電磁波測距原理和其距離測量方式

1、電磁波測距原理和其距離測量方式本 章 提 要4.1 電磁波測距的物理原理及分類4.2 電磁波測距的基本原理和應(yīng)用4.3 光波測距儀的合作目標及檢驗4.4 電磁波在大氣中的傳播4.5 測距成果的歸算4.6 誤差來源及精度估計4.7 微波測距概要重點 誤差來源及精度估本 章 提 要知識點及學(xué)習(xí)要求1、電磁波在大氣中的傳播2、測距成果的歸算3、誤差來源及精度估計電光調(diào)制和光電轉(zhuǎn)換省略電磁波測距儀的分類按時間測量方式分類電磁波作為載波和調(diào)制波進行距離測量脈沖式相位式直接測定脈沖信號往返傳播時間測定測距信號往返的相位滯后相位，轉(zhuǎn)化為時間電磁波測距儀的分類按測程長程、中程、短程按載波源光波、微波 按載波數(shù)

2、單載波、雙載波、三載波按反射目標射目標、合作目標、有源反射器電磁波測距儀的分類電磁波測距儀精度精度公式 A： 固定誤差BD ：比例誤差脈沖法測距的基本原理脈沖直接測定器發(fā)射的脈沖信號往返于被測距離的傳播時間，而得到距離值脈沖法測距的基本原理脈沖法的時間測定光脈沖發(fā)生器主脈沖回波脈沖計數(shù)系統(tǒng)高頻電脈沖優(yōu)點：免棱鏡缺點：精度低，米級脈沖法測距的基本原理脈沖法的時間測定Wild DI-3000脈沖式測距儀Wild DIOR-3200相位法測距的基本原理相位法測量連續(xù)的調(diào)制信號在待測距離上往返傳播產(chǎn)生的相位變化間接測定傳播時間相位法測距的基本原理相位法測尺：多義性相位法測距的基本原理相位法測尺頻率15

3、MHZ1.5MHZ150KHZ15KHZ1.5KHZ測尺長度10m100m1km10km100km精度1cm10cm1m10m100mu增大，誤差大一組測尺： 精測尺保證精度 粗測尺保證測程頻率相差大儀器不穩(wěn)定頻率相近頻率差為測尺頻率相位法測距的基本原理相位法相減相位法測距的基本原理相位法間接測尺頻率相當于測尺頻率測尺長度精度f1=15MHZ15MHZ10m1cmf2=0.9f1f1-f2=1.5MHZ100m10cmf3=0.99f1f1-f3=150KHZ1km1mf4=0.999f1f1-f4=15KHZ10km10mf5=0.9999f1f1-f5=1.5KHZ100km100m相位法

4、測距的基本原理相位法Mekometer ME5000干涉法測距的基本原理略光波測距儀的合作目標反射器激光、紅外、微波測距儀的合作目標全反射棱鏡：激光、紅外測距儀有源反射器：微波測距儀全反射棱鏡(反光鏡)四面體的光學(xué)玻璃，三面互相垂直平行性：反射光線與入射光線平行光波測距儀的合作目標全反射棱鏡(反光鏡)單棱鏡、三棱鏡、六棱鏡、九棱鏡光波測距儀的檢驗周期誤差加常數(shù)乘常數(shù)光波測距儀的檢驗周期誤差來源：儀器內(nèi)部固定的串行信號周期誤差的周期來源于精測尺的尺長周期為2，等于精測尺的長度加大測距信號強度，可減小周期誤差e1e2ek1光波測距儀的檢驗周期誤差改正計算公式平臺法ddd123n-1nD0光波測距儀

5、的檢驗儀器常數(shù)儀器加常數(shù)儀器加常數(shù)通過電子路線補償反光鏡常數(shù)乘常數(shù)光波測距儀的檢驗儀器常數(shù)六段解析法n1Dn2n3nd電磁波在大氣中的傳播大氣對電磁波測距的影響速度變化，增加傳播時間電磁波傳播的波道彎曲，觀測距離大于實際距離需要解決的問題確定具體工作條件下的電磁波的實際傳播速度電磁波波道的彎曲改正電磁波在大氣中的傳播電磁波在大氣中傳播時的現(xiàn)象電磁波輻射能量的大氣衰減，測程減少電磁波有關(guān)參數(shù)的隨機變化降低了信噪比解決方法選擇有利的觀測時間日出后1小時和日落前1小時電磁波在大氣中的傳播電磁波的大氣衰減大氣衰減的原因大氣分子的吸收大氣密度的變化及空中微粒的散射強度衰減與大氣折射率、傳播距離及波長有關(guān)

6、影響電磁波的測程空中懸浮顆粒會引起無法控制的的吸收電磁波在大氣中的傳播電磁波的傳播速度電磁波速度大氣折射率與大氣實際介質(zhì)性質(zhì)的氣體成分、溫度、壓力、濕度及波長有關(guān) 純單色波的相折射率群波的群折射率電磁波在大氣中的傳播電磁波的傳播速度電磁波速度對于無線電微波，對流層為非色散介質(zhì)，群速度與相速度一致對于光波，對流層為色散介質(zhì)，兩者不同光電測距儀采用調(diào)制波，需要采用群速 電磁波在大氣中的傳播光波的折射率光波的折射率與波長、氣壓、溫度、適度有關(guān)折射率與波長的關(guān)系柯希公式 為大氣折射指數(shù)群折射率希梅公式電磁波在大氣中的傳播光波的折射率巴熱爾-希爾斯公式埃德倫公式波長誤差為5nm時，引起的折射率誤差為，所

7、以電磁波波長需要精確確定電磁波在大氣中的傳播光波的折射率氣象元素誤差對折射率的影響大小溫度：1， 1ppm氣壓：1mb， 濕度：1mb， 為保證折射率的測定精度，精確確定溫度是關(guān)鍵在測站兩端分別測量溫度，計算折射率取平均值電磁波在大氣中的傳播光波的折射率微波的折射率溫度：1， 氣壓：1mb， 濕度：1mb， 4.6ppm 測定微波折射率的關(guān)鍵是水汽分壓的測定由于微波受大氣氣象元素的影響較大，因此微波測距的精度低于光波測距的精度 電磁波在大氣中的傳播大氣參數(shù)的測定取決于測距儀的類型、內(nèi)精度、測距精度以及距離測長短至少測定儀器站和反光鏡戰(zhàn)的干溫、濕溫、氣壓大氣溫度的測定：通風(fēng)干濕計或遙測通風(fēng)干濕計

8、，連同濕度一起測定。干、濕溫的測定精度為0.2和0.1 溫度放在陰涼、通風(fēng)處、離地物等 外，每3-5min測定一次電磁波在大氣中的傳播大氣參數(shù)的測定大氣壓的測定：使用精度高于1mb的高質(zhì)量空盒氣壓計測量，氣壓計放在陰涼處一段時間后再讀數(shù)大氣濕度的測定：測定方法有兩種：濕度計和通風(fēng)干濕計電磁波在大氣中的傳播平均折射率的測定問題不同點處的折射率不同，為便于計算距離，應(yīng)使用整條光程上的平均速度電磁波通過微分光程dx的時間為：電磁波往返傳播的時間為： 電磁波在大氣中的傳播平均折射率的測定問題路程的平均速度路程上的每一個點目前采用的方法是在測線的一端或兩端，再加測線中間幾個點測定大氣氣象元素，計算大氣的

9、折射率，取平均值作為平均折射率。 電磁波在大氣中的傳播平均折射率的測定問題大氣模型大氣折射率主要受空氣密度的制約無線電氣象學(xué)中，認為大氣折射指數(shù)與高度成線性、拋物線、指數(shù)的函數(shù)關(guān)系指數(shù)模型適用于近地幾公里的大氣電磁波在大氣中的傳播平均折射率的測定問題大氣模型雙指數(shù)函數(shù)模型 Nt和Nf為大氣的折射指數(shù)的干、濕分量氣象條件是限制電磁波測距精度的主要因素，如何克服和進一步減少其影響，時當前電磁波測距技術(shù)的一個重要課題電磁波在大氣中的傳播電磁波的波道彎曲波道的曲率半徑 曲率半徑與大氣折射率的梯度有關(guān)，確定波道曲率半徑的問題可歸結(jié)為確定折射率的梯度問題電磁波在大氣中的傳播電磁波的波道彎曲按線性模型時，折

10、射指數(shù)的梯度函數(shù)為微波波道的曲率半徑為： 光波波道的曲率半徑為：地球平均曲率半徑和波道曲率半徑之比為折光系數(shù)光波：微波：測距成果的歸算改正計算儀器系統(tǒng)誤差改正加常數(shù)、乘常數(shù)、周期誤差大氣折射率變化引起的改正歸算改正傾斜改正、歸算改正、投影改正、歸心改正、波道改正測距成果的歸算速度改正第一次速度改正(理論折射率改正)實際長度儀器測程測距成果的歸算速度改正第二次速度改正(平均折射率改正)實際折射率速度改正結(jié)果測距成果的歸算幾何改正波道彎曲改正實際折射率速度改正結(jié)果測距成果的歸算幾何改正弦長化為弧長波道彎曲改正斜距化弦長利用測站點的大地高程利用觀測的天頂距AB測距成果的歸算利用測站點的大地高程級數(shù)展

11、開分步法斜距化弦長AB測距成果的歸算利用測站點的大地高程余弦定理分步法ABC嚴密公式測距成果的歸算利用測站點的大地高程分步法ABC測距成果的歸算利用測站點的大地高程分步法ABC近似公式測距成果的歸算利用測站點的大地高程分步法ABC測距成果的歸算利用測站點的大地高程一步法高差需要精確測定，保證改正精度測距成果的歸算利用天頂距略測距成果的歸算投影改正橢球面向高斯平面投影誤差來源及精度估計測距誤差來源與距離有關(guān)的系統(tǒng)誤差： 光速誤差 大氣折射率誤差 測距頻率誤差與距離無關(guān)的系統(tǒng)誤差： 測相誤差 加常數(shù)誤差 對中誤差誤差來源及精度估計測距精度指標內(nèi)部符合精度測相誤差、大氣環(huán)境變化誤差外部符合精度誤差來源及精度估計測距精度指標內(nèi)部符合精度測相誤差、大氣環(huán)境變化誤差