控制测量学课件第11讲

1、4.14.1电光调制和光电转换电光调制和光电转换（了解）（了解）4.24.2电磁波测距仪分类（电磁波测距仪分类（掌握掌握）4.34.3脉冲法测距的基本原理及应用（了解）脉冲法测距的基本原理及应用（了解） 4.44.4相位法测距的基本原理及应用（相位法测距的基本原理及应用（掌握掌握）4.54.5干涉法测距的基本原理（了解）干涉法测距的基本原理（了解）4.64.6光波测距仪的合作目标光波测距仪的合作目标（了解）（了解）4.74.7光波测距仪的检验（光波测距仪的检验（掌握掌握）4.84.8电磁波在大气中的传播电磁波在大气中的传播（了解）（了解）4.94.9测距成果的归算（测距成果的归算（掌握掌握）4

2、.104.10光波测距的误差来源及精度估计（光波测距的误差来源及精度估计（掌握掌握） 4.114.11微波测距概要微波测距概要（了解）（了解） 4.124.12多波测距的理论基础多波测距的理论基础（了解）（了解） 建立高精度平面控制网时建立高精度平面控制网时需要进行精密距离需要进行精密距离测量测量。当前，主要采用全站仪进行距离测量。当前，主要采用全站仪进行距离测量。 本章主要讨论本章主要讨论光电测距仪的基本原理光电测距仪的基本原理；电磁波；电磁波测距仪的测距仪的误差来源及其影响误差来源及其影响；地面距离观测值如地面距离观测值如何归算到椭球面上何归算到椭球面上。 目的是解决平面控制网的水平距离观

3、测问题。目的是解决平面控制网的水平距离观测问题。 钢尺量距和视距法量距的相对精度大概是多少？钢尺量距和视距法量距的相对精度大概是多少？光电测距是光电测距是以光波作为载波以光波作为载波，通过，通过测定光电波测定光电波在测在测线两端点间线两端点间往返传播的时间往返传播的时间来测量距离。来测量距离。与传统的与传统的钢尺量距钢尺量距相比，具有测程远、精度高、作相比，具有测程远、精度高、作业速度快和受地形限制少等特点。业速度快和受地形限制少等特点。光电测距，即是以光和电子技术测量距离。或者说，光电测距，即是以光和电子技术测量距离。或者说，以光和电子测量距离的技术。以光和电子测量距离的技术。光束速度光束速

4、度c c经过了二倍的距离，即经过了二倍的距离，即2D2D；同时，测距；同时，测距仪测出光束从发射到接收期间的时间仪测出光束从发射到接收期间的时间t t2D2D 。根据速。根据速度乘以时间得路程的原理，便可知：度乘以时间得路程的原理，便可知： 2D=c 2D=ct t2D2D， 相位法、脉冲法相位法、脉冲法 ABD光电测距原理光电测距原理 通过测定光波在通过测定光波在AB之间传播的时间之间传播的时间t，根据光波，根据光波在大气中的传播速度在大气中的传播速度c，按下式计算距离，按下式计算距离D：ctD21 短程光电测距仪短程光电测距仪：测程在：测程在3km3km以内以内，测距精度，测距精度一般在一

5、般在lcmlcm左右。左右。 中程光电测距仪中程光电测距仪：测程在：测程在3 315km15km左右的仪器左右的仪器称为中程光电测距仪，这类仪器适用于称为中程光电测距仪，这类仪器适用于二、三、二、三、四等四等控制网的边长测量。控制网的边长测量。 光电测距仪光电测距仪按仪器测程按仪器测程分类：分类： 远程激光测距仪远程激光测距仪：测程在：测程在15km15km以上以上的光电测距的光电测距仪，能满足国家仪，能满足国家一、二等一、二等控制网的边长测量。控制网的边长测量。按按光源光源可分为激光测距仪和红外测距仪。可分为激光测距仪和红外测距仪。（1 1）激光测距仪，主要用于长程测距仪；）激光测距仪，主要

6、用于长程测距仪；（2 2）红外测距仪，用于中短程测距仪；）红外测距仪，用于中短程测距仪；可见光、无线电波、微波可见光、无线电波、微波1 1脉冲法：脉冲法：直接测定时间直接测定时间。 D D ct/2 ct/2 式中式中 c c：光信号在大气中的传播速度：光信号在大气中的传播速度 用于激光雷达、微波雷达等远距离测距上。用于激光雷达、微波雷达等远距离测距上。通过测量光信号往返传播所产生的相位移通过测量光信号往返传播所产生的相位移来间接的测定时间，多用于精密测距来间接的测定时间，多用于精密测距。实质实质: :利用测定光波的相位移代替测定利用测定光波的相位移代替测定t2Dt2D实现距离的测量。实现距离

7、的测量。1 1距离距离D D与相位移的关系：与相位移的关系：ftD22 =2(N+N)=2(N+N)D=uD=u(N+N)(N+N)u u称为测尺，称为测尺，N N称为整尺段，称为整尺段，NN称为尾尺段。称为尾尺段。组合测距过程：组合测距过程：D=uD=uN N 1)1)设测尺。相位法按上式采用多测尺组合测距过程设测尺。相位法按上式采用多测尺组合测距过程如采用如采用u u1 1、u u2 2，一般地设一般地设f f1 115MHZ15MHZ，精测尺，精测尺u u1 1=10m=10m， f f2 2150kHZ150kHZ，粗测尺，粗测尺u u2 2=1000m=1000m。D=uD=uNN(

8、1)(1)以以u u1 1测量距离得测量距离得NN1 1。例如。例如NN1 1=0.8654=0.8654，把，把NN1 1及及u u1 1代入可得代入可得D D1 1=8.654m=8.654m。(2)(2)以以u u2 2测量距离得测量距离得NN2 2。例如。例如NN2 2=0.9875=0.9875，把，把NN2 2及及u u2 2代入得代入得D D2 2=987.5m=987.5m。(3)(3)组合完整的距离值。将组合完整的距离值。将u u1 1、u u2 2测量距离值组合测量距离值组合为完整的距离值，如图，其中的为完整的距离值，如图，其中的7.57.5不显示，则组不显示，则组合的距离

9、值是合的距离值是988.654m988.654m。相位式测距仪求距的基本公式和基本原理相位式测距仪求距的基本公式和基本原理 N N值确定的方法值确定的方法 ？基本公式及原理是：利用电磁波中某一点的相基本公式及原理是：利用电磁波中某一点的相位在传播过程中不变的特点，将接收到的信号位在传播过程中不变的特点，将接收到的信号与测距仪处相位连续变化的基准信号都转换成与测距仪处相位连续变化的基准信号都转换成测距信号，然后通过测相器进行对比测定相位测距信号，然后通过测相器进行对比测定相位差。设测定光波调制波在传播期间的相位值变差。设测定光波调制波在传播期间的相位值变化为（化为（N+N+）周，其中）周，其中N

10、 N是整周数，是整周数，是不足是不足一周的小数部分，已知波长为一周的小数部分，已知波长为 ，则则S S （N+N+）2 2。相位法测距的问题在于测相器只能测定不足一周的相位法测距的问题在于测相器只能测定不足一周的小数部分小数部分，整周数不能测定。解决的方法是采用，整周数不能测定。解决的方法是采用多个波长不同调制波分别测距，波长较长的调制波多个波长不同调制波分别测距，波长较长的调制波用来测定大数，称为粗测；波长较短的电磁波用来用来测定大数，称为粗测；波长较短的电磁波用来测定尾数，称为精测。就像时钟的时针、分针、秒测定尾数，称为精测。就像时钟的时针、分针、秒针一样，通过各波长电磁波结合来确定所测距

11、离。针一样，通过各波长电磁波结合来确定所测距离。 相位式光电测距仪的基本公式相位式光电测距仪的基本公式测尺频率的选择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，。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间接测尺频率方式：用差频作为测尺频率进行测距的方式的方式 。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。频率称为粗测尺频率。相位式光

12、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主要部件的工作原理相位式光电测距仪主要部件的工作原理 光源光源 相 位 式 测 距 仪 的 光 源 ， 主 要 有 砷 化 镓相 位 式 测 距 仪 的 光 源 ， 主 要 有 砷 化 镓（GaAsGaAs）二极管和氦）二极管和氦- -氖（氖（He-NeHe-Ne）气体激光器。）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。距仪中。调制器调制器 采用砷化镓（采用砷化镓（GaAsGaAs）二极管发射红外光的红）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，发外测距仪，

13、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。随测距信号电压而变化，成为一种调制光。棱镜反射器棱镜反射器 在使用光电测距仪进行精密测距时，必须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，使发射的调在测线的另一端安置一个反射器，使发射的调

14、制光经它反射后，被仪器接收器接收。制光经它反射后，被仪器接收器接收。 光电转换器件光电转换器件 在光电测距仪中，接收器的信号为光信号。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。有光电二极管，雪崩光电二极管和光电倍增管。 差频测相差频测相 目前相位式测距仪都采用差频测相，即，使目前相位式测距仪都采用差频测相，即

15、，使高频测距信号和高频基准信号在进入比相前均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（如精测尺频率为度降低（如精测尺频率为15MHz15MHz，混频后低频，混频后低频为为4kHz4kHz时，降低了时，降低了37503750倍），周期相应扩大，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即表象时间得到放大，这就大大地提高了测相精度。精度。红外测距仪，是以发射红外光的光源装备的光电红外测距仪，是以发射红外光的光源装备的

16、光电测距仪。测距仪。1.1.类型：按测程：短程测距仪，中程测距仪，远类型：按测程：短程测距仪，中程测距仪，远程测距仪，超远程测距仪。按基本功能的类型有程测距仪，超远程测距仪。按基本功能的类型有：1)1)专用型：只用于测量距离。专用型：只用于测量距离。2)2)半站型：测距仪与光学经纬仪组合在一起，称半站型：测距仪与光学经纬仪组合在一起，称为半站型仪器。为半站型仪器。3)3)全站型：测距仪与光电经纬仪组合的仪器，或全站型：测距仪与光电经纬仪组合的仪器，或者测距仪与光电经纬仪结合为一体化仪器，称为者测距仪与光电经纬仪结合为一体化仪器，称为全站型仪器，简称全站器。全站型仪器，简称全站器。1)1)反射器

17、的入射光线和反射光线的方向相反，且线反射器的入射光线和反射光线的方向相反，且线径互相平行。径互相平行。利于瞄准目标利于瞄准目标2)2)可以根据测程的长短增减棱镜的个数。可以根据测程的长短增减棱镜的个数。3)3)反射器有本身的规格参数。反射器与测距仪配合反射器有本身的规格参数。反射器与测距仪配合使用，不要随意更换。使用，不要随意更换。光电测距仪操作与使用光电测距仪操作与使用 （1）安置仪器）安置仪器 先在测站上安置好经纬仪，对中、整平后，先在测站上安置好经纬仪，对中、整平后，将测将测距仪主机安装在经纬仪支架上距仪主机安装在经纬仪支架上，用连接器固定螺丝锁，用连接器固定螺丝锁紧，将电池插入主机底部

18、、扣紧。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，并使镜面在目标点安置反射棱镜，对中、整平，并使镜面朝向主机。朝向主机。 （2）观测垂直角、气温和气压）观测垂直角、气温和气压 用经纬仪十字横丝照准觇板中心，测出垂直角用经纬仪十字横丝照准觇板中心，测出垂直角。 同时，观测和记录温度和气压计上的读数。同时，观测和记录温度和气压计上的读数。 观测垂直角、气温和气压，观测垂直角、气温和气压，目的是对测距仪测量目的是对测距仪测量出的斜距进行倾斜改正、温度改正和气压改正出的斜距进行倾斜改正、温度改正和气压改正，以得，以得到正确的水平距离。到正确的水平距离。 （3）测距准备）测距准备

19、 按电源开关键按电源开关键“PWR”开机，主机自检并显示原开机，主机自检并显示原设定的温度、气压和棱镜常数值，自检通过后将显示设定的温度、气压和棱镜常数值，自检通过后将显示“good”。 若修正原设定值，可按若修正原设定值，可按“TPC”键后输入温度、气键后输入温度、气压值或棱镜常数（一般通过压值或棱镜常数（一般通过“ENT”键和数字键逐个输键和数字键逐个输入）。入）。 一般情况下，只要使用同一类的反光镜，棱镜常一般情况下，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，需要重数不变，而温度、气压每次观测均可能不同，需要重新设定。新设定。 （4）距离测量）距离测量 调节主机照准轴水平调整手轮（或经纬仪水平微调节主机照准轴水平调整手轮