光电测距的工作原理与实践

1.电磁波的特性

电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和γ射线等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380～780 nm之间，称为可见光。为了弄清楚光电测距在使用哪些电磁波作为测量的传输信号，以便对电磁波测距进行准确分类，我们先认识一下各种电磁波的特性（见表5-1）。

表5-1　电磁波特性一览表

续表

激光是测量中应用较多的电磁波。1960年美国人宣布得到波长为0.6943μm的激光，1969年激光用于测距，射向阿波罗11号放在月球表面的反射器，测得的地月距离误差在几米范围内。激光广泛用于医疗微创手术、全息照相、激光扫描仪、激光打印机、激光唱片、激光切割、激光打孔、激光雷达、光纤通信、激光导弹等。

激光器发射出的激光波长分布范围极窄（如氦氖激光窄到2×10-9nm），故颜色极纯。

激光在光谱图中处于可见光、近红外光位置，频率范围为3.846×1014Hz到7.895×1014Hz。

2.光电测距的分类

（1）按载波信号分类：有普通光源的测距仪（如1948年瑞典的世界第一台光电测距仪使用的就是白炽灯光）、红外（红外光）测距仪、激光测距仪和微波测距仪等。前三种用光作载波信号，一般统称为光电测距仪^[2]。光电测距仪与微波测距仪^[3]均利用电磁波来测距，故又统称为电磁波测距仪。

（2）按测程分：根据JJG 703—2003《光电测距仪检定规程》，光电测距仪可分为三类：第一类为短程光电测距仪，测程在3 km以内，适用于地形测量和各种工程测量；第二类为中程光电测距仪，测程为3～60 km，适用于大地控制测量和地震预报监测等；第三类测程在60 km以外，为远程和超远程光电测距仪，用于测量导弹、人造卫星和月球等空间目标的距离。

（3）按测定电磁波传播时间分类：测距仪可分为脉冲式（直接测定时间t）和相位式（间接测定时间t）两类。

（4）另外，还可以按其他指标进行划分。例如，可按测距仪的测距精度将其划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。即：

Ⅰ级：mD≤5 mm；Ⅱ级：5 mm≤mD≤10 mm；Ⅲ级：10 mm≤mD≤15 mm。

3.脉冲式光电测距原理

脉冲式光电测距是通过直接测定光脉冲在待测距离两点间往返传播的时间，来测定测站至目标的距离。这里主要介绍脉冲式激光测距仪。

脉冲式激光测距仪，一般是采用红宝石，钕玻璃，掺钕、钇、铝石榴石等固体激光器作为光源，能发出高功率的单脉冲激光。因此，这类仪器可利用被测目标对脉冲激光产生的漫反射进行测距，而无需合作目标（反射镜）。我国在20世纪七八十年代便已成功研制出的JC-1型激光地形测绘仪和AJG75-1型激光无标尺地形仪，皆属于脉冲式激光测距仪。瑞士WILD的DI3000测距仪是这一时期脉冲式激光测距仪的代表作。

图5-14所示为脉冲式激光测距仪的工作原理方框图。

图5-14　脉冲式激光测距仪工作原理

（1）当启动电源开关时，激光脉冲发生器发射出一束功率高达4～5 MW、发散角很小（约1毫弧）的单脉冲激光，射向被测目标。在发射激光的同时，由仪器内部的取样棱镜取出一小部分脉冲送入光电接收器，将光脉冲转换为电脉冲（称主波脉冲），作为计时的开始信号。

（2）从目标反射回来的光脉冲，也被光电接收器接收并转换为电脉冲（称回波脉冲），作为计时的终止信号。

（3）同时由时标石英晶体振荡器产生具有一定时间间隔T的电脉冲（称时标脉冲），这相当于一台电子时钟。

测距时，在光脉冲发射的一瞬间，主波脉冲把“电子门”打开，时标脉冲就逐个通过“电子门”进入计数系统，计数器开始计取时标脉冲进入的个数。当从目标反射回来的光脉冲到达测距仪时，回波脉冲就立即把“电子门”关闭，时标脉冲不再进入计数系统，计数器也就停止计数。从“开门”到“关门”由计数器所计取的时标脉冲个数n，将由数码管显示出来。由于每进入一个时标脉冲就要经过时间T，所以主波脉冲和回波脉冲之间的时间间隔t=n T，就是光脉冲在待测距离上往返传播的时间。由式（5-16）即可求得待测距离为

令l=c T/2，则(www.xing528.com)

式中，l表示在两相邻时标脉冲运行的时间间隔T内，激光脉冲所走的一个单位距离。由此可以看出，计数器每记取一个时标脉冲，就相当于记下一个单位距离，如记下n个时标脉冲，就等于记下n个单位距离。

单位距离l（即仪器的最小读数），可以预先选定（如1 m）。根据选定的l就可以确定时标石英晶体振荡器应有的频率f=1/T，根据l=c T/2，有

考虑脉冲测距精度不是很高，将l=1 m，c=3×108m/s代入式（5-18），得

上面的最小读数l也反映出脉冲式测距仪的误差情况，可见绝对误差较大。如果要提高测距精度，就要提高振荡器的振荡频率。例如使l提高精度到0.5 m，由式（5-18）可知，就必须使时标振荡器的振荡频率由约150 MHz提高到约300 MHz。不过，要大幅提高振荡器的振荡频率，在制造上相当困难，这就是脉冲式测距仪精度较低的主要原因之一。

另外，脉冲式测距仪有一定的测量盲区：当所测距离较短时，仪器中的电子门尚未打开，但激光信号已提前到达，导致无法测距计数。这个盲区一般15 m左右。

不过，当测程较大，为中远程测距时，脉冲式激光测距仪则显示出它很好的优越性。这主要得益于激光的高准直、高亮度、高纯色、高相干的优良特性。因此，美国人乘阿波罗飞船第一次登上月球时，便用激光测距仪非常精准地测得地球至月球间距离。

4.相位式测距原理

相位式光电测距仪是通过测量连续的调制光在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接地测定传播时间，从而求得被测的距离。仪器一般采用砷化镓发光二极管发出红外光作为传播光源（俗称红外测距仪），或采用He-Ne激光器，发射红色激光。

相位式光电测距仪的工作原理如图5-15所示，假定在A点安置测距仪，调制频率发生器发出调制信号（电流I）对光源进行调制，进而发射出连续的调制光，同时发出参考信号er给测相装置。

调制光射向安置在测线另一端B点上的反射器后，反射回到A点的接收装置，接收装置将光信号转换成电信号em，提供给测相装置测相，进而计算出距离并显示出来。以上电信号em、参考信号er与电流I频率相同。调制光往返经过的路程等于被测距离的两倍（2D）。

图5-15　相位式测距仪工作原理

设调制光一周期相位变化为2π，在待测距离上往返一次所产生的总相位变化为φ，调制频率为f，则相应的传播时间为

从图5-15（b）可以看出，φ=2πN+Δφ，代入式（5-19）得

代入式（5-16），得

式（5-22）或式（5-21）是相位式测距的基本公式，其中U称光尺，或称测尺长度。由式（5-22）可看出，U相当于钢尺量距中的整尺长，N相当于整尺段的个数，ΔN则为不足一个整尺段的一小段（ΔN＜1）。因此，相位式测距就相当于用光尺代替钢尺进行量距。被测距离等于N个整尺段长（即NU）再加上余长ΔN·U（ΔN称为余长的比例系数）。由于光的传播速度c和调制频率f是已知的，所以U也是已知的。例如，若调制频率（或称测尺频率）为15 MHz，光速c用概值3×108m/s，则可算出测尺长度U=10 m。

若调制频率为150 k Hz，则测尺长度U=1000 m。

【关心波长】　根据，波长与测尺长度有如下关系：λ=2U。这也可根据表5-3获得印证。上述频率为15 MHz（高频率，称精测尺）的光波波长：λ=c/f=20 m。频率为150 k Hz（低频率，称粗测尺）时，则光波波长为：λ=c/f=2000 m。

由式（5-22）可知，要确定距离D，就必须确定整尺段数N和余尺的比例系数ΔN。然而，在相位式测距仪中，相位计只能测定相位移的尾数Δφ（或ΔN），而不能测定整周期数N（即整波的个数）。因此，式（5-22）存在多值解，其距离D还是无法确定。

为了解决多值解的问题，采用多个调制频率来测定同一距离。例如，要测量1000 m以内的边长，可采用两个调制频率配合起来测量，这相当于用两把测尺测同一距离。以短测尺（又称精测尺，如U=10 m）保证精度，以长测尺（又称粗测尺，如U=1000 m）保证测程（测程须小于粗测尺的长度），这样就可以求得被测距离。当然，这项计算工作由仪器内部的逻辑电路自动完成。