第05講 光電測距儀

1、（補(bǔ)）一、光電測距的發(fā)展過程光速每秒近300000km，這樣高的速度要想加以利用是一件不容易的事情。40年代前后飛行技術(shù)的發(fā)展改變了戰(zhàn)爭的面貌，迫使人們尋求迅速偵測飛機(jī)的手段，這時便開始發(fā)展利用電磁波反射探測飛機(jī)的設(shè)備雷達(dá)。與此同時，各種探測方式的導(dǎo)航系統(tǒng)也發(fā)展起來。并且它們反過來促進(jìn)電子測時技術(shù)、測相技術(shù)、高穩(wěn)定高頻率源等一系列新領(lǐng)域的深入研究。這些為后來的光電測距奠定了基礎(chǔ)。測距儀北京光學(xué)儀器廠DC-30JG 激光測距儀一、光電測距的發(fā)展過程（續(xù)）50年代出現(xiàn)于測量領(lǐng)域的光電測距儀NASM曾以驚人的效率和精度直接測量三角網(wǎng)邊的長度。當(dāng)時儀器重達(dá)100kg，而且只能夜間作業(yè)。然而它的光輝前景

2、極大地吸引著各國的科學(xué)家及測繪界的專家們。人們密切注視各個科學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展，盡快采用最新科學(xué)技術(shù)的成果從事光電測距技術(shù)的研制。 一、光電測距的發(fā)展過程（續(xù)）60年代以來，儀器的體積重量，應(yīng)用范圍、測距精度、儀器的功耗、測量速度等方面都有很大改進(jìn)。1960年7月美國宣布世界上第一臺紅寶石激光器研制成功。（激光特性：即三好（單色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高：比普通光源高出10121019倍 ）。 第二年就有了激光器武裝測距儀的實(shí)驗(yàn)報告，創(chuàng)造了激光技術(shù)應(yīng)用的最先范例。1968年瑞典AgA廠研制成功的AgA8型激光測距儀以及我國繼之研制成功的JCY2激光測距儀，是具有一定代表性的第二代光電

3、測距儀。變頻式測距也有了新的進(jìn)展。 一、光電測距的發(fā)展過程（續(xù)）1962年出現(xiàn)了半導(dǎo)體光器件以后，測距儀的小型化、自動化，多功能等優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)突出，它為解決工程測量日常繁多測邊工作提供了有利的條件。瑞士wild廠，Kern廠生產(chǎn)的DI系列，DM系列測距儀，我國生產(chǎn)的DCH-1測距儀都是工程測量歡迎使用的測邊工具。 一、光電測距的發(fā)展過程（續(xù)）光電測距儀繼續(xù)沿著小型輕便、一機(jī)多能和超高精度的方向發(fā)展。特別是測距儀與測角儀器的有機(jī)結(jié)合，測角儀器進(jìn)入光電化數(shù)字行列，這樣有可能將測角與測距構(gòu)成一體，形成全站化測量，并進(jìn)一步完成現(xiàn)場歸算等一系列成果處理，這就是現(xiàn)今引人注目的“全站型速測儀”，如美國HP 38

4、20 A，wild廠的TC- 2000等儀器。 一、光電測距的發(fā)展過程（續(xù)） 測量工作容易受到大氣因素的影響。一種稱為多波束測距儀可望在消除大氣因素對光電測距影響方面為人們提供可喜福音。當(dāng)然，這還是進(jìn)一步研制提高其實(shí)用性的問題。為了便于辨別和使用，人們習(xí)慣對測距儀進(jìn)行必要的分類 二、分類1.按測程分類 以光電測距儀可能達(dá)到最佳測量長度為依據(jù)，分為短程、中程、遠(yuǎn)程三類測距儀。短程測距儀，其測程23 km；中程測距儀 315km；遠(yuǎn)程測距儀 測程1560km。此外還有超遠(yuǎn)程測距儀，其測程大于60km，主要應(yīng)用于人造地球衛(wèi)星測距的大功率測距儀，其測程一般在幾千km以上。 二、分類（續(xù)）2.按測距儀裝

5、備的光源分類不同可分為： 光電測距（普通光源的可見光、激光作光源的稱為激光測距儀或用紅外光源的稱為紅外光電測距） 微波測距（微波段的無線電波）二、分類（續(xù)） 3按測距儀所設(shè)計的振蕩頻率的情況分類一般分為固頻式測距儀和變頻式測距儀。 4按測距儀測定f的方法分類有脈沖法測距儀、相位法測距儀、相位脈沖法測距儀和干涉法測距儀等。其中以脈沖法及相位法是較為成熟的f、D測量方法，并且以相位法的測量精度為最高，應(yīng)用也最為普遍。在工程測量中相位法測距儀是最為常用的光電測距儀。激光測距儀衛(wèi)星激光測距儀Wild 新T2+DI1000相位式紅外測距儀測距儀的反射器三、電磁波測距原理D=ct 2B測距儀反射器A重點(diǎn)介

6、紹光電測距的基本原理，兩種原理的基本思路，優(yōu)缺點(diǎn)ABD電磁波測距原理測距儀把一定波長的電磁波從A點(diǎn)射向B點(diǎn)，經(jīng)B點(diǎn)的反光棱鏡反射后由測距儀接收，射出與接收波之間的相位差（可用微電子技術(shù)自動測量）是電磁波在AB點(diǎn)之間往返時間的函數(shù)表達(dá)式。用它可以算得測距儀至反光鏡之間斜距長度的“尾數(shù)”。用幾個不同波長的電磁波（調(diào)制波）測量同一段距離可以既擴(kuò)大測程又保持精度。三.1.1、脈沖式測距原理光脈沖發(fā)射器光電接收器取樣棱鏡時標(biāo)振蕩器記數(shù)及顯示部分主波脈沖回波脈沖電子門D=nl (n：脈沖個數(shù)，l：單脈沖時間光運(yùn)行的距離）由于受脈沖寬度和電子計數(shù)器時間分辨率的限制，測距精度較低。近年來生產(chǎn)的脈沖式測距儀的精

7、度已經(jīng)達(dá)到毫米級，與相位式測距相當(dāng)已知：時標(biāo)脈沖頻率： f=15 Mhz電磁波速度： v=310 8 m/s時標(biāo)脈沖個數(shù)： n=100求：距離 DD= nv/f / 2= 1000 米脈沖測距舉例三.1.2、脈沖式測距儀特點(diǎn)脈沖式測距 D=nl (n：脈沖個數(shù)，l：單脈沖時間光運(yùn)行的距離）脈沖式測距要求測時精度非常高，要實(shí)現(xiàn)高精度測距較難，一般用于測距精度較低儀器上（1m5m)。脈沖式測距儀一般采用固體激光器（如紅寶石激光器）作為光源，能發(fā)出高功率的單脈沖激光。因此這類一儀器一般可以不用合作目標(biāo)。三.2.1、相位式測距原理結(jié)構(gòu)調(diào)制器高頻信號發(fā)生顯示器相位計光強(qiáng)接收器時間光強(qiáng)時間光源光強(qiáng)反射鏡三

8、.2.2、相位式測距原理DD返程往程=N*2+N*22 N*D= 12（N*+）= 2（N+ ）電磁波測距原理按電磁波理論：光是電磁橫波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為它表達(dá)了光波在轉(zhuǎn)播空間任一位置上電磁振動的狀態(tài)。其中：波動過程就是振動的相位沿波動方向移動的過程。S相位測量要測量測距信號（U1）與參考信號（U2）之間的相位差 。 1）濾波：去除頻率不符的信號2）混頻：把調(diào)制波信號與“本振”信號混合，經(jīng)處理后可以得到頻率更低（以便于更精確測量相位差），但相位依舊的差分信號相位測量3）把正弦波處理成方波4）把U1和U2分別接在門電路的兩個觸發(fā)器上，U2負(fù)跳變時把與門打開，U1負(fù)跳變時把與門關(guān)閉。在門開啟的這段時

9、間內(nèi)讓計數(shù)脈沖通過，從而可以測得。U2U1電磁波測距原理設(shè)光從發(fā)射器發(fā)出，抵達(dá)反光鏡后返回儀器的接收器，稱為信號2。而從發(fā)射器發(fā)出的光分出一路直接進(jìn)入處理裝置，稱為信號1。這兩個信號之間存在相位差和整周數(shù)N。利用相位器可測定，但而不能求得“整周數(shù)N”。 因此只可以求得“余長”，而不能求得整長。數(shù)字拼接用f1=150kHz，測得距離986.4m用f2=15MHz，測得距離6.574m兩組數(shù)字拼接為986.574m三.2.3、光的調(diào)制光的調(diào)制：就是利用某種人為的信息對光的發(fā)射或?qū)Πl(fā)射的光進(jìn)行控制的過程。其控制的效果是使發(fā)射的光帶上可以利用的人為信息傳輸出去。一般稱人為信息為調(diào)制信號。調(diào)制信號遵循正

10、弦函數(shù)變化，它能使光的振幅也遵循正弦函數(shù)發(fā)生變化，從物理光學(xué)中可知，光的強(qiáng)度與其振幅的平方成正比，且又表現(xiàn)為原子振蕩周期內(nèi)的平均值，顯然，光源發(fā)光強(qiáng)度是一個定值。 三.、相位式測距N的確定 （解決N的多值解問題）采用一組測距頻率（測尺頻率，或測尺），短測尺（又稱精測尺）保證精度,長測尺（又稱粗測尺）保證測程。測尺頻率15MHZ1.5MHZ150KHZ15KHZ1.5KHZ測尺長度測尺精度10m1cm100m10cm1km1m10km10m100km100m如f2=150KHZ,u2=1km,在D1km時N2=0，即可以準(zhǔn)確測得“百米”、“十米”的數(shù)值，而“米的值由于存在誤差而為近似值測程和精度

11、測相的精度是有限的。例如可以把細(xì)分1000倍，則測量的精度為測尺的1/1000。設(shè) ，這時最小讀數(shù)為cm。若要提高讀數(shù)精度，就應(yīng)縮短電子尺。但由于憑一個無法求得整尺段數(shù)N，即不知待測距離的大數(shù)。就是說：用短的電子尺測量精度高但測程小。如果用長的電子尺能擴(kuò)大測程，但由于細(xì)分技術(shù)的限制，不能求得精確的尾數(shù)。即測程大但精度低。如果用兩個頻率的波（兩個不同的電子尺）進(jìn)行測量，一個用來測量距離的大數(shù)，另一個用于精確測量距離的尾數(shù)。就可以既擴(kuò)大測程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測量。四、光電測距成果整理1.測距儀常數(shù)改正 距離的乘常數(shù)改正值 距離的加常數(shù)改正值由于儀器內(nèi)光路等效反射面和儀器的安置中

12、心不一致，以及鏡站反射鏡等效反射面和反射鏡安置中心不一致，使儀器所測得的距離D0-d與所要測定的距離D不相符，通常稱差數(shù)為儀器加常數(shù)k。即k=D-(D0-d)2.氣象改正 距離的氣象改正值 3.改正后的距離： 五、光電測距的精度分析1.光電測距的誤差來源 （1）.調(diào)制頻率誤差 （2）.氣象參數(shù)誤差 （3）.儀器對中誤差 （4）.測相誤差光電測距測距中誤差（標(biāo)稱精度如2+2ppm ）： mD=a+bD其中：a 固定誤差（mm）； b 比例誤差（mm/km）; D 距離（km）。計算公式：五.2光電測距儀的精度內(nèi)光路 當(dāng)內(nèi)光路棱鏡移到出光口時測量到內(nèi)光路的“距離”移開內(nèi)光路棱鏡后測量到外光路的“距

13、離”外光路“距離”減去內(nèi)光路“距離”后才是需要測量的距離。這是消除儀器系統(tǒng)誤差的重要措施之一加常數(shù)測距儀的機(jī)械中心與調(diào)制波發(fā)射和接收的等效面不一致；測距儀的機(jī)械中心與內(nèi)光路等效面不一致使儀器產(chǎn)生（與所測距離長短無關(guān)的）加常數(shù)。加常數(shù)通過檢定可以求得。乘常數(shù) 電磁波測距好象是用電子尺丈量的。如果電子尺不準(zhǔn)就會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。這就是乘常數(shù)。乘常數(shù)主要是由調(diào)制頻率偏離設(shè)計值引起的。乘常數(shù)是尺度比例系數(shù)，可以經(jīng)檢定求得。與測程有關(guān)的因素測程主要取決于接收光的強(qiáng)度能保證測相的精度。而接收光的強(qiáng)度與下述因素有關(guān)：激光器的功率激光發(fā)散角的大小大氣對光的吸收程度反光鏡的有效面積和其幾何精度接收鏡筒的口徑接收光電元器件的靈敏度等電磁波測距成果的處理1）儀器常數(shù)改正乘常數(shù)改正數(shù)加常數(shù)改正數(shù)2）氣象改正3）傾斜改正電磁波測距成果的處理3）氣象改正電子尺長是光速的函數(shù)而光速又是折射率的函數(shù)空氣的折射率首先與波長有關(guān)物理學(xué)家測算得3）氣象改正空氣的折射率