《電磁波測(cè)距》PPT課件(I)

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1、幾何量電子傳感測(cè)量武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量工程研究所葉曉明電磁波測(cè)距電磁波測(cè)距的一般原理脈沖式光電測(cè)距相位式光電測(cè)距干涉式激光測(cè)距微波干涉測(cè)距微波偽碼測(cè)距電磁波測(cè)距儀的一般工作原理電磁波測(cè)距的原理就是利用電磁波的直線傳播特性和波速穩(wěn)定特性，通過(guò)測(cè)出兩點(diǎn)之間的電磁波傳播延遲時(shí)間進(jìn)而間接測(cè)得直線距離的過(guò)程。測(cè)距儀反射器發(fā)射波反射波ADB發(fā)射機(jī)接收機(jī)發(fā)射波ADB光電測(cè)距儀的一般原理AB兩點(diǎn)間的距離是D，往返時(shí)間是t2D，電磁波在大氣中的速度是V則：D＝Vt2D/2t2D可由測(cè)距儀中的測(cè)時(shí)系統(tǒng)測(cè)出大氣中的波速V=c/n，也是可以通過(guò)大

2、氣溫度、濕度、壓力來(lái)求出的于是：D=ct2D/2n不確定度公式表明：若要獲得mm數(shù)量級(jí)的距離測(cè)量可靠度，時(shí)間測(cè)量結(jié)果的不確定度必須達(dá)到10-11秒數(shù)量級(jí)。測(cè)距電磁波和基本方法用于測(cè)距的電磁波微波激光紅外線電子測(cè)距的基本方法脈沖法測(cè)距干涉法測(cè)距相位法測(cè)距脈沖式光電測(cè)距脈沖法測(cè)距就是直接測(cè)定間斷電磁脈沖信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播所需的時(shí)間t2D，利用公式計(jì)算距離DADB電子門脈沖發(fā)射脈沖接收反射器觸發(fā)器計(jì)數(shù)顯示時(shí)鐘脈沖脈沖式測(cè)距原理框圖脈沖測(cè)距的測(cè)時(shí)方法當(dāng)測(cè)距儀向反射器發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)的同時(shí)，同時(shí)還給觸發(fā)器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖，經(jīng)過(guò)

3、觸發(fā)器去打開電子門。電子門一打開，計(jì)時(shí)用的時(shí)標(biāo)脈沖就通過(guò)電子門進(jìn)入計(jì)數(shù)器。當(dāng)發(fā)向反射器的脈沖信號(hào)被反射器反射回測(cè)距儀，經(jīng)過(guò)測(cè)距儀接收后，也送入觸發(fā)器，通過(guò)觸發(fā)器去關(guān)閉電子門。電子門被閉合后，時(shí)標(biāo)脈沖就不能通過(guò)電子門。那么計(jì)數(shù)器上記錄下的時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)m，將對(duì)應(yīng)于測(cè)距脈沖信號(hào)在被測(cè)D上往返傳播所需的時(shí)間t2d。時(shí)間越長(zhǎng)，通過(guò)脈沖信號(hào)就越多，反之就越少，根據(jù)時(shí)標(biāo)脈沖的個(gè)數(shù)可以計(jì)算出時(shí)間t2d，從而獲得距離。脈沖測(cè)距原理優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：脈沖式測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)瞬間高功率脈沖發(fā)射以獲得遠(yuǎn)測(cè)程缺點(diǎn)：精度問(wèn)題。即使時(shí)鐘頻率到了100MHz,計(jì)數(shù)器

4、的原理誤差(±1誤差)造成的時(shí)間測(cè)量誤差就可達(dá)±1/100MHz=±10-8秒，根據(jù)公式D=Vt2d/2可得出由此造成的距離誤差可達(dá)±1.5m。而電子計(jì)數(shù)器、門電路等的工作速度達(dá)到100MHz很不容易。技術(shù)難度問(wèn)題。高頻率電子線路在設(shè)計(jì)制造中會(huì)面臨干擾、能耗、成本、穩(wěn)定性等麻煩問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)脈沖測(cè)量方法的不足，誕生了精測(cè)技術(shù)。在保持快速特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，大幅提高了測(cè)量精度。脈沖精測(cè)技術(shù)內(nèi)插法微延遲計(jì)數(shù)法內(nèi)插測(cè)量法對(duì)不足一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期的短脈沖進(jìn)行時(shí)間積分，通過(guò)測(cè)量積分電壓的高低來(lái)推算短脈沖的時(shí)間長(zhǎng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。被測(cè)脈沖

5、計(jì)數(shù)時(shí)鐘積分脈沖內(nèi)插測(cè)量法LEICADI3000測(cè)距儀采用了此方法，測(cè)程達(dá)10KM，精度±（3+1ppm）mm。問(wèn)題：積分電壓測(cè)量面臨干擾，產(chǎn)生“節(jié)拍效應(yīng)”，精度提高仍然有限。DI3000中采取擾亂時(shí)鐘和被測(cè)脈沖的相位關(guān)系的方法，讓“節(jié)拍效應(yīng)”隨機(jī)化，利用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)消減這種“節(jié)拍效應(yīng)”誤差，犧牲了測(cè)量時(shí)間。微延遲計(jì)數(shù)法該技術(shù)的典型代表是德國(guó)ACAM公司的TDC時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，該芯片可瞬間完成脈沖時(shí)間的精確測(cè)量。該芯片利用門電路的微小延遲，利用大量的門電路串聯(lián)構(gòu)成集成延遲線，通過(guò)檢測(cè)被測(cè)脈沖結(jié)束時(shí)刻延遲線中的波相位實(shí)現(xiàn)精確

6、時(shí)間測(cè)量。測(cè)量單元由START信號(hào)觸發(fā)，由STOP信號(hào)停止。由環(huán)形振蕩器（延遲線首尾相接而成）中波沿所在的位置和粗值計(jì)數(shù)器中的結(jié)果計(jì)算出START與STOP之間的時(shí)間間隔。測(cè)量范圍可達(dá)到20位。最小分辨力可達(dá)65ps。1ps=10-12s，相應(yīng)的光速距離為0.3mm。典型應(yīng)用：三維激光掃描儀通過(guò)激光測(cè)距原理瞬時(shí)測(cè)得空間三維坐標(biāo)值的測(cè)量?jī)x器，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù),可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場(chǎng)景的三維可視化模型,既省時(shí)又省力。快速掃描是掃描儀誕生產(chǎn)生的概念。在常規(guī)測(cè)量手段里，每一點(diǎn)的測(cè)量費(fèi)時(shí)都在2-5秒不等

7、，在數(shù)字化的今天，這樣的測(cè)量速度已經(jīng)不能滿足測(cè)量的需求。三維激光掃描儀的誕生改變了這一現(xiàn)狀，最初每秒1000點(diǎn)的測(cè)量速度已經(jīng)讓測(cè)量界大為驚嘆，而現(xiàn)在脈沖掃描儀（scanstation2）最大速度已經(jīng)達(dá)到50000點(diǎn)每秒，相位式掃描儀Surphaser三維激光掃描儀最高速度已經(jīng)達(dá)到120萬(wàn)點(diǎn)每秒，這是三維激光掃描儀對(duì)物體詳細(xì)描述的基本保證。工廠管道，隧道，地形等復(fù)雜的領(lǐng)域無(wú)法測(cè)量已經(jīng)成為過(guò)去式。典型應(yīng)用：全站儀目前許多全站儀都附帶有無(wú)棱鏡測(cè)距功能其中一部分就是采用了脈沖激光測(cè)距原理。相位法測(cè)距相位法測(cè)距，又叫間接法測(cè)距，它不

8、直接測(cè)定電磁波往返傳播的時(shí)間。而是測(cè)定由儀器發(fā)出的連續(xù)正弦電磁波信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播而產(chǎn)生的相位變化(即相位差)，根據(jù)相位差求得傳播時(shí)間，從而求得距離D。反射器信號(hào)發(fā)射測(cè)相信號(hào)接收ADB圖3-3相位法測(cè)距原理示意相位法測(cè)距基本公式設(shè)測(cè)距儀發(fā)射的電磁波為：相位法測(cè)距的基本公式:ω為角頻率，ω=2πf。