控制测量学课件第6讲分解优秀PPT.ppt
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1、控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学第第第第6 6 6 6讲讲讲讲第第第第4 4章章章章 电磁波测距仪及其距离测量电磁波测距仪及其距离测量电磁波测距仪及其距离测量电磁波测距仪及其距离测量控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学ABD4.14.1光电测距原理光电测距原理 测测定定光光波波在在ABAB之之间间传传播播的的时时间间t t,依依据据光光波波在在大大气中的传播速度气中的传播速度c c,计算距离,计算距离D D:图图4.14.1(4-94-9)控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.2.1 4.2.1 按测程分类按测程分类1.1.短程光电测距仪:测程在短程光电测距仪:测程在3km3
2、km以内以内;2.2.中程光电测距仪:测程在中程光电测距仪:测程在3 315km15km左右左右;3.3.远程激光测距仪:测程在远程激光测距仪:测程在15km15km以上。以上。4.2.2 4.2.2 按按测距信号分类测距信号分类1 1.激光测距仪,主要用于长程测距仪;激光测距仪,主要用于长程测距仪;2 2.红外测距仪,用于中短程测距仪;红外测距仪,用于中短程测距仪;4.2 4.2 电磁波测距仪分类电磁波测距仪分类控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.2 4.2 电磁波测距仪分类电磁波测距仪分类4.2.3 4.2.3 按测距原理分类按测距原理分类1.1.脉冲法测距:干脆测定电磁波信号传播
3、时间脉冲法测距:干脆测定电磁波信号传播时间,较多地激较多地激光雷达、微波雷达等远距离测距上。光雷达、微波雷达等远距离测距上。2.2.相位法测距相位法测距:通过测量光信号来回传播所产生的相位差通过测量光信号来回传播所产生的相位差间接的测定电磁波信号传播时间,多用于精密测距。间接的测定电磁波信号传播时间,多用于精密测距。控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.34.3脉冲法测距基本原理及应用脉冲法测距基本原理及应用测距仪中脉冲发生器放射一束光脉冲,其中一部分作测距仪中脉冲发生器放射一束光脉冲,其中一部分作为参考脉冲干脆由仪器内部进入接收光电器件;其余光脉为参考脉冲干脆由仪器内部进入接收光电器件
4、;其余光脉冲信号经过照准目标反射镜反射,作为回波脉冲也进入接冲信号经过照准目标反射镜反射,作为回波脉冲也进入接收光电器件。测量参考脉冲同反射脉冲相继到达接受光电收光电器件。测量参考脉冲同反射脉冲相继到达接受光电器件的时间相隔器件的时间相隔t t,即可求出距离测量,即可求出距离测量d d。测量时间间隔的原理是测量时间间隔的原理是:.:.时标脉冲振荡器不断地产时标脉冲振荡器不断地产生间隔相同的脉冲信号;生间隔相同的脉冲信号;.测距瞬间参考脉冲打开电子门,测距瞬间参考脉冲打开电子门,使时标脉冲进入时标脉冲计数系统;使时标脉冲进入时标脉冲计数系统;.测距仪接收到回波测距仪接收到回波脉冲信号,关闭电子门
5、,时标脉冲计数系统停止计数;脉冲信号,关闭电子门,时标脉冲计数系统停止计数;.计数器统计的时标脉冲数乘以一个时标脉冲间隔电磁波传计数器统计的时标脉冲数乘以一个时标脉冲间隔电磁波传播距离,就是所测距离的二倍。播距离,就是所测距离的二倍。控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.34.3脉冲法测距基本原理及应用脉冲法测距基本原理及应用计数显示计数显示电子门电子门时标脉冲时标脉冲触触发发器器脉冲发射脉冲发射脉冲接收脉冲接收反反射射器器DBA图图4.24.2控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.34.3脉冲法测距基本原理及应用脉冲法测距基本原理及应用脉冲式测距干脆测量信号传播时间,由于电磁波信
6、号以光速传播,设测脉冲式测距干脆测量信号传播时间,由于电磁波信号以光速传播,设测量精度要求达到量精度要求达到1cm1cm,则时间间隔测量精度就要达到,则时间间隔测量精度就要达到 秒。这是很困难的,秒。这是很困难的,因而脉冲法测距主要用于长距离测距。因而脉冲法测距主要用于长距离测距。由于由于GPSGPS技术成为限制测量的首选技术手段,长距离测距仪应用价值不技术成为限制测量的首选技术手段,长距离测距仪应用价值不大,载波相位法因为测距精度高,成为测量仪器接受的主要测距方法。大,载波相位法因为测距精度高,成为测量仪器接受的主要测距方法。目前的脉冲式测距仪,一般用固体激光器放射出高频率的光脉冲,因而目前
7、的脉冲式测距仪,一般用固体激光器放射出高频率的光脉冲,因而这类仪器可以不用反射棱镜,而是干脆用被测目标对光脉冲产生的漫反射进行这类仪器可以不用反射棱镜,而是干脆用被测目标对光脉冲产生的漫反射进行测距。在一些对测距精度要求不是太高的工程应用中(地形测量等),当测量测距。在一些对测距精度要求不是太高的工程应用中(地形测量等),当测量地点难以到达时,这类仪器具有其它方法不行替代的独特优势。地点难以到达时,这类仪器具有其它方法不行替代的独特优势。控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.44.4相位相位法测距基本原理及应用法测距基本原理及应用实质实质:利用测定光波在传播过程中的相位移利用测定光波在传
8、播过程中的相位移,间接测定传播时间接测定传播时间间,实现距离的测量。实现距离的测量。图图4.34.3控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.44.4相位相位法测距基本原理及应用法测距基本原理及应用相位式测距仪是通过测相电路测定调制光来回传播产生的相位相位式测距仪是通过测相电路测定调制光来回传播产生的相位差,乘以一个完整的相位对应的波长,求得待测距离。差,乘以一个完整的相位对应的波长,求得待测距离。相位式测距仪的基本工作原理可用图相位式测距仪的基本工作原理可用图4.34.3来说明。由光源发出的来说明。由光源发出的光经过调制器后,成为光强随高频信号变更的调制光射向反射棱镜,经光经过调制器后,成
9、为光强随高频信号变更的调制光射向反射棱镜,经反射棱镜反射回来被接收器接收。由于电磁波中一点的相位在传播过程反射棱镜反射回来被接收器接收。由于电磁波中一点的相位在传播过程中保持不变,所以通过相位计将反射信号的相位与光源处连续变更的相中保持不变,所以通过相位计将反射信号的相位与光源处连续变更的相位比较,就可测定调制光由放射到接受这段时间内光源处的相位变更值。位比较,就可测定调制光由放射到接受这段时间内光源处的相位变更值。由图由图4.34.3可见,调制光全程的相位变更值为:可见,调制光全程的相位变更值为:控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学式式(3-3)中,中,N为相位变更值中的整周期数,为相位
10、变更值中的整周期数,是不足一周的小数部分。是不足一周的小数部分。设设为调制光的波长,为调制光的波长,则所测距离为,则所测距离为 式(式(3-4)称为相位法测距的基本公式,这种测距方法事实上相当于用)称为相位法测距的基本公式,这种测距方法事实上相当于用一把长度为测尺一把长度为测尺2来丈量所测距离。这一来丈量所测距离。这一“尺子尺子”称为测尺,令称为测尺,令u=2,则,则u称为尺长。称为尺长。4.44.4相位相位法测距基本原理及应用法测距基本原理及应用(4-18)(4-18)控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.44.4相位相位法测距基本原理及应用法测距基本原理及应用在相位式测距仪中,相位计
11、只能测定在相位式测距仪中,相位计只能测定N N,而不能测得,而不能测得 N N,因此距,因此距离离d d具有多值性而不能确定。为了测定距离,可以选择较长的测尺,即具有多值性而不能确定。为了测定距离,可以选择较长的测尺,即选择较低的调制频率。依据选择较低的调制频率。依据u=/2=c/2fu=/2=c/2f,可以计算出测尺长度与相应,可以计算出测尺长度与相应的调制波频率的关系,如表的调制波频率的关系,如表4.14.1所示。由于测相误差一般为所示。由于测相误差一般为 (周),(周),所以测尺越长意味着测距精度越低,因此不能为了增加测程而简洁地扩所以测尺越长意味着测距精度越低,因此不能为了增加测程而简
12、洁地扩大尺长。实践中解决这个问题的方法是,用一组测尺组合来完成测距,大尺长。实践中解决这个问题的方法是,用一组测尺组合来完成测距,以短测尺测定距离的尾数,以长测尺测定大数,就犹如时钟中的时针、以短测尺测定距离的尾数,以长测尺测定大数,就犹如时钟中的时针、分针、秒针组合一样,既保证了精度,又解决了多值性的问题。分针、秒针组合一样,既保证了精度,又解决了多值性的问题。控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.44.4相位相位法测距基本原理及应用法测距基本原理及应用控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学当所测距仪较长时当所测距仪较长时,须要多个测尺共同测距。如精测尺和粗测尺须要多个测尺共同测距。
13、如精测尺和粗测尺频率相差较大,在技术上难以实现各个测尺频率具有相同的增益和频率相差较大,在技术上难以实现各个测尺频率具有相同的增益和稳定性。、实践中依据以两个频率稳定性。、实践中依据以两个频率f1f1、f2 f2 测量同一距离的相位差测量同一距离的相位差(1122),就等于用其差频(),就等于用其差频(f1f1f2f2)测量距离时的相位差的)测量距离时的相位差的原理,利用原理,利用f1f1、f2 f2 测量结果,来间接求出其差频的测量结果。测量结果,来间接求出其差频的测量结果。4.44.4相位相位法测距基本原理及应用法测距基本原理及应用控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.5 4.5 干
14、涉法测距基本原理干涉法测距基本原理干涉法测距本质上也是相位法测距,但是运用的测距信号干涉法测距本质上也是相位法测距,但是运用的测距信号不是经过调制的电磁波信号,并且测距须要反射镜沿测线方向不是经过调制的电磁波信号,并且测距须要反射镜沿测线方向移动。未经调制的光波波长很短,理论上测距精度很高,所以移动。未经调制的光波波长很短,理论上测距精度很高,所以干涉法测距主要用于科学探讨和工业测量,在限制测量领域未干涉法测距主要用于科学探讨和工业测量,在限制测量领域未见应用报道。见应用报道。控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.6 4.6 光波(光波(电磁波电磁波)测距仪的合作目标)测距仪的合作目标测
15、距仪的合作目标就是指反射棱镜。反射棱镜由光学玻璃制作,形态是测距仪的合作目标就是指反射棱镜。反射棱镜由光学玻璃制作,形态是四面锥体,其中三个相互垂直的面镀银作为反射面,另一平面是透射面。四面锥体,其中三个相互垂直的面镀银作为反射面,另一平面是透射面。对于随意入射角的入射光线,只要与透射面垂直方向偏差在对于随意入射角的入射光线,只要与透射面垂直方向偏差在2020度以内,度以内,经反射棱镜两个面上的反射,都能以入射方向反射出去。经反射棱镜两个面上的反射,都能以入射方向反射出去。图图4.44.4控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.7 4.7 光波(光波(电磁波电磁波)测距仪的检验)测距仪的检
16、验仪器检验中最重要的两项参数检定是加常数和乘常数检定。仪器检验中最重要的两项参数检定是加常数和乘常数检定。加常数加常数k是测距仪等效放射面偏离仪器对中线的距离,出厂时是测距仪等效放射面偏离仪器对中线的距离,出厂时通过电路参数调整为通过电路参数调整为0,但经过一段时间运用,可能会产生变,但经过一段时间运用,可能会产生变更,所以须要经过检验。由于更,所以须要经过检验。由于k是和距离无关的固定值,所以是和距离无关的固定值,所以称为加常数。称为加常数。相位法测距测出相位差,乘以波长即得到距离相位法测距测出相位差,乘以波长即得到距离,而波长等而波长等于光速除振荡频率。由于测距仪信号源电子元件参数会产生漂
17、于光速除振荡频率。由于测距仪信号源电子元件参数会产生漂移,测距仪频率也会产生微小变更,因而须要进行检验。由于移,测距仪频率也会产生微小变更,因而须要进行检验。由于频率变更率频率变更率r对距离的影响是和测距长度成比例的,所以称对距离的影响是和测距长度成比例的,所以称r为为乘常数。乘常数。测距仪测距精度很高,因而其检验工作困难而精度要求更测距仪测距精度很高,因而其检验工作困难而精度要求更高,一般都是交专业机构在基线场完成。高,一般都是交专业机构在基线场完成。控制测量学控制测量学控制测量学控制测量学4.8 4.8 电磁波在大气中的传播电磁波在大气中的传播本小节通篇内容杂乱、逻辑不清,给人感觉是根本没
18、有经本小节通篇内容杂乱、逻辑不清,给人感觉是根本没有经过整理的翻译初稿。很多描述不明其用意,根本用不着举例,过整理的翻译初稿。很多描述不明其用意,根本用不着举例,文理不通处比比皆是!从中可以得到的结论是:看不懂不确定文理不通处比比皆是!从中可以得到的结论是:看不懂不确定是自己因为水平低!是自己因为水平低!大气对电磁波测距影响主要表现在两个方面:大气对电磁波测距影响主要表现在两个方面:.电磁波电磁波在大气中的传播速度小于真空中的传播速度;在大气中的传播速度小于真空中的传播速度;.由于大气折由于大气折射,电磁波实际传播路径不是直线而是一弯曲波道轨迹。这两射,电磁波实际传播路径不是直线而是一弯曲波道
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