光电测距仪
发布网友
发布时间：2022-04-22 23:31
共1个回答
热心网友
时间：2023-10-18 11:13
一、概述
距离测量外业工作十分繁重，工作效率低，在复杂地形里甚至无法工作。为了改变这种状况，随着电子技术的迅猛发展，人们创造出一种新的测距方法，即电磁波测距。
电磁波测距仪测距的基本原理是通过测定电磁波（微波或光波）在测线两端点间传播的时间t，按下式求得距离D
建筑工程测量
式中：c——电磁波在大气中的传播速度，它可以根据观测时的气象条件来确定。
电磁波测距仪按所采用的载波的不同，可分为光电测距仪和微波测距仪。光电测距仪采用光波（可见光、红外光、激光）作为载波；微波测距仪采用无线电波的微波作为载波。
电磁波测距仪按测程的不同，可分为短程（＜3km）、中程（3～15km）和远程（＞15km）测距仪；按测距精度的不同，可分为Ⅰ级（｜mD｜≤5mm）、Ⅱ级（5mm＜｜mD｜≤10mm）和Ⅲ级（100mm＜｜mD｜≤20mm）测距仪，｜mD｜为1km的测距中误差。
电磁波测距仪按测定传播时间t的方法的不同，可分为脉冲式测距仪和相位式测距仪。
脉冲式测距仪是直接测定脉冲信号在测线上往返传播时间t。测定距离的精度，主要取决于测定时间t的精度，例如要保证±1cm的测距精度，时间要精确至6.7×10-11s。这在实际上很难做到。目前脉冲测距仪的测距精度一般能达到±0.5m，测距精度较低。
相位式测距仪通过测量连续调制光波在测线上往返传播所产生的相位移，从而求得待测距离。相位式测距仪的测距精度较高。
目前电磁波测距仪在测量工作中已得到广泛应用，其中在建筑工程中应用较多的是短程红外光电测距仪，简称红外测距仪，现就其基本原理和使用方法简介如下。
二、相位式测距的基本公式
红外测距仪采用砷化镓（GaAs）发光二极管作光源，能连续发光，具有体积小、亮度高、功耗小等特点。
图4-12 交变电流
红外测距仪采用相位式测距。测距仪上的砷化镓发光二极管加上频率为f的交变电压（即注入交变电流后），它发出的光强I就随所注入的交变电流而变化（图4-12），这种光称为调制光。
如图4-13（a），光源经调制后以正弦波形自A点发射到达B点，经反射后返回A点。将反射的光程沿测线方向展开得图4-13（b）。
图4-13 调制正弦波形
图4-13（b）中调制光波长为λ，光强变化一周期的相位变化为2π，每秒钟光强变化的周期数称为频率f，并可表示为
建筑工程测量
由图4-13（b）知，AB两点间距离为
建筑工程测量
式中：N——调制光在AB间往返的整波段数；
ΔN——不足整波段的小数。
（4-12）式为相位式测距的基本公式，从式中可以看出相当于以λ/2长为测尺长度进行测距。N相当于整尺长的段数，而ΔN相当于余尺长，类似于钢尺量距。测尺长度主要是由光的调制频率f所决定的。设f为15MHz，由（4-11）式知测尺长度为10m。
测距仪的测相装置（相位计），只能测出不足2π的相位移Δϕ，即能测得ΔN=ϕ/2值，相当于能测得余尺长。因此（4-12）式中N＞0时，有多值解；唯有当N=0时，即λ/2大于被测距离时，有唯一解。
由于仪器的相位计存在着测相误差，其值一般为103，它对测距精度的影响是随测尺的增长而增大的。因此，在短程红外测距仪中，为了解决扩大测程和提高精度的矛盾，通常采用两个调制频率f1，f2，构成两把测尺，即精测、粗测两把尺子。一般以10m作为精测尺，显示米位及米位以下距离值；以1000m作为粗测尺，显示十米位、百米位距离值。如待测距离AB实测值是597.565m，则精测显示7.565m，粗测显示590m，仪器显示的距离值为597.565m。
如果待测距离大于粗测尺长度，例如，实际距离为1677.515m，仪器仅显示677.515m，此时要由测量人员根据实际情况或借助地形图来判定千米数。
对于中远程光电测距仪，一般采用三个以上的调制频率进行测量。
三、距离计算
光电测距仪测定的距离，需进行常数改正、气象改正、倾斜改正，才能得到测线的水平距离。
1.仪器常数改正
将测距仪进行检定，即可测得测距仪的乘常数和加常数。
图4-14 光电测距
如图4-14，D为AB两点的实际长度，D′为仪器调制光所测距离。由于光线在反射棱镜内部走了一段路程，故反射镜的等效反射面位于棱镜面的后部B′处。同样光线在仪器内光路也走了一段路，故内光路棱镜的等效反射面应在它的前面A′处。因此仪器的加常数K=D-D′。
测距仪的测尺长度是由调制频率决定的。如果调制频率f因某些因素而产生变化，特别是精测尺频率发生变化，将会影响测距成果的精度，其影响与距离长度成正比。测距仪经过检定，可得到改正用的比例系数，即仪器乘常数R，单位为mm/km。对于观测值为s′的距离，对其进行常数改正，可得到
s=s′+K+R·s
2.气象改正
测距仪所用的测尺长度为c/2f。光速c的值在不同的大气状态（如温度、大气压力等）下有不同的值，而仪器设计时其测尺长度是假定大气温度和大气压力为某一数值下进行计算的，因此实际作业时，需对测距值进行气象改正。每种测距仪厂家均提供气象改正计算公式或气象改正表。
3.倾斜改正
当测线两端点不等高时，测距结果为倾斜距离s，尚需将其化算为水平距离，若用经纬仪测定了测线的竖角α，则水平距离D为
D=scosα
四、影响测距精度的因素和仪器的标称精度
根据相位式测距的基本公式（4-12），并顾及加常数，则
建筑工程测量
式中：
建筑工程测量
c0——真空中的光速；
n——大气折射率。
对上式全微分得
建筑工程测量
根据误差传播定律得
建筑工程测量
由（4-14）式知，mc0，mf和mn误差影响是与距离成比例的，我们称这些误差为“比例误差”；mφ，mK误差影响与距离无关，我们称这些误差为“固定误差”。
另一方面，就误差影响的性质来讲，mc0，mf，mK和mn中一部分是系统误差，我们需事先精确检定这些误差，以削弱它们的影响；mφ和mn中一部分是偶然误差，我们可以采用不同条件下的多次观测来削弱其影响。
通常采用下列公式表示测距仪的精度
mD=±（a+b·D） （4-15）
式中：a——固定误差；
b——比例误差系数。
例如，某光电测距仪的标称精度为mD=±（5mm+5×106·D）则a=5mm，b=5×10-6=5mm/km。用该仪器观测800m 距离的测距精度为mD=±（5mm+5mm/km×0.8km）=±9mm
