光電測(cè)距實(shí)用教案

1、1電磁波測(cè)距儀的分類(fn li)按載波(zib)分微波測(cè)距儀激光測(cè)距儀紅外光測(cè)距儀按測(cè)程分遠(yuǎn)程測(cè)距儀（15km）中程(zhn chn)測(cè)距儀(5km15km)短程測(cè)距儀(5km)第1頁(yè)/共21頁(yè)第一頁(yè)，共22頁(yè)。2一、電磁波測(cè)距原理(yunl) 設(shè)電磁波在測(cè)距儀與反光鏡（合作目標(biāo)）之間往返(wngfn)的時(shí)間為t。則測(cè)距儀至反光鏡的距離 光在真空中的傳播速度為C0=299792458米/秒。 現(xiàn)代測(cè)時(shí)的精度可達(dá)10-8秒，但引起的距離誤差達(dá)1.5mCtS21第2頁(yè)/共21頁(yè)第二頁(yè)，共22頁(yè)。3電磁波測(cè)距原理(yunl) 按電磁波理論(lln)： 光電是橫波，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 它表達(dá)了光波在轉(zhuǎn)播

2、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。)sin(0tAEE的大小為電矢量fCCTfCTTffftA；播的距離稱為波長(zhǎng)；波在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)傳變化一次的時(shí)間；是周期，即正弦波循環(huán)是頻率，；以弧度為單位；的值，是單位時(shí)間內(nèi)相位變化是初始相位；是相位；是振幅；1200第3頁(yè)/共21頁(yè)第三頁(yè)，共22頁(yè)。4S)2(2)(2121NNCtSTfCfCCT2TNTt第4頁(yè)/共21頁(yè)第四頁(yè)，共22頁(yè)。5電磁波測(cè)距原理(yunl) 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(chl)裝置，稱為信號(hào)1。這兩個(gè)信號(hào)之

3、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)。是余尺長(zhǎng)稱為光尺長(zhǎng)，而22222NS第5頁(yè)/共21頁(yè)第五頁(yè)，共22頁(yè)。6調(diào)制(tiozh)波 短程的電磁波測(cè)距儀常用砷化鎵GaAs發(fā)出的紅外激光波長(zhǎng)(bchng)約0.87m。顯然不能用它測(cè)距的信號(hào)。 無(wú)線電技術(shù)可以對(duì)電磁波的振幅、頻率、相位加以調(diào)制使其隨時(shí)間按一定的規(guī)律變化。在GaAs激光器上注入按調(diào)制規(guī)律變化的電流后可以使激光器按同樣的規(guī)律改變發(fā)光的強(qiáng)度。調(diào)制波的頻率遠(yuǎn)小于紅外激光的頻率，還可以用多個(gè)頻率的調(diào)制波加載在紅外激光波上。第6頁(yè)/共21頁(yè)第六頁(yè)，共22頁(yè)。7電磁波測(cè)距原

4、理(yunl) 測(cè)距儀把一定波長(zhǎng)(bchng)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)(bchng)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。第7頁(yè)/共21頁(yè)第七頁(yè)，共22頁(yè)。8測(cè)程和精度(jn d) 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

5、測(cè)量精度高但測(cè)程小。如果用長(zhǎng)的電子尺能擴(kuò)大(kud)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)程大但進(jìn)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(kud)測(cè)程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測(cè)量。m102電子尺第8頁(yè)/共21頁(yè)第八頁(yè)，共22頁(yè)。9加常數(shù)(chngsh) 測(cè)距儀的機(jī)械(jxi)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(jxi)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。第9頁(yè)/共21頁(yè)第九頁(yè)，共22頁(yè)。10乘常數(shù)(chngsh)

6、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(pnl)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。第10頁(yè)/共21頁(yè)第十頁(yè)，共22頁(yè)。11與測(cè)程有關(guān)(yugun)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(chngd) 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第11頁(yè)/共21頁(yè)第十一頁(yè)，共22頁(yè)。12電磁波測(cè)距成果(chnggu)的處理1）儀器常數(shù)改正(gizhng)乘常數(shù)改正(gizhng)數(shù)加常數(shù)改正

7、(gizhng)數(shù)2）氣象改正(gizhng)3）傾斜改正(gizhng)RSSRCSc使用。在手算時(shí)也有輔助表格等工具可改正數(shù)。象參數(shù)后對(duì)所測(cè)距離加站上的氣傳感器，可自動(dòng)感知測(cè)有的函數(shù)?，F(xiàn)在多數(shù)儀器氣壓，氣溫是波長(zhǎng)氣象改正系數(shù)ptAASSA21cos2ShSS第12頁(yè)/共21頁(yè)第十二頁(yè)，共22頁(yè)。13傾斜的附加(fji)改正數(shù) 如果測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡高度與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的高度不一致，則在視線傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加改正數(shù)。因?yàn)檫@時(shí)測(cè)距儀的中心會(huì)偏離測(cè)站(c zhn)中心，而反光鏡中心卻多半不會(huì)作相同的偏離。 測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡同軸的儀器沒有這項(xiàng)改正數(shù)。2sin2cossinsinddSdSdd水平距

8、離的變化為這時(shí)斜距的變化為第13頁(yè)/共21頁(yè)第十三頁(yè)，共22頁(yè)。14電磁波測(cè)距成果(chnggu)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(shuxin)與波長(zhǎng)有關(guān)物理學(xué)家測(cè)算得fC22nCC0421CBAn777210136. 010288.161004.2876%03. 007600CBACOmmHgemmHgPCt，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下第14頁(yè)/共21頁(yè)第十四頁(yè)，共22頁(yè)。153）氣象(qxing)改正空氣的折射率也與氣象條件有關(guān)儀器制造者根據(jù)儀器所用電磁波的波長(zhǎng)并顧及一般工作時(shí)的參考溫度及標(biāo)準(zhǔn)氣壓的濕度設(shè)定空氣的折射率。如果實(shí)際工作時(shí)的大氣條件與此參考條

9、件相同(xin tn)，就不加氣象改正數(shù)。否則要相對(duì)于參考折射率加改正數(shù)。表格等工具計(jì)算改正數(shù)得的氣象參數(shù)借助輔助個(gè)點(diǎn)上測(cè)改正數(shù)。也可以根據(jù)幾數(shù)，自動(dòng)對(duì)所測(cè)距離加的氣象參器，可自動(dòng)感知測(cè)站上現(xiàn)在多數(shù)儀器帶有傳感是空氣膨脹系數(shù)折射率就是標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的式中16.273110155. 0760111070ggqntePtnn第15頁(yè)/共21頁(yè)第十五頁(yè)，共22頁(yè)。16傾斜的附加(fji)改正數(shù) 如果測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡高度與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡的高度不一致，則在視線傾斜時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加改正數(shù)。因?yàn)檫@時(shí)測(cè)距儀的中心會(huì)偏離測(cè)站(c zhn)中心，而反光鏡中心卻多半不會(huì)作相同的偏離。 測(cè)距儀望遠(yuǎn)鏡與經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡同軸的儀器沒有

10、這項(xiàng)改正數(shù)。sincostantanddSdSdd水平距離的變化為這時(shí)斜距的變化為第16頁(yè)/共21頁(yè)第十六頁(yè)，共22頁(yè)。17電磁波測(cè)距的誤差(wch)分析 綜前所述可得： 由此可得： 從而(cng r)有為水平距離DSCNnfCDcos122022222222200200222222222220202sin4sin14mSmmDnmfmCmmSDCDDnDnDfDfDCDCDmDmCDmDmnDmfDmCDmCnfCDCnfCD，比例誤差部分固定誤差部分，習(xí)慣用BABDAmbDamDD22第17頁(yè)/共21頁(yè)第十七頁(yè)，共22頁(yè)。18比例(bl)誤差比例誤差都與電子尺有關(guān)：光速誤差頻率誤差折射率誤

11、差目前(mqin)真空光速值的精度很高，其誤差對(duì)測(cè)距的影響可忽略不計(jì)。第18頁(yè)/共21頁(yè)第十八頁(yè)，共22頁(yè)。19固定(gdng)誤差 加常數(shù)的誤差 檢測(cè)加常數(shù)的精度較高，又可以把加常數(shù)預(yù)置在儀器內(nèi)，自動(dòng)改正測(cè)距成果。但為了防止加常數(shù)變化，必須(bx)定期檢定。 傾斜誤差 視線傾斜角愈大，則豎直角測(cè)量精度應(yīng)愈高。 固定誤差和比例誤差是儀器誤差。 周期誤差 周期誤差也屬于儀器誤差。它是由竄擾信號(hào)引起的誤差，具有周期性特點(diǎn)。檢定時(shí)可以測(cè)定它的大小。如果這誤差太大，也要加以改正。第19頁(yè)/共21頁(yè)第十九頁(yè)，共22頁(yè)。20作業(yè)(zuy)誤差 儀器(yq)和反光鏡的對(duì)中誤差 照準(zhǔn)誤差 發(fā)光管發(fā)出光的相位并不均勻，因此照準(zhǔn)方向不同時(shí)測(cè)距結(jié)果也不同。為了避免這誤差的不良影響，在光照準(zhǔn)后還要進(jìn)一步“電照準(zhǔn)”，使回光信號(hào)最大后再測(cè)量。 電磁波測(cè)距儀是高科技儀器(yq)。對(duì)儀器(yq)及其附件的工作原理和性能了解愈多愈深，就愈能發(fā)揮它們的性能，也能妥善地保養(yǎng)它。 電子測(cè)量?jī)x器(yq)都需野外供電。使用和保養(yǎng)電池也是一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。第20頁(yè)/共21頁(yè)第二十頁(yè)，共22頁(yè)。21謝謝您的觀看(gunkn)！第21頁(yè)/共21頁(yè)第二十一頁(yè)，共22頁(yè)。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)1?，F(xiàn)代測(cè)時(shí)的精度可達(dá)10-8秒，但引起的距離誤差達(dá)1.5m