Đo đạc điện tử pot

Lời nói đầu
Hiện nay với việc áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến, các
thiết bị đo đạc đã đợc tự động hoá bằng các máy đo điện tử, bao gồm các thiết bị
đo cạnh, đo góc và đo cao điện tử. Để tạo điều kiện thuận lợi cho công tác giảng
dạy và học tập môn học Đo đạc điện tử trong chơng trình đào tạo kỹ s chuyên
ngành Trắc địa ở hệ Đại học và hệ cao đẳng, chúng tôi đã tiến hành biên soạn
cuốn bài giảng môn học Đo đạc điện tử . Đo đạc điện tử là một môn học
cần phải kết hợp kiến thức của chuyên ngành Trắc địa với một số ngành khoa
học khác nh: Vật lý, kỹ điện - điện tử, thuật số, v.v Chính vì vậy, mà trong quá
trình biên soạn bài giảng, chúng tôi cố gắng trình bày các vấn đề nguyên lý thật
đơn giản và dễ hiểu bên cạnh đó cố gắng cập nhật các thông tin khoa học hiện
đại, để nội dung của bài giảng có thể đáp ứng kịp thời các yêu cầu cần thiết ở
ngoài thực tế sản xuất.Vì đây là lần đầu tiên biên soạn nên nội dung cuốn sách
không thể tránh khỏi những khiếm khuyết.
Rất mong nhận đợc sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học chuyên ngành
và các bạn độc giả quan tâm.
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:
Bộ môn Trắc địa công trình - Khoa Trắc địa
Trờng đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà nội
Điện thoại: 048384004
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn.
Nhóm biên soạn
1
Chơng 1: Lý thuyết cơ sở
của phơng pháp đo xa điện tử
Đ 1.1 lịch sử phát triển của kỹ thuật đo khoảng cách
Đo khoảng cách là một phép đo quan trọng trong Trắc địa. Tuy nhiên
việc đo khoảng cách là một việc khó khăn, khi yêu cầu độ chính xác càng cao thì
mức độ khó khăn càng lớn.
I. Các phơng pháp đo khoảng cách
1. Phơng pháp đo trực tiếp

Chọn một chiều dài chuẩn l
Hình 1.1: Quá trình đo của phơng pháp đo khoảng cách trực tiếp
Chọn một chiều dài chuẩn l, xác định chính xác chiều dài của thớc đo
dây. Lần lợt đặt thớc đo lên khoảng cách cần đo và đếm số lần đặt thớc.
Độ dài của khoảng cách cần đo là D, khi đó
D= n.l + R (1.1)
Trong đó:
D: là khoảng cách cần đo
n: là số lần đặt thớc
R: là số lẻ
l: chiều dài chuẩn đã đợc xác định.
Độ chính xác của phơng pháp đo trực tiếp phụ thuộc vào độ chính xác
của chiều dài chuẩn của thớc đo. Tính ổn định của chiều dài thớc chuẩn- phụ
thuộc vào chất liệu chế tạo thớc. Thông thờng trong trắc địa, ngời ta dùng thớc
2
A
n
n-1
21
R
3
D
thép để đo khoảng cách, khi cần đo cạnh với độ chính xác cao, nên dùng thớc
Invar (65% là thép, ~ 35% Ni, 0.5% Cr ). Invar là một loại hợp kim có độ giãn
nở rất nhỏ, thớc Invar có thể đo khoảng cách với độ chính xác từ 1/10
5
dến 1/10
6
.
Phơng pháp đo khoảng cách trực tiếp có u điểm là :Đơn giản, dễ thực

hiện. Phơng pháp này cho phép đo khoảng cách với độ tin cậy cao (nếu dùng th-
ớc Invar độ chính xác có thể đạt tới 1/10
6
).
Tuy nhiên phơng pháp có nhợc điểm là không đo đợc khoảng cách trong
điều kiện thời tiết và địa hình phức tạp, tổ chức đo đạc rất cồng kềnh, năng suất
lao động thấp.
2. Phơng pháp đo dài quang học
Là phơng pháp đo khoảng cách bằng các máy quang học và các mia đặc
biệt .Phơng pháp này cho phép xác định khoảng cách nhanh chóng trong điều
kiện địa hình tơng đối phức tạp (máy kinh vĩ và mia địa hình). Nhợc điểm của
phơng pháp là chỉ cho phép đo khoảng cách ngắn, độ chính xác không cao.
3. Phơng pháp giao thoa
Dựa vào hiện tợng giao thoa của sóng ánh sáng hoặc sóng điện từ để đo
khoảng cách. Phơng pháp giao thoa đạt độ chính xác đo khoảng cách rất cao( có
thể đạt tới 1/ 10
-7
). Tuy nhiên, thiết bị đo đạc cồng và phạm vi đo cạnh ngắn nên
phơng pháp đo này chỉ đợc dùng trong các phòng thí nghiệm.
4. Phơng pháp đo xa điện tử
Là phơng pháp xác định khoảng cách gián tiếp qua thời gian lan truyền
sóng điện từ trên khoảng cách cần đo. Do đó phơng pháp đo xa điện tử có u
điểm gọn nhẹ, năng suất lao động cao, làm việc trong mọi điều kiện thời tiết địa
hình, cho kết quả đo nhanh chóng và chính xác cao. Tất cả quá trình đo đạc tự
động, các số liệu đo đợc ghi vào trong bộ nhớ của máy.
II. Đối tợng nghiên cứu của môn học
- Nghiên cứu nguyên lý cấu tạo các thiết bị điện tử dùng trong đo đạc.
- Nghiên cứu các phơng pháp đo và xử lý kết quả đo.
- Nghiên cứu ảnh hởng của điều kiện ngoại cảnh đến kết quả đo.
3

III. Mối liện hệ của môn học với các môn học khác
Môn học này có mối liên hệ chặt chẽ với các môn học khác trong lĩnh
vực điện tử nh: Kỹ thuật điện- điện tử, vật liệu bán dẫn, kỹ thuật số Ngoài ra
còn có liên quan đến các môn học chuyên môn nh: Trắc địa phổ thông, trắc địa
cao cấp, trắc địa công trình.
Đ 1.2. Khái niệm về dao động và sóng điện từ
1.Các khái niệm cơ bản và định nghĩa
Dao động tuần hoàn đợc biểu diễn bằng phơng trình
y(t) = y( t+ NT ) (1.2)
Trong đó :
y(t) là giá trị của dao động; t là thời gian; N là số nguyên tuỳ ý;
T là khoảng thời gian nhỏ nhất mà sau đó lặp lại tất cả các đại lợng vật lý
đặc trng cho chuyển động của dao động. Khoảng thời gian đó đợc gọi là chu kỳ
của dao động.
Đại lợng tỷ lệ nghịch với chu kỳ đợc gọi là tần số, đó chính là số dao
động trong một đơn vị thời gian ký hiệu là f.

T
1
f =
(1.3)
Dao động điều hoà đơn giản nhất là dao động điều hoà hình sin có phơng
trình:
y = A. sin(t +
0
) (1.4)
hoặc y = A.cos (t +
0
)
Trong đó :

A: là biên độ dao động biểu thị cho giá trị cực đại độ lớn của dao động
hình sin; = (t +
0
): là pha của dao động, biểu thị trạng thái (độ lớn và phơng
chiều) của dao động hình sin tai thời điểm t;

0
: pha ban đầu, biểu thị trạng thái ban đầu (khi t= 0) của dao động hình sin;
: là tần số góc;
4

f2
T
2
=

=
(1.5)
Dao động với tần số f đợc truyền trong không gian với vận tốc v đợc đặc
trng bởi đại lợng đợc gọi là bớc sóng của dao động

f
v
=
(1.6)
2. Sóng điện từ
Dao động điều hoà của của cờng độ điện trờng và từ trờng tạo ra một tr-
ờng điện từ biến thiên. Sự lan truyền của trờng điện từ trong không gian gọi là
sóng điện từ. Sóng điện từ là sóng ngang, nghĩa là nó có vec-tơ cờng độ điện tr-
ờng

E
và cờng độ từ trờng
H
vuông góc với nhau và nằm trong một mặt phẳng
vuông góc với phơng truyền sóng x (hình 1.2).

Đặc tính lan truyền của sóng điện từ phụ thuộc chủ yếu vào bớc sóng
(hay tần số) của nó . Ngời ta chia sóng điện từ ra thành các loại nh (hình 1.3).
Sóng điện từ đợc chia thành các dải sóng sắp xếp theo tần số tăng dần
trong các máy đo xa điện từ dùng dải sóng có tần số f từ 10
13
đến 10
15
(Hz) làm
sóng mang và sóng có tần số từ 10 đến 500MHz với độ ổn định cao làm sóng đo.
5
Hình 1.2
Một trong những tính
chất quan trọng của sóng điện từ là tính phân cực, nghĩa là vec-tơ E có khả năng
chỉ truyền theo một phơng trong một mặt phẳng cố định.
- Nếu vec-tơ cờng độ điện trờng xảy ra một cách hỗn loạn trong mặt phẳng
vuông góc với phơng truyền sóng đợc gọi là sóng phân cực tự nhiên hay sóng ch-
a phân cực.
- Nếu vec-tơ cờng độ điện trờng xảy ra trong một mặt phẳng nhất định thì
dao động đợc gọi là dao động phân cực thẳng trong đó mặt phẳng chứa vec-tơ
cờng độ điện trờng đợc gọi là mặt dao động. Mặt phẳng vuông góc chứa vec-tơ
cờng độ từ trờng gọi là mặt phân cực
- Phơng trình của sóng điện từ phân cực thẳng truyền trên trục x với vận tốc
v có dạng :
y = Acos [(t-x/v)+

0
] (1.7)
Mặt phẳng chứa
E
gọi là mặt phẳng dao động, còn mặt phẳng chứa
H
là
mặt phẳng phân cực. Trong kĩ thuật đo xa điện tử thờng sử dụng sóng điện từ
phân cực thẳng . Mặt hình học chứa các điểm của dao động có cùng pha gọi là
mặt đầu sóng hay mặt đầu pha. Mặt đầu sóng có thể là mặt cầu hoặc mặt phẳng.
Sóng điện từ đơn sắc là sóng có tần số không đổi. Các sóng đơn sắc có
tần số khác nhau sẽ truyền với vận tốc khác nhau. Sự phụ thuộc tốc độ truyền
sóng vào tần số đợc gọi là sự tán sắc . Trong thực tế không tồn tại sóng điện từ
đơn sắc mà nó là tập hợp nhiều sóng có tần số khác nhau.
6
Hình 1.3: Thang tần số của sóng điện từ
Tử
ngoại
10
2
10
5
10
10
3.10
11
4.10
14
Tần thấp Sóng Radio Hồng
ngoại

7.510
14
Rơnghen
f(Hz)
Đ I.3. ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực
hiện tợng lỡng chiết và hiệu ứng điện quang
1. Khái niệm về ánh sáng tự nhiên
Trạng thái tự nhiên của các nguyên tử và phân tử là phân bố ở mức năng
lợng thấp hơn, sau đó phân bố lên mức năng lợng cao hơn, đó chính là trạng thái
phân bố thuận theo các mức năng lợng, trạng thái này chỉ hấp thụ năng lợng chứ
không bức xạ. Muốn đa điện tử từ mức năng lợng thấp lên mức năng lợng cao thì
ta phải cung cấp năng lợng.
ánh sáng là do các nguyên tử và phân tử bị kích thích phát ra dới dạng
các lớp sóng liên tiếp trong đó các vec-tơ E, H, S vuông góc với nhau từng đôi
một. Do chuyển động hỗn loạn ở trong nguyên tử, cho nên các lớp sóng do
nguyên tử phát ra có véc-tơ cờng độ điện trờng E khác nhau nhng vuông góc với
tia sáng.
Mặt khác khi chúng ta xét một nguồn sóng nào đó dù rất nhỏ thì nó cũng
bao gồm do nhiều nguyên tử, bởi vậy, trong trờng hợp chung vec-tơ cờng độ điện
trờng (E) luôn luôn dao động hỗn loạn xung quanh tia sáng S và luôn đảm bảo E
vuông góc S. ánh sáng nh vậy gọi là ánh sang tự nhiên.
2. ánh sáng phân cực
Tuỳ theo điều kiện phát và truyền ánh sáng trong môi trờng chúng ta có
thể tạo ra đợc một tia sáng mà E chỉ dao động trong một mặt phẳng nhất
định( theo một phơng nhất định) đó là ánh sáng phân cực.
- Mặt phẳng P chứa E gọi là mặt phẳng dao động.
- Mặt phẳng QP gọi là mặt phẳng phân cực (hình 1.2)
Quá trình biến đổi ánh sáng tự nhiên thành áng sáng phân cực gọi là quá
trình phân cực ánh sáng. Dụng cụ để biến đổi ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng
phân cực là kính phân cực.

3. Hiện tợng lỡng chiết
a. Khái niệm về chất lỡng chiết
7
ánh sáng đơn sắc lan truyền trong môi trờng với vận tốc khác nhau tuỳ
thuộc vào tần số f. Sự phụ thuộc giữa tốc độ truyền sóng và tần số f gọi là hiện t-
ợng tán sắc của môi trờng. Trong chân không tất cả các sóng đều lan truyền với
vận tốc giống nhau. Vì vậy, chân không là môi trờng không tán sắc.
Trong một số môi trờng, tốc độ của ánh sáng không phụ thuộc vào hớng
của tia tới, ánh sáng lan truyền theo mọi hớng với tốc độ nh nhau (môi trờng
đẳng hớng quang học). Tuy nhiên có một số chất: băng lan, thạch anh có tính
chất đặc biệt là: vận tốc của ánh sáng không phải là một đại lợng cố định mà
biến đổi theo hớng của tia tới, ánh sáng lan truyền theo các hớng khác nhau với
tốc độ khác nhau. Hiện tợng này gọi là hiện tợng lỡng chiết.
Giả sử chiếu một tia sáng vuông góc với tính chất CaCO
3
(băng lan) tại
bề mặt CaCO
3
sẽ có hai tia:
- S
0
: tia thờng
- S
e
: tia dị thờng
Sau khi ra khỏi tinh thể CaCO
3
các tia có tính chất sau :
- Cả hai tia phân cực thẳng toàn phần và song song với nhau
- Giữa hai tia có độ lệch pha

Hình 1.4
- Nếu thay đổi góc tới :Vận tốc của S
0
không thay đổi , vận tốc của S
e
thay đổi.
Đối với mỗi một chất lỡng chiết có tồn tại một hớng, mà nếu chúng ta
chiếu sáng thì vận tốc của tia thờng bằng vận tốc của tia dị thờng v
e
=v
0
, đờng
thẳng song song hớng này gọi là quang trục của chất lỡng chiết, kí hiệu là ().
Mặt phẳng chứa quang trục và tia sáng nào đó gọi là mặt phẳng tiết diện chính
8
S
0
Se
của tia ấy. Các chất lỡng chiết có một quang trục gọi là chất lỡng chiết đơn trục,
các chất lỡng chiết có nhiều quang trục gọi là chất lỡng chiết đa trục.
b. ứng dụng của chất lỡng chiết
Chất lỡng chiết đợc sử dụng trong kỹ thuật đo xa điện tử để chế tạo
những dụng cụ có nhiệm vụ biến đổi tia sáng tự nhiên thành tia sáng phân cực
(gọi là kính phân cực)
- Lăng kính Nikol
Gồm một tinh thể băng lan đợc ghép nh (hình 1.5)


Hình 1.5

Khi chiếu ánh sáng đến lăng kính Nikol ta thấy ánh sáng đợc tách thành
2 tia: tia thờng S
0
và tia dị thờng S
e
. Nếu chọn góc tới thích hợp, tia s
0
bị phản xạ
ở lớp nhựa và sau đó bị hấp thụ hết, còn lại ta thu đợc tia dị thờng sau khi đi qua
kính phân cực đợc phân cực thẳng toàn phần. Nh vậy, từ tia sáng tự nhiên khi đi
qua lăng kính Nikol ta thu đợc một tia sáng phân cực
Lăng kính Nikol có u điểm là: làm việc với độ tin cậy cao, phân cực ánh
sáng gần nh hoàn toàn. Tuy nhiên thiết bị này cũng có những nhợc điểm: bị nóng
chảy ở nhiệt độ cao, và lợng tiêu hao năng lợng lớn.
Thông thờng ngời ta thờng sử dụng 1 cặp lăng kính Nikol nh (hình (1.6)
P : kính phân cực; A : kính phân tích .

Hình 1.6
9
P A
Cờng độ ánh sáng sau khi đi qua hệ hai lăng kính này phụ thuộc vào góc
hợp bởi quang trục của P và A
J
2
= A
2
2
= A
1
cos

2
(I.11)
Trong đó:
A1 và A2 biên độ dao động của ánh sáng sau khi đi qua P và A;
J : cờng độ ánh sáng
: góc hợp bởi quang trục của kính phân cực và kính phân tích
Nếu = 0 khi đó P song song với A và ánh sáng đi qua hoàn toàn
Nếu = 90
0
khi đó P vuông góc với A và ánh sáng bị ngăn lại hoàn toàn
- Bản Polaroid
Là một màng xenlulo trong suốt trên đó ngời ta phủ một lớp gọi là
herapatit (lớp lỡng chiết) dạng tinh thể rất nhỏ bề dày khoảng 0.1 mm. Đặc tính
là hấp thụ không đồng đều đối với tia thờng và tia dị thờng. Lớp herapatit có bề
dày 0.1 (mm) hấp thụ hoàn toàn tia thờng và cho tia dị thờng gọi là tính nhiễm
sắc. Bản Palaroid có u điểm là gọn nhẹ, có tác dụng phân cực ánh sáng gần nh
toàn phần. Tuy nhiên rất dễ bị cháy.
4. Hiệu ứng điện quang
Bản chất của hiệu ứng điện quang là một số chất ở điều kiện bình thờng
không phải là chất lỡng chiết, nhng khi đặt vào trong một điện trờng mạnh thì nó
trở thành chất lỡng chiết. Tính chất lỡng chiết của nó mạnh hay yếu phụ thuộc
vào ờng độ điện trờng .
a. Hiệu ứng Kerr
Cấu tạo tế bào Kerr :Là một bình thuỷ tinh kín trong có đựng chất lỏng
(rợu hoặc Nitroben zen) trong có đặt 1 tụ điện( hình 1.7)
Bình thờng nếu hai bản cực không có điện trờng thì, dung dịch C
6
H
5
NO

2
không phải là chất lỡng chiết. Khi giữa hai bản của tụ điện có điện trờng thì
dung dịch C
6
H
5
NO
2
trở thành chất lỡng chiết.
10


Hình 1.7
Biểu thức toán học của hiệu ứng Kerr
Nếu gọi n
o
là chiết suất của tia thờng; n
e
là chiết suất của tia dị thờng thì
mối quan hệ giữa chiết suất của tia thờng và tia dị thờng đợc xác định bởi công
thức
n
e
= n
0
+k
1
.E
2
(I.12)

Trong đó:
E: là cờng độ điện trờng.
K
1
: là hằng số Kerr, phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và nhiệt độ của nó.
Tế bào Kerr có u điểm là làm việc với độ tin cậy cao, quán tính của hiệu
ứng Kerr rất nhỏ cỡ 10
-10
đến 10
-11
giây, dễ chế tạo và có độ bền cơ học cao. Tuy
nhiên khi sử dụng tế bào Kerr trong các bộ điều biến ánh sáng ta thấy hiệu ứng
này tiêu tốn nhiều năng lợng và có kích thớc tơng đối cồng kềnh.
b. Hiệu ứng Pokelxơ
Cấu tạo: Gồm một tụ điện, đặt giữa hai bản cực của tụ điện là tinh thể
muối (muối KDP hoặc muối ADP - KH
2
PO
4
). Hiệu ứng Pokelxơ còn gọi là hiệu
ứng tuyến tính vì ánh sáng chiếu dọc theo chiều của điện trờng


Hình 1.8
11
Nếu gọi n
o
là chiết suất của tia thờng; n
e
là chiết suất của tia dị thờng thì

mối quan hệ giữa chiết suất của tia thờng và tia dị thờng trong hiệu ứng Pokelxơ
đợc xác định bởi công thức
n
e
= n
0
+k
2
.E (1.13)
Trong đó:
E: là cờng độ điện trờng;
K
2
: là hằng số Pokelxơ.
Hệu ứng Pokelxơ có u điểm là có quán tính nhỏ hơn quán tính của hiệu
ứng Kerr cỡ 10 lần, điện áp tới hạn nhỏ cỡ vài trăm vôn nên tiêu thụ ít năng lợng.
Nhợc điểm của hiệu ứng này là khó chế tạo hơn tế bào kerr vì tinh thể muối dễ
hút ẩm và khó bảo quản.
ĐI.4 Nguyên lý cơ bản của phơng pháp đo xa điện tử
I. Cơ sở vật lý của phơng pháp đo xa điện tử
Phơng pháp đo xa điện tử dựa vào nguyên lý xác định quãng đờng khi
biết thời gian và vận tốc truyền sóng điện từ .
Đo xa điện tử là phơng pháp xác định chiều dài một cách gián tiếp qua
thời gian truyền sóng điện từ trên khoảng cách cần đo
Hệ thống thu phát tín hiệu Hệ thống phản hồi tín hiệu
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý của phơng pháp đo xa điện tử
Giả thiết rằng sóng điện từ đợc lan truyền theo đờng thẳng với tốc độ đã
biết trớc, ta cần phải xác định đợc khoảng thời gian mà sóng điện từ lan truyền
từ A đến B
Tại A đặt trạm thu phát sóng liên tục phát tín hiệu về B .Tại B đặt hệ thống

phản xạ nhằm phản xạ tín hiệu. Nếu đặt thiết bị nhằm xác định thời điểm tín
12
A B
hiệu rời máy phát (t
1
) và thời điểm tín hiệu quay trở lại (t
2
) tại điểm A và gọi là
thời gian tín hiệu đi qua khoảng cách 2D (hình 1.9) thì ta có

= .v
2
1
D
(I.14)
Với v là vận tốc lan truyền tín hiệu
Tín hiệu có thể sử dụng là sóng âm thanh, sóng điện tử, sóng siêu âm.
Nếu sử dụng sóng âm thì độ chính xác không cao vì tốc độ lan truyền sóng chậm
và nó phụ thuộc vào các ngoại cảnh đặc biệt là nhiệt độ. Trong các máy đo xa
điện tử dùng trong Trắc địa không dùng sóng âm, mà dùng sóng điện từ (bao
gồm sóng ánh sáng và sóng radio).
Vì tốc độ truyền sóng điện từ trong không khí là rất lớn (v 3.10
8
m/s)
cho nên thời gian rất nhỏ. Nếu D = 30km thì = 0.2 às
Để xác định độ chính xác xác định thời gian , dựa vào công thức (1.14)
vi phân và chuyển sang sai số trung phơng ta có
m
D
=

t
mv.
2
1
(I.15)
Giả sử cần đo khoảng cách D với sai số m
D
= 1.5 (cm) thì sai số đo
thời gian (m
t
) phải đạt 10
-10
s.
Nh vậy để đạt đợc độ chính xác đo khoảng cách đảm bảo yêu cầu trong
công tác trắc địa, thì độ chính xác đo thời gian đòi hỏi rất cao, vì vậy phải cần
những phơng pháp và thiết bị đo đặc biệt thì mới đáp ứng đợc yêu cầu này.
Hiện nay có nhiều nhiều phơng pháp xác định thời gian nhng nói chung
các phơng pháp đều dựa trên một nguyên lý: so sánh một tham số nào đó của
dao động điện từ trớc và sau khi dao động đó đi qua khoảng cách cần đo. Khi đó
tín hiệu từ bộ phận phát tới bộ phận thu của máy theo hai đờng riêng biệt
- Một đờng đi trực tiếp trong máy đó là tín hiệu gốc
- Một đờng đi qua khoảng cách cần đo (hình 1.10)
13

Hình 1.10
Tại bộ phận thu tiến hành so sánh tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ theo
tham số đã lựa chọn của hai tín hiệu là hàm của của hiệu quãng đờng 2D- d ta sẽ
xác định đợc D nếu biết trớc d.
II.Phân loại các phơng pháp đo xa điện tử
Tuỳ thuộc vào tham số đợc chọn của sóng điện từ để so sánh tín hiệu gốc

và tín hiệu phản xạ ngời ta tiến hành phân loại các phơng pháp đo xa điện tử .
- Phơng pháp xung: Là máy mà tín hiệu do bộ phận thu phát phát ra là
các xung. Thời gian đợc xác định trực tiếp bằng cách đếm xung.
- Phơng pháp tần số
- Phơng pháp pha: Tín hiệu là các dao động điều hoà hình sin liên tục.
Thời gian đợc xác định gián tiếp qua hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín
hiệu phản hồi.
Phơng pháp pha đợc chia làm hai loại
+ Phơng pháp đo hiệu pha trên tần số sóng tải đợc gọi là phơng pháp
giao thoa đợc ứng dụng cho dải tần là sóng quang học
+ Đo hiệu pha trên tần số điều biến

ĐI.5. đo khoảng cách bằng Phơng pháp xung
14
Bộ phận phát
Bộ phận thu
Hệ thống
phản xạ
Tín hiệu tới hệ
thống phản xạ
Tín hiệu phản
xạ trở về
Tín hiệu gốc
D
d
1.Khái niệm xung điện tử và các tham số của nó
Năng lợng điện từ thờng đợc phát đi chủ yêú dới hai dạng: nếu phát liên
tục theo thời gian, nó là sóng điện từ hình sin. Nếu phát ngắt quãng là các xung
điện tử.
Những tham số đặc trng cho một dao động xung gồm

- Hình dạng của xung : xung hình chữ nhật, xung hình sin, xung hình
răng ca
Hình 1.11
- Chu kỳ của xung T
x
: khoang thời gian xuất hiện của hai xung kề nhau
- Tần số xung Fx : số xung xuất hiện trong một giây
Fx = 1/Tx (I.16)
- Độ dài của xung
x
: là khoảng thời gian tồn tại của xung
- Khoảng thời gian dừng nghỉ của xung
n
:là khoảng thời gian tắt xung
thứ nhất đến thời điểm xuất hiện xung thứ hai.
2.Nguyên lý đo khoảng cách bằng phơng pháp xung
Khi đo khoảng cách bằng phơng pháp xung ngời ta đo trực tiếp khoảng
thời gian lan truyền ngắn, đều đặn của các xung phát so với khoảng thời gian
dừng không phát các xung, đợc phát từ máy phát đặt ở đầu đoạn đo qua khoảng
cách cần đo và phản xạ trở lại máy thu. Khoảng cách cần đo đợc tính theo công
thức.

D2
v
2
1
D =
(I.17)
Bức xạ các xung phát đi chỉ làm việc trong khoảng thời gian rất ngắn
bằng độ dài của xung.

15
Tx

n

x




Hình 1.12
Trong thực tế năng lợng bức xạ thờng là sóng mang có tần số cao và các
xung đợc lồng vào các sóng mang đó. Để đạt đợc điều này ta tiến hành điều biến
theo biên độ hoặc theo tần số.
Thông thờng ngời ta tiến hành theo biên độ. Trong thời gian phát xung,
tiến hành phát các dao động có biên độ không đổi còn trong thời gian tạm nghỉ
giữa các xung thì không có bức xạ (hình 1.12 - a).
Khi điều biến theo tần số biên độ của các xung dao động bức xạ sẽ
không thay đổi còn tần số sẽ biến đổi theo độ dài của xung (hình 1.12-b).
Để nhận đợc kết quả đo khoảng cách D với giá trị đơn trị thì chu kỳ phát
xung giữa hai xung liên tiếp cần phải lớn hơn thời gian hành trình của xung
2D
khi đi qua khoảng cách cần đo và quay trở lại, khi đó tín hiệu phản xạ sẽ đến
máy sớm hơn so với bức xạ của xung tiếp theo.
Độ chính xác yêu cầu đo thời gian
2D
xác định theo công thức.

D
m

2

=
v
m2
D
=
2D
D
m
D
(1.18)
Để nhận đợc khoảng cách D đo với độ chính xác cỡ cm thì
D
m
2

phải đạt
cỡ nano giây (10
-10
s)
3. Sơ đồ chung của máy đo khoảng cách bằng phơng pháp xung
16
(a)
(b)
(c)
Hình 1.13: Sơ đồ khối của máy loại xung
Sóng điện từ đợc phát ra từ nguồn bức xạ nhờ bộ điều biến đợc biến đổi
thành các xung điều biến theo biên độ hoặc điều biến theo tần số. Các xung điều
biến đến bộ điều biến từ bộ tạo xung. Bộ tạo xung có nhiệm vụ biến đổi những

dao động hình sin từ bộ tạo sóng thành các xung liên tiếp với với tần số cố định
lặp theo chu kỳ Tx.
Bộ tạo xung bao gồm mạch hạn chế biên độ và mạch vi phân
17
Máy phát bức
xạ Cao tần
Bộ điều
biến
Phát tín
hiệu
Bộ tạo
xung
Bộ tạo
sóng
Thu tín
hiệu
Đo thời
gian
Bộ phản
xạ
Hình 1.14
Sau khi đi qua mạch hạn chế biên độ tín hiệu hình sin biến thành tín
hiệu hình thang, qua mạch vi phân chỉ lấy các xung có đặc tính dơng ta có các
xung hình mũi gai.
Tín hiệu cao tần đợc điều biến bởi các xung đợc phát về hệ thống phản xạ
anten thu bức xạ cao tần và tách lấy các xung để đa đến bộ đo thời gian.
Bộ đo thời gian có thể là ống phóng điện tử hoặc bộ đếm xung.
a. ống phóng điện tử

Hình 1.15

K : Katốt; M : Màn điều khiển; A1,A2 là hai Anốt tăng tốc và điều tiêu.
X,Y: là hai tấm điều khiển dọc và ngang.
Hoạt động bộ đo thời gian
- K phát sinh ra điện tử, luồng điện tử đợc điều khiển bởi màn chắn M,
Anốt A
1
và A
2
có nhiệm vụ gia tốc và hội tụ các điện tử khi đó trên màn hình có
một chấm sáng.
- Tạo thế hiệu quét để đa dến tấm điều khiển ngang. Tín hiệu quét đợc tạo.
bởi mạch hạn chế biên độ và mạch tích phân, thu đợc tín hiệu hình răng ca để đa
đến tấm điều khiển ngang (hình 1.16)
18
Màn
huỳnh
quang
(hiện
sáng)
+
+
-
-
X
Y
X
Y
A
2
A

2
A
1
A
1
M
Bộ phận phân hớngSóng điện tử
Hình 1.16
- Tại thời điểm t
1
bắt đầu của điện áp răng ca máy phát cao tần phát xung
về phía bộ phận phản xạ, theo mức tăng của điện áp, luồng điện tử đợc kéo từ a
sang b tạo thành một đờng quét ngang, ở thời điểm t
2
điện áp tụt xuống bằng 0,
đờng quét trở lại a và bắt đầu quét lại, trên màn huỳnh quang ta có một vệt sáng
nằm ngang. Ta gọi chiêù dài đờng quét là l
0
tơng đơng với khoảng thời gian.
t
0
= t
2
- t
1
(1.19)
- Xung phát đợc chia làm hai phần: một phần phát về phía bộ phản xạ,
một phần đa đến tấm điều khiển dọc Y tạo thành một mấu lồi, xung phát sau khi
đi qua khoảng cách 2D quay trở lại cũng đợc đa đến tấm điều khiển Y tạo thành
mấu lồi thứ hai, khoảng cách l giữa hai mấu lồi tơng ứng với thời gian tín hiệu đi

qua khoảng cách 2D.

2D
=
0
0
t
l
l
(1.20)
và
D =
0
0
t
l
l
v
2
1
=
l
m
1
(1.21)
1/m gọi là tỷ lệ của đờng quét
Độ chính xác đo thời gian đạt 10% độ dài của 1 xung( 10
-8
s) tơng đơng
với độ chính xác đo khoảng cách cỡ 5-15 m .Ngày nay với việc sử dụng kỹ thuật

19
laze cho phép tạo ra các xung có độ dài từ 10 0.1 Nano giây ( 1ns = 10-
9
s ) t-
ơng đơng với độ chính xác đo khoảng cách từ m đến cm. Các máy đo khoảng
cách bằng phơng pháp xung loại này đợc dùng để đo khoảng cách đến mặt trăng
và các vệ tinh nhân tạo.
b. Đo thời gian bằng bộ đếm điện tử
Để tăng độ chính xác đo thời gian ngời ta thay ống phóng điện tử bằng
bộ đếm điện tử. Trong các thiết bị loại này ngời ta sử dụng laze xung.Thời điểm
phát xung đợc xác định bằng đồng hồ thạch anh hay đồng hồ nguyên tử .
Xung gốc và xung phản xạ đều đợc mã hoá thành xung điện tử đa đến bộ
đo thời gian. Bộ đếm điện tử sẽ xác định khoảng thời gian giữa xung gốc và
xung đã phát qua khoảng cách 2D .
Sơ đồ khối của máy đo khoảng cách bằng laze xung nh hình (1.17)
Hình 1.17
4.u nhợc điểm của phơng pháp xung
Đo khoảng cách bằng phơng pháp xung có u điểm là: Có thể đo trực tiếp
khoảng cách mà không phải biết khoảng cách gần đúng. Việc đo đạc đợc tiến
hành nhanh gọn. Có thể đo khoảng cách đến các đối tợng mà không cần bộ phản
xạ thụ động (Mặt trăng, vệ tính nhân tạo)
Nhợc điểm cơ bản của phơng pháp xung là : độ chính xác đo khoảng
cách thấp hơn nhiều so với phơng pháp pha.
20
Bộ chuẩn
Thời gian
Laze
Đo thời
gian
Bộ thu

Chụp ảnh
ĐI.6 đo khoảng cách bằng phơng pháp pha
Phơng pháp pha là phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi trong các máy đo dài
trên mặt đất và trong thực tế nó đợc ứng dụng trong tất cả các máy đo dài ánh
sáng và máy đo dài Radio.
I. Phơng trình cơ bản của phơng pháp pha đo khoảng cách
Phơng pháp pha đo khoảng cách đợc dựa trên nguyên lý: pha của dao
động điều biến là một hàm số tuyến tính về thời gian, do đó sự biến đổi pha sau
một khoảng thời gian nào đó sẽ là một hàm số tuyến tính của khoảng cách.
Giả sử máy phát (hình 1.18) phát đi một dao động điều biến có tần số
góc là có pha là:

1
= t +
0
(1.22)
Trên khoảng cách D đặt gơng phản xạ . Sau khi truyền qua khoảng cách
2D khi đó pha của dao động là.

2
= ( t -
2D
) +
0
(1.23)
Trong đó
2D
là thời gian truyền tín hiệu theo hớng thuận và ngợc lại.
Bộ đo pha sẽ đo hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ

2D
=
1
-
2
= t +
0
-
[ ]
0D2
)t( +
(1.24)

2D
=
2D
= 2f
2D
(1.25)
21
Phát
Đo
hiệu pha
Thu
D
Tín hiệu phản
hồi
Tín hiệu gốc
2
B

4
3
1
A
Trong đó:
1. Bộ phận phát tín hiệu
2. Bộ phận thu tín hiệu
3. Bộ phận đo hiệu pha
4. Gơng phản hồi
D. Khoảng cách cần đo
Hình 1.18
Bộ đo pha sẽ đo hiệu pha giữa tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ

2D
=
1
-
2
= t +
0
-
[ ]
0D2
)t( +
(1.26)

2D
=
2D
= 2f

2D
(1.27)
Khi đó :

f2
D2
D2


=
(1.28)
Thay giá trị của
2D
vào công thức (1.17) ta có
D =
f4
v
D2



D =
2
.
2f2
v
.
2
D2D2

=


(I.29)
Nh vậy khoảng cách D có thể tính đợc khi biết tốc độ truyền sóng v và
đo đợc độ chuyển dịch pha
2D
trên tần số f khi sóng điện từ truyền trên
khoảng cách và phản xạ trở lại.
Độ chuyển dịch pha
2D
trong trờng hợp tổng quát luôn có thể viết dới
dạng:

2D
= 2N + (1.30)
Trong đó: N là số nguyên lần bớc sóng;
là phần lẻ của hiệu pha ( 0 < < 2 ).
Một bộ đo pha bất kỳ có thể đo đợc độ chuyển dịch pha trong phạm vi từ
0 đến 2 tức là chỉ xác định đợc còn N cha xác định đợc.
Kết hợp (1.29) và (1.30) ta có
D =
)
2
N(
f2
v

+
(1.31)
Phơng trình (1.31) đợc gọi là phơng trình cơ bản của máy đo dài bằng
phơng pháp pha.
Vì

=
f
v
do đó D =
2
)
2
N(



+
(1.32)
Nếu đặt
N
2
=


Thì D =
2
)NN(

+
(1.33)
22
Độ chính xác đo khoảng cách bằng phơng pháp pha
Hiện nay, ngới ta đã đo đợc phần lẻ của hiệu pha với độ chính xác

1000
1
2
m
=


Nếu sử dụng sóng đo có bớc sóng /2 = 10 m thì sai số đo khoảng cách đạt
m
D
= 1 cm
II. Sử dụng sóng tải và sóng đo trong các máy đo xa điện tử
Từ công thức (I.32) ta thấy khoảng cách cần đo bằng (N+N) nửa bớc
sóng /2 hay nói cách khác đại lợng /2 là thớc đo khoảng cách. Do đó độ dài
của bớc sóng tơng ứng với tần số f mà ở đó ta đo đợc độ chuyển dịch của pha đ-
ợc gọi là tần số của sóng đo.
Khi tần số của tín hiệu đủ lớn (ở dải sóng VHF) đặc biệt là ở dải tần số
sóng ánh sáng, việc đo hiệu pha nhằm phục vụ công tác đo khoảng cách gần nh
không thực hiện đợc bằng bộ đo hiêụ pha. Trong trờng hợp này ngời ta sử dụng
hiện tợng giao thoa giữa sóng phát đi và sóng phản xạ để đo khoảng cách (gọi là
máy đo dài giao thoa). Phơng pháp này có độ chính xác rất cao, nhng có một nh-
ợc điểm lớn thiết bị đo đạc cồng kềnh đòi hỏi phải điều chỉnh rất công phu và
chính xác nên loại máy này chỉ đợc dùng để giải quyết những nhiệm vụ đặc biệt.
Từ kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm ngời ta thấy rằng: Để

xác định đợc hiệu pha với độ chính xác cao thì tần số của sóng đo phải nằm
trong khoảng 10-500 MHz. Tuy nhiên nếu phát trực tiếp dao động có tần số thì
gặp rất nhiều bất lợi (hiện tợng phản xạ sóng từ bề mặt địa hình, tăng kích thớc
của Anten, ảnh hởng của điều kiện ngoại cảnh). Xuất hiện mâu thuẫn:
- Nếu để truyền sóng cần dao động có tần số cao
- Để đo hiệu pha cần dao động có tần số thấp
Để giải quyết hai vấn đề mâu thuẫn nhau đã nêu ở trên, trong các máy đo
xa điện tử ngời ta sử dụng phơng pháp điều biến dao động.
- Bộ phận phát sóng phát ra các sóng tần số cao (sóng Radio hoặc sóng
ánh sáng) và đợc gọi sóng tải (carry - wave)
23
- Sóng tải đợc điều biến bởi một dao động hình sin có tần số nằm trong
khoảng 10- 500 MHz đợc dùng để đo hiệu pha với độ chính xác cần thiết gọi là
sóng đo. Tần số của dao động này có độ ổn định rất cao.

Khi đó sơ đồ khối của các máy đo xa điện tử sẽ có cấu tạo nh sau:
Hình 1.19
Tuỳ thuộc vào sóng tải ngời ta phân loại máy đo xa điện tử thành 2 loại:
- Máy đo xa rađio. Sóng tải là sóng có dải tần sóng Radio.
Ưu điểm của máy đo xa bằng sóng rađio có tầm hoạt động xa hơn, hoạt
động đợc ở điều kiện sơng mù và bụi, hoặc có thể xuyên qua làn cây hẹp nhng
độ chính xác kém hơn.
- Máy đo xa ánh sáng: Sóng tải trong trờng hợp này là sóng ánh sáng kể
cả tia hồng ngoại (IR: Infra - Red)
Ưu điểm của máy đo xa điện quang (ánh sáng) có độ chính xác cao hơn,
nhng tầm hoạt động giảm di rất nhanh trong điều kiện sơng mù hoặc khói bụi,
gọn nhẹ, tiêu thụ ít năng lợng.
24
m
sóng đo

sóng mang
Nguồn
sóng tải
Điều biến
Đo hiệu
pha và xử
lý kết quả
đo
Nguồn
sóng đo
Tách sóng
Anten phát
Anten thu
ĐI.7 phơng pháp giải đa trị của kết quả đo khoảng cách
trong các bằng máy đo dài bằng phơng pháp pha
Từ công thức (I.32) ta có : D = (N + N)
2

Để tính đợc D cần phải biết N. Việc xác định giá trị N đợc gọi là giải
quyết tính đa trị trong các máy đo xa điện tử
Nhiệm vụ của chúng ta là phải xác định đợc N một cách chính xác với
khoảng cách đo. Để giải quyết tính đa trị ngời ta đa ra nhiều phơng pháp:
- Phơng pháp tần số biến đổi đều
- Phơng pháp tần số cố định
- Phơng pháp thay đổi khoảng cách
I. Phơng pháp tấn số bién đổi đều
Dựa vào nguyên lý: khi thay đổi tần số thì pha của tín hiệu sẽ thay đổi theo
Nội dung của phơng pháp này là:
Bằng cách thay đổi sóng đo một cách đều đặn sao cho số lần bớc sóng đo
trên khoảng cách cần đo là một số nguyên lần. Đo lấy giá trị tần số, khi đó ta sẽ

xác định đợc khoảng cách cần đo.
II. Phơng pháp biến đổi khoảng cách
Đây là phơng pháp đo dài Rađio và máy đo dài giao tho ánh sáng.
Nội dung của phơng pháp dựa trên một nguyên lý: chu kỳ pha sẽ thay đổi
khi thay đổi khoảng cách. Khi đó số N sẽ là số chu kỳ pha đầy đủ.
III. Giải đa trị bằng cách đo trên các tần số cố định.
1. Điều kiện để giải đa trị
- Máy phải phát đợc một số tần số cố định có độ ổn định cao
- Phải biết trớc giá trị gần đúng của khoảng cách cần đo với độ chính xác
thích hợp.
Từ (I.32) ta thấy N >>N
=> D
gđ
N .
2

=> m
Dgđ
= m
N
.
2

(I.33)
25