光电测距在建筑工程测量中的应用

1）光电测距概况

长距离丈量是一项繁重的工作，劳动强度大，工作效率低，尤其是在山区或沼泽区，使用钢尺丈量更是困难。人们为了改变这种状况，于20世纪50年代研制成了光电测距仪。光电测距是以光波作为载波，通过测定光电波在测线两端点间往返传播的时间来测量距离。与传统的钢尺量距相比，光电测距具有测程远、精度高、作业速度快和受地形限制少等特点。近年来，由于电子技术及微处理机的迅猛发展，各类采用光电测距的仪器竞相出现，并已在测量工作得到了普遍的应用。目前常用的全站仪就是光电测距。

光电测距按测程来分，有短程（＜3 km）、中程（3～15 km）和远程（＞15 km）之分。

按测距精度来分，有Ⅰ级（5 mm）、Ⅱ级（5～10 mm）和Ⅲ级（＞10 mm）几种。

光电测距仪所使用的光源有激光和红外线，采用红外线波段作为载波的称为红外测距仪。由于红外测距仪是以砷化镓（GaAs）发光二极管所发的荧光作为载波源，发出的红外线的强度能随注入电信号的强度而变化，因此它兼有载波源和调制器的双重功能。GaAs发光二极管体积小、亮度高、功耗小、寿命长，且能连续发光，所以红外测距仪获得了更为迅速的发展。本书讨论的就是红外光电测距。

2）光电测距原理

如图2.28所示，欲测定A，B两点间的距离D，安置仪器于A点，安置反射镜于B点。仪器发射的光束由A至B，经反射镜反射后又返回到仪器。设光速c为已知，如果光束在待测距离D上往返传播的时间t已知，则距离D可由下式求出：

式（2.17）中，t表示光从光源发射器发出时刻与光通过棱镜或其他反射器返回至接收器的接收时刻间的时间差。而测定距离的精度，主要取决于测定时间t的精度。

图2.28　光电测距原理(www.xing528.com)

由于时间很难精确测定，大多采用间接测定法来测定时间t，目前通常用载波相位式测距。由测距仪的发射系统发出一种连续的频率为f呈正弦变化的调制光波（图2.29），经反射镜反射后被接收器所接收，然后用相位计将发射信号与接收信号进行相位比较，由显示器显出调制光在待测距离往、返传播所引起的相位移Δφ，以测定距离D。由图2.29可知，调制光波由A发出经B反射后回到A，比出发时延迟了一个φ角，则

由式（2.17）和式（2.18）可得

式中：为调制光波的波长，用λ表示。

图2.29　相位法测距的基本原理

考虑到φ为调制光波的N个整周期相位与不足一个整周期的尾数Δφ之和，则

若把看作一把“光尺”的长度，AB间距离为一个整尺段和一个不足整尺段的余长之和，可是相位计不能准确计出整周个数，只能测出非整周的相位。鉴于此，在测距仪中设置多个调制频率的光波，高频率的保证测距的精度，低频率的保证测程。它们进行有机组合后得到一定精度的AB距离。

假如某台全站仪有两把“光尺”，一把是10 m（精测尺），一把是1 000 m（粗测尺），现在粗尺测定的相位移是0.387，精测尺测定的相位移是0.698，则该全站仪测的距离是：10×0.698=6.98 m，1 000×0.387=387 m，故待测距离为386.98 m。