第三节　光电测距

钢尺量距是一项十分繁重的野外工作，尤其是在复杂的地形条件下甚至无法进行。视距法测距，虽然操作简便，可以克服某些地形条件的限制，但测程较短，精度较低。为了改善作业条件，扩大测程，提高测距精度和作业效率，随着光电技术的发展，人们又发明了光电测距仪，用它来测定距离。光电测距仪的基本原理是通过测定光波在测线两点之间往返传播的时间t，来确定两点之间的距离D，按下列公式进行计算

光波在测线中所经历的时间，既可以直接测定，也可间接测定。由式（4-9）可知，测定距离的精度，主要取决于测定时间t的精度。如果要保证测量距离D的精度达到± 1cm，时间的测定精度必须达到6.7×10－11s，这样高的测时精度，在目前的技术条件下是很难达到的。因此对于高精度的测距来说，不能直接测定时间，而是采用间接的测时方法。目前在测量工作中广泛使用的相位式测距仪，就是把距离和时间的关系转化为距离和相位的关系，利用测定光波在测线上的相位移，间接测定时间，从而确定所测的距离。

一、相位式光电测距仪的测距原理

如图4-10所示为简化后的相位式光电测距仪的测距原理图。光源发射出的光波通过调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光，射向测线另一端的反射镜；反射镜将光线反射回来，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相位移φ。如果将调制波的往程和返程摊平，则有如图4-11所示的波形。

图4-10　相位式光电测距仪测距原理

图4-11　简化后的相位式光电测距仪的测距原理图

设测距仪发射的调制光频率为f，波长为λ，光波往返所经历的时间为t，光强变化一个周期的相位移为2π，则有

由图4-11可知，φ是N个整周期的相位变化和不足一个整周期的相位移Δφ之和，即

φ＝N·2π＋Δφ

将φ代入式（4-11），得

式中　ΔN＝

式（4-12）中的λ/2可以视为“光测尺”的尺长，由该式可以看出要确定距离D，就要确定整尺段N和不足一整尺段的ΔN。而在相位式测距仪中，相位计只能分辨出0～2π之间的相位值，即只能测定出不足一个整周期的相位移Δφ，而无法确定出整周期N值，因此也就不能确定出距离D值。但当测尺的长度大于所测距离D时，此时N＝0，则被测距离D就可以确定了。也就是说，如果调制光的波长增长，就可以扩大测距仪的测程。从这个角度看，选择波长长的调制光有益于扩大测距仪的测程。但是由于仪器的测相系统存在测相误差，目前测相精度只能达到1/1000，可见它对测距精度的影响将随尺长的增大而增大，因此选择波长长的调制光无益于测距精度。为了解决扩大测程与提高精度的矛盾，在测距仪上采用一组测尺配合测距，以短测尺（又称精测尺）保证精度，用长测尺（又称粗测尺）保证测程。在实际的测距仪上，粗、精两把测尺配合使用，其读数和计算距离的工作，已由仪器内部的逻辑电路自动完成，测量结果在显示屏上直接显示出来。

二、红外测距仪的应用和发展概况

几十年来，国内外生产的红外测距仪的型号很多，各种测距仪由于其结构不同，操作使用也各不相同。一般情况下，都是将测距仪与经纬仪通过接合器连接在一起，同时转动，用测距仪测距，经纬仪测角。从20世纪90年代开始，全站仪的大量生产和使用，逐步取代了测距仪＋经纬仪或其他结构形式的测距仪。本章对测距仪的使用不再叙述。