电磁波测距原理和其距离测量方式

1、电磁波测距原理和其距离测量方式本 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 微波测距概要重点 误差来源及精度估本 章 提 要知识点及学习要求1、电磁波在大气中的传播2、测距成果的归算3、误差来源及精度估计电光调制和光电转换省略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脉冲式相位式直接测定脉冲信号往返传播时间测定测距信号往返的相位滞后相位，转化为时间电磁波测距仪的分类按测程长程、中程、短程按载波源光波、微波 按载波数

2、单载波、双载波、三载波按反射目标射目标、合作目标、有源反射器电磁波测距仪的分类电磁波测距仪精度精度公式 A： 固定误差BD ：比例误差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高频电脉冲优点：免棱镜缺点：精度低，米级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Wild DIOR-3200相位法测距的基本原理相位法测量连续的调制信号在待测距离上往返传播产生的相位变化间接测定传播时间相位法测距的基本原理相位法测尺：多义性相位法测距的基本原理相位法测尺频率15

3、MHZ1.5MHZ150KHZ15KHZ1.5KHZ测尺长度10m100m1km10km100km精度1cm10cm1m10m100mu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相位法测距的基本原理相位法相减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=15MHZ15MHZ10m1cmf2=0.9f1f1-f2=1.5MHZ100m10cmf3=0.99f1f1-f3=150KHZ1km1mf4=0.999f1f1-f4=15KHZ10km10mf5=0.9999f1f1-f5=1.5KHZ100km100m相位法

4、测距的基本原理相位法Mekometer ME5000干涉法测距的基本原理略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光波测距仪的合作目标全反射棱镜(反光镜)单棱镜、三棱镜、六棱镜、九棱镜光波测距仪的检验周期误差加常数乘常数光波测距仪的检验周期误差来源：仪器内部固定的串行信号周期误差的周期来源于精测尺的尺长周期为2，等于精测尺的长度加大测距信号强度，可减小周期误差e1e2ek1光波测距仪的检验周期误差改正计算公式平台法ddd123n-1nD0光波测距仪

5、的检验仪器常数仪器加常数仪器加常数通过电子路线补偿反光镜常数乘常数光波测距仪的检验仪器常数六段解析法n1Dn2n3nd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电磁波在大气中的传播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

6、影响电磁波的测程空中悬浮颗粒会引起无法控制的的吸收电磁波在大气中的传播电磁波的传播速度电磁波速度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 纯单色波的相折射率群波的群折射率电磁波在大气中的传播电磁波的传播速度电磁波速度对于无线电微波，对流层为非色散介质，群速度与相速度一致对于光波，对流层为色散介质，两者不同光电测距仪采用调制波，需要采用群速 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 为大气折射指数群折射率希梅公式电磁波在大气中的传播光波的折射率巴热尔-希尔斯公式埃德伦公式波长误差为5nm时，引起的折射率误差为，所

7、以电磁波波长需要精确确定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， 湿度：1mb， 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， 气压：1mb， 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 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

8、，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 外，每3-5min测定一次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电磁波通过微分光程dx的时间为：电磁波往返传播的时间为： 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路程上的每一个点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

9、折射率，取平均值作为平均折射率。 电磁波在大气中的传播平均折射率的测定问题大气模型大气折射率主要受空气密度的制约无线电气象学中，认为大气折射指数与高度成线性、抛物线、指数的函数关系指数模型适用于近地几公里的大气电磁波在大气中的传播平均折射率的测定问题大气模型双指数函数模型 Nt和Nf为大气的折射指数的干、湿分量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电磁波在大气中的传播电磁波的波道弯曲波道的曲率半径 曲率半径与大气折射率的梯度有关，确定波道曲率半径的问题可归结为确定折射率的梯度问题电磁波在大气中的传播电磁波的波道弯曲按线性模型时，折

10、射指数的梯度函数为微波波道的曲率半径为： 光波波道的曲率半径为：地球平均曲率半径和波道曲率半径之比为折光系数光波：微波：测距成果的归算改正计算仪器系统误差改正加常数、乘常数、周期误差大气折射率变化引起的改正归算改正倾斜改正、归算改正、投影改正、归心改正、波道改正测距成果的归算速度改正第一次速度改正(理论折射率改正)实际长度仪器测程测距成果的归算速度改正第二次速度改正(平均折射率改正)实际折射率速度改正结果测距成果的归算几何改正波道弯曲改正实际折射率速度改正结果测距成果的归算几何改正弦长化为弧长波道弯曲改正斜距化弦长利用测站点的大地高程利用观测的天顶距AB测距成果的归算利用测站点的大地高程级数展

11、开分步法斜距化弦长AB测距成果的归算利用测站点的大地高程余弦定理分步法ABC严密公式测距成果的归算利用测站点的大地高程分步法ABC测距成果的归算利用测站点的大地高程分步法ABC近似公式测距成果的归算利用测站点的大地高程分步法ABC测距成果的归算利用测站点的大地高程一步法高差需要精确测定，保证改正精度测距成果的归算利用天顶距略测距成果的归算投影改正椭球面向高斯平面投影误差来源及精度估计测距误差来源与距离有关的系统误差： 光速误差 大气折射率误差 测距频率误差与距离无关的系统误差： 测相误差 加常数误差 对中误差误差来源及精度估计测距精度指标内部符合精度测相误差、大气环境变化误差外部符合精度误差来源及精度估计测距精度指标内部符合精度测相误差、大气环境变化误差