電子測(cè)距的原理

1、電子測(cè)距的原理就是利用電磁波的直線傳播和波速穩(wěn)定的特性，通過(guò)側(cè)出，兩點(diǎn)之間的電磁波傳播延遲時(shí)間進(jìn)而間接測(cè)得直線距離的過(guò)程。其基本原理如圖2-1所示。要測(cè)A、B兩點(diǎn)之間的距離D，可以分別在A、B兩點(diǎn)架設(shè)測(cè)距儀和反射器，測(cè)距儀發(fā)射一束電磁波，電磁波在被測(cè)距離A,B之間傳播，到達(dá)B點(diǎn)后，被反射器反方向反射回來(lái)。反射回的電磁波又被測(cè)距儀接收，如果電磁波測(cè)距儀能測(cè)出電磁波從發(fā)射到接收這一段時(shí)間間隔，也即是電磁波在被測(cè)距離D上往返傳播所用的時(shí)間那么，A,B之間的距離就可以利用路程、速度、時(shí)間的關(guān)系計(jì)算出來(lái)。設(shè)電磁波在大氣中的傳播速度V，則距離D為:式中的可由側(cè)距儀中的測(cè)時(shí)系統(tǒng)測(cè)出，大氣中的波速V=c/n，

2、可以通過(guò)大氣溫度、濕度、壓力來(lái)求出.這就是電磁波側(cè)距的基本原理。 用于測(cè)距的電磁波一般多為微波、激光和紅外線。目前全站儀中廣泛使用的是紅外線。 利用這種電子測(cè)距儀測(cè)童地面兩點(diǎn)間的距離，只要測(cè)距儀的側(cè)程可以到達(dá)，且兩點(diǎn)間沒(méi)有障礙物，任何地形條件下都可進(jìn)行。高山之間、江河兩岸、甚至星球之間的距離都可直接測(cè)最。在過(guò)去的幾十年中，許多類型的電子測(cè)距儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地側(cè)量、航外控制測(cè)最、工程側(cè)量和地籍側(cè)最中，大大地提高了測(cè)距的作業(yè)效率效串。 根據(jù)不同的側(cè)時(shí)方法，電子測(cè)距的基本方法可以分為脈沖法側(cè)距、干涉法測(cè)距、相位法測(cè)距。（一）脈沖法測(cè)距脈沖法側(cè)距就是直接測(cè)定間斷電磁脈沖信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播所需的

3、時(shí)間，利用公式計(jì)算距離D，其基本原理框圖如圖2-2所示。 其測(cè)時(shí)方法為：當(dāng)測(cè)距儀向反射器發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)的同時(shí)，還給觸發(fā)器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖，經(jīng)過(guò)觸發(fā)器去打開(kāi)電子門，電子門一打開(kāi)，記時(shí)用的時(shí)標(biāo)脈沖就通過(guò)電子門進(jìn)人計(jì)數(shù)器。當(dāng)發(fā)向反射器的脈沖信號(hào)被反射器反射回測(cè)距儀，經(jīng)過(guò)測(cè)貶儀接收后，也送人觸發(fā)器，通過(guò)觸發(fā)器去關(guān)閉電子門，電子門被閉合后，時(shí)標(biāo)脈沖就不能通過(guò)電子門。那么計(jì)數(shù)器上記錄下的時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)m，將對(duì)應(yīng)于側(cè)距脈沖信號(hào)在被側(cè)D上往返傳播所需的時(shí)間。時(shí)間越長(zhǎng)，通過(guò)脈沖信號(hào)越多，反之就越少，根據(jù)時(shí)標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出時(shí)間 ，從而獲得距離。 然而，將這一理想的原理應(yīng)用到實(shí)踐中，卻面臨著諸多問(wèn)翅。 1)

4、精度問(wèn)越。即使時(shí)鐘頻率到了100MHz，計(jì)粼器的原理誤差(士1誤差)造成的時(shí)間側(cè)盆誤差就可達(dá)到士1/100MHz，士，根據(jù)公式可得出，由此造成的距離誤差可達(dá)到士1. 5m。 2)技術(shù)難度問(wèn)題。高頻率電子線路在設(shè)計(jì)制造中會(huì)面臨干擾、能耗、成本、稼定性等麻煩問(wèn)題。但脈沖式測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)瞬間高功率脈沖發(fā)射以獲得遠(yuǎn)側(cè)程，所以這種原理多只用在遠(yuǎn)程的對(duì)絕對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合，譬如人衛(wèi)側(cè)距、雷達(dá)探側(cè)。 Leica公司在D13000系列側(cè)距儀開(kāi)始使用脈沖式側(cè)距原理，但它還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是這種簡(jiǎn)單的原理。除了脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量整尺長(zhǎng)距離外，為獲得mm級(jí)測(cè)量精度，大量的精力都花費(fèi)在不足一個(gè)時(shí)標(biāo)周期的窄脈沖寬度的精密測(cè)量上電容積分

5、法，為解決“節(jié)拍效應(yīng)”等特有誤差源也不容易，所以其技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程并不簡(jiǎn)單。（二）相位法測(cè)距鑒于簡(jiǎn)單脈沖法原理的弱點(diǎn)，人們發(fā)明了相位法測(cè)距，又叫間接法測(cè)距。它不需直接測(cè)定電磁波往返傳播的時(shí)間，而是直接測(cè)定由儀器發(fā)出的連續(xù)正弦電磁波信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播而產(chǎn)生的相位變化(即相位差)，根據(jù)相位差求得傳福時(shí)間，從而求得距離D，其基本原理框圖如圖2-3所示。設(shè)側(cè)距儀發(fā)射的電磁波為: 式中.。為角頻率，。電磁波在被測(cè)距離上往返傳播所需的時(shí)間為，因此，側(cè)距儀接收的電磁波為:于是，在經(jīng)過(guò)被測(cè)距離延遲后.發(fā)射信號(hào)和接受信號(hào)的相位差為。 測(cè)距儀把發(fā)出的信號(hào)(參考信號(hào))與接收的信號(hào)(側(cè)距信號(hào))送入測(cè)相器，測(cè)相器可以

6、測(cè)出兩路信號(hào)的相位差，設(shè)測(cè)出的值為，那么： 又 將其代入，（ c為真空光速，n為大氣折光系數(shù)），則有：這就是相位法測(cè)距的基本公式。對(duì)上式變換一下，任何相位差總可以分為及一個(gè)不足的之和，即代入基本公式：式中，N為正整數(shù)；N為小于1的小數(shù)；為波長(zhǎng)。從上述公式可以看出，相位法測(cè)距就好像有一把鋼尺在丈量距離，尺子的長(zhǎng)度為 (電尺的概念)，N為被測(cè)距離的整尺段數(shù)，N為不足一個(gè)整尺的尾數(shù)，半波長(zhǎng)叫做側(cè)尺長(zhǎng)度。相位法測(cè)距儀的工作過(guò)程就是計(jì)量出側(cè)尺的整尺段數(shù)和尾數(shù)的過(guò)程。（3） 干涉法測(cè)距 干涉法測(cè)距是利用波的干涉原理通過(guò)發(fā)射波和接收波的干涉實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。分兩種側(cè)量原理：通過(guò)記錄被測(cè)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)光波移動(dòng)的周期數(shù)來(lái)推算距離。其典型產(chǎn)品就是雙孩激光千涉儀，由于可以分辨出光波波長(zhǎng)且級(jí)的移動(dòng).其精度極高。當(dāng)然要保證真正實(shí)現(xiàn)這樣的高精度還必須有很完好的外圍輔助設(shè)施，以保證目標(biāo)棱鏡移動(dòng)的平德度、直線度和環(huán)境沮度、濕度條件。測(cè)量原理也是將發(fā)射波和接收波登加形成駐波(干涉)，通過(guò)調(diào)整調(diào)制預(yù)率搜索駐波的波節(jié)點(diǎn)的變化來(lái)推算被測(cè)距離。其典型產(chǎn)品是Kern公司的ME3000、ME5000等激光測(cè)距儀。由于這種測(cè)量原理也幾乎完全避開(kāi)了電路延遲的影響，可以獲得很高的測(cè)距精度。