第05講 光電測(cè)距儀

1、（補(bǔ)）一、光電測(cè)距的發(fā)展過(guò)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(zhēng)的面貌，迫使人們尋求迅速偵測(cè)飛機(jī)的手段，這時(shí)便開始發(fā)展利用電磁波反射探測(cè)飛機(jī)的設(shè)備雷達(dá)。與此同時(shí)，各種探測(cè)方式的導(dǎo)航系統(tǒng)也發(fā)展起來(lái)。并且它們反過(guò)來(lái)促進(jìn)電子測(cè)時(shí)技術(shù)、測(cè)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(lái)的光電測(cè)距奠定了基礎(chǔ)。測(cè)距儀北京光學(xué)儀器廠DC-30JG 激光測(cè)距儀一、光電測(cè)距的發(fā)展過(guò)程（續(xù)）50年代出現(xiàn)于測(cè)量領(lǐng)域的光電測(cè)距儀NASM曾以驚人的效率和精度直接測(cè)量三角網(wǎng)邊的長(zhǎng)度。當(dāng)時(shí)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(guó)的科學(xué)家及測(cè)繪界的專家們。人們密切注視各個(gè)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(cè)距技術(shù)的研制。 一、光電測(cè)距的發(fā)展過(guò)程（續(xù)）60年代以來(lái)，儀器的體積重量，應(yīng)用范圍、測(cè)距精度、儀器的功耗、測(cè)量速度等方面都有很大改進(jìn)。1960年7月美國(guó)宣布世界上第一臺(tái)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(cè)距儀的實(shí)驗(yàn)報(bào)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(cè)距儀以及我國(guó)繼之研制成功的JCY2激光測(cè)距儀，是具有一定代表性的第二代光電

3、測(cè)距儀。變頻式測(cè)距也有了新的進(jìn)展。 一、光電測(cè)距的發(fā)展過(guò)程（續(xù)）1962年出現(xiàn)了半導(dǎo)體光器件以后，測(cè)距儀的小型化、自動(dòng)化，多功能等優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)突出，它為解決工程測(cè)量日常繁多測(cè)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(cè)距儀，我國(guó)生產(chǎn)的DCH-1測(cè)距儀都是工程測(cè)量歡迎使用的測(cè)邊工具。 一、光電測(cè)距的發(fā)展過(guò)程（續(xù)）光電測(cè)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(cè)距儀與測(cè)角儀器的有機(jī)結(jié)合，測(cè)角儀器進(jìn)入光電化數(shù)字行列，這樣有可能將測(cè)角與測(cè)距構(gòu)成一體，形成全站化測(cè)量，并進(jìn)一步完成現(xiàn)場(chǎng)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(cè)儀”，如美國(guó)HP 38

4、20 A，wild廠的TC- 2000等儀器。 一、光電測(cè)距的發(fā)展過(guò)程（續(xù)） 測(cè)量工作容易受到大氣因素的影響。一種稱為多波束測(cè)距儀可望在消除大氣因素對(duì)光電測(cè)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(wèn)題。為了便于辨別和使用，人們習(xí)慣對(duì)測(cè)距儀進(jìn)行必要的分類 二、分類1.按測(cè)程分類 以光電測(cè)距儀可能達(dá)到最佳測(cè)量長(zhǎng)度為依據(jù)，分為短程、中程、遠(yuǎn)程三類測(cè)距儀。短程測(cè)距儀，其測(cè)程23 km；中程測(cè)距儀 315km；遠(yuǎn)程測(cè)距儀 測(cè)程1560km。此外還有超遠(yuǎn)程測(cè)距儀，其測(cè)程大于60km，主要應(yīng)用于人造地球衛(wèi)星測(cè)距的大功率測(cè)距儀，其測(cè)程一般在幾千km以上。 二、分類（續(xù)）2.按測(cè)距儀裝

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

6、紹光電測(cè)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(cè)距原理測(cè)距儀把一定波長(zhǎng)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(cè)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(dòng)測(cè)量）是電磁波在AB點(diǎn)之間往返時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式。用它可以算得測(cè)距儀至反光鏡之間斜距長(zhǎng)度的“尾數(shù)”。用幾個(gè)不同波長(zhǎng)的電磁波（調(diào)制波）測(cè)量同一段距離可以既擴(kuò)大測(cè)程又保持精度。三.1.1、脈沖式測(cè)距原理光脈沖發(fā)射器光電接收器取樣棱鏡時(shí)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(gè)數(shù)，l：?jiǎn)蚊}沖時(shí)間光運(yùn)行的距離）由于受脈沖寬度和電子計(jì)數(shù)器時(shí)間分辨率的限制，測(cè)距精度較低。近年來(lái)生產(chǎn)的脈沖式測(cè)距儀的精

7、度已經(jīng)達(dá)到毫米級(jí)，與相位式測(cè)距相當(dāng)已知：時(shí)標(biāo)脈沖頻率： f=15 Mhz電磁波速度： v=310 8 m/s時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)： n=100求：距離 DD= nv/f / 2= 1000 米脈沖測(cè)距舉例三.1.2、脈沖式測(cè)距儀特點(diǎn)脈沖式測(cè)距 D=nl (n：脈沖個(gè)數(shù)，l：?jiǎn)蚊}沖時(shí)間光運(yùn)行的距離）脈沖式測(cè)距要求測(cè)時(shí)精度非常高，要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距較難，一般用于測(cè)距精度較低儀器上（1m5m)。脈沖式測(cè)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(cè)距原理結(jié)構(gòu)調(diào)制器高頻信號(hào)發(fā)生顯示器相位計(jì)光強(qiáng)接收器時(shí)間光強(qiáng)時(shí)間光源光強(qiáng)反射鏡三

8、.2.2、相位式測(cè)距原理DD返程往程=N*2+N*22 N*D= 12（N*+）= 2（N+ ）電磁波測(cè)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(dòng)的狀態(tài)。其中：波動(dòng)過(guò)程就是振動(dòng)的相位沿波動(dòng)方向移動(dòng)的過(guò)程。S相位測(cè)量要測(cè)量測(cè)距信號(hào)（U1）與參考信號(hào)（U2）之間的相位差 。 1）濾波：去除頻率不符的信號(hào)2）混頻：把調(diào)制波信號(hào)與“本振”信號(hào)混合，經(jīng)處理后可以得到頻率更低（以便于更精確測(cè)量相位差），但相位依舊的差分信號(hào)相位測(cè)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(gè)觸發(fā)器上，U2負(fù)跳變時(shí)把與門打開，U1負(fù)跳變時(shí)把與門關(guān)閉。在門開啟的這段時(shí)

9、間內(nèi)讓計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)，從而可以測(cè)得。U2U1電磁波測(cè)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(hào)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(hào)1。這兩個(gè)信號(hào)之間存在相位差和整周數(shù)N。利用相位器可測(cè)定，但而不能求得“整周數(shù)N”。 因此只可以求得“余長(zhǎng)”，而不能求得整長(zhǎng)。數(shù)字拼接用f1=150kHz，測(cè)得距離986.4m用f2=15MHz，測(cè)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(duì)光的發(fā)射或?qū)Πl(fā)射的光進(jìn)行控制的過(guò)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(hào)。調(diào)制信號(hào)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(gè)定值。 三.、相位式測(cè)距N的確定 （解決N的多值解問(wèn)題）采用一組測(cè)距頻率（測(cè)尺頻率，或測(cè)尺），短測(cè)尺（又稱精測(cè)尺）保證精度,長(zhǎng)測(cè)尺（又稱粗測(cè)尺）保證測(cè)程。測(cè)尺頻率15MHZ1.5MHZ150KHZ15KHZ1.5KHZ測(cè)尺長(zhǎng)度測(cè)尺精度10m1cm100m10cm1km1m10km10m100km100m如f2=150KHZ,u2=1km,在D1km時(shí)N2=0，即可以準(zhǔn)確測(cè)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(cè)程和精度

11、測(cè)相的精度是有限的。例如可以把細(xì)分1000倍，則測(cè)量的精度為測(cè)尺的1/1000。設(shè) ，這時(shí)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(gè)無(wú)法求得整尺段數(shù)N，即不知待測(cè)距離的大數(shù)。就是說(shuō)：用短的電子尺測(cè)量精度高但測(cè)程小。如果用長(zhǎng)的電子尺能擴(kuò)大測(cè)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(cè)程大但精度低。如果用兩個(gè)頻率的波（兩個(gè)不同的電子尺）進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)用來(lái)測(cè)量距離的大數(shù)，另一個(gè)用于精確測(cè)量距離的尾數(shù)。就可以既擴(kuò)大測(cè)程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測(cè)量。四、光電測(cè)距成果整理1.測(cè)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(cè)得的距離D0-d與所要測(cè)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(cè)距的精度分析1.光電測(cè)距的誤差來(lái)源 （1）.調(diào)制頻率誤差 （2）.氣象參數(shù)誤差 （3）.儀器對(duì)中誤差 （4）.測(cè)相誤差光電測(cè)距測(cè)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(jì)算公式：五.2光電測(cè)距儀的精度內(nèi)光路 當(dāng)內(nèi)光路棱鏡移到出光口時(shí)測(cè)量到內(nèi)光路的“距離”移開內(nèi)光路棱鏡后測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)距離長(zhǎng)短無(wú)關(guān)的）加常數(shù)。加常數(shù)通過(guò)檢定可以求得。乘常數(shù) 電磁波測(cè)距好象是用電子尺丈量的。如果電子尺不準(zhǔn)就會(huì)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(jì)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(cè)程有關(guān)的因素測(cè)程主要取決于接收光的強(qiáng)度能保證測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)距成果的處理3）氣象改正電子尺長(zhǎng)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(zhǎng)有關(guān)物理學(xué)家測(cè)算得3）氣象改正空氣的折射率