光电测距仪实现测距原理|园林工程测量

如图4.18 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t2D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t2D，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4.18　光电测距原理

　　　t2D——光波在被测两端点间往返传播一次所用的时间（s）。

从上式可知，光电测距仪主要是确定光波在待测距离上所用的时间t2D，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t2D的精度，时间t2D的测定可采用直接方式，也可采用间接方式，如要达到1 cm 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t2D的方法，光电测距仪可分为脉冲式和相位式两种。

1）脉冲式光电测距仪

脉冲式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t2D，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。目前高精度的光电测距仪都采用相位式测距。

2）相位式光电测距仪

相位式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。

图4.19　相位法测距往返波形展开示意图

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，然后由相位计将发射信号（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总相位差Φ，将调制光在测线上的往程和返程展开后，得到如图4.19 所示的波形。

由图4.19 可知，电磁波的周期为2π，角频率为ω，频率为f，波长为λ，则有ω=2πf，电磁波传播速度c=fλ。调制光往返程总相位差Φ 为：

式中　N——调制光往返程总相位差的整周期个数，其值可为零或正整数；

　　　ΔΦ——不足整周期的相位差尾数，其值<2π。(www.xing528.com)

则距离值为：

相位式光电测距仪中的相位计只能测定全程相位差尾数ΔΦ，而无法测定整周期数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，然后将不同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。将两个测尺的读数组合起来，即可求得单一的距离确定值。

例如光电测距仪的粗测尺频率f1=150 kHz，若仅考虑光在真空中的传播速度，其波长λ1=3 ×108/（150 ×103）=2 000 m，则对应的粗测尺尺长为1 000 m，测距精度只能达到1 m；精测尺频率f2=15 MHz，其波长λ2=3 ×108/（15 ×106）=20 m，则对应的精测尺尺长为10 m，测距精度能达到1 cm。用该仪器测量某一距离时，得粗测尺读数为948 m，精测尺长度8.56 m，则两个读数组合得到该段距离的测量结果为948.56 m。

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0.1 mm 级。但也具有测程较短的缺点。