光电测量仪器

任务3光电测距

【任务描述】

作为工程测量人员，要掌握光电测距的过程和计算公式的工作。

活动1光电测距的原理

【活动目标】掌握光电测距的原理

【基本知识】

一、光电测距简介

前面介绍的钢尺量距，作业工作十分繁重，而且效率较低，在山区或沼泽地区使用钢尺

更为困难。视距测量精度又太低。为了提高测距速度和精度，随着科学技术的进步，在20

世纪40年代末人们就研制成了光电测距仪。它具有测量速度快、方便，受地形影响小，测

量精度高等优点，现已逐渐代替常规量距，如今，光电测距仪的应用，大大提高了作业的速

度和效率，使测边的精度大为提高。

光电测距仪按测程划分有：短程测距仪(≤5km)、中程测距仪(5～15km)、远程测距仪

(15km以上)；按测量精度划分为：I级(1mDI<一5mm)、Ⅱ级(5mm。

级(ImDI≥lOmm)(ImDI为lkm测距的中误差)；按采用载波划分有：微波测距仪、激光

测距仪和红外测距仪。

二、光电测距仪测距的原理

如图4—13所示，光电测距的原理是以电磁波(光波等)作为载波，通过测定光波在测线

两端点间的往返传播时间￡：D，以及光波在大气中的传播速度c，来测量两点间距离的方

法。若电磁波在测线两端往返传播的时间为t：口，光波在大气中的传播速度为c，则可求

出两点间的水平距离D。

图4-13光电测距原理

D=1/2c*t2D(4—11)

式中：c——光波在大气中的传播速度。(c。为光波在真空中的传播速度，反射棱镜

其值为299792458m／s；n为大气折射率，是大气压力、温度、湿度的函数)；

f：D——光波在被测两端点间往返传播一次所用的时间(s)。

从式(4—11)可知，光电测距仪主要是确定光波在待测距离上所用的时tzD，据此计算

出所测距离。因此测距的精度主要取决于测定时间t：D的精度，时间￡zD的测定可采用直

接方式，也可采用间接方式，如要达到±1em的测距精度，时间量测精度应达到6．7×10

‘11s，这对电子元件的性能要求很高，难以达到。根据测定光波传播时间‰的方法，光电

测距仪可分为脉冲式和相位式两种。

【想一想】

1、光电测距的基本原理是什么？

活动2常用光电测距仪

【活动目标】掌握光电测距仪的使用方法

【基本知识】

一、脉冲式光电测距仪

脉冲式光电测距仪是由测距仪发射系统发出脉冲，经被测目标反射后，再由测距仪的接

收系统接收，直接测定脉冲在待测距离上所用的时间t：。，即测量发射光脉冲与接收光脉冲

的时间差，从而求得距离的仪器。

脉冲式光电测距仪具有功率大、测程远等优点，但测距的绝对精度较低，一般只能达到

米级，不能满足地籍测量和工程测量所需的精度要求。目前具有高精度测距的是相位式光电

测距仪。

二、相位式光电测距仪

相位式光电测距仪是将测量时间变成测量光在测线中传播的载波相位差，通过测定相位

差来测定距离的仪器。

光源灯的发射光管发出的光会随输入电流的大小发生相应的变化，这种光称为调制光。

随输入电流变化的调制光射向测线另一端的反射镜，经反射镜反射后被接收系统接收，然后

由相位计将反射信号(又称参考信号)与接收信号(又称测距信号)进行相位比较，并由显示器

显示出调制光在被测距离上往返传播所引起的相位移西，将调制光在测线上的往程和返程展

开后，得到如图4—14所示的波形。

由图4—14可知，调制光往返程的总位移中为：

)(22NN(4—12)

式中：N—调制光往返程总位移的整周期个数，其值可为0或正整数；

△Φ—不足整周期的相位移尾数，其值<21T；则筹为不足整周期的比例数。

对应的距离值为：

D=1(Nλ+△λ)=λ/2(N+△λ/λ)(4—12)

式中：N—调制光往返程总位移的整周期个数，其值可为0或正整数；

λ—调制光的波长；

△λ—不足一个波长的调制光的长度。

此为相位式光电测距仪的基本测距公式。式中的A可看成是一根“光尺”的长度，光电

测距仪就是用这根“光尺”去量距。式中的N表示“光尺”的整尺段数，△A为不足一根“光

尺”长的余长值。因此竿必然是小于1的数，A所对应的相位移为2叮T，△A所对应的相

位移为△函，故：

△λ/λ=△Φ/2



△λ=λ*△Φ/2



因而相位式光电测距仪中的相位计只能测定全程相位移尾数△中，丽无法测定整周期数

N。因此，在相位式光电测距仪中，可采取发射两个或两个以上不同频率的调制光波，然后

将aqU-l频率的调制光波所测得的距离正确衔接起来就可得到被测距离。其中较低的测尺频

率所对应的测尺称为粗测尺，较高的测尺频率所对应的测尺称为精测尺。将两个测尺的读数

联合起来，即可求得单一的距离确定值。

图4-14相位法测距往返波形展开示意图

由于c值是大气压力、温度、湿度的函数，故在不同的气压、温度、湿度条件下，其值

的大小略有变动。因此，在进行测距时，还需测出当时的气象数据，用来计算距离的气象改

正数。

相位式光电测距仪与脉冲式光电测距仪相比，具有测距精度高的优势，目前精度高的光

电测距仪能达到毫米级，甚至可达到0．1mm级。但也具有测程较短的缺点。

三、光电测距仪的使用

目前的光电测距仪的型号很多，下面仅以南方测绘公司生产的NTS一202／205全站型

经纬仪为例，简要介绍其技术指标、组成及使用等。

1．主要技术指标

单个棱镜(在良好气象条件下)其测程为：1．5～1．8km；

三棱镜组(在良好气象条件下)其测程为：2．0—2．5km；

精度为：±(5mm+5ppm．D)；

单位：米(m)或英尺(ft)可选；

测量方式：单次、连续、平均、跟

踪等距离测量方式；

测量时间：精测单次为6s，连续3s，

跟踪1s。

2．仪器的组成

NtIS一202／205全站型经纬仪包括主

机和反射棱镜两大部分组成。

(1)主机包括望远镜、操作面板、

水准管、基座等，如图4-15所示。

(2)反射棱镜单棱镜组适合于短

距离测量，三棱镜组适合较长距离测量，

在使用时均需安置在脚架上进行对中、整平。

3．仪器的使用

(1)测量准备包括仪器、反射棱

镜的安置、对中和整平以及望远镜目

镜调焦和目标照准等。

(2)开机置数

图4-15NTS-202/205全站型

经纬仪组成示意图

1.粗瞄准器2.仪器中心标记3.长水准器

4.电源开关5.显示器6.操作键盘7.圆水

准器8.基座9.水平微动手轮10.水平制动

手动11.望远镜物镜12.提把固定螺丝

13．提把

①开机自检。按电源开关至显示屏显示全部符号，2s后显示水平角值。

②仪器测量温度、气压与仪器加常数、乘常数的设置。

③指示竖盘指标归零。将望远镜盘左在竖直方向上下转动1—2次，当望远镜通过水平

视线时将指示竖盘指标归零，显示出竖直角值。

(3)连续精确测量距离

①在测角模式下，按MODE键进入测距模式；

②照准反射棱镜中心，使显示出测距光路通畅信息，按MEAS键进行连续精确测距，显

示CNT数秒后显示出精确测量的距离，以后每隔6s测距一次并显示该次测距的结果。

(4)单次测量距离

①在测角模式下，按MODE键进人测距模式；

②照准反射棱镜中心，使显示出测距光路通畅信息，按MEAS两次键进入单次测量距离

状态，显示SHT数秒后显示出单次测量距离。

(5)跟踪测量距离

①在测角模式下，按MODE键进入测距模式；

②照准反射棱镜中心，使显示出测距光路通畅信息，按TRK键进行跟踪测量距离，显

示0．00数秒后显示出跟踪测量距离。

【想一想】

1、光电测距仪的使用方法？

活动3光电测距仪测距的误差分析

【活动目标】掌握光电测距仪的的误差计算和成果整理

【基本知识】

一、光电测距的误差来源

光电测距的精度与仪器性能、检定和测距时的操作方法、使用时的外界环境条件等有关，

分析光电测距的各种误差来源、性质及其规律性，对提高测距的精度，正确使用、检定和维

护仪器具有重要作用。

相位式测距仪考虑到大气中光波的传播速度c=詈及仪器加常数(仪器中心与等效反射

面差值K)的影响，相位式测距仪的基本测距公式(4—12)可以写成：

D=c0/2nf(N+K)2/Φ(4—13)

式中：c。——真空中的光速；

n——大气的折射率；

f---光波的调制频率；

N—一调制光在测线上往返传播的整波数；

△Φ——往返传播的相位差。

为求出这些变量中所包含的误差对测距的影响，将式(4—13)取全微分，得到：

dD=

dn

n

D

df

f

D

dc

f

D

c

D

dKd

nf

c



0

0

0

4





(4—14)

将

nf

c

0A代入式(4—14)，按误差传播定律得到测距中误差：

dn

n

D

dc

f

D

dc

C

D

dKd

nf

c

dD

00

0

0

4





(4—15)

由此可知，测距的误差来源可分为两部分：一部分是由测定相位的误差m巾和仪器加常

数的误差m。所引起的测距中误差。它与被测距离的长短无关，对某一仪器，在某一外界条

件下施测，其中误差固定不变，故称为固定误差(或称为常误差)；另一部分是由真空中的光

速值误差mcn、调制频率误差叶和大气折射率误差m。所引起的测距中误差，它与被测距离

的长短成正比，故称为比例误差。

光电测距的误差来源，除在式(4—15)中所反映的各项误差外，还有安置仪器与反射棱

镜的对中误差m。和由固定的电子和光信号串扰所产生的测定相位的周期误差％。对中误差

m。与所测距离的长短无关，周期误差m。虽然在精测尺的尺长度范围内作周期性变化，但

经过检定并在测距成果中加以改正，其剩余部分也属于与距离无关的偶然误差。因而这两项

误差也可划入固定误差的范围。

2222

2

2

2

2

22

0

2

0

2)

4

()(

tck

f

c

D

mmmm

n

m

f

m

c

m

dm





(4—16)

上式可缩写成：mD2=A’+B’D2(4—17)

将上式简化成经验公式：mD=(A+BD)(4—18)

式(4—18)就成了测距仪出厂时的标称精度公式。

二、光电测距仪测距误差分析

1.比例误差分析

(1)真空中光速值误差的影响：若采用光速值C。=299792458m／s±1．2m／s，

则有：

百DIe0=历丽1．2一o．4×10—8

c。299792458一。

这对测距的影响很小，可以忽略不计。

(2)调制频率误差的影响：调制频率误差是指测距仪主控晶体振荡器提供的精测尺的测尺

频率误差。调制频率决定了测尺长度，调制频率变化将给测距成果带来影响，此项误差将随

距离的增大而增大，其比例常数称为乘常数。对于长边需进行检定和改正，而对于短边可不

考虑。在作业时对仪器要有足够的预热时间，否则会给测距成果带来系统误差。乘常数用测

频法求得。

(3)大气折射率误差的影响：由c=旦可知，光波传播速度是由已知的真空光速值c。和观

测时的大气折射率／7,计算得到的。而大气折射率又是根据测距仪所采用的光波波长和观测

时的气象因素计算得到的，见式(4—19)。

n=1+焉·志一普·e(4—19)

式中：‰——为光波的平均波长在标准状态下的大气折射率；

铲¨2876．04+半+竿)×10。7

A。——光波的平均波长(以微米为单位)；

a——空气的膨胀系数(仅2丽1)；

￡——观测时的大气温度；

p——观测时的大气压力；

e——观测时的大气湿度。

因而测定气象因素的误差影响大气折射率的误差，进而影响测距的误差。只要在测距时，

温度测量误差<1℃，气压测定误差<3．33hPa，将使气象参数测定误差减到很小。但气象代

表性误差是影响测距精度最大的因素，目前尚无较好的办法减小此项误差。

2.固定误差分析

(1)测相误差：包括自动数字测相系统的误差、信噪比误差、幅相误差和照相误差。这些

误差与所测距离的长短无关，并且一般具有偶然误差的性质。

测相系统误差与相位计灵敏度、检相电路的时间分辨率、噪声干扰、时标脉冲的频率及

一次测相的平均次数等因素有关，要减弱此项误差需提高仪器的结构、元件的质量和电路的

调整，也可以采取多次测相取平均值来减弱此项误差。

噪声误差是由于大气湍流和杂散光等的干扰使测距的回光信号产生附加随机相移而产

生的误差。噪音不能完全避免，但要求有较高的信噪比，信噪比愈低，测距误差就愈大。因

此在高温条件下作业，需注意通风散热并避免长时间的连续作业，高精度测距时，应选择在

阴天及大气清晰的气象条件下操作。

幅相误差是由于接收光信号强弱不同而产生的测相误差。要减小此项误差，可将接收光

信号的强度控制在一定的范围内。

照准误差是因调制光束截面不同部位的相位不均匀，当反射镜位于发射光束截面的不同

部分时导致测距结果不一致产生的误差。因此对于购置的仪器要进行等相位曲线的测定、电

照准系统共轴性或平行性的检验，在实际操作时，先用望远镜瞄准反射镜进行光照准，再根

据面板上的光信号指示，调整水平、竖直微动螺旋，使信号强度达到最大值，完成电照准，

以减少照准误差对测距的影响。

(2)对中误差：要减弱此项误差，需操作人员精心操作，一般要把对中误差控制在±3mm

之内。另外对测距仪和反射棱镜的对中器要进行校正，操作时要严格整平水准管和精确对中。

(3)仪器加常数校正误差：测距仪的加常数误差包括在基线上检测的加常数误差以及在

长期使用过程中发生的加常数变化。由于加常数给测距带来的是系统误差，因而要对仪器的

加常数作定期的检测。检测时需注意反射棱镜的配套，同一测距仪对不同的反射棱镜可能有

不同的加常数。

3.周期误差分析

周期误差是由于测距仪内部电信号的串扰而存在相位不变的串扰信号，使相位计测得的

相位值为测距信号和串扰信号合成矢量的相位值，从而产生的误差。它随所测距离的不同而

作周期性变化，并以精测尺的尺长为周期，变化周期为半个波长，误差曲线为正弦曲线。在

测距作业时，应定期对仪器进行周期误差的测定，在观测成果中加以改正，以消除周期误差

对测距的影响。

三、光电测距的成果整理

光电测距获得的是所测两点问的倾斜距离，还需进行倾斜改正、气象改正、加常数改正、

乘常数改正和周期误差改正，化为两点间的平均高程面上的水平距离，才能获得高精度的水

平距离。

1．气象改正

气象改正是计算观测时大气状态的大气折射率n和标准状态下的大气折射率N0,进而进

行距离的改正。气象改正值一般以△D。表示，其计算式为：

ADn=D

p

t

n

n

R

*

760

*

00366.01

1

)1(0















(4-20)

式中：n。——按规定的气象参考点算得的大气折射率；

．no一1PR

‰21+—1+0．0—366tR。而

‰——为光波的平均波长在标准状态下的大气折射率；

n。：1+(2876．04+4下8．864+学)×10。7

￡、p——观测时的大气参数，此武中略去了大气湿度e的影响。

2．加常数改正

光毛测距仪具有预置加常数的功能，但仍有剩余的加常数K需要进行改正。加常数是由

发光管的发射面、接收面与仪器中心不一致；仪器在搬运过程中的震动、电子元件老化；反

光镜的等效反射面与反光镜中心不一致；内光路产生相位延迟及电子元件的相位延迟等因素

引起的。因此使得测距仪测出的距离值与实际距离值不一致。可用六段法或基线比较法测定

剩余加常数，一般与反射棱镜配套进行，不同型号的测距仪，其反光镜常数是不一样的。因

此在进行距离改正时也要注意用与棱镜配套的加常数改正。．

3．乘常数改正’

仪器的测尺长度与仪器振荡频率有关，在测距时仪器的振荡频率与设计频亨有偏移，产

生与测试距离成正比的系统误差，其比例因子称为乘常数。乘常数改正值△D。与所测距离

成正比，即：

△Dc=C·D(4—21)

式中乘常数C的单位取‘‘毫夥百米”，即边长D以百米为单位，改正数△D，以毫米为

单位。

现在的光电测距仪都具有设置仪器常数的功能，可在测距前预先设计常数，在测距过程

中将会自动改正。若测距前未设置常数，则可按下式计算：

hDR=K+C·D(4—22)

式中：卜仪器加常数；

C——仪器乘常数，其运用见式(4—22)。

4．周期误差改正

周期误差的改正随所测距离的长短而变化，以仪器的精测尺尺长为变化周期。在改正时

需对仪器的周期误差进行测定，由等距间隔的距离尾数为引数求得周期改正值。

5．倾斜改正

经过上述前几项改正后的距离，得到的是测距仪几何中心到反射棱镜几何中心的斜距。

要换算成水平距离还应进行倾斜改正。其计算的方法如下：

(1)根据上述各项改正后得到的斜距S和配合经纬仪使用测得的视线竖直角

a，可计算出倾斜改正值AD。：

)1(coscosSSSD

h

(4—23)

(2)当已知测站点与照准点的高程为日。和皿时，其倾斜改正值ADh为：

3

42

8

2

S

H

S

H

D

h







(4—24)

式中：

012

)(iVHHhV为棱镜高度；i为仪器高度。

【想一想】

1、光电测距过程中产生的误差有哪些？