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1、几何量电子传感测量几何量电子传感测量武汉大学测绘学院测量工程研究所武汉大学测绘学院测量工程研究所叶晓明叶晓明电磁波测距n电磁波测距的一般原理n脉冲式光电测距n相位式光电测距n干涉式激光测距n微波干涉测距n微波伪码测距电磁波测距仪的一般工作原理 n电磁波测距的原理就是利用电磁波的直线传播特性和波速稳定特性，通过测出两点之间的电磁波传播延迟时间进而间接测得直线距离的过程。测距仪反射器发射波反射波发射机接收机发射波光电测距仪的一般原理nAB两点间的距离是D，往返时间是t2D，电磁波在大气中的速度是Vn则：D DV V t t2D2D/2/2lt t2D2D可由测距仪中的测时系统测出可由测距仪中的测时
2、系统测出l大气中的波速大气中的波速V V=c/nc/n，也是可以通过大气温度、湿度、压力来求出的，也是可以通过大气温度、湿度、压力来求出的n于是：D=ct2D/2nn不确定度公式表明：n若要获得mm数量级的距离测量可靠度，时间测量结果的不确定度必须达到10-11秒数量级。测距电磁波和基本方法n用于测距的电磁波l微波微波l激光激光l红外线 n电子测距的基本方法l脉冲法测距脉冲法测距l干涉法测距干涉法测距l相位法测距相位法测距 脉冲式光电测距n脉冲法测距就是直接测定间断电磁脉冲信号在被测距离上往返传播所需的时间t2D，利用公式计算距离D A D B电子门脉冲发射脉冲接收反射器触发器计数显示时钟脉冲
3、脉冲测距的测时方法n当测距仪向反射器发射一个脉冲信号的同时，同时还给触发器发出一个触发脉冲，经过触发器去打开电子门。n电子门一打开，计时用的时标脉冲就通过电子门进入计数器。n当发向反射器的脉冲信号被反射器反射回测距仪，经过测距仪接收后，也送入触发器，通过触发器去关闭电子门。n电子门被闭合后，时标脉冲就不能通过电子门。n那么计数器上记录下的时标脉冲个数m，将对应于测距脉冲信号在被测D上往返传播所需的时间t2d。n时间越长，通过脉冲信号就越多，反之就越少，根据时标脉冲的个数可以计算出时间t2d，从而获得距离。脉冲测距原理优缺点n优点：l脉冲式测距可以实现瞬间高功率脉冲发射以获得远测程脉冲式测距可以
4、实现瞬间高功率脉冲发射以获得远测程 n缺点：l精度问题。即使时钟频率到了精度问题。即使时钟频率到了100MHz,100MHz,计数器的原理误计数器的原理误差差(1(1误差误差)造成的时间测量误差就可达造成的时间测量误差就可达1/100MHz=101/100MHz=10-8-8秒，根据公式秒，根据公式D D=VtVt2d2d/2/2可得出由此造可得出由此造成的距离误差可达。而电子计数器、门电路等的工作速成的距离误差可达。而电子计数器、门电路等的工作速度达到度达到100MHz100MHz很不容易。很不容易。l技术难度问题。高频率电子线路在设计制造中会面临干技术难度问题。高频率电子线路在设计制造中会
5、面临干扰、能耗、成本、稳定性等麻烦问题。扰、能耗、成本、稳定性等麻烦问题。n针对传统脉冲测量方法的不足，诞生了精测技术。在保持快速特点的基础上，大幅提高了测量精度。n脉冲精测技术l内插法内插法l微延迟计数法微延迟计数法内插测量法内插测量法n对不足一个计数时钟周期的短脉冲进行时间积分，通过测量积分电压的高低来推算短脉冲的时间长度，进而实现精确测量。被测脉冲计数时钟积分脉冲内插测量法内插测量法nLEICA DI3000测距仪采用了此方法，测程达10KM，精度（3+1ppm）mm。n问题：积分电压测量面临干扰，产生“节拍效应”，精度提高仍然有限。nDI3000中采取扰乱时钟和被测脉冲的相位关系的方法
6、，让“节拍效应”随机化，利用统计规律来消减这种“节拍效应”误差，牺牲了测量时间。微延迟计数法微延迟计数法n该技术的典型代表是德国ACAM公司的TDC时间数字转换芯片，该芯片可瞬间完成脉冲时间的精确测量。n该芯片利用门电路的微小延迟，利用大量的门电路串联构成集成延迟线，通过检测被测脉冲结束时刻延迟线中的波相位实现精确时间测量。n 测量单元由START信号触发，由 STOP信号停止。由环形振荡器（延迟线首尾相接而成）中波沿所在的位置和粗值计数器中的结果计算出START与 STOP之间的时间间隔。测量范围可达到 20位。最小分辨力可达65ps。n1ps=10-12s，相应的光速距离为。典型应用：三维
7、激光扫描仪典型应用：三维激光扫描仪 n通过激光测距原理瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力。n快速扫描是扫描仪诞生产生的概念。l在常规测量手段里，每一点的测量费时都在在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等，在秒不等，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求。数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求。n三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，l最初每秒最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，点的测量速度已经让测量界大为惊叹，l而现在脉冲扫描仪（而现在脉冲扫描
8、仪（scanstation2）最大速度已经达到）最大速度已经达到50000点每秒，点每秒，l相位式扫描仪相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达三维激光扫描仪最高速度已经达到到120万点每秒，万点每秒，n这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证。n工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。典型应用：全站仪典型应用：全站仪n目前许多全站仪都附带有无棱镜测距功能n其中一部分就是采用了脉冲激光测距原理。相位法测距 n相位法测距，又叫间接法测距，它不直接测定电磁波往返传播的时间。而是测定由仪器发出的连续正弦电磁波信号在被测距离上往返传播而产生的相位变化(即相位差)，根
9、据相位差求得传播时间，从而求得距离D。反射器信号发射测 相信号接收A D B相位法测距基本公式n设测距仪发射的电磁波为：设测距仪发射的电磁波为：n相位法测距的基相位法测距的基本公式本公式:为角频率，为角频率，=2f。往返传播时间为。往返传播时间为t2d，因此测距仪接收的电磁波为：，因此测距仪接收的电磁波为：测距仪发出的信号测距仪发出的信号(参考信号参考信号)与接收的信号与接收的信号(测距信号测距信号)相位差相位差为：为：t2d t2d /l又又：=2f t2d /2f将其代入将其代入 D=V t2d/2 V=c/n(c为真空光速，为真空光速，n为大气折光系数。为大气折光系数。)测尺(电尺)l2
10、N+Dc(N+N)2/4 fn (N+N)/2其中N为正整数，N为小于1的小数，为波长。相位法测距就好象有一把钢尺在丈量距离，尺子的长度为/2(电尺)，N为被测距离的整尺段数，N为不足一个整尺的尾数，半波长/2叫做测尺长度。l相位法测距仪的工作过程就是计量出测尺的整尺段数和尾数的过程。相位法测距原理的技术要点相位法测距原理的技术要点(1)(1)l精度问题l解决精度问题的方向是使用较高频率的载波(短尺)调制，要获得1毫米的距离分辨力必须获得10-11秒的时间测量分辨力。由于噪声等现实因素的存在，相位测量的精度也是有限的，对相位测量的精度期望过高必然加重电路设计制造的困难，对使用中的稳定度指标也不
11、利。15MHz的高频信号来说，10-11秒的时间延迟可产生33.9的相位延迟；的高频信号，10-11秒的时间延迟只能产生3.39的相位延迟，要获得这么高的相位测量精度很困难。l测程问题l相位测量只能测出一个波长(周期)以内的相位差。超过一个波长以上的距离将出现整数个波长的距离丢失-N值问题。15MHz的频率来说，其测程只有10米。l利用低频载波(长尺)实现粗测。相位法测距原理的技术要点相位法测距原理的技术要点(2)(2)l高频信号相位测量精度问题数字相位计实现高分辨力测相的工作频段在低频段。另外使用一高频信号(本振信号)分别对将被测量相位差的二个高频信号和进行混合并通过一非线性电路产生二个差频
12、信号，我们称之为中频-变频技术。使用中频信号的优点：中频信号有利于进一步的高增益放大、窄带过滤噪声干扰和实现自动增益控制。表3-1 正弦信号的混频过程相位法测距原理的技术要点相位法测距原理的技术要点(4)(4)相位计精度问题 目前几乎所有的仪器都使用数字相位计实现高分辨力测相。多周期测量实现1误差、噪声误差的自然抵偿是其要点。光能衰减对测程的影响问题 光的发散和传输衰减将造成回光强度随距离的增大而急剧减弱，为了获得较远的测程，选用亮度高度集中的发光管、设计高度会聚的光路系统、选用高灵敏的雪崩光电二极管、设计高增益低噪声接收放大器是必要的；而近距离时回光光强很强，所以还必须有性能优良的自动减光、
13、自动增益控制(AGC)等自适应系统。相位法测距原理的技术要点相位法测距原理的技术要点(5)(5)n幅相误差问题 相位法测距原理的技术要点相位法测距原理的技术要点(6)(6)幅相误差是将模拟中频信号(正弦波)转化成数字信号(方波)的过程产生，即因信号幅度(强度)不同引入的转换附加相差(非线性过程)。远距离和近距离的回光信号强度差距极其悬殊，必须使用自动减光系统(自动光强控制系统)和自动增益控制的中频放大器，以保证信号在整形前幅度一致。这也是实现高精度距离测量的技术关键。自动增益控制电路的设计不合理也可能造成电路延迟参数随信号强度变化，也能形成幅相误差。l周期误差问题 在电路系统和光学系统中，干扰
14、、窜扰普遍存在的。在精密相位测量来说，同频率干扰信号将是致命的误差源，因为频率相同就意味着不可以利用电子滤波器将其过滤。克服干扰：屏蔽和隔离是有效的途径恰当使用差分放大电路等电路技术相位法测距原理的技术要点相位法测距原理的技术要点(7)(7)l电路固有延迟问题l电路延迟包含了电磁波在被测距离上的延迟，也包括了电信号在电路上的延迟。内光路测量过程，就是直接将发射光短路回接收系统以测出电路系统所造成的时间延迟，用于计算被测距离时扣除这部分延迟。l时间基准的精度问题 l普通石英晶体振荡器的稳定度多在 10-4(100ppm)数量级，不能满足测绘作业所要求的精度，所以必须使用温度补偿提高时间基准的精度
15、。整机控制问题l整个仪器包含了复杂的控制和运算过程，如测尺转换控制、光路转换控制、减光自动控制、测相节奏(时序)控制、相位距离换算、粗精尺距离衔接运算、内部加乘常数改正、气象改正、电源监测、信号检测等等。l使用微处理器来实现这些复杂过程当然最有利。相位式测距的原理 内内光光路路反反射射器器微处理器微处理器晶体振荡器晶体振荡器发光管发光管本机振荡器本机振荡器接收管接收管基准混频基准混频测距混频测距混频数字测相数字测相放大放大中频放大中频放大相位式测距过程n晶体振荡器产生两路主频信号l主频调制信号对发光二极管进行调制主频调制信号对发光二极管进行调制;l另一路主频信号作为测相参考信号送至基另一路主频
16、信号作为测相参考信号送至基准混频电路和本机振荡信号混频产生参考准混频电路和本机振荡信号混频产生参考中频信号中频信号l测尺尺长：主频波长的一半测尺尺长：主频波长的一半/2/2 n发光二极管由于受主频信号的调制即发出光强随主频信号变化的红外光，该光线经光学系统会聚后射向目标点的反射棱镜 n光线经反射后回到接收光电二极管，光电二极管再次将光信号转化成电信号，这时的电信号就是主频经被测距离延迟后的被测信号 相位式测距过程n被测信号经测距混频电路与本机振荡信号混频产生被测中频信号 n被测中频信号再经中频放大滤波整形后送至数字测相电路 n测相电路测出参考中频和被测中频的相位差 n内光路校准测量以测出电路的
17、固有延迟(相位差)n上述过程由微处理器统一控制完成多频测距原理(1)n由相位法测距仪的基本公式 可知N存在多值性。解决多值性的一个方法是采用的测尺/2 大于待测距离。但这样会影响测距精度。n不同频率所对应的尺长及可能实现的精度对比表：频频率率30MHz15MHz1.5MHz150KHz15KHz波波长长10m20m200m2000m20km测测尺尺长长度度5m10m100m1000m10km测测距精度距精度0.5mm1mm1cm10cm1m多频测距原理(2)选定一个测距频率时其测程和精度是相矛盾的，若要测出较长距离，则相应就要降低测距精度。为了保证测程和测距精度，可以采用一组测距频率，即，一台
18、仪器配有两个以上的测尺，其中，短测尺用于保证测距精度，长测尺用于扩大仪器的测程。例如：15MHz的精尺(尺长10.000m)测得的距离是，而75KHz粗尺(尺长2000.0m)测得的距离是。对于精尺而言：D=N对于粗尺而言：D=1737.95+所以 N=(1737.95+-8.057)/10=172.9893+/10由于N为整数,很小(其绝对值远小于精尺尺长的1/2)所以 N=173，D当粗尺测量精度太低以致于绝对值接近或超过1/2精尺尺长时，距离测量结果就必然出现粗差 多频测距原理多频测距原理(3)(3)n从对比表可以看出，l频率的跨度太大，频率的跨度太大，l对接收放大电路的高频率响应和低频
19、响应的均衡性及稳定性要求较高，对接收放大电路的高频率响应和低频响应的均衡性及稳定性要求较高，l不利于接收电子放大器的设计，也不利于仪器的稳定性。不利于接收电子放大器的设计，也不利于仪器的稳定性。n组合测尺却不存在上述问题，且同样也是可以解决测程和精度相矛盾问题的。多频测距原理(4)n一个粗尺是可以隐含在一个粗尺是可以隐含在多个多个精尺之中精尺之中。对于粗尺(长尺f0f1f2)(f1、f2为组合精尺)来说,当经过被测距离延迟时间T后，其延迟相位差为0：其中，1和2分别为f1精尺和f2精尺经延迟T后产生的相位差。多频测距原理(5)n譬如,分别测出了和15MHz这两个精尺在被测距离的延迟相位差1和2
20、。n就可以推算出15.150MHz-15MHz=150KHz粗尺的延迟相位差肯定为1-2。l不需要直接产生不需要直接产生150KHz粗尺，更不需要拿它去调制发光粗尺，更不需要拿它去调制发光管。管。n而这样做的最大好处就是接收前置放大器的工作频带只要在15MHz附近就可以了。l不需要考虑不需要考虑150KHz的低频特性，的低频特性，l放大器很容易保证二个精尺频率的增益基本一致。放大器很容易保证二个精尺频率的增益基本一致。n总之，由于测程和精度相矛盾问题的需要，由晶体振荡器产生的主频调制信号往往有多个，l通常是通常是3 3个个(行话叫行话叫3 3把尺子把尺子)或或4 4个，个，n每一调制信号都有一
21、个被锁定频率的本机振荡信号与之匹配，以保证混频后获得的中频频率相同，便于放大和测相。n例：某测距仪采用了三种测尺，分别是30MHZ、，对某距离测量的相位差分别为度、度、度，请计算该距离（30MHZ按尺长5米计算）。n解：n1、第一粗尺频率30.015MHZ-30MHZ=15KHZl其延迟相位差其延迟相位差-l15KHZ对应的尺的尺长10000米。米。l第一粗第一粗测结果果为米。米。n2、第二粗测频率，l其延其延迟相位差相位差-=312.864，l尺尺长100米，米，l测量量结果果为米米n3、将这二把粗尺子的测量结果进行衔接.l887.333+=100N1，l所以所以N1=8，第二粗，第二粗测结
22、果果为米。米。n4、精尺频率30MH(尺长5米)的测量结果为l5x米米n5、与第二粗测结果衔接：l886.907+=5N2，l所以所以N2=177，l最最终测量量结果果为5N2米。米。相位计原理n自动数字测相的优点l速度快速度快l精度高精度高l便于自动数据处理便于自动数据处理 l电子测距仪的测相方法手动平衡式测相利用机械装置移动测距信号的相位，使移动后的测距信号的相位与参考信号的相位相等(即平衡)，同时测出相位移动量得到相位差.自动数字测相 1。时钟填充法2。波形抽样回归法 自动数字测相法(1)n时钟填充法n时钟填充法测量原理基本思路：l用计数的方法测量检相脉冲的占空比来获得被测信号的相用计数
23、的方法测量检相脉冲的占空比来获得被测信号的相位差位差 检相脉冲时钟脉冲闸门脉冲被测整形通道参考整形通道与门计数器或非门或非门n检相脉冲l当把参考信号当把参考信号erer及测距信号及测距信号emem送入测相器前，先把两路送入测相器前，先把两路信号通过通道整形成为方波信号再把两路方波信号送入信号通过通道整形成为方波信号再把两路方波信号送入触发器的两个输入端触发器的两个输入端S S、R R，触发器的输出脉冲的占空比触发器的输出脉冲的占空比就正好反映被测信号延迟于参考信号的相位关系就正好反映被测信号延迟于参考信号的相位关系.检相脉冲参考信号被测信号自动数字测相法(2)n把输出的检相信号送入电子门,l高
24、电位会打开电子门，低电位关闭电子门。高电位会打开电子门，低电位关闭电子门。l当检相脉冲为高电位时，电子门打开，时标脉冲通过电子当检相脉冲为高电位时，电子门打开，时标脉冲通过电子门到达计数器。门到达计数器。l计数器所记录的时标脉冲个数将与高电位的长度成正比，计数器所记录的时标脉冲个数将与高电位的长度成正比，也即与相位差也即与相位差成正比成正比m m=kk。l因此通过记录时标脉冲的数目可以测出相位差因此通过记录时标脉冲的数目可以测出相位差 。自动数字测相法(3)nfcp:时标脉冲的频率;fe:混频后低频测相信号的频率 l由于电子计数器存在天然的由于电子计数器存在天然的11误差，误差，l加上实际还有
25、噪声造成的脉冲沿抖动等影响，加上实际还有噪声造成的脉冲沿抖动等影响，n单脉冲的测量精度还是远远不能满足精度要求。计数器对一个检相脉冲的累计数m为：n例如，对于时标频率15MHz、中频(检相脉冲重复频率)频率15KHz的单检相脉冲测量来说，仅1计数误差造成的相位测量误差为：n若此时精尺尺长为10米，则测距误差为10毫米,实际误差由于噪声等影响还将更大。多周期时钟填充测相原理(1)检相脉冲计数脉冲闸门脉冲时钟脉冲参考信号被测信号多周期时钟填充测相原理(2)n在闸门脉冲的控制下，计数器对数以千万计的检相脉冲的测量结果进行累计测量取其平均值，从而大大降低1误差、噪声误差的影响n时标频率15MHz、中频
26、(检相脉冲重复频率)频率15KHz的例子，这时把闸门脉冲宽度定为10000个检相脉冲的周期的时间即进行10000次平均测量,精尺尺长为10米，则反映的测距误差为n每个闸门期结束后，微处理器即读取计数器的累计值并将其再次清0.多周期时钟填充测相原理(3)n小相角问题 l若被测信号与参考信号的相位差小到若被测信号与参考信号的相位差小到0 0度度(或或360360度度)附近，附近，l由于数字电路响应速度的有限以及受噪声的影由于数字电路响应速度的有限以及受噪声的影响响信号沿存在前后抖动信号沿存在前后抖动，l这时的检相脉冲系列中必然有小角度这时的检相脉冲系列中必然有小角度(略大于或略大于或等于等于0)0
27、)的窄脉冲和大角度的窄脉冲和大角度(略小于或等于略小于或等于360360度度)宽脉冲同时存在，则不能对其进行平均测量宽脉冲同时存在，则不能对其进行平均测量.n小相角扩角电路原理 l当被测信号相对于参考信号的相位延迟小于半周当被测信号相对于参考信号的相位延迟小于半周期期(180)(180)时，将被测信号再延迟一个周期时，将被测信号再延迟一个周期(360)(360)进行检相，这样测量的结果将比实际相位进行检相，这样测量的结果将比实际相位差大差大360360，而，而360360在计算处理时是会自动溢出在计算处理时是会自动溢出的；的；l而当被测信号相对于参考信号的相位延迟大于半而当被测信号相对于参考信
28、号的相位延迟大于半周期周期(180)(180)时，则不对被测信号延迟时，则不对被测信号延迟360 360 l扩角后的相角在扩角后的相角在180-540180-540之间。之间。多周期时钟填充测相原理(4)n一种延迟扩角电路的实现原理 至检相电路参考信号被测信号QDCKDCKQD触发器D触发器多周期时钟填充测相原理(5)n相差小于180度时的扩角时序 扩角后的相差扩角前的相差多周期时钟填充测相原理(6)n相差大于180度时的扩角时序 扩角后的相差扩角前的相差波形抽样回归法 n波形抽样回归法则基本原理：l对被测正弦模拟信号进行跟踪抽样测量，利用线性回归算对被测正弦模拟信号进行跟踪抽样测量，利用线性
29、回归算法演算出该信号的相位信息法演算出该信号的相位信息.t0 t1 t15信号采样保持多路开关AD转换微处理器抽样脉冲波形抽样回归法原理(1)n以抽样脉冲为时间标准，抽样脉冲重复频率为被测信号频率的偶数倍(上图中为16倍)，n抽样脉冲以等时间间隔对被测信号进行抽样测量，将获得的模拟电压送至bitA/D模数转换器,nA/D转换器将数字信息送至微处理器进行运算处理。运算原理运算原理由于被测信号的数学表达式为其中=2f，称之为角频率。A0为直流电平分量。表达为线性方程的形式为：表达为线性方程的形式为：其中其中 则观测量则观测量ui的误差方程式为：的误差方程式为：由于信号周期内的抽样测点数为偶数，且测
30、点在信号的整周期内均匀分布.则:法方程为:波形抽样回归法原理(3)n解法方程得:n所以:波形抽样回归法原理(4)各参数的协因数为：精度评定公式根据A、与X、Y的关系式按误差传播律就可以得出：波形抽样回归法原理(5)因为A/D转换的1误差、噪声等随机因素的存在，单周期测量的精度不能满足精度要求.若精尺长为10米，则相应的测距误差为毫米设定信号振幅为2V,这样信号的峰-峰值则为4V,对于有效位数为12bitA/D转换器来说，1误差约为1mV。若单周期的测量抽样次数为16次，则波形抽样回归法相对于时钟填充法的优点波形抽样回归法相对于时钟填充法的优点n省略去了大量的电路硬件，只需增加一个抽样保持电路，
31、多占用一个已有的A/D转换器的通道，n给设计、生产、调试带来了方便，也给整机性能的稳定性和一致性带来了好处；l省去了对速度和漂移特性要求苛刻的整形电路省去了对速度和漂移特性要求苛刻的整形电路l省去了检相电路省去了检相电路l省去了大小相角判别和扩角电路省去了大小相角判别和扩角电路n由于没有整形电路，测量过程不象填充法仅仅依赖信号的前沿，而是对信号进行相对整体性的信息采集，信号的强度和直流电平不对测相结果产生确定性的影响，n就是说，A、A0的变化均不能使比值Y/X发生变化，和A、A0没有确定的函数关系。n所以理论上讲，这种测量原理没有传统意义的幅相误差。波形抽样回归法的波形抽样回归法的“幅相误差”
32、n根据公式m=mA/A 可以看出，信号强度A对测量结果的不确定度还是有影响的，是随机性的影响，这就是波形抽样回归法的“幅相误差”。n波形抽样回归法的“幅相误差”与传统福相误差的区别。l幅相之间不是确定规律，而是随机规律。幅相之间不是确定规律，而是随机规律。l其大小可以在测相过程中求出，机器自身其大小可以在测相过程中求出，机器自身“心知肚明心知肚明”l可以通过调整电路增益或增加测量时间使其改善可以通过调整电路增益或增加测量时间使其改善 n如果信号信噪比太差、严重畸变、饱和失真那当然也是不行的，n对自动增益控制的延迟稳定性也同样不能降低要求。n还要注意一点，l这种测量原理所获得的相位值是相对于抽样
33、时钟这种测量原理所获得的相位值是相对于抽样时钟脉冲的脉冲的t t0 0时刻的相位提前量，时刻的相位提前量，l抽样时钟相当于填充法中的参考信号。抽样时钟相当于填充法中的参考信号。相位式测距的原理误差n周期误差l周期误差是指按一定的距离为周期重复出现的误周期误差是指按一定的距离为周期重复出现的误差，差，l详细的说就是指由于测距仪光学和电子线路的光详细的说就是指由于测距仪光学和电子线路的光电信号窜扰而使待测距离尾数呈现按精测尺长为电信号窜扰而使待测距离尾数呈现按精测尺长为周期变化的一种误差。周期变化的一种误差。n加、乘常数误差l测距加乘常数误差由加常数误差和乘常数误差二测距加乘常数误差由加常数误差和
34、乘常数误差二部分组成部分组成,l加常数误差系由仪器的测距部加常数误差系由仪器的测距部(包括反射镜包括反射镜)光学光学零点和仪器对点器不一致所造成，零点和仪器对点器不一致所造成，l其现象是对所有测量值加入了一个固定偏差其现象是对所有测量值加入了一个固定偏差;l乘常数误差系仪器时间基准偏差造成，乘常数误差系仪器时间基准偏差造成，l其现象是给观测值加入了一个与距离成比例的偏差其现象是给观测值加入了一个与距离成比例的偏差 n幅相误差l幅相误差是因为接收电子线路及自适应系统的特幅相误差是因为接收电子线路及自适应系统的特性的不完善，回光信号存在强弱不同而导致的测性的不完善，回光信号存在强弱不同而导致的测距
35、误差距误差 n相位不均匀误差l是指光波的波阵面不规则（并非以发光点为球心是指光波的波阵面不规则（并非以发光点为球心的球面）而导致的测距误差。的球面）而导致的测距误差。测距周期误差 n形成原因 l测距仪内部的同频的光窜扰测距仪内部的同频的光窜扰l内外光路光的相互窜扰，收发共轴仪器的光学系内外光路光的相互窜扰，收发共轴仪器的光学系统内部漫反射，诸此情况将会引起同频光窜扰统内部漫反射，诸此情况将会引起同频光窜扰 l测距仪内部的同频的电窜扰测距仪内部的同频的电窜扰l由于空间感应、公用电源等途径使发射信号或基由于空间感应、公用电源等途径使发射信号或基准信号与接收系统相互窜扰而产生的准信号与接收系统相互窜
36、扰而产生的l窜扰信号叠加于测距信号使相位产生误差窜扰信号叠加于测距信号使相位产生误差误差规律(1)n设测距信号为设测距信号为e e1 1，窜扰信号为，窜扰信号为e e2 2，其相位分别，其相位分别为为1 1、2 2，l则两者的相位差为=1-2，l设两者振幅的比值为k=A2/A1。l根据矢量合成法，其合成信号为e。l于是,合成信号e与测距信号e1的相位差所对应的距离即为周期误差。e2 e D A e1 B C同频率窜扰信号的矢量合成 误差规律(2)n根据直角三角形的边角关系有 e2 e D A e1 B C误差规律(2)又又k=A2/A1所以，化简后和、k有下列关系存在：由于k、都很小，所以上式
37、可近似为：其中，D为距离，U为尺长。误差规律(3)n可见，l附加相移（误差）随距离按正弦曲线规律变化，附加相移（误差）随距离按正弦曲线规律变化，l其周期为其周期为2(2(即等于精测尺长度即等于精测尺长度)，l而且与而且与K K值有关，值有关，K K值越大，也越大。值越大，也越大。n于是，常以下式表示周期误差：n式中，A为周期误差的振幅，i为距离Di相应的相位角，0为初相。克服办法n提高整机的屏蔽抗干扰特性l譬如：光路隔离以减少发射光路和接收光路的耦譬如：光路隔离以减少发射光路和接收光路的耦合、电源滤波退耦和隔离、接收电路采用差分放合、电源滤波退耦和隔离、接收电路采用差分放大等等。大等等。l由于
38、周期误差是具有一定的相对稳定性和可重复由于周期误差是具有一定的相对稳定性和可重复性的误差，将其振幅和初相位角测出根据周期误性的误差，将其振幅和初相位角测出根据周期误差的数学模型对成果进行计算改正差的数学模型对成果进行计算改正-补偿。补偿。n周期误差的补偿方法有两种l事后补偿。是指根据检定部门检定所获得的仪器事后补偿。是指根据检定部门检定所获得的仪器参数参数A A和和0 0以及与所测距离的尾数相应的相位角以及与所测距离的尾数相应的相位角i i代入测距周期误差的计算公式算出代入测距周期误差的计算公式算出,并对所测得并对所测得的距离进行改正即可。的距离进行改正即可。l机内补偿。是指将上述检定结果机内
39、补偿。是指将上述检定结果A A和和0 0存入仪器内存入仪器内存存,在观测过程中由仪器进行自动完成误差补偿改在观测过程中由仪器进行自动完成误差补偿改正。正。l由于误差是由于干扰所造成的，干扰条件随着电路的老由于误差是由于干扰所造成的，干扰条件随着电路的老化等因素会发生变化，所以补偿效果不太理想。化等因素会发生变化，所以补偿效果不太理想。测试原理与检测方法(1)n基础设施：一座长形平台和一根基线尺。对它们要求分别为：l检定平台的平直度应优于检定平台的平直度应优于510510-5-5，平台与仪器墩，平台与仪器墩(或脚或脚架架)的高差不大于的高差不大于2 2且在同一方向线上，两者相距约为且在同一方向线
40、上，两者相距约为30m30m。l基线尺长应大于受检仪器的精测尺长，其准确度优于基线尺长应大于受检仪器的精测尺长，其准确度优于210210-5-5，最小分度应小于或等于受检仪器精测尺长的，最小分度应小于或等于受检仪器精测尺长的1/401/40。Di周期误差测试 测试原理与检测方法(2)n具体做法是：l安置仪器如图所示。把一根符合条件的基线尺放置在一个安置仪器如图所示。把一根符合条件的基线尺放置在一个符合条件的长形平台上，基线尺的零点与平台起始点对准符合条件的长形平台上，基线尺的零点与平台起始点对准并固定，另一端拉一个与该尺检定时张尺拉力相符的重锤并固定，另一端拉一个与该尺检定时张尺拉力相符的重锤
41、或弹簧秤。将全站仪与反射棱镜分别对中整平。或弹簧秤。将全站仪与反射棱镜分别对中整平。l从平台上基线尺的零点开始观测，反射棱镜由近及远移动，从平台上基线尺的零点开始观测，反射棱镜由近及远移动，每次移动的距离为测距精测尺长的每次移动的距离为测距精测尺长的1/401/40或或1/201/20，各点的对，各点的对中位移误差不大于中位移误差不大于0.20.2，每移动一次反射棱镜，进行一，每移动一次反射棱镜，进行一次测距，取次测距，取5 5次读数求其平均值，作为所测距离值，依此次读数求其平均值，作为所测距离值，依此测完测完4040或或2020个点。个点。l然后，由远而近进行返测，取其往返观测的平均值为相应
42、然后，由远而近进行返测，取其往返观测的平均值为相应各点的距离。获得一组观测值各点的距离。获得一组观测值 D Di i,D0,D0i i。(D Di i和和D0D0i i分别为分别为仪器示值和基线尺示值仪器示值和基线尺示值)测试原理与检测方法(2)令X=Acos0 Y=Asin0根据该误差方程式组成法方程，当测点数为偶数，且测点在整尺长内均匀分布时，则测试原理与检测方法(3)测试原理与检测方法(4)，根据法方程可以解算出各参数的协因数为：精度评定公式是：根据A、0与X、Y的关系式,按误差传播律就可以得出：注意：这里所求出的0、m0 的单位为弧度。测距加乘常数误差(1)n加常数误差l加常数误差系由
43、仪器的测距部加常数误差系由仪器的测距部(包括反射镜包括反射镜)光学零点和光学零点和仪器对点器不一致所造成，其现象是对所有测量值加入仪器对点器不一致所造成，其现象是对所有测量值加入了一个固定偏差。其表达式为了一个固定偏差。其表达式为DD=K Kl加常数误差的组成加常数误差的组成l仪器常数误差仪器常数误差l棱镜常数误差棱镜常数误差l电子零点偏差电子零点偏差l当仪器幅相特性不好时若内外光路光强又不平衡，则内光路的当仪器幅相特性不好时若内外光路光强又不平衡，则内光路的测量结果不能完全抵消外光路测量的电路延迟，也能产生加常测量结果不能完全抵消外光路测量的电路延迟，也能产生加常数类似效果；数类似效果；l电
44、子零点偏差不是加常数，而是幅相误差。只有纯光学机械的电子零点偏差不是加常数，而是幅相误差。只有纯光学机械的原因形成的固定偏差才是真正意义加常数。原因形成的固定偏差才是真正意义加常数。测距加乘常数误差(2)n加常数误差的检测通常和乘常数检测结合在一起完成。n乘常数误差l理论上，乘常数误差系仪器时间基准偏差造成，其现象是理论上，乘常数误差系仪器时间基准偏差造成，其现象是给观测值加入了一个与距离成比例的偏差。其表达式为给观测值加入了一个与距离成比例的偏差。其表达式为DD=RDRDl其中其中D D为实际距离，为实际距离，R R为乘常数。为乘常数。n乘常数误差l幅相误差也常常影响到乘常数的检测效果，因为
45、对于幅相幅相误差也常常影响到乘常数的检测效果，因为对于幅相特性不好的仪器来说，当信号强度随被测距离增大而减弱特性不好的仪器来说，当信号强度随被测距离增大而减弱时，幅相误差势必也随距离的增大而单调变化，也能产生时，幅相误差势必也随距离的增大而单调变化，也能产生类似乘常数的效果，而且还很难区分。类似乘常数的效果，而且还很难区分。l只有时间基准或仪器内部人工比例改正数才是真正的乘常只有时间基准或仪器内部人工比例改正数才是真正的乘常数形成原因。数形成原因。l在测距仪内部，真正的加乘常数系统误差已经被设计师进在测距仪内部，真正的加乘常数系统误差已经被设计师进行了改正处理，而检验出的加乘常数误差只是改正后
46、的残行了改正处理，而检验出的加乘常数误差只是改正后的残剩值。剩值。测距乘常数的理论成因其中为测出的相位差，c为光速,f是光的调制频率，n则为折射率,其中、c、n均是与仪器本身无关的量，只有f是与全站仪的内部结构相关的参数是个变量。将上式对f进行微分，则可得全站仪本身固有的测距乘常数误差即测距的相对精度表达式。测距乘常数误差与调制频率相对误差有关。石英晶体频率的温度特性(1)n石英晶体的固有频率有着良好的稳定度，石英晶体振荡器广泛用于全站仪仪器测距的时间标准，石英晶体振荡器也早已在电子学领域获得了广泛的应用。l仪器的精测频率调制信号是由石英晶体片为稳频元仪器的精测频率调制信号是由石英晶体片为稳频
47、元件的高稳定度的晶体振荡器产生的。件的高稳定度的晶体振荡器产生的。l晶体振荡器是电子测距仪发射部分的一个元件，它晶体振荡器是电子测距仪发射部分的一个元件，它的作用是产生高频测距信号，的作用是产生高频测距信号，l并且它所产生的高频测距信号须具有频率稳定的特并且它所产生的高频测距信号须具有频率稳定的特点。点。石英晶体频率的温度特性(2)n普通的石英晶体振荡器的频率稳定度通常只有10-410-5数量级，和测距仪距离测量精度要求10-6数量级仍然有一段距离。l石英晶体振荡器的频率稳定性与石英晶体的温度特性石英晶体振荡器的频率稳定性与石英晶体的温度特性等有密切关系，其固有频率随温度而变化的规律如图等有密
48、切关系，其固有频率随温度而变化的规律如图所示。所示。ft石英晶体振荡器的频率温度特性石英晶体频率的温度特性(3)n由于温度变化对石英晶体的频率的影响是非线性的,l为了研究的方便，我们可以用泰勒级数来描述这一非线性为了研究的方便，我们可以用泰勒级数来描述这一非线性误差误差,所以它的频率温度特性方程可表示为所以它的频率温度特性方程可表示为l根据一般的测量精度要求根据一般的测量精度要求,展开式有三项就可以了，这是展开式有三项就可以了，这是一条三次曲线，其残余误差一般在一条三次曲线，其残余误差一般在(1(12)102)10-6-6的范围。的范围。n显然，可以用数学关系式描述的已知规律的误差当然就可以利
49、用计算程序来实现误差的电子补偿(修正)。石英晶体的温度补偿l石英晶体的频率误差对全站仪的测距精度有直接的影响，石英晶体的频率误差对全站仪的测距精度有直接的影响，l且晶体振荡器的调制频率又与温度有密切关系，且晶体振荡器的调制频率又与温度有密切关系，n所以，为了提高测距精度，保证晶体振荡器的调制频率的稳定性，必须对石英晶体进行温度补偿。n温度补偿的两种方式：“硬补偿硬补偿”和和“软补偿软补偿”l“硬补偿”：对晶体采用恒温或温度补偿措施以提高频率的相对精度。l即，将晶体置于横温槽中，可使f/f达到小于1ppm；l或在晶体振荡器中增加温度补偿元件(如热敏电阻)，使通过温度补偿元件控制振荡回路参数以抵偿
50、温度导致的频率变化，满足石英晶体的频率变化要求,l这个措施可使f/f达到2-5ppm，剩余误差较大,电路调试也比较繁琐；l“软补偿”：就是运用微处理器中的存储和运算功能根据频率和温度t的函数关系对测距仪的示值进行精度修正的过程。l晶体振荡器中的晶体频率与温度的关系可用一个以温度为变量的多项式来描述，并把多项式的各系数及f0存入储存器。l利用仪器内的温度传感器随时测试仪器内石英晶体的实时温度，把测得的温度通过A/D转换成数据输入微机中，通过计算推算出工作当时的晶体振荡器频率。l用此值去计算距离，将大大提高仪器的精度且成本也低廉。“软补偿”也曾经被商家炒作为所谓“动态频率技术”。加乘常数误差的检验