现代距离测量技术研究比较.doc

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1、现代距离测量技术研究比较【摘要】距离测量广泛应用于方向控制、定位控制系统中，有广阔的市场。本设计主要介绍了有关现代距离测量技术方面的知识，包括钢尺测量、光电测量、微波测量 、全站仪测量、激光测量、GPS测量等，从它们发展的历史、原理、特点，实现的难易程度、应用范围、成本等方面（标志性的人物和技术或设备）进行了相关比较并说明了能够并存的理由和各自的趋势。 【关键词】 钢尺测量;光电测量;微波测量;全站仪测量;激光测量 The Modern Distance Measurement Technology Research and Comparison【Abstract】Distance measu

2、rement is widely used in directional control and positioning control system, and it has a vast market. This design knowledge of modern distance measurement techniques, including the ruler measurement, optical measurement, microwave measurement, the total station measurement, laser measurement, the G

3、PS measurements, etc., from their development history, principles, characteristics, to achieve the difficult the level of sophistication, scope, cost, etc. (iconic characters and the technology or equipment) and reason can co-exist and their respective trends.【Keywords】Ruler measurement; Optical mea

4、surement ;Microwave measurement ; Total Station measurement ; Laser measurement目 录1 引言12钢尺量距原理与方法22.1 钢尺的介绍22.2 直线定线32.2.1 目测定线32.2.2 经纬仪定线32.3 量距方法42.3.1平坦地面的距离丈量42.3.2 倾斜地面的距离丈量42.4 钢尺量距的精密方法52.4.1 定线52.4.2 量距52.4.3 测量桩顶高程52.4.4 尺段长度的计算52.5钢尺的检定62.5.1 尺长方程式62.5.2 钢尺检定的方法62.6 钢尺量距的误差分析62.7 钢尺的维护 72

5、.8 视距测量73光学测距原理与方法103.1 概况103.2测距原理113.2.1 脉冲式光电测距113.2.2 相位式光电测距123.3 测距边长改正计算133.3.1 仪器常数改正133.3.2 加常数改正143.3.3 乘常数改正143.3.4 气象改正143.3.5 倾斜改正143.3.6 测距仪的标称精度：144 光电测距仪154.1 光电测距仪的分类154.2 光电测距仪的注意事项155 电磁波测距165.1 电磁波测距仪的原理165.2 电磁波测距的方法165.2.1 脉冲测距法165.2.2 相位测距法175.3 电磁波测距的分类175.3.1光电测距仪175.3.2 微波测

6、距仪176 红外线测距发射与接收器件介绍196.1 红外线发射器件196.1.1 红外线发射器件的结构与原理196.1.2 红外发光二极管的主要参数196.1.3 红外发光二极管使用事项及简易测试196.2 红外光敏二极管206.2.1 红外光敏二极管原理与结构206.2.2 光敏二极管的主要参数206.2.3 光敏二极管的简单测试206.3红外光敏三极管206.3.1 红外光敏三极管的结构与原理206.3.2 红外光敏三极管的主要参数206.3.3 红外光敏三极管的简单测试206.4 红外线测距的工作原理216.5 误差分析216.6 其他红外测距的方法和原理226.6.1 相位测距原理22

7、6.6.2 相位式红外光电测距的基本原理227 超声波测距237.1 超生波简介237.2 国内外研究综述237.3超声波测距237.3.1 超声波测距的概述237.3.2 超声波传感器介绍247.4 超声波测距的原理257.5误差分析267.6 针对误差产生原因的系统改进方案278 全站仪测距288.1全站仪简介288.1.1 全站仪的基本构造288.1.2 全站仪的分类288.1.3 全站仪的等级与检测288.1.4 电子测距的基本原理298.1.5 使用注意事项298.1.6 全站仪测距的精度问题298.1.7 全站仪的技术指标298.2 基本测量程序308.3 全站仪操作和使用308.

8、4 全站仪使用注意事项318.5 测距仪测距心得319 激光测量与GPS测量339.1 激光测距机的简介339.2 激光测距的发展概况339.3 激光测距的影响及发展趋势349.4 激光传感器简单介绍及其优点359.5 GPS简介359.6 GPS发展历程359.7定位原理369.7.1 GPS构成：369.7.2 空间卫星定位技术369.7.3 原理369.8 GPS的应用37总 结39致 谢40参考文献41附件A42附件B451 引言测量学在日常生活中有着重要的作用和很高的地位。测量学在科学研究中是不可缺少的，它在探索地球的奥秘和规律、深入认识和研究地球的各种问题中发挥着重要作用；在现代国

9、防建设中，为建立国家边界及国内行政界限，测绘空间数据库和多媒体地理信息系统不仅在实际疆界划定工作中起着基础信息的作用，而且对于边界谈判、缉私禁毒、边防建设与界限管理中均有重要作用；政府部门或职能机构既要及时了解自然和社会经济要素的分布特征与资源环境条件，也要进行空间规划布局，还要掌握空间发展状态和政策的空间效应。所谓距离是指地面上两点沿铅垂线方向在大地水准面上投影后所得到的两点间的弧长。由于大地水准面不规则，所以这个距离是难以测量的。由于在半径10公里的范围之内，地球曲率对距离的影响很小，因此可以用水平面代替水准面。那么，地面上两点在水平面上投影后水平距离就称为距离。从最远古的目测距离到大拇指

10、测距都是不精确的测距方法，直到现代，人们利用钢尺进行测距，随着科学技术的发展，人们利用各种光学电波研制出各种测距方法，视距测量、电磁波测量等逐渐出现并日趋完善。钢尺量距是用钢卷尺沿地面直接丈量距离；视距测量是利用经纬仪或水准仪望远镜中的视距丝及视距标尺按几何光学原理进行测距；电磁波测距是用仪器发射并接收电磁波，通过测量电磁波在待测距离上往返传播的时间解算出距离；GPS测量是利用两台GPS接收机接收空间轨道上4颗卫星发射的精密测距信号，通过距离空间交会的方法解算出两台GPS接收机之间的距离。随着空间技术和航天工业的发展,空间距离测量已成为空间领域的重要研究内容。传统雷达测距在太空中极易受到高能粒

11、子和电磁波的干扰，测量精度低，无法满足高精度测量的要求。宇宙空间空气稀薄、温度变化剧烈，无法进行超声波测距。因此。测量空间距离需要一种适合空间环境、抗干扰能力强和测量精度高的测距方法。 激光测距技术是一种自动非接触测量方法，对电磁干扰不敏感，抗干扰能力强，测量精度高。与一般光学测距技术相比，它具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度。 2钢尺量距原理与方法2.1 钢尺的介绍顾名思义，钢尺量距就是利用具有标准长度的钢尺直接量测两点间的距离。按丈量方法的不同它分为一般量距和精密量距。一般量距读数至厘米，精度可达1/3000 左右；精

12、密量距读数至亚毫米，精度可达1/3 万（钢卷带尺）及1/100 万（因瓦线尺）。由于光电测距的普及，在现今的测量工作中己很少使用钢尺量距，只是在精密的短距测量中偶尔用到，下面仅就精密短距测量的有关问题作简要介绍。1) 钢尺：普通钢尺是用钢制成的带状尺，（尺的宽度约1015 mm，厚度约0.4mm，）长度有20 m、30 m、50 m等几种。钢尺的基本分划为厘米，在每厘米、每分米及每米处印有数字注记。一般的钢尺在起点的一分米内有毫米分划，也有部分钢尺在整个长度内都有毫米分划。 根据零点位置的不同，钢尺有端点尺和刻划尺两种。端点尺指钢尺的零点从拉环的外沿开始（如图），刻划尺是指在钢尺的前端有一条刻

13、划线作为钢尺的零分划值。 钢尺常用于短距离测量中使用，精度一般为1/10001/5000。如果采用精密量距的方法，精度能达到万分之一。还有一种特殊的钢尺，称为因瓦尺，即用铁镍合金做成的钢尺，形状不是带状，而是线状，长度为24米。因瓦尺由于受外界温度的影响很小，所以量距的精度很高，可达到百万分之一。 瓦线尺是用镍铁合金制成的，尺线直径1.5mm，长度为24m，尺身无分划和注记，在尺两端各连一个三棱形的分划尺，长8cm，其上最小分划为1mm。因瓦线尺全套由4 根主尺、1 根8m（或4m）长的辅尺组成。不用时卷放在尺箱内。2) 其它辅助工具 测钎：用于标定所量尺段的起止点。通常在量距的过程，两个目标

14、点之间的距离会大于钢尺的最大长度，所以我们要分段进行量距，那么每一段我们就用测钎来标定。 标杆：就是我们实验中使用的花杆，标杆用于直线定线，也就是用标杆定出一条直线来。 垂球：用于在不平坦地面丈量时将钢尺的端点垂直投影到地面。因为用钢尺量距量取的是水平距离，如果地面不平坦，则需抬平钢尺进行丈量，此时可用垂球来投点。 弹簧秤用于对钢尺施加规定的拉力，温度计用于测定钢尺量距时的温度，以便对钢尺丈量的距离施加温度改正，尺夹安装在钢尺末端，以方便持尺员稳定钢尺。弹簧秤、温度计是在精密量距时使用。 （a） (b) (c) 图2.1 钢尺2.2 直线定线由于测量两点间的水平距离要分段进行，即一段一段地量取

15、两点间距离。为了保证各量距都处在同一条直线上，要进行直线定线。在分段量距中，在待测直线上标定若干分段点的工作称为直线定线。直线定线的方法包括目测定线和经纬仪定线。2.2.1 目测定线 目测定线适用于钢尺量距的一般方法。 设A、B两点互相通视，要在A、B两点的直线上标出分段点1、2点。 先在A、B点上竖立标杆，甲站在A点标杆后约一米处，观测A、B杆同侧，构成视线，指挥乙左右移动标杆，直到甲从A点沿标杆的同一侧看到A、2、B三支标杆成一条线为止。 同法可以定出直线上的其他点。两点间定线，一般应由远到近，即先定1点，再定2点。（定线时，乙所持标杆应竖直，利用食指和拇指夹住标杆的上部，稍微提起，利用重

16、心使标杆自然竖直。此外，为了不挡住甲的视线，乙应持标杆站立在直线方向的左侧或右侧。）图2.2 目测定线2.2.2 经纬仪定线 经纬仪定线适用于钢尺量距的精密方法。 设A、B两点互相通视，将经纬仪安置在A点，用望远镜纵丝瞄准B点，制动照准部，望远镜上下转动，指挥在两点间某一点上的助手，左右移动标杆，直至标杆影像为纵丝所平分。为减小照准误差，精密定线时，可以用直径更细的测钎或垂球线代替标杆。2.3 量距方法2.3.1平坦地面的距离丈量 1、在直线两端点A、B竖立标杆,准备钢尺（30M）,尺夹,测钎等工具。 2、后尺手持钢尺的零点（也就是有拉环的那一端）位于A点，前尺手持钢尺的末端沿定线方向向B点前

17、进，至整30m处插下测钎，这样就量取了第1个尺段。 3、以此方法量其他整尺段，依次前进，直至量完最后一段。最后一段为不足整尺段的余段。 4、丈量余段时，拉平钢尺两端同时读数，两读数的差值就是余段的长度，且余段需测2次,求平均得出余段的长度。 5、求出从A量至B的长度 D往= n * L + q（n为整尺段数，L为整尺段长，q为余长。） 6、为了提高量距的精度，按照以上方法由B至A，进行返测，测得D返。最后取往测和返测的距离平均值作为最终的测量结果。 6、量距完之后还要进行量距精度的计算，看是否满足规范的要求，量距精度是用相对误差K来表示的。 K = |D往- D返| / D平均1 / M D平

18、均 =(D往+ D返)/2 在平坦地区进行钢尺量距，K允=1/3000（相对误差应不大于/13000），若在困难地区相对误差应不大于1/1000。如 KK允 则D平均为最后结果。 例：A、B两点间往测距离为162.73m（D往），返测距离为162.78m（D返），则 相对误差AB两点距离为162.755米。 （注意：K要写成1 / M 的形式）2.3.2 倾斜地面的距离丈量 当量距精度要求在1/10000以上时，要用精密量距法。步骤 精密量距前应先清理场地 用钢尺概量、经纬仪定向定出略小于一整尺段的长度，并做好标记。 然后用检定过的钢尺用弹簧秤加标准拉力，丈量每一线段长度。丈量同时应测出钢尺温

19、度或现场温度 并用水准仪往返测测量每一线段两端点的高差。精密量距成果应加尺长改正、温度改正和高差（倾斜）改正。 1.尺长改正-钢尺名义长度 l0一般不等于实际长度，每测段应加入尺长改正。在标准拉力、标准温度下钢尺实际长度为l，其差值l为整尺段的尺长改正，即l= ll0，任一长度l尺长改正公式为： ld = l / l0 l 2.温度改正-受温度变化影响，钢尺长度会伸缩。当量距时温度t与检定时温度t0不一致时，要进行温度改正，其计算公式为： lt = (t t0) l 式中： 为钢尺膨胀系数，为0.0000125/。 3.倾斜改正-设沿地面量斜距为l，测得高差为h，将l 改算成水平距离，要加倾斜

20、改正数，其计算公式为： lh =d l=h/2l综上所述，每一测段改正后的水平距离为： d=l + ld + lt + lh （1）平量法沿倾斜地面丈量距离，当地势起伏不大时，可将钢尺拉平丈量，丈量由A向B进行，甲立于A点，指挥乙将尺拉在AB方向线上。甲将尺的零端对准A点，乙将尺子抬高，并且目估使尺子水平，然后用垂球尖将尺段的末端投于地面上，再插以插钎。若地面倾斜较大，将钢尺抬平有困难对，可将一尺段分成几段来平量。 （2）斜量法当倾斜地面的坡度均匀时，可以沿着斜坡丈量出AB的斜距L，测出地面倾斜角，然后计算AB的水平距离D。 2.4 钢尺量距的精密方法2.4.1 定线 欲精密丈量直线AB的距离

21、，首先清除直线上的障碍物，然后安置经纬仪于A点上，瞄准B点，用经纬仪进行定线。用钢尺进行概量，在视线上依次定出此钢尺一整尺略短的A1、12、23等尺段。在各尺段端点打下大木桩，桩顶高出地面35cm。在桩顶钉一白铁皮。利用A点的经纬仪进行定线，在各白铁皮上划一条线，使其与AB方向重合，另划一条线垂直与AB方向，形成十字，作为丈量的标志。 2.4.2 量距 用检定过的钢尺丈量相邻两木桩之间的距离。丈量组一般由5入组成，2人拉尺，2人读数，1人指挥兼记录和读温度。丈量时，拉伸钢尺置于相邻两木桩顶上，并使钢尺有刻划线一侧贴切十字线。后尺手将弹簧秤挂在尺的零端，以便施加钢尺检定时的标准拉力(30m钢尺，

22、标准拉力为10kg)；钢尺拉紧后，前尺手以尺上某整分划对准十字线交点时，发出读数口令“预备”，后尺手回答“好”。在喊好的同一瞬间，两端的读尺员同时根据十字交点读取读数，估读到05mm记入手簿。每尺段要移动钢尺位置丈量三次，三次测得的结果的较差视不同要求而定，一般不得超过23mm，否则要重量。如在限差以内，则取三次结果的平均值，作为此尺段的观测成果。每量一尺段都要读记温度一次，估读到05。 按上述由直线起点丈量到终点是为往测，往测完毕后立即返测，每条直线所需丈量的次数视量边的精度要求而定。2.4.3 测量桩顶高程 上述所量的距离，是相邻桩顶间的倾斜距离，为了改算成水平距离，要用水准测量方法测出各

23、桩顶的高程，以便进行倾斜改正。水准测量宜在量距前或量距后往、返观测一次，以资检核。相邻两桩顶往、返所测高差之差，一般不得超过10mm；如在限差以内，取其平均值作为观测成果。 2.4.4 尺段长度的计算 精密量距中，每一尺段长需进行尺长改正、温度改正及倾斜改正，求出改正后的尺段长度。计算各改正数如下：(1)尺长改正 钢尺在标准拉力、标准温度下的检定长度L，与钢尺的名义长度L0往往不一致，其差LLL0数 ，即为整尺段的尺长改正。任一尺段L 的尺长改正数为 Ld(LL0)L/L0 (2)温度改正 设钢尺在检定时的温度为t0，丈量时的温度为t，钢尺的线膨胀系数为，则某尺段L 的温度改正为 Lt(tt0

24、)L (3)倾斜改正 设L为量得的斜距，h为尺段两端间的高差，现要将L改算成水平距离d，故要加倾斜改正数 Lhh2/2L 倾斜改正数永远为负值。2.5钢尺的检定2.5.1 尺长方程式 钢尺由于其制造误差、经常使用中的变形以及丈量时温度和拉力不同的影响，使得其实际长度往往不等于名义长度。因此，丈量之前必须对钢尺进行检定，求出它在标准拉力和标准温度下的实际长度，以便对丈量结果加以改正。钢尺捡定后，应给出尺长随温度变化的函数式，通常称为尺长方程式，其一般形式为2.5.2 钢尺检定的方法 钢尺应送没有比长台的测绘单位校定，但若有检定过的钢尺，在精度要求不高时，可用检定过的钢尺作为标准尺来检定其它钢尺。

25、检定宜在室内水泥地面上进行，在地面上贴两张绘有十字标志的图纸，使其间距约为一整尺长。用标准尺施加标准拉力丈量这两个标志之间的跟离，并修正端点使该距离等于标准尺的长度。然后再将被检定的钢尺施加标准拉力丈量该两标志问的距离，取多次丈量结果的平均值作为被检定钢尺的实际长度，从而求得尺长方程式。2.6 钢尺量距的误差分析钢尺丈量误差包括有钢尺本身误差、操作误差和外界影响误差。钢尺本身误差：包括尺长误差和检定误差。一般地，这类误差少于0.5mm。操作误差：包括温度误差、拉力误差、定线误差、垂曲误差、对点读数误差等。外界影响误差：主要是风力、气温的影响，一般在阴天、微风的天气，外界环境对钢尺丈量的误差影响

26、比较小。 1) 定线误差钢尺没有准确的放在所量距离的直线方向上，使所量距离不是直线而是一组折线，造成丈量结果偏大，称为定线误差。2) 尺长误差钢尺必须经过检定以求得其尺长改正数。尺长误差具有系统积累性，它与所量距离成正比。精密量距时，钢尺虽经捡定并在丈量结果中进行了尺长改正，其成果中仍存在尺长误差，因为一殷尺长检定方法只能达到0.5mm左右的精度。一般量距时可不作尺长改正。 3) 温度误差由于用温度计测量温度，测定的是空气的温度，而不是尺于本身的温度，在夏季阳光曝晒下，此两者温度之差可大于5C。因此，量距宜在阴天进行，并要设法测定钢尺本身的温度。4)拉力误差钢尺具有弹性，会因受拉而伸长。量距时

27、，如果拉力不等于标准拉力，钢尺的长度就会产生变化。精密量距时，用弹簧秤控制标准拉力，一般量距时拉力要均匀，不要或大或小。5)反曲误差尺子不水平的误差现象，称为反曲。设在尺段中部凸起05m，由此而产生的距离误差，这是不能允许的，应将钢尺拉平丈量。 钢尺一般量距时，如果钢尺不水平，总是使所量距离偏大。精密量距时，测出尺段两端点的高差，进行倾斜改正。用普通水准测量的方法是容易达到的。6)钢尺垂曲和反曲的误差钢尺悬空丈量时，中间下垂，称为垂曲。故在钢尺检定时，应按悬空与水平两种情况分别检定，得出相应的尺长方程式，按实际情况采用相应的尺长方程式进行成果整理，这项误差可以不计。在凹凸不平的地面量距时，凸起

28、部分将使钢尺产生上凸。7)丈量本身的误差它包括钢尺刻划对点的误差、插测钎的误差及钢尺读数误差等。这些误差是由人的感官能力所限而产生，误差有正有负，在丈量结果中可以互相抵消一部分，但仍是量距工作的一项主要误差来源。综上所述，精密量距时，除经纬仪定线、用弹簧秤控制拉力外，还需进行尺长、温度和斜改正。而一般量距可不考虑上述各项改正。但当尺长改正数较大或丈量时的温度与标准温度之差大于8时进行单项改正，此类误差用根尺往返丈量发现不了。另外尺子拉平不容易做到，丈量时可以手持一悬挂垂球，抬高或降低尺子的一端，尺上读数最小的位置就是尺子水平时的位置，并用垂球进行投点及对点。2.7 钢尺的维护 钢尺易生锈，丈量

29、结束后应用软布擦去尺上的泥和水，涂上机油以防生锈。 钢尺易折断，如果钢尺出现卷曲，切不可用力硬拉。 丈量时，钢尺末端的持尺员应该用尺夹夹住钢尺后手握紧尺夹加力，没有尺夹时，可以用布或者纱手套包住钢尺代替尺夹，切不可手握尺盘或尺架加力，以免将钢尺拖出。 在行人和车辆较多的地区量距时，中间要有专人保护，以防止钢尺被车辆碾压而折断。 不准将钢尺沿地面拖拉，以免磨损尺面分划。 收卷钢尺时，应按顺时针方向转动钢尺摇柄，切不可逆转，以免折断钢尺。2.8 视距测量视距测量是一种间接测距方法。它利用望远镜内的视距装置（例如十字丝分划板上的视距丝）和视距尺（例如水准尺）配合，根据几何光学原理测定距离和高差的方法

30、。 视距法测距操作简便、较钢尺量距速度快、不受地面高低起伏限制等优点，但测距精度较低，距离相对精度为1/2001/300,因此用于精度要求较低的测量工作中.如图，AB为待测距离，在A点安置仪器，B点竖立视距尺，设望远镜视线水平，瞄准B点的视距尺，此时视线与视距尺垂直。 通过上下两个视距丝m、n可以读取视距尺上M、N两点读数，读数之间的差值l称为尺间隔（或视距间隔）： 视距间隔l = M N 图 2.3 平面的视距测量法 设仪器中心到视距尺的平距为D,望远镜物镜的焦距为f，仪器中心到望远镜物镜的距离为，则 由三角形相似（三角形FMN相似于Fmn）可得： 即 （p为望远镜中上下视距丝的间距） 故

31、令，则有 （K为视距乘常数，C为视距加常数） 在设计仪器的时候，通常使K100，C约为0，因此视线水平时的视距计算公式为：测站点A到立尺点B之间的高差为： i为仪器高，可以用钢卷尺量，v为十字丝的中丝读数，或上下视距丝读数的平均值。 图2.4 斜面的视距测量视准轴倾斜时的视距计算公式 当地形的起伏比较大时，望远镜要倾斜才能看见视距尺。此时视线不再垂直于视距尺，所以不能套用视线水平时的视距公式，而需要推出新的公式。 如图，望远镜的中丝对准视距尺上的O点，望远镜的竖直角为。我们可以想象将水准尺绕O点旋转角，此时视线就与旋转后的视距尺垂直了，我们只要求出视距尺旋转后的视距间隔（即MN之间的读数差l）

32、，就可以按照视线水平时的公式求出视线长度（即OQ这一段斜距）。 由于十字丝上下丝的距离很短，所以很小，约34，那么/2只有17，故可以把角NNO看成直角，同理，角OMM也可看成直角，又因为NON=MOM=，所以由三角函数可得：OM=OM*COS；ON=ON*COS故 (OM+ON)=(OM+ON)COS即由水平时视距公式得斜距 S= klklcosAB间水平距离 D=S cos= klcos2设AB间高差为h，目标高为v（即十字丝中丝在视距尺上读数），仪器高为i，如图有：h+v=h+i式中 h称为初算高差或高差计算值，并有：h=Ssin=K l cossin=或 hDtanh=h+i-v=1/

33、2 * K l *sin2+ i v= Dtan+ i v假定A点的高程是已知的，要求B点的高程，那么：视距测量的观测和计算1.在测站上安置仪器，量取仪高，精确到cm； 2.瞄准竖直于测点上的标尺，使中丝读数等于仪高；3.用上、下视距丝在标尺上读数，得视距间隔l；4.使竖盘指标水准气泡居中，读取竖盘读数，得竖直角；然后计算两点间水平距离和测点高程。视距测量差: 1.读数误差2.标尺不竖直误差 3.外界条件的影响4.标尺分划误差5.竖直角观测误差 6.视距常数误差等3光学测距原理与方法在目前的测距方法中，钢尺量距的速度慢，而且在一些困难地区使用起来困难，如山地、沼泽地区。而视距测量的精度又太低。

34、因此人们需要采用另外的方法进行距离测量。随着电子技术的发展，在20世纪40年代末人们发明了电磁波测距仪。所谓电磁波测距是用电磁波(光波或微波)作为载波，传输测距信号，以测量两点间距离的一种方法。电磁波测距具有测程长、精度高、作业快、工作强度低、不受地形限制等优点。 1948年，瑞典AGA公司研制成功了世界上第一台电磁波测距仪。1967年AGA公司推出了世界上第一台激光测距仪AGA-8，白天测程为40km，夜间测程达60km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量23kg。 我国的武汉地震大队也于1969年研制成功了JCY-1型激光测距仪，1974年又研制并生产了JCY-2型激光测距仪。白天测程

35、为20km，测距精度(5mm+1ppm)，主机重量16.3kg。 电磁波测距的分类 电磁波测距仪按其所采用的载波可分为： 用微波段的无线电波作为载波的微波测距仪 用激光作为载波的激光测距仪 用红外光作为载波的红外测距仪 后两者又统称为光电测距仪（均采用光波作为载波） 微波和激光测距仪多属于长程测距，测程可达60km，一般用于大地测量；而红外测距仪属于中、短程测距仪(测程为15km以下)，一般用于小地区控制测量、地形测量、地籍测量和工程测量等。（微波和激光测距仪的测程较大，多用于大地测量，红外测距仪多用于小范围内的距离测量，我们在工程上用得较多的是这一种） 测距基本原理如图，光电测距的基本原理是

36、测距仪发出光脉冲，经反光棱镜反射后回到测距仪。假若能测定光在距离D上往返传播的时间，则可以利用测距公式计算出AB两点的距离：图3.1 光电测距的基本原理 D = (C * t2D) / 2其中：D为AB两点的距离；C为真空中的光速；注意t2D为光从仪器-棱镜-仪器的时间。根据测量光波在待测距离D上往、返一次传播的时间t2D的不同，光电测距仪可分为脉冲式和相位式测距仪。3.1 概况长距离丈量是一项繁重的工作，劳动强度大，工作效率低，尤其是在山区或沼泽区，丈量工作更是困难。人们为了改变这种状况，于五十年代研制成了光电测距仪。近年来，由于电子技术及微处理机的迅猛发展，各类光电测距仪竞相出现，己在测量

37、工作得到了普遍的应用。电磁波测距按测程来分，有短程(3km)、中程(315km)和远程(15km)之分。按测距精度来分，有级(5mm)、级(5mm10mm)和级(10mm)。按载波来分，采用微波段的电磁波作为载波的称为微波测距仪；采用光波作为裁波的称为光电测距仪。光电测距仪所使用的光源有激光光源和红外光源(普通光源已淘汰)，采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪。由于红外测距仪是以砷化稼(GaAs)发光二极管所发的荧光作为载波源，发出的红外线的强度能随注入电信号的强度而变化，因此它兼有载波源和调制器的双重功能。GaAs发光二极管体积小，亮度高，功耗小，寿命长，且能连续发光，所以红外测距仪获得了

38、更为迅速的发展。本节讨论的就是红外光电测距仪。 3.2测距原理原理：利用仪器发射电磁波测量其在被测距离上往返所用的时间，从而测量出距离，其公式为：D= c t，按其测距原理有脉冲法和相位法测距两种。相位法测距精度较高。测距仪分类：有微波测距仪、激光测距仪和红外测距仪。有短程(3km)、中程 (315km)和远程 (15km)之分。欲测定A、B两点间的距离D，安置仪器于A点，安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B，经反射镜反射后又返回到仪器。设光速c为已知，如果光束在待测距离D上往返传播的时间 。已知，则距离D可由下式求出 式中cc。n，c。为真空中的光速值，其值为299792458ms, n

39、为大气折射率，它与测距仪所用光源的波长，测线上的气温t, 气压P和湿度e有关。 3.2.1 脉冲式光电测距采用直接测定光脉冲在待测距离上往返的时间。测距仪将光波调制成一定频率的尖脉冲发送出去。如图，在尖脉冲光波离开测距仪发射镜的瞬间，触发打开了电子门，此时，时钟脉冲进入电子门填充，计数器开始计数。在仪器接收镜接收到由反光棱镜反射回的尖脉冲光波的瞬间，关闭电子门，计数器停止计数。然后根据计数器得到的时钟脉冲个数乘以每个时钟脉冲周期就可以得到光脉冲往返的时间。 图3.2 脉冲式光电测距由于计数器只能记忆整数个的时钟周期，所以不足一个时钟周期的时间就被丢弃掉，那么这就形成了计时上的误差，从而影响了测

40、距的精度。如果将时钟脉冲周期缩短，那么丢弃掉的时间就会越小，测距的精度就会提高。但实际上这个时钟脉冲周期并不能无限缩短。例如，要达到1cm的测距精度，时钟脉冲的周期要达到6.710-11秒，而这对于现在的制造技术来说是很难达到的。所以一般的脉冲式测距仪主要用于远距离测距上，测距精度为0.51m。 如：目前，世界上测距精度最高的脉冲式测距仪是徕卡公司的DI3000，标称精度可达到3mm3ppm。不过它并不是直接采用缩短时钟周期的方法来提高精度，而是采用了其它的方法。 3.2.2 相位式光电测距将发射的光波调制成正弦波的形式，通过测量正弦光波在待测距离上往返传播的相位移来解算距离的，也就是通过测量

41、光波传播了多少个周期来解算距离。 如图：从发射镜发射的光波经反射棱镜反射后由接收镜接收后所展开的图形。我们知道，正弦光波一个周期的相位移为2，假设正弦光波经过发射和接收后的相位移为，则可以分解为N个（整数个）2周期和不足一个周期的相位移，即 （1） 假设正弦光波传播的时间为t秒，振荡频率为f，由于频率的定义是光波一秒钟振荡的次数，那么t秒内光波振荡的次数为f t，而光波每振荡一次的相位移为2，所以正弦光波经过t秒后相位移为 （2） 由公式（1）（2）可以得到： 故 为不足一周期的那一部分，即代表零点多个周期。由光电测距的公式： 令 即为光波的波长，故：令 则 （3）u称为光尺（或测尺），即光尺

42、为半个波长。如果正弦光波的频率越大，则光波的波长越短，从而光尺的长度越短。例如，当光波的调制频率f75kHz时，光尺u2km，当f15MHz时，u10m。由于光尺的长度是已知的，因为光尺的长度在制造仪器时就可以确定下来，那么如果我们能够测出正弦光波在待测距离上往返传播的整周期相位移的数目N以及不足一个周期的小数，则可以根据公式3求出待测距离D。实际上，我们可以将光尺想象成一把尺子，然后用这把尺子去量距，那么一段距离就应该是整数倍的尺子加上不足一个尺子长度的部分相加而成。在相位式光电测距仪中有一个电子部件，叫做相位计，它将发射镜发射的正弦波与接收镜接收到的正弦波的相位进行比较，就可以测出不足一个

43、周期的小数，其测相误差一般为1/1000。因此光尺越长，测距精度越低，例如光尺长度为1km，则精度为米级，光尺长度为10km，则精度为10米级。为了提高精度，我们可以将光尺变得短一些，但是光尺变短，又会出现另外的问题。由于相位计只能测不足一个周期的小数，不能测出整数周期N，如果待测长度小于光尺长度还好，如果待测距离大于光尺那么这段距离实际上就测不出，这就出现了测程（即测距长度）与精度难以兼顾的问题：如果精度提高，光尺就要短，测程也会缩短。如果要保证测程，光尺就要长，精度随之降低。为了解决这个问题，人们采用多个光尺来配合测距，用短的光尺保证精度，称为精尺，用长的光尺保证测程，称为粗尺。这就解决了

44、测程和精度的矛盾。例：一台相位式光电测距仪中设置有两把光尺，一把，一把，现在粗尺的相位移为，求待测距离的长度。 由于精尺的长度为10米，所以我们认为10米之内的距离精尺测得更精确写，所以粗尺得10米位应舍去，所以待测距离为： D=380m6.89m386.98m 相位法测距仪的基本结构 1.调制信号发生器：发出调制信号对光源进行调制；同时发出参考信号er给测相装置。2.光源：一般采用砷化镓发光二极管(GaAs，红外光) ，直接受调制信号控制发射调制光波(频率为f) 。3.接收装置：接收反射回测距仪的调制光波，把接收的光转换为电信号em，该信号提供给测相装置。4.测相装置：在测相装置通过对电信号

45、em 、参考信号er进行相位比较测定 N和N， 在处理方法上利用自动数字测相电子电路技术把相位移j转换成距离D直接显示出来。5.反射器：精密测距的合作目标。 6.电源3.3 测距边长改正计算 测距仪测距的过程中，由于受到仪器本身的系统误差以及外界环境影响，会造成测距精度的下降。为了提高测距的精度，我们需要对测距的结果进行改正，可以分为三种类型的改正：仪器常数的改正、气象改正和倾斜改正。3.3.1 仪器常数改正 仪器常数包括加常数和乘常数。3.3.2 加常数改正加常数K产生的原因是由于仪器的发射面和接收面与仪器中心不一致，反光棱镜的等效反射面与反光棱镜的中心不一致，使得测距仪测出的距离值与实际距离值不一致。因此，测距仪测出的距离还要加上一个加常数K进行改正。3.3.3 乘常数改正 光尺长度经一段时间使用后，由于晶体老化，实际频率与设计频率有偏移，使测量成果存在着随距离变化的系统误差，其比例因子称乘常数R。我们由测距的公式可以看出，如果光尺长度变化，则对距离的影响是成比例的影响。所以测距仪测出的距离还要乘上一个乘常数R进行改正。 对于加常数和乘常数