光电测距仪测距误差分析及精度评定论文_李春阳

(哈尔滨新光光电科技股份有限公司黑龙江省哈尔滨市 150028)

摘要:光电测距仪自问世以来，被广泛应用于工程测量、控制测量、地形测量和工业测量等领域。本文指出了光电仪器测距误差的主要来源，并对误差进行了分析，给出了仪器精度评定的方法。

关键词：光电仪器；误差分析；精度评定。

光电测距仪和全站仪以其操作方便、快捷、高效、精密、自动化、智能化等特点,被许多领域广泛应用。作为一种被多种领域频繁使用的长度计量仪器,光电测距仪测距精度的定期检定始终是用户和承包方关心的问题,因为仪器能否在要求的精度下可靠地工作,是测量工作能否保质保量完成的前提条件。

一、基本原理

1.光电测距仪的基本原理。光电测距仪是以电磁波作为载波，通过测定电磁波在基线两端点间的往返传播时间来测量测线两点间距离的测量仪器。测距仪按测程分类分为短程(测程2～3km)、中程(2～15km)、远程(15～60km)和超远程(测程＞60km)测距仪;按光源分类可分为激光测距仪、红外测距仪和微波测距仪;按振荡频率可分为固频测距仪和变频测距仪;按测定方法分类可分为脉冲式测距仪、相位式测距仪和干涉式测距仪等。

2.脉冲式光电测距仪。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，可直接测定脉冲在待测距离上的传播时间，即发射脉冲与接收脉冲的时间差，从而求得待测距离。其优点是功率大、测程远;缺点是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的要求。

3.相位式光电测距仪。相位式光电测距仪是通过测量连续调制波在待测距离上往返传播一次所产生的相位变化，间接测试调制信号的传播时间，从而求得待测距离。其优点是采用自动数字测相技术，测距绝对精度高，一般能达到毫米级，是目前应用最多的测距仪器。

二、光电测距仪的测距误差

光电测距仪的测距误差分为两部分:

1.比例误差:与被测距离长度成比例的误差,主要是由频率误差,大气折射率误差及真空光速测定误差给测距结果带来误差。其中光速测定误差对测距值的影响可忽略不计。

2.固定误差:仪器固有的误差,与被测距离长度无关,包括零点误差的检定误差,仪器与反光镜的对中误差,测相误差,幅相误差,发光管相位不均匀性误差和周期误差。周期误差主要来源于仪器内部光电信号的同频窜扰,误差的大小是以精测尺的长度为周期重复出现的。其中比例误差、周期误差、零点误差为光电测距仪的主要系统误差。

三、误差分析

1.真空光速值的误差。目前仪器所采用的光速值为。故此项误差影响可忽略不计。

2.主控晶体振荡器的频率误差（调制频率）：此误差主要是对精测频率而言，因为它决定了仪器的测距精度。此项误差包括两方面：频率的校准误差和频率的漂移误差。由于晶体质量不佳或晶体老化等原因，将会出现频率偏移（偏移仪器设计的标称值），故应对它的精测晶振频率进行定期检验（频率计的精度要高于10—6）。

3.大气折射率的误差：大气折射率的变化将使光在大气中的传播速度发生变化，从而影响仪器的测尺长度，引起测距误差。此项误差是目前电磁波测距的一项主要误差，也是远距离测距精度提高的主要障碍。其误差主要体现在三个方面：气象参数的测定误差、气象参数的代表性误差、大气折射率计算公式本身的误差。气象参数（p：气压；t：温度；e：水汽压）的测定误差指的是：（气象仪表、干、湿温度计与气压计）的刻度误差、读数误差。为了减少气象参数的测定误差，要定期将气象仪表送有关部门进行检验，取得改正资料，以便进行仪表刻度改正。为了保证测距精度，一般要求对温度的测定精度要高于气压的测定精度要高于2mmHg。气象参数的代表性误差：就是求定大气折射率’的误差。它包含有温度代表性误差、气压代表性误差。在施测中我们深感：在不同天气条件下的温度代表性误差各不相同；气压则随测站高程的增加而减小。此项误差与测线地形条件、测距远近及施测时的气象条件密切相关。光电测距的实际精度往往受到此项误差的限制。

4.仪器加常数的测定误差：事实上我们对每条所测边长都要进行加常数的改正。因而加常数的测定误差对每一条所测边长也将形成系统误差，这就要求我们对施测前仪器的加常数必须进行严格检测，求出其常数的精确值。在测量中，将其常数值参加计算，以对所测中、长距离的边长进行修正；在短、中程测距时，则在仪器上用预置仪器加常数的办法予以消除。

5.测相误差:此误差包括：数字相位计的原理误差；瞄准误差（光束在空间相位不均匀误差）；幅相误差以及由信噪比决定的误差。数字相位计的原理误差与检相电路的时间分辨力、计算填充脉冲的频率以及一次测相的平均检相次数有关。另外，大气抖动和噪音影响也是造成测相原理误差的重要原因。为减弱此误差对测距的影响，在测距作业中，一方面应注意测线附近无干扰因素（如烟雾、烈日下光的抖动、生火的烟囱、骤然扬起尘埃等）存在，另一方面增加测回次数，把偏大或偏小的数据舍去后，再取平均值。瞄准误差———发光管或调制器空间相位不均匀的误差。光电仪器的瞄准误差和经纬仪测角时的瞄准误差在形成上相似，但有着本质上的区别：由于仪器的调制器或发光二极管的空间相位不具均匀性，因而使发光的调制光速在同一横截面上（反射棱镜）各部分的相位将不同。在施测中，基于仪器所发射光束的发散角是随着距离的增加，光班面积成正比增大，反射棱镜的受光面积小于仪器发射的光斑面积，因而棱镜每次只能截获光束柱的一部分，所以当反射棱镜位于光斑不同位置时，仪器测得的相位差将不同，从而造成测距误差。再者，在更换反向棱镜数目时，所截获的光束面发生变化，也将造成相位不均匀而引起测距误差。为减弱此误差，可采用“电瞄准”实用手段；即先用望远镜瞄准反向棱镜（即光瞄准）后，再根据仪器的光强信号，调整仪器的水平和垂直微动螺旋进行精确瞄准，直至光信号达到最大值。幅相误差：从理论上讲就是由于接收信号强弱不同而引起的测距误差。据有关资料和实践工作证实，此误差反映在仪器中很小，影响不大。

6.周期误差：将周期误差范畴中的振幅A、初相角、距离观测值D，作为求定周期误差平差计算之元素是根据仪器内光路的设置原理所产生的误差。此误差主要来源于仪器内部固定信号（电信号和光信号）的串扰。因而，只有在通过对仪器进行检测后，才能发现它们。对此误差所采取相应措施是：对仪器晶体振荡器的振荡频率进行调整。采用加改正数的方法予以消除。