第四章距离测量

1、LOGO控制测量学控制测量学 控制测量控制测量LOGO电磁波测距仪电磁波测距仪 控制测量控制测量 了解测距仪工作原理及了解测距仪工作原理及其分类；其分类； 掌握距离测量的精度要掌握距离测量的精度要求。求。 控制测量控制测量LOGO 控制测量控制测量LOGO 电磁波测距仪是利用电磁波作为载波和调制波进行长电磁波测距仪是利用电磁波作为载波和调制波进行长度测量的一门技术。其出发公式是度测量的一门技术。其出发公式是D=（1/2)vtct式中式中 电磁波在大气中的传播速度电磁波在大气中的传播速度 电磁波在测线上的往返电磁波在测线上的往返 传播时间传播时间待测距离待测距离D 控制测量控制测量图4-1LOG

2、O 控制测量控制测量相位式测距仪相位式测距仪 脉冲式测距仪脉冲式测距仪 1、按测定、按测定t的方法，测距仪分为的方法，测距仪分为脉冲式测距仪脉冲式测距仪：直接直接测定仪器发出的脉冲信号往返于被测距离测定仪器发出的脉冲信号往返于被测距离 的传播时间，进而求得距离值的一类测距仪。的传播时间，进而求得距离值的一类测距仪。 相位式测距仪相位式测距仪：测定仪器发射的测距信号往返于被测距离的：测定仪器发射的测距信号往返于被测距离的滞后相位来滞后相位来间接间接推算信号的传播时间，从而求得所测距离的推算信号的传播时间，从而求得所测距离的一类测距仪。一类测距仪。LOGO思考：取思考：取v=3v=3* *1010

3、8 8m/s,f=15MHZm/s,f=15MHZ，当要求测距，当要求测距误差小于误差小于1cm1cm时，脉冲法测距的计时精度、相时，脉冲法测距的计时精度、相位法测距时的测定相位角的精度应达到多少？位法测距时的测定相位角的精度应达到多少？ 控制测量控制测量LOGO2、按测程，测距仪分为、按测程，测距仪分为 控制测量控制测量短程光电测距仪短程光电测距仪中程光电测距仪中程光电测距仪远程激光测距仪远程激光测距仪LOGOv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，测距精度一般在，测距精度一般在lcmlcm左右。这种仪器可用来测量三等以下的三角锁网的起始左右。这种仪器可用来测量三

4、等以下的三角锁网的起始边，以及相应等级的精密导线和三边网的边长，适用于边，以及相应等级的精密导线和三边网的边长，适用于工程测量和矿山测量。工程测量和矿山测量。 v中程光电测距仪中程光电测距仪：测程在：测程在3 315km15km左右的仪器称为中程左右的仪器称为中程光电测距仪，这类仪器适用于二、三、四等控制网的边光电测距仪，这类仪器适用于二、三、四等控制网的边长测量。长测量。v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仪，精度的光电测距仪，精度一般可达一般可达(5mm+1(5mm+11010-6-6），能满足国家一、二等控制），能满足国家一、二等控制网的边长测

5、量。网的边长测量。 控制测量控制测量LOGO3、按载波源，测距仪分为、按载波源，测距仪分为4、按载波数，测距仪分为、按载波数，测距仪分为5、按反射目标，测距仪分为、按反射目标，测距仪分为光波光波微波微波单载波单载波双载波双载波三载波三载波漫反射目标漫反射目标合作目标合作目标有源反射器有源反射器 控制测量控制测量LOGO还可按测距仪精度指标分，我国现行城市测量规范将还可按测距仪精度指标分，我国现行城市测量规范将测距仪划分为测距仪划分为、级，即：级，即：级：级：mmD D5mm5mm，级：级： 5mm5mm mmD D10mm10mm，级：级： 10mm10mm mmD D20mm20mm 控制测

6、量控制测量mmD D=A+BD=A+BDA：固定误差，单位mm。主要由仪器加常数的测定误差、对中误差、测相误差引起。与测量距离无关。全站仪的固定误差一般为1-5mm。BD：比例误差。主要由仪器频率误差、大气折射误差引起。其中B的单位“ppm”，全站仪该值由生产厂家提供，用来表征比例误差中比例的大小，是个固定值，一般在1-5ppm之间；D的单位是km，由用户实际测量的距离值确定。LOGO 控制测量控制测量LOGO1、基本原理 控制测量控制测量LOGO相位式光电测距仪各主要部件的工作原理简介相位式光电测距仪各主要部件的工作原理简介 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

7、要有砷化镓（GaAsGaAs）二极管和氦）二极管和氦- -氖氖（He-He-NeNe）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。远程测距仪中。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外测距仪，发射光）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，发射一种红外调制光，称为直接调制，故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不再需要专门的调制器。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

8、作用是将测距信号载在光波上，使发仪，必须采用一种调制器，其作用是将测距信号载在光波上，使发射光的振幅随测距信号电压而变化，成为一种调制光。射光的振幅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，必须在测线的另一端安置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，使发射的调制光经它反射后，被仪器接收器接收。一个反射器，使发射的调制光经它反射后，被仪器接收器接收。 控制测量控制测量LOGO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。为了将此信号送到在光电测距仪中，接收器的信号为光信号。为了将此信号送到相位器进行相

9、位比较，必须把光信号变为电信号，对此要采用光电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完成这项工作。用于测距仪的光电转换器件通常有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有光电二极管，雪崩光电二极管和光电倍增管。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，即就是使高频测距信号和目前相位式测距仪都采用差频测相，即就是使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，成为测距和基准低频信号。在比相时，由于低频信号的频率大幅度降低（如和基准

10、低频信号。在比相时，由于低频信号的频率大幅度降低（如精测尺频率为精测尺频率为15MHz15MHz，混频后低频为，混频后低频为4kHz4kHz时，降低了时，降低了37503750倍），周倍），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精度。期相应扩大，即表象时间得到放大，这就大大地提高了测相精度。自动数字测相自动数字测相 随着集成电路和数字技术的发展，为测距仪向自动化和数字化随着集成电路和数字技术的发展，为测距仪向自动化和数字化方向发展提供了条件。目前许多中、短程测距仪几乎都采用自动数方向发展提供了条件。目前许多中、短程测距仪几乎都采用自动数字测相技术以及距离的数字显示。字测相技术以

11、及距离的数字显示。 控制测量控制测量LOGO 控制测量控制测量v测定测定A A、B B两点的距离两点的距离D D，将相位式光电测距仪整置，将相位式光电测距仪整置于于A A点（称测站），反射器整置于另一点点（称测站），反射器整置于另一点B B（称镜（称镜站）。测距仪发射出连续的调制光波，调制波通过站）。测距仪发射出连续的调制光波，调制波通过测线到达反射器，经反射后被仪器接收器接收（如测线到达反射器，经反射后被仪器接收器接收（如图图4-24-2（b b）。调制波在经过往返距离）。调制波在经过往返距离2D2D后，相位后，相位延迟了延迟了 。我们将两点之间调制光的往程和返程展开。我们将两点之间调制光的

12、往程和返程展开在一直线上，用波形示意图将发射波与接收波的相在一直线上，用波形示意图将发射波与接收波的相位差表示出来，位差表示出来， 2、基本公式LOGO图4-1 控制测量控制测量v 设调制波的调制频率为设调制波的调制频率为f f，它的周期，它的周期 ，相应的调制波，相应的调制波长长 。由上图可知，调制波往返于测线传播过程。由上图可知，调制波往返于测线传播过程所产生的总相位变化所产生的总相位变化 中，包括中，包括N N个整周变化个整周变化 和不足和不足一周的相位尾数一周的相位尾数 ，即，即v 根据相位根据相位 和时间和时间 的关系式的关系式 ，其中，其中 为角频率，为角频率，则则fT/1fccT

13、/2N2NDt2Dwt2w)2(21/2NfwtDLOGO 控制测量控制测量(/2 )()2cDNu NNf /2/2UcfN2/N测尺长度；测尺长度； 整周数；整周数； 不足一周的尾数。不足一周的尾数。 相位式相位式光电测光电测距的基距的基本公式本公式 v这种测距方法同钢尺量距相类似，用一把长度为这种测距方法同钢尺量距相类似，用一把长度为 的的“尺子尺子”来丈量距离，式中来丈量距离，式中N为整尺段数，而为整尺段数，而 为不足一尺段的余长。则为不足一尺段的余长。则2/2N()Du NN(/2 )()22cDNNNf 控制测量控制测量,c f为已知值, N,为测定值。为测定值。 将长度等于调制波

14、波长一半的这一把将长度等于调制波波长一半的这一把“尺子尺子”称为称为“测尺测尺”或或“电子尺电子尺”。在相位式电磁波测距仪中，欲得到距离必须测定两个量：整波在相位式电磁波测距仪中，欲得到距离必须测定两个量：整波数数N N，余长，即相位差的尾数。一般只能测定尾数，无法测定整，余长，即相位差的尾数。一般只能测定尾数，无法测定整波数波数N N。LOGOv 由于在相位式测距仪中存在的多值性问题，只有当被测距离由于在相位式测距仪中存在的多值性问题，只有当被测距离D D小于测尺长度小于测尺长度 时（即整尺段数时（即整尺段数N=0N=0），才可以根据），才可以根据 求得唯一确定的距离值，即求得唯一确定的距离

15、值，即v 为了扩大单值解的测程，就必须选用较长的测尺，即选用较为了扩大单值解的测程，就必须选用较长的测尺，即选用较低的调制频率。低的调制频率。 控制测量控制测量2/22Du N 测尺频率测尺频率15MHz15MHz1.5MHz1.5MHz150kHz150kHz15kHz15kHz1.5kHz1.5kHz测尺长度测尺长度10m10m100m100m1km1km10km10km100km100km精度精度1cm1cm10cm10cm1m1m10m10m100m100mLOGO 控制测量控制测量可以采用一组测尺共同测距，以短测尺（精可以采用一组测尺共同测距，以短测尺（精测尺）保证精度，长测尺（粗测

16、尺）保证测测尺）保证精度，长测尺（粗测尺）保证测程，从而也解决了程，从而也解决了“多值性多值性”的问题。的问题。根据仪器的测程与精度要求，即可选定测尺根据仪器的测程与精度要求，即可选定测尺数目和测尺精度。数目和测尺精度。LOGOv当待测距离较长时，为了既保证必需的测距精度，当待测距离较长时，为了既保证必需的测距精度，又满足测程的要求。在考虑到仪器的测相精度为千又满足测程的要求。在考虑到仪器的测相精度为千分之一情况下，我们可以在测距仪中设置几把不同分之一情况下，我们可以在测距仪中设置几把不同的测尺频率，即相当于设置了几把长度不同、最小的测尺频率，即相当于设置了几把长度不同、最小分划值也不相同的分

17、划值也不相同的“尺子尺子”，用它们同测某段距离，用它们同测某段距离，然后将各自所测的结果组合起来，就可得到单一的、然后将各自所测的结果组合起来，就可得到单一的、精确的距离值。精确的距离值。v长尺（粗测尺）保证测程，短尺（精测尺）保证精长尺（粗测尺）保证测程，短尺（精测尺）保证精度。度。 控制测量控制测量LOGOv设仪器中采用了两把测尺配合测量，其中精测频率设仪器中采用了两把测尺配合测量，其中精测频率为为f1，相应的测尺长度为，相应的测尺长度为u1=c/2f1；粗测尺频率；粗测尺频率为为f2，相应的测尺长度为，相应的测尺长度为u2=c/2f2。若用两者测。若用两者测定同一段距离，则有：定同一段距

18、离，则有：111222()()Du NNDuNN 控制测量控制测量211221=()uNNNNu测尺放测尺放大系数大系数LOGO例：某仪器选用例：某仪器选用u1=10m，u2=100m两把两把测尺测量一段小于测尺测量一段小于1000m的距离。测得的距离。测得10.698N 控制测量控制测量20.387N若已知被测距离小于若已知被测距离小于u2，则距离为多少？，则距离为多少？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称精测尺频率；而将用于扩展测程的测尺

19、频率称为粗测尺频率。 控制测量控制测量LOGO 对于采用直接测尺频率方式的测距仪，精测尺频率的确定，依对于采用直接测尺频率方式的测距仪，精测尺频率的确定，依据测相精度，主要考虑仪器的测程和测量结果的准确衔接，还要使据测相精度，主要考虑仪器的测程和测量结果的准确衔接，还要使确定的测尺长度便于计算。确定的测尺长度便于计算。 例如我国的例如我国的HGC-1HGC-1型及长征型及长征DCH-1DCH-1型红外测距仪，确定精测尺长型红外测距仪，确定精测尺长=10m=10m和粗测尺长和粗测尺长=1000m=1000m的精测尺频率和粗测尺频率。的精测尺频率和粗测尺频率。测尺频率可依下式确定：测尺频率可依下式

20、确定： iiinLcLcf2201式中式中: : 光波在大气中的传播速度；光波在大气中的传播速度； 大气折射率；大气折射率； 光波在真空中的传播速度；光波在真空中的传播速度； 调制频率（测尺频率）。调制频率（测尺频率）。 cn0cif 控制测量控制测量LOGOv 一级及以上等级控制网的测距边，应采用全站仪或电磁波测一级及以上等级控制网的测距边，应采用全站仪或电磁波测距仪进行测距，一级以下也可采用普通钢尺进行量距。距仪进行测距，一级以下也可采用普通钢尺进行量距。v 本规范测距的各项指标适用于电磁波测距仪、全站仪等中、本规范测距的各项指标适用于电磁波测距仪、全站仪等中、短程测距仪器，中、短程的划分

21、，短程为短程测距仪器，中、短程的划分，短程为3km3km以下，中程为以下，中程为3 315km15km。v 测距仪器的标称精度，按下式表示。测距仪器的标称精度，按下式表示。A+bppmA+bppm 控制测量控制测量Dbam D式中式中 Dm 测距中误差（测距中误差（mmmm）；）；a a 标称精度中的固定误差（标称精度中的固定误差（mm）；）；b b 标称精度中的比例误差系数（标称精度中的比例误差系数（mm/km）；）；D D 测距长度（测距长度（km）。）。LOGOv 测距仪器及相关的气象仪表，应定期进行检验。当在高海拔测距仪器及相关的气象仪表，应定期进行检验。当在高海拔地区使用空盒气压计时

22、，宜送当地气象台（站）校准。地区使用空盒气压计时，宜送当地气象台（站）校准。 控制测量控制测量各等级边长测距的主要技术要求，应符合下表的规定。各等级边长测距的主要技术要求，应符合下表的规定。 Dba 2平面平面控制控制网等网等级级仪器型号仪器型号观测观测次数次数总测总测回数回数一测回一测回读数较读数较差（差（mmmm）单程各单程各测回较测回较差（差（mmmm）往返较差往返较差（mmmm）往往 返返三等三等 5 5 mm级仪器级仪器1 11 16 65 57 71010 mm级仪器级仪器8 810101515四等四等5 5 mm级仪器级仪器1 11 14 45 57 71010 mm级仪器级仪器

23、6 610101515一级一级1010 mm级仪器级仪器1 12 210101515二、二、三级三级1010 mm级仪器级仪器1 11 110101515LOGO注：注：1 测距的测距的5 mm级仪器和级仪器和10 mm级仪器，是指当测距长级仪器，是指当测距长度为度为1km时，仪器的标称精度分别为时，仪器的标称精度分别为5mm和和10 mm的电的电磁波测距仪器。磁波测距仪器。 2 测回是指照准目标一次，读数测回是指照准目标一次，读数24次的过程；次的过程； 3 根据具体情况，边长测距可采取不同时间段测量代替往根据具体情况，边长测距可采取不同时间段测量代替往返观测；返观测； 4 计算测距往返较差

24、的限差时，计算测距往返较差的限差时，a 、b分别为相应等级所分别为相应等级所使用仪器标称的固定误差和比例误差。使用仪器标称的固定误差和比例误差。 控制测量控制测量LOGO1 1 测站对中误差和反光镜对中误差不应大于测站对中误差和反光镜对中误差不应大于2mm2mm；2 2 当观测数据超限时，应重测整个测回，如观测数据出现当观测数据超限时，应重测整个测回，如观测数据出现分群时，应分析原因，采取相应措施重新观测；分群时，应分析原因，采取相应措施重新观测；3 3 四等及以上等级控制网的边长测量，应分别量取两端点四等及以上等级控制网的边长测量，应分别量取两端点观测始末的气象数据，计算时应取平均值。观测始

25、末的气象数据，计算时应取平均值。4 4 测量气象元素的温度计宜采用通风干湿温度计，气压表测量气象元素的温度计宜采用通风干湿温度计，气压表宜选用高原型空气盒气压表；读数前应将温度计悬挂在宜选用高原型空气盒气压表；读数前应将温度计悬挂在离开地面和人体离开地面和人体1.5m1.5m以外的地方，读数精确至以外的地方，读数精确至0.20.2；气压表应置平，指针不应滞阻，读数精确至气压表应置平，指针不应滞阻，读数精确至50Pa50Pa。 控制测量控制测量LOGO 控制测量控制测量等级等级边长量边长量距较距较差相差相对误对误差差作业作业尺尺数数量量 距距总总次次数数定线定线最最大大偏偏差差（mm）尺段尺段高

26、高差差较较差差读定读定次次数数估读估读值值至至（mmmm）温度读温度读数值数值至至（C C）同尺各次同尺各次或同段或同段各尺的各尺的较差较差（mmmm）二级二级1/200001/200001 12 22 2505010103 30.50.50.50.52 2三级三级1/100001/100001 12 22 2707010102 20.50.50.50.53 3LOGOv 相邻点之间应通视良好，其视线距障碍物的距离，相邻点之间应通视良好，其视线距障碍物的距离，三、四等不宜小于三、四等不宜小于1.5m1.5m；四等以下宜保证便于观测，；四等以下宜保证便于观测，以不受旁折光的影响为原则；以不受旁折

27、光的影响为原则；v 当采用电磁波测距时，相邻点之间视线应避开烟囱、当采用电磁波测距时，相邻点之间视线应避开烟囱、散热塔、散热池等发热体及强电磁场；散热塔、散热池等发热体及强电磁场； v 应注意仪器的选用：短程、中程、远程；应注意仪器的选用：短程、中程、远程；v 测距仪器及相关的气象仪表，应定期进行检验。当测距仪器及相关的气象仪表，应定期进行检验。当在高海拔地区使用空盒气压计时，宜送当地气象台在高海拔地区使用空盒气压计时，宜送当地气象台（站）校准。（站）校准。 v 测量斜距，须经气象改正和仪器的加、乘常数改正测量斜距，须经气象改正和仪器的加、乘常数改正后才能进行水平距离计算。后才能进行水平距离计

28、算。 控制测量控制测量LOGO测距误差的主要来源测距误差的主要来源 ：222222202240lKnfcSmmmnmfmcmDM 上式中的各项误差影响，就其方式来讲，有些是与距离成比例上式中的各项误差影响，就其方式来讲，有些是与距离成比例的。这些误差称为的。这些误差称为“比例误差比例误差”；另一些误差影响与距离长短无关。；另一些误差影响与距离长短无关。称其为称其为“固定误差固定误差”。对于对于式中式中偶然性误差的影响，我们可以采取偶然性误差的影响，我们可以采取不同条件下的多次观测来削弱其影响；而对系统性误差影响则不然，不同条件下的多次观测来削弱其影响；而对系统性误差影响则不然，但我们可以事先通

29、过精确检定，缩小这类误差的数值，达到控制其但我们可以事先通过精确检定，缩小这类误差的数值，达到控制其影响的目的。影响的目的。 控制测量控制测量LOGO比例误差的影响比例误差的影响 ：光速值的误差影响光速值的误差影响 光速值对测距误差的影响甚微，可以忽略不计。光速值对测距误差的影响甚微，可以忽略不计。调制频率的误差影响调制频率的误差影响 调制频率的误差，包括两个方面，即频率校正的误差（反映了调制频率的误差，包括两个方面，即频率校正的误差（反映了频率的精确度）和频率的漂移误差（反映了频率稳定度）。频率误频率的精确度）和频率的漂移误差（反映了频率稳定度）。频率误差影响在精密中远程测距中是不容忽视的，

30、作业前后应及时进行频差影响在精密中远程测距中是不容忽视的，作业前后应及时进行频率检校，必要时还得确定晶体的温度偏频曲线，以便给以频率改正。率检校，必要时还得确定晶体的温度偏频曲线，以便给以频率改正。大气折射率的误差影响大气折射率的误差影响 正确测定测站和镜站上的气象元素，并使算得的大气折射系数正确测定测站和镜站上的气象元素，并使算得的大气折射系数与传播络径上的实际数值十分接近，可以大大地减少大气折射的误与传播络径上的实际数值十分接近，可以大大地减少大气折射的误差影响，这对精密中、远程测距乃是十分重要的。差影响，这对精密中、远程测距乃是十分重要的。 控制测量控制测量LOGO固定误差的影响固定误差

31、的影响 ： 测相误差，仪器加常数误差和对中误差都属于固定误差。测相误差，仪器加常数误差和对中误差都属于固定误差。在精在精密的短程测距时，这类误差将处于突出的地位。密的短程测距时，这类误差将处于突出的地位。 对中误差对中误差 在控制测量中，一般要求对中误差在在控制测量中，一般要求对中误差在3mm3mm以下，要求归心误差以下，要求归心误差在在5mm5mm左右。但在精密短程测距时，由于精度要求高，必须采用强左右。但在精密短程测距时，由于精度要求高，必须采用强制归心方法，最大限度地削弱此项误差影响。制归心方法，最大限度地削弱此项误差影响。仪器加常数误差仪器加常数误差 经常对加常数进行及时检测，予以发现并改用新的加常数来避经常对加常数进行及时检测，予以发现并改用新的加常数来避免这种影响。免这种影响。测相误差测相误差 包括测相设备本身的误差包括测相设备本身的误差 ，幅相误差，幅相误差 ，照准误差，照准误差 ，信噪比，信噪比引起的误差，周期误差引起的误差，周期误差 。 控制测量控制测量LOGO频率改正频率改正 ： 频率变化对距离的影响是系统性的。通常，精测尺频率变化对距离的影响是系统性的。通常，精测尺频率可通过检测，用补偿的办法调整到规定的标准值，频率可通过检测，用补