第05讲光电测距仪

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,数字化测图原理及应用,（补）一、光电测距的发展过程,光速每秒近,300000km,，这样高的速度要想加以利用是一件不容易的事情。,40,年代前后飞行技术的发展改变了战争的面貌，迫使人们寻求迅速侦测飞机的手段，这时便开始发展利用电磁波反射探测飞机的设备,雷达。与此同时，各种探测方式的导航系统也发展起来。并且它们反过来促进电子测时技术、测相技术、高稳定高频率源等一系列新领域的深入研究。这些为后来的光电测距奠定了基础。,测距仪,北京光学仪器厂,DC-30JG,激光测距仪,一、光电测距的发展过程（续）,50,年代出现于测量领域的光电测距仪,NASM,曾以惊人的效率和精度直接测量三角网边的长度。当时仪器重达,100kg,，而且只能夜间作业。然而它的光辉前景极大地吸引着各国的科学家及测绘界的专家们。人们密切注视各个科学领域的最新发展，尽快采用最新科学技术的成果从事光电测距技术的研制。,一、光电测距的发展过程（续）,60,年代以来，仪器的体积重量，应用范围、测距精度、仪器的功耗、测量速度等方面都有很大改进。,1960,年,7,月美国宣布世界上第一台红宝石激光器研制成功,。,（激光特性：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高：,比普通光源高出,1012,1019,倍,）。,第二年就有了激光器武装测距仪的实验报告，创造了激光技术应用的最先范例。,1968,年瑞典,AgA,厂研制成功的,AgA8,型激光测距仪以及我国继之研制成功的,JCY2,激光测距仪，是具有一定代表性的第二代光电测距仪。变频式测距也有了新的进展。,一、光电测距的发展过程（续）,1962,年出现了半导体光器件以后，测距仪的小型化、自动化，多功能等优点表现突出，它为解决工程测量日常繁多测边工作提供了有利的条件。瑞士,wild,厂，,Kern,厂生产的,DI,系列，,DM,系列测距仪，我国生产的,DCH-1,测距仪都是工程测量欢迎使用的测边工具。,一、光电测距的发展过程（续）,光电测距仪继续沿着小型轻便、一机多能和超高精度的方向发展。特别是测距仪与测角仪器的有机结合，测角仪器进入光电化数字行列，这样有可能将测角与测距构成一体，形成全站化测量，并进一步完成现场归算等一系列成果处理，这就是现今引人注目的“全站型速测仪”，如美国,HP 3820 A,，,wild,厂的,TC-2000,等仪器。,一、光电测距的发展过程（续）,测量工作容易受到大气因素的影响。,一种称为多波束测距仪可望在消除大气因素对光电测距影响方面为人们提供可喜福音。当然，这还是进一步研制提高其实用性的问题。,为了便于辨别和使用，人们习惯对测距仪进行必要的分类,二、分类,1.,按测程分类 以光电测距仪可能达到最佳测量长度为依据，分为短程、中程、远程三类测距仪。,短程,测距仪，其测程,2,3 km,；,中程,测距仪,315km,；,远程,测距仪 测程,15,60km,。此外还有,超远程,测距仪，其测程大于,60km,，主要应用于人造地球卫星测距的大功率测距仪，其测程一般在几千,km,以上。,二、分类（续）,2.,按测距仪装备的光源分类不同可分为：,光电测距,（普通光源的可见光、激光作光源的称为激光测距仪或用红外光源的称为红外光电测距）,微波测距,（微波段的无线电波）,二、分类（续）,3,按测距仪所设计的振荡频率的情况分类一般分为固频式测距仪和变频式测距仪。,4,按测距仪测定,f,的方法分类有脉冲法测距仪、相位法测距仪、相位,脉冲法测距仪和干涉法测距仪等。其中以脉冲法及相位法是较为成熟的,f,、,D,测量方法，并且以相位法的测量精度为最高，应用也最为普遍。在工程测量中相位法测距仪是最为常用的光电测距仪。,激光测距仪,卫星激光测距仪,Wild,新,T2+DI1000,相位式红外测距仪,测距仪的反射器,三、电磁波测距原理,D=ct,2,B,测距仪,反射器,A,重点介绍光电测距的基本原理，两种原理的基本思路，优缺点,A,B,D,电磁波测距原理,测距仪把一定波长的电磁波从,A,点射向,B,点，经,B,点的反光棱镜反射后由测距仪接收，射出与接收波之间的相位差（可用微电子技术自动测量）是电磁波在,AB,点之间往返时间的函数,表达式,。用它可以算得测距仪至反光镜之间斜距长度的“尾数”。用几个不同波长的电磁波（调制波）测量同一段距离可以既扩大测程又保持精度。,三,.1.1,、脉冲式测距原理,光脉冲发射器,光电接收器,取样棱镜,时标振荡器,记数及显示部分,主波脉冲,回波脉冲,电子门,D=nl (n,：脉冲个数，,l,：单脉冲时间光运行的距离）,由于受脉冲宽度和电子计数器时间分辨率的限制，测距精度较低。,近年来生产的脉冲式测距仪的精度已经达到毫米级，与相位式测距相当,已知：,时标脉冲频率：,f=15 Mhz,电磁波速度：,v=310,8,m/s,时标脉冲个数：,n=100,求：距离,D,D=nv/f/2=1000,米,脉冲测距举例,三,.1.2,、脉冲式测距仪特点,脉冲式测距,D=nl (n,：脉冲个数，,l,：单脉冲时间光运行的距离）,脉冲式测距要求测时精度非常高，要实现高精度测距较难，一般用于测距精度较低仪器上（,1m5m),。,脉冲式测距仪一般采用固体激光器（如红宝石激光器）作为光源，能发出高功率的单脉冲激光。因此这类一仪器一般可以不用合作目标。,三,.2.1,、相位式测距原理结构,调制器,高频信号发生,显,示,器,相位计,光,强,接收器,时间,光,强,时间,光源,光,强,反射镜,三,.2.2,、相位式测距原理,D,D,返程,往程,=N*2+,N*2,2,N*,D=1,2,（,N*+,）,=,2,（,N+,）,电磁波测距原理,按电磁波理论：光是电磁横波，其数学表达式为,它表达了光波在转播空间任一位置上电磁振动的状态。其中：,波动过程就是振动的相位沿波动方向移动的过程。,S,相位测量,要测量测距信号（,U1,）与参考信号（,U2,）之间的相位差,。,1,）滤波：去除频率不符的信号,2,）混频：把调制波信号与“本振”信号混合，经处理后可以得到频率更低（以便于更精确测量相位差），但相位依旧的差分信号,相位测量,3,）把正弦波处理成方波,4,）把,U1,和,U2,分别接在,门电路,的两个触发器上，,U2,负跳变时把与门打开，,U1,负跳变时把与门关闭。在门开启的这段时间内让,计数脉冲,通过，从而可以测得,。,U2,U1,电磁波测距原理,设光从发射器发出，抵达反光镜后返回仪器的接收器，称为信号,2,。而从发射器发出的光分出一路直接进入处理装置，称为信号,1,。这两个信号之间存在相位差,和整周数,N,。,利用相位器可测定,，但而不能求得“整周数,N”,。因此只可以求得“余长”，而不能求得整长。,数字拼接,用,f1=150kHz,，,测得距离,986.4m,用,f2=15MHz,，,测得距离,6.574m,两组数字拼接为,986.574m,三,.2.3,、,光的调制,光的调制：就是利用某种人为的信息对光的发射或对发射的光进行控制的过程。其控制的效果是使发射的光带上可以利用的人为信息传输出去。一般称人为信息为调制信号。,调制信号遵循正弦函数变化，它能使光的振幅也遵循正弦函数发生变化，从物理光学中可知，光的强度与其振幅的平方成正比，且又表现为原子振荡周期内的平均值，显然，光源发光强度是一个定值。,三,.,、,相位式测距,N,的确定 （解决,N,的多值解问题）,采用一组测距频率（测尺频率，或测尺），短测尺（又称精测尺）保证精度,长测尺（又称粗测尺）保证测程。,测尺频率,15MHZ,1.5MHZ,150KHZ,15KHZ,1.5KHZ,测尺长度,测尺精度,10m,1cm,100m,10cm,1km,1m,10km,10m,100km,100m,如,f,2,=150KHZ,u,2,=1km,在,D1km,时,N,2,=0,，即可以准确测得“百米”、“十米”的数值，而“米的值由于存在误差而为近似值,测程和精度,测相的精度是有限的。例如可以把,细分,1000,倍，则测量的精度为测尺的,1/1000,。设 ，这时最小读数为,cm,。若要提高读数精度，就应缩短电子尺。但由于凭一个,无法求得整尺段数,N,，即不知待测距离的大数。就是说：,用短的电子尺测量精度高但测程小,。如果用长的电子尺能扩大测程，但由于细分技术的限制，不能求得精确的尾数。即,测程大但精度低,。如果用两个频率的波（两个不同的电子尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。就可以既扩大测程又保证精度。如果需要还可以用更多的频率测量。,四、光电测距成果整理,1.,测距仪常数改正,距离的乘常数改正值,距离的加常数改正值,由于仪器,内光路,等效反射面和仪器的安置中心不一致，以及镜站反射镜等效反射面和反射镜安置中心不一致，使仪器所测得的距离,D,0,-d,与所要测定的距离,D,不相符，通常称差数为仪器加常数,k,。,即,k=D-(D,0,-d),2.,气象改正,距离的气象改正值,3.,改正后的距离：,五、光电测距的精度分析,1.,光电测距的误差来源,（,1,）,.,调制频率误差,（,2,）,.,气象参数误差,（,3,）,.,仪器对中误差,（,4,）,.,测相误差,光电测距,测距中误差（标称精度如,2+2ppm,）：,m,D,=,a,+,b,D,其中：,a,固定误差（,mm,）；,b,比例误差（,mm/km,）,;,D,距离（,km,）。,计算公式：,五,.2,光电测距仪的精度,内光路,当内光路棱镜移到出光口时测量到内光路的“距离”,移开内光路棱镜后测量到外光路的“距离”,外光路“距离”减去内光路“距离”后才是需要测量的距离。,这是消除仪器系统误差的重要措施之一,加常数,测距仪的机械中心与调制波发射和接收的等效面不一致；测距仪的机械中心与内光路等效面不一致使仪器产生（与所测距离长短无关的）加常数。加常数通过检定可以求得。,乘常数,电磁波测距好象是用电子尺丈量的。如果电子尺不准就会产生系统误差。这就是乘常数。,乘常数主要是由调制频率偏离设计值引起的。乘常数是尺度比例系数，可以经检定求得。,与测程有关的因素,测程主要取决于接收光的强度能保证测相的精度。而接收光的强度与下述因素有关：,激光器的功率,激光发散角的大小,大气对光的吸收程度,反光镜的有效面积和其几何精度,接收镜筒的口径,接收光电元器件的灵敏度等,电磁波测距成果的处理,1,）仪器常数改正,乘常数改正数,加常数改正数,2,）气象改正,3,）倾斜改正,电磁波测距成果的处理,3,）气象改正,电子尺长是光速的函数,而光速又是折射率的函数,空气的折射率首先与波长有关,物理学家测算得,3,）气象改正,空气的折射率也与气象条件有关,仪器制造者根据仪器所用电磁波的波长并顾及一般工作时的参考温度及标准气压的湿度设定空气的折射率。如果实际工作时的大气条件与此参考条件相同，就不加气象改正数。否则要相对于参考折射率加改正数。,倾斜的附加改正数,如果测距仪望远镜高度与经纬仪望远镜的高度不一致，则在视线倾斜时会产生附加改正数。因为这时测距仪的中心会偏离测站中心，而反光镜中心却多半不会作相同的偏离。,测距仪望远镜与经纬仪望远镜同轴的仪器没有这项改正数。,