
通风干湿计或遥测通风干湿计，连同湿度一起 测定。干、湿温的测定精度为0.2℃和0.1℃
温度放在阴凉、通风处、离地物等 1.5m外，
高频 电脉冲
优点：免棱镜 缺点：精度低，米级
2020年3月29日12时49分
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控制测量学
脉冲法测距的基本原理
脉冲法的时间测定 Wild DI-3000脉冲式测距仪
mD 3mm 1ppm D
Wild DIOR-3200
2020年3月29日12时49分
10 /21
控制测量学
相位法测距的基本原理
空中悬浮颗粒会引起无法控制的的吸收
2020年3月29日12时49分
27 /21
控制测量学
电磁波在大气中的传播
电磁波的传播速度 电磁波速度
c c0 n 大气折射率与大气实际介质性质的气体成分、
温度、压力、湿度及波长有关
n f (,T, P,e)