3电磁波测距1.ppt

1、几何量的电子传感测量，叶晓明测绘学院测量工程学院，电磁波测距，电磁波测距的一般原理，脉冲光电测距，相位光电测距，干涉激光测距，微波干涉测距，微波伪码测距，电磁波测距仪的一般工作原理，电磁波测距的原理是通过测量电磁波在两点之间的传播延迟时间间接测量直线距离的过程。光电测距仪的一般原理是AB点之间的距离为D，往返时间为t2D，大气中电磁波的速度为V: DV t2D/2 t2D可由测距仪中的时间测量系统测量，也可由大气温度、湿度和压力计算。不确定度公式表明，时间测量结果的不确定度必须达到10-11秒量级，才能获得毫米量级的距离测量可靠性。电磁波与测距基本方法，电磁波微波激光红外电子测距基本方法测距脉

2、冲测距干涉测距相位测距脉冲光电测距， 脉冲测距是直接测量间歇电磁脉冲信号在被测距离上来回传播所需的时间t2D，用公式计算距离d，脉冲测距的原理框图，脉冲测距的时间测量方法。 当测距仪向反射器发送脉冲信号时，它也向触发器发送触发脉冲以打开电子门。电子门一打开，计时脉冲就通过电子门进入计数器。当发送到反射器的脉冲信号被反射器反射回测距仪时，被测距仪接收后也发送到触发器，触发器关闭电子门。电子门关闭后，时间刻度脉冲无法通过电子门。那么记录在计数器上的时标脉冲m的数量将对应于测距脉冲信号在测量的D上来回传播所需的时间t2d.时间越长，通过的脉冲信号越多，反之越少。根据时标脉冲的数量，可以计算时间t2d

3、以获得距离。脉冲测距原理的优缺点：脉冲测距可以实现瞬时大功率脉冲传输，获得远距离；缺点：准确性问题。即使时钟频率达到100兆赫兹，由计数器的原理误差(1误差)引起的时间测量误差也可以达到1/100兆赫兹=10-8秒。根据公式D=Vt2d/2，由此引起的距离误差可达1.5m.然而，电子计数器和门电路不容易达到100兆赫兹。技术难度。高频电子电路在设计和制造中会面临干扰、能耗、成本和稳定性等问题。针对传统脉搏测量方法的不足，精密测量技术应运而生。在保持快速性的基础上，大大提高了测量精度。脉冲精密测量技术插值微延时计数法、插值测量法、少于一个计数时钟周期的短脉冲时间积分法，通过测量积分电压来估计短脉

4、冲的时间长度，从而实现精确测量。徕卡DI3000测距仪采用的测量脉冲、计数时钟、积分脉冲、插值测量方法，量程为10千米，精度为(31 ppm)毫米。问题：积分电压测量面临干扰，导致“拍频效应”，精度提高仍然有限。在DI3000中，采用干扰时钟和被测脉冲之间相位关系的方法来随机化“拍频效应”，并以牺牲测量时间为代价，利用统计规律来减小“拍频效应”的误差。这项技术的典型代表是德国ACAM公司的TDC时间数字转换芯片，它能在瞬间准确测量脉搏时间。该芯片利用门电路的微小延迟和大量门电路串联形成一条集成延迟线，通过检测被测脉冲结束时延迟线中的波相位实现精确的时间测量。测量单元由开始信号触发，由停止信号停

5、止。“开始”和“停止”之间的时间间隔是根据ri中波边缘的位置计算的典型应用：3D激光扫描仪是一种通过激光测距原理即时测量3D坐标值的测量仪器，通过3D激光扫描技术获得的3D点云数据可以快速建立复杂不规则场景的3D可视化模型，省时省力。快速扫描是扫描仪的一个概念。在常规测量方法中，每个点的测量时间为2-5秒。在数字化的今天，这种测量速度已经不能满足测量需求。3D激光扫描仪的诞生改变了这种状况。每秒1000点的初始测量速度让测量界惊叹不已。目前，脉冲扫描仪(scanstation2)的最大速度已经达到每秒50，000点，相位扫描仪Surphaser 3D激光扫描仪的最大速度已经达到每秒120万点，

6、这是3D激光扫描仪详细描述物体的基本保证。工厂管道、隧道和地形等复杂领域无法测量已经成为过去。典型应用：全站仪。目前，许多全站仪都配备了棱镜测距功能，有些采用脉冲激光测距原理。相位法测距，相位法测距，也叫间接法测距，它不直接测量电磁波传播时间。取而代之的是，测量由仪器发射的连续正弦电磁波信号在测量距离上来回传播所引起的相位变化(即相位差)，并根据相位差计算传播时间，从而计算距离d。相位法测距的基本公式，让测距仪发射的电磁波为：相位法测距的基本公式为：即角频率，=2f。往返传播时间为t2d，因此测距仪接收到的电磁波为：测距仪发出的信号(参考信号)与接收到的信号(测距信号)之间的相位差为t2d t

7、2d/，且：=2f t2d/2f，代入D=V t2d /2 V=c/n(c为真空光速，n为大气折射系数)。)，测量尺(电动尺)，2N，Dc(N)2/4 fn(N)/2，其中N为正整数，N为小于1的小数，为波长。用相位法测量距离就像用钢尺测量距离，钢尺的长度是/2(电尺)，n是被测距离的全长，n是小于一整长度的尾数，半波长/2称为测量尺的长度。相位测距仪的工作过程是测量标尺的全长和尾数的过程。相位法测距原理的技术要点(1)、精度问题，解决精度问题的方向是使用较高频率的载波(短尺度)调制，而要获得1毫米的距离分辨率，就必须获得10-11秒的时间测量分辨率。由于噪声等现实因素的存在，相位测量的精度是

8、有限的，对相位测量精度的高期望必然会加重电路设计和制造的难度，这也不利于使用中的稳定性指标。15兆赫兹的高频信号，10-11秒的时间延迟可以产生33.9的相位延迟；对于1.5兆赫兹的高频信号，10-11秒的时间延迟只能产生3.39的相位延迟，因此很难获得如此高的相位测量精度。测距问题，相位测量只能测量一个波长(周期)内的相位差。如果距离超过一个波长，整数个波长的距离将会丢失N值的问题。频率15兆赫兹，其测量范围只有10米。使用低频载波(长尺度)实现粗略测量。相位测距原理技术要点(二)、高频信号相位测量精度、高分辨率相位测量用数字相位计的工作频带在低频带。此外，高频信号(本地振荡器信号)用于混合

9、两个高频信号的和，这两个高频信号的相位差将被测量，并通过非线性电路产生两个差频信号，这被称为中频频率转换技术。使用中频信号的优点：中频信号有利于进一步的高增益放大、窄带滤波噪声干扰和自动增益控制。表3-1正弦信号的混频过程、相位法测距原理的技术要点(4)、相位计的精度目前，几乎所有的仪器都使用数字相位计来实现h光能衰减对测量范围的影响光的发散和透射衰减会导致返回光的强度随着距离的增加而急剧下降。为了获得较长的测量范围，需要选择高亮度浓度的发光管，设计高会聚光路系统，选择高灵敏度雪崩光电二极管，设计高增益低噪声接收放大器。然而，返回光强度在近距离非常强，因此需要具有诸如自动调光和自动增益控制之类

10、的具有优异性能的自适应系统。相位法测距原理的技术要点(5)、幅相误差、幅相误差的产生原理、相位法测距原理的技术要点(6)、幅相误差是在将模拟中频信号(正弦波)转换成数字信号(方波)的过程中产生的，即由不同信号幅值(强度)引起的转换附加相位差(非线性过程)。长距离和短距离之间的返回光信号强度有很大差异，因此有必要使用自动调光系统(自动光强控制系统)和自动增益控制中频放大器，以确保整形前信号幅度相同。这也是实现高精度距离测量的关键技术。自动增益控制电路的不合理设计也可能导致电路的延迟参数随信号强度而变化，并形成幅度和相位误差。周期性误差的问题，在电路系统和光学系统中，干扰和干涉是常见的。在精确相位

11、测量中，相同频率的干扰信号将是致命的误差源，因为相同的频率意味着它不能被电子滤波器滤波。克服干扰：屏蔽和隔离是正确使用电路技术的有效途径，如差分放大电路、相位测距原理技术要点(7)、电路固有延时问题，电路延时包括电磁波在被测距离内的延时，也包括电路中电信号的延时。内光路测量过程是将发射光直接短路回接收系统，测量电路系统造成的时延，并在计算测量距离时扣除这部分时延。普通石英晶体振荡器的稳定性大多在10-4 (100ppm)量级，不能满足测绘作业所需的精度，因此必须采用温度补偿来提高时间基准的精度。整个仪器包括复杂的控制和操作过程，如刻度转换控制、光路转换控制、自动调光控制、相位测量节奏(时序)控

12、制、相位距离转换、粗、细刻度距离连接操作、内部倍增常数校正、气象校正、电源监控、信号检测等。使用微处理器来实现这些复杂的过程当然是最有利的。相位测距原理，图3-5相位测距仪原理框图，相位测距过程中，晶体振荡器产生两个主频信号，主频调制信号调制发光二极管；另一个主频率信号被用作相位测量参考信号，并被发送到参考混频电路，以与本地振荡信号混频，从而产生参考中频信号。标尺的长度：发光二极管发射的红外光的主频率波长的一半，由于主频率信号的调制，红外光的强度随着主频率信号而变化，主频率信号被光学系统会聚，然后在反射后返回到接收光电二极管。光电二极管再次将光信号转换成电信号。此时，电信号是主频率被测量距离延

13、迟的测量信号。在相位测距过程中，被测信号通过测距混频电路与本振信号混频，产生被测中频信号，然后被送到数字相位测量电路，测量参考中频和被测中频之间的相位差，通过光路校准测量电路的固有延迟(相位差)。上述过程由微处理器控制。多频测距原理(1)，从基本公式可以看出为了保证测距精度，可以使用一组测距频率，即一台仪器配备两个以上的测量标尺，其中短测量标尺用于保证测距精度，长测量标尺用于扩大仪器的测量范围。例如，用15兆赫兹的精密尺子(长度为10.000米)测量的距离为8.057米，而用75兆赫兹的粗尺子(长度为2000.0米)测量的距离为1737.95米。对于细刻度：D=N10 8.057，对于粗刻度：

14、D=1737.95，所以n=(1737.95-8.057)/10=172.9893/10，因为n是整数当绝对值接近或超过精密标尺长度的1/2时，测距结果将不可避免地出现粗差。 多频测距的原理(3)从对照表可以看出，频率跨度太大，要求接收放大电路的高频响应和低频响应高度平衡和稳定，不利于接收电子放大器的设计和仪器的稳定性。组合式测量尺不存在上述问题，还可以解决测量范围和精度之间的矛盾。多频测距原理(4)，一个粗标度可以隐藏在多个细标度中。对于粗标度(长标度f0f1f2 )(f1和f2是组合精度标度)，延迟相位差为0:在测量的距离延迟时间t之后，其中1和2分别是延迟t之后f1精度标度和f2精度标度

15、产生的相位差。多频测距原理(5)，例如，分别测量15.150兆赫和15兆赫的延迟相位差1和2。可以计算出15.150兆赫-15兆赫=150千赫的粗标度的延迟相位差肯定是1-2。不需要直接产生150千赫的厚标度，也不需要用它来调制发光管。这样做的最大优点是接收前置放大器的工作频带只需要在15兆赫左右。不考虑150千赫的低频特性，放大器很容易确保两个精细频率的增益基本相同。总之，由于范围和精度的矛盾，晶体振荡器产生的主频调制信号往往很多，通常有三个或四个，每个调制信号都与一个锁定频率的本振信号相匹配，以保证混频后得到的中频相同，便于放大和相位测量。例如：测距仪采用三种测量刻度，即30Hz、30.0

16、15MHZ和31.5MHZ，测量某一距离的相位差分别为135.936度、167.88度和88.8度，请计算距离(30HZ按5米刻度长度计算)。1.第一粗调频率为30.015MHZ-30MHZ=15KHZ，其延迟相位差为167.88-135.936=31.944。相应的标尺长度为10000米。第一个粗略测量结果是10000 x31.944/360=887.333米。第二次粗测频率为31.5MHZ-30MHZ=1.5MHZ，其延迟相位差为88.8 -135.936=312.864。1.5MHZ直尺长度为100米，测量结果为100 x312.864/360=86.907米。把这两把粗尺的测量结果连接起来。37890.87898889854细刻度频率30MH(刻度长度为5m)的测量结果为5x135.936/360=1.888m 5，与第二次粗测量结果886.907: 886.907=5N