电磁波测距

科技术语

电磁波测距是利用电磁波作为载波，经调制后由测线一端发射出去，由另一端反射或转送回来，测定发射波与回波相隔的时间，以测量距离的方法。

研究历史

从20世纪40年代开始，雷达以及各种脉冲式和相位式导航系统的发展，促进了人们对电子测时技术、测相技术和高稳定度频率源等领域的深入研究。在此基础上，贝里斯特兰德(E.Bergstrand)和沃德利(T.L.Wadley)分别于1948年和1956年研制成功了第一代光电测距仪和微波测距仪。随着电子技术的高速发展，这些仪器不断改进，现在已经达到了相当完善的程度，使大地测量和工程测量发生了 3个方面的变化：①三角测量中的起始边长度，现在一律用电磁波测距仪直接测量，过去布设基线网推算起始边长度的方法已成历史；②导线测量、三边测量和测边测角布网方式的应用越来越广泛，有逐渐取代三角测量的趋势；③利用电子全站仪或速测仪，采取边角测量方法加密大地控制网和布设高程导线，有很高的经济效益（见三边测量）。

中国已用电磁波测距法在青藏高原布设了精密导线，作为国家大地网的一部分。

测距原理

电磁波测距有两种方法：脉冲测距法和相位测距法。

脉冲测距法

由测线一端的仪器发射的光脉冲的一部分直接由仪器内部进入接收光电器件，作为参考脉冲；其余发射出去的光脉冲经过测线另一端的反射镜反射回来之后，也进入接收光电器件。测量参考脉冲同反射脉冲相隔的时间t，即可由下式求出距离D： ,式中 c为光速。卫星大地测量中用于测量月球和人造卫星的激光测距仪，都采用脉冲测距法。

相位测距法

用高频电流调制后的光波或微波从测线一端发射出去，由另一端返回后，用鉴相器测量发射波与回波之间的相位差嗘。若调制频率为f，则电磁波往返经历的时间为： ,式中n是时间t中的整周数。将 t代入到上列脉冲测距法的公式中，得距离D为： ,式中λ是已知的调制波波长相当于测量距离的尺子的长度,n相当于测程上的整尺数是不足一个测尺长的尾数。

为了确定整尺数n,通常采用可变频率法和多级固定频率法。前者是使测距仪的调制频率在一定范围内连续变化，这就相当于连续改变测尺长度，使它恰好能量尽待测距离。测距时，逐次调变频率，使不足整尺的尾数等于零。根据出现零的次数和相应的频率值，就可以确定整测尺数n°当采用多级固定频率法时,相当于采用几根不同长度的测尺丈量同一距离。根据用不同频率所测得的相位差，就可以解出整周数n，从而求得距离D。

相位差除了用鉴相器测量之外，还可采用可变光路法，即用仪器内部的光学系统改变接收信号的光程，使该信号延迟一段时间。电子仪表指示发射信号与接收信号相位相同时，直接在刻划尺上读出尾数。此外，还可以用延迟电路来改变接收信号的相位，由该电路调整控制器上的分划，读出尾数。

分类

电磁波测距仪根据载波为光波或微波而有光电测距仪和微波测距仪之分。前者又因光源和电子部件的改进，发展成为激光测距仪和红外测距仪。

利用电磁波作为测距的载波，运载测距讯号，实现精密测距的技术，亦称物理测距。电磁波包括无线电波、红外线和可见光。

电磁波测距仪分为脉冲式和相位式两大类。脉冲式测距仪直接测定脉冲主波(发射波)与回波(由目标反射回来的波)在待测距离两端点之间的传播时间，按一定公式算得到目标点的距离。这类测距仪的测程较长，显示结果速度快，但精度较低，很难高于米级。相位式测距仪测定连续测距信号的发射波与回波之间的相位差，从而间接求得传播时间，再按一定公式决定到目标点的距离。相位式测距仪能测的距离相对较短而精度较高，能达到厘米甚至毫米级精度。不论哪种测距仪，与传统测距方法相比，均具有工效高，作业简便，适应范围广的明显优点。

微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪和多载波测距仪均属于相位式测距仪。激光人造卫星测距仪和激光地形测距仪则属于脉冲式测距仪。在水利工程测量中，测距为2公里或5公里的中短程红外测距仪已得到广泛有效的应用。短程精密激光测距仪在大坝变形观测亦已发挥重要作用。微波测距自动定位系统已在大面积水下地形测量中成功运用。

近年来，中短程激光一红外测距仪的发展十分迅速，已出现整体式或组合式的“全站式电子速测仪”等电子化、自动化程度较高的新型测距仪，它将电子经纬仪、激光一红外测距仪、记录器、计算器甚至打印器融为或组成一体，可以将所测点编号、水平角值、垂直角值、斜距以及归算后的平距、高差、坐标等按指令自动记录在盒式磁带上，或打印、穿孔，再经过以微型电子计算机为中心的一套设备加以处理，按需要建立数字地面模型，绘制线划地形图或输出所要的数据，为工程测量的现代化开辟了新的途径。

测量仪器

光电测距仪

早期的光电测距仪采用电子管线路, 以白炽灯或高压水银灯作为光源，体型大，测程较短，而且只能在夜间观测。60年代末出现了以氦氖激光器作光源、采用晶体管线路的激光测距仪，主机重量约20公斤，测程可达60公里,而且日夜都可以观测,测距精度约为±(5毫米+1×10D)。70年代出现了通过双载波测距、自动改正大气折射影响的激光测距仪，测距精度又有了进一步的提高。1979年更出现了三波长测距仪，使测距精度达到了千万分之一。

在发展激光测距仪的同时，60年代中期出现了以砷化镓管作为光源的红外测距仪。它的优点是体型小，发光效率高；更由于微型计算机和大规模集成电路的应用，再与电子经纬仪结合，于是形成了具备测距、测角、记录、计算等多功能的测量系统，有人称之为电子全站仪或电子速测仪。这种仪器的型号很多，测程一般可达5公里,有的更长,测距精度为±(5毫米+3×10D)，广泛用于城市测量、工程测量和地形测量。

微波测距仪

原理是将测距频率调制在载波上，由主台发射出去，经副台接收和转送回来之后，测量调制波的相位。确定测线上整周期数 n和相位差嗘/2π 的原理与光电测距相同。早期的微波测距仪为了测定相位差，使发射的调制波在阴极射线管上产生一个圆形扫迹；返回信号则变换成为脉冲,它使圆形扫迹产生一个缺口,其位置表示发射信号与返回信号的相位差。以后改用移相平衡原理测定相位差。从1956年到70年代中期，微波测距仪有了重大改进。它经历了电子管、晶体管和集成电路3个阶段，重量减轻，体积缩小，耗电量下降,并提高载波频率以缩小波束角，提高调制频率使测距读数更为精确。此外,它还有全天候和测程远(可达到100公里)的优点，因此是一种很方便的测距仪器。但因它的波束角比光电测距仪的大，多路径效应严重，地表和地物的反射波使接收波的组成极为复杂，而又无法区分，给观测结果带来误差。此外，大气湿度对微波测距的影响相当大，而在野外湿度又难于测定。因此，微波测距的精度低于光电测距。（见彩图）

注意事项

1.应定期对仪器进行固定误差和比例误差的检定，是测量的精度达到预定的要求。

2.红外测距仪一般采用镍镉可充电电池供电，这种电池具有记忆效应，因此应确认电池的电量全部用完才可充电，否则电池的容量将逐渐衰减甚至损坏。

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