第四章 电磁波测距

4．6．2
N
值的确定
由式（4-30）可以看出，当测尺长度 u 大于距离 D 时，则 N 即 D u
2
0
。，此时可求得确定的距离值， 。因此，为了扩大单值解的测
u N
程，就必须选用较长的测尺，即选用较低的调 制频率。根据 u

2 c 2f
，取 c 3 1 0
f2
c 2 f1
；粗尺频率
，相应的测尺长度为 u 2
D u1 ( N 1 N 1 ) D u2 (N 2 N 2 )
2D
而 t 是由时标脉冲振荡器不断产生的具有时间间
2D
隔（ t ）的电脉冲来决定的。 因 则
t2 D n t
D V 2 nt nd
式中， n 为时标脉冲的个数； d
V 2
t
，即在时间间
隔 t 内光脉冲往返所走的一个单位距离。所以我们只要 事先选定一个 d 值（例如l0m，5m，lm等），记下送 入计数系统的脉冲数目，就可以直接把所测距离 （ D nd ）用数码管显示出来。
徕卡TCR系列全站仪
无棱镜测距应用： • • • • 大容积标定行业 工程安装质量检查 隧道断面测量 城市地籍、房产测 量 • „„
安装质量检 查
油罐容积标定测 量
隧道断面测 量
徕卡TCR系列全站仪
应用优势 一方面，省去了作 业员爬高下低的奔 波之苦，作业强度 和危险性也大大降 低； 另一方面，对一些 重要的建筑（比如 文物）起到了一定 的保护作用。
§4.6相位法测距的基本原理 4.6.1基本原理及基本公式 1.基本原理 由载波源产生的光波（或微波）经调制器被高频电波所调制（调 幅或调频），成为连续调制信号。该信号经测线达到彼端反射器， 经反射后被接收器所接收，再进入混频器（I），变成低频（或中频） 测距信号 e 测 。另外，在高频电波对载波进行调制的同时，仪器发射 系统还产生一个高频信号， 此信号经混频器 （II） 混频后成为低频 （或 中频）基准信号 e 基 。e 基 和 e 测 在比相器中进行相位比较，由显示器显 示出调制信号在两倍测线距离上传播所产生的相位移，或者直接显 示出被测距离值。
vm tr
为脉冲幅度；
m m
为脉冲前沿时间，即从 0 .1v 上升到 0 .9 v 的时间； 为脉冲后沿时间，即从 0 .9 v 下降到 0 .1v 的时间；
m m
tf
tk
T
为脉冲宽度，即从前沿 0 .5 v 到后沿 0 .5 v 的时间f ，且 f

1 T
。
D
在式 m
D
A BD
中，A为仪器标称精度中的固定误差，
以mm为单位；B为仪器标称精度中的比例误差系数，以 mm/km为单位；D为测距边长度，以km为单位。
§4.5脉冲法测距的基本原理 4.5.1脉冲的几个基本参数 脉冲的形状有多种，图4-27所示 的为一钟形正脉冲， 它可以用以下几 个基本参数表示：
8
m/s
，可算出
与测尺长度相应的测尺频率（即调制频率）， 如表 4-3 所示。
表4-3 测尺频率 15MHz 测尺长度 精度 10m lcm 1.5MHz 100m 10cm 150kHz 1km 1m 15kHz 10km 10m 1.5kHz 100km 100m
为了解决扩大测程与提高精度的矛盾，可以采 用一组测尺共同测距，以短测尺（又称精测尺）保证 精度，用长测尺（又称粗测尺）保证测程，从而也解 决了“多值性”的问题。 设仪器中采用了两把测尺配合测距，其中精测 频率为 f 1 ，相应的测尺长度为 u 1 为
4.5.6计算系统（距离显示器） 在脉冲法测距中由于脉冲在测程 上往返时间极短， 所以通常用记录高 频振荡晶体的振动次数来进行计时。 图4-31为其方框图。 当发射的参考光脉冲（参考信号）进入接收器并转换成电脉冲后，即进入 主门电路并将主门打开， 此时由石英晶体振荡口所产生的电脉冲就经由主门进 入计数器，使计数器开始计数， 同时数码管显示器就不断地指示出计数器所记 录的电脉冲数。待反射光脉冲信号（即测距信号）进入接收器并转换成电脉冲 输入主门时， 就将主门立即关闭，石英晶体振荡器所产生的电脉冲就不能再进 入计数器，计数器也就停止计数。在显示器上显示的数字，就是光脉冲从发出 到返回这段时间内振荡器所产生的电脉冲数。
第四章 电磁波测距
§4.3电磁波测距的出发公式及电磁波测距仪的分类、分级 EDM Electronic Distance Measuring，其出发公式是
D 1 2 vt
(4-54)
按 t 测定的方法，电磁波测距仪主要可区分为两种类型： (1)脉冲式测距仪。 它是直接测定仪器发出的脉冲信号往返于被 测距离的传播时间，进而按上式求得距离值的一类测距仪。 (2)相位式测距仪。 它是测定仪器发射的测距信号往返于被测距 离的滞后相位 来间接推算信号的传播时间t,从而求得所测距离 的一类测距仪。
4.5.3脉冲式测距仪的基本结构 激光脉冲式测距仪的简化结构如图4-29所示。其工作过程大致如下： 当测距仪照准目标后， 打开激光电源，激光器就 发出一个很窄的光脉冲， 这个光脉冲经过发射单元 后，压缩了它的发散角。 以红宝石激光器为例，其 发散角一般是几个毫弧 度，经过发射单元后发散 角约压缩为零点几个毫弧 度（这样的光脉冲射到 l0km远的地方，光斑直径 只有几米）。在光脉冲发 射出去的同时，其中极小一部分光立即通过两块反射镜而直接进入接收单元，以此作为发射参 考信号，用其作为标定激光发出的时间。参考信号进入接收单元后，经过滤光片到达光电转换 器（由光电二极管或光电倍增管等光电元件组成），使光信号变为电信号，即将光脉冲变为电 脉冲，这个电脉冲经放大整形后送至时间测量系统，使其开始计时。而射向目标的光脉冲，由 于目标的反射（或漫反射）作用，使光（或部分光）从原路反射回来成为测距信号，进入接收 单元，再经过滤光片、光电转换器、放大整形电路而进入时间测量系统，使其停止计时。时间 测量系统所记录的时间（即参考信号与测距信号进入时间测量系统的时间差），由显示器显示 出来，进而通过译码后在显示器上直接给出测距仪到目标的距离。
2 3 10
10
s ；而用相位法测距时，测定相位角的精
10
度达到0.36°即可。目前，欲达到 1 0
s 的计时精度，困难较大，
而达到0.36°的测相精度则易于实现。所以当前电磁波测距仪中 相位式测距仪居多。
其他分类方法，例如：
长 程 — — 几 十 公 里 按 测 程 分 中 程 — — 数 公 里 至 十 于 公 里 短 程 — — 3km
4.5.2脉冲法测距的基本原理 脉冲法测距就是直接测定仪器所发射的脉冲信号往返 于被测距离的传播时间而得到距离值的， 图4-28为其工作 原理框图。
由光脉冲发生器发射出一束光脉冲，经发射光学系统投射到 被测目标。与此同时，由取样棱镜取出一小部分光脉冲送入 接收光学系统，并由光电接收器转换为电脉冲（称为主波脉 冲），作为计时的起点。从被测目标反射来的光脉冲通过接 收光学系统后，也被光接收器接收，并转换为电脉冲（也称 回波脉冲），作为计时的终点。可见，主波脉冲和回波脉冲 之间的时间间隔就是光脉冲在测线上往返传播的时间( t )
因为 所以
t

1 2


2 f
d
v

2 f

v 4 f
（4-55）
式中， f 为调制信号的频率。
8 根据(4-54)和(4-55）式，如取 v 3 10 m / s ， f 15 M H z ，
当要求测距误差小于lcm时，通过计算可知：用脉冲法测距时， 计时精度须达到
t2 D



2 f
（4-66）
将式（4-66）代入 D

1 2
ct 2 D
1 2
中得

1 2 c
D
c

2 f

c 4 f

（4-67） （4-68）
由图（4-33）中见
N 2
将式（4-68）代入（4-67）得
D c 4 f (2 N ) c 2f (N 2 )
2．相位式测距仪计算距离的基本公式 在图4-33中，如A点安置仪器，B点安置反射器，A→B为光波 的往程，B→A为返程。为清楚起见，我们可以将往程与返程摊平， 则在图上很容易看出测距信号在待测距离上往返一次所产生的相位 差。
N 2 ＝ 2 D
因 t 2 D ，则
还可按精度指标分级。由电磁波测距仪的精度公式
mD A B D
当 D 1km 时，则 m 为 1km 的测距中误差。按此指标，
D
我国现行城市测量规范将测距仪划分为I、II、III级，即 I 级 ： m <5mm ， II 级 ： 5mm< m <l0mm ， III 级 ：
D D
l0mm< m <20mm
长度等于调制波波长之半（即 u ）的这一把“尺子”称为“光 测尺”或“电子尺”。另外，我们还看到，在相位式电磁波测 距仪中，欲得到距离，必须测定两个量：一个是“整波数” N ； 另一个是“余长” N ，亦即相位差尾数 值（因 N
2
）。在
相位式测距仪中，一般只能测定 或 N ，无法测定整波数 N 。 这好比担任量距的人记不住已经量了多少整尺段，只记住最后 不足一个整尺段的余长，因此使式（4-30）产生多值性，距离D 尚无法确定。
4.5.4脉冲法测距对光脉冲的要求 (1)具有足够的强度。因光束有一定发散，加之空气对光线的吸收和散 射，所以目标越远，返回的光就越弱，甚至根本接收不到。 (2)具有良好的方向性。 方向性良好的光脉冲其能量可以集中在较小的 立体角内，以达到较远的射程。另外还可准确地判断目标的方位。 (3)具有良好的单色性。所以测距仪内装有滤光片，其作用是只允许测 距光信号（单色光）通过而阻止其他频率的杂散光通过。 (4)具有很窄的脉冲宽度。光脉冲的宽度限制到很窄后，就可避免反射 回来的光和发射出去的光重叠起来。 测距时用的光脉冲的功率是很大的，一般其峰值功率达一兆瓦以上， 而脉冲宽度在几十纳秒以下，这样的光脉冲一般称为“巨脉冲”。但是一 般的激光脉冲并非巨脉冲，不能满足测距要求，所以要对激光器采用“调 Q技术”，使之满足测距要求。