电磁波测距：原理、种类、步骤与注意事项

与钢尺量距的繁琐和视距测量的低精度相比，电磁波测距具有测程长、精度高、操作简便、自动化程度高的特点。本节主要介绍电磁波测距的原理、测距仪种类、测距步骤及注意事项等内容。

4.3.1 电磁波测距原理

光电测距是通过测量光波在待测距离上往返一次所经历的时间，来确定两点之间的距离。如图4.10所示，在A点安置测距仪，在B点安置反射棱镜，测距仪发射的调制光波到达反射棱镜后又返回到测距仪。设光速c为已知，如果调制光波在待测距离D上的往返传播时间为t，则距离D为：

图4.10 光电测距

D＝c·t 　（4－15）

式中：c＝c0／n，其中c0为真空中的光速，其值为299792458m／s，n为大气折射率，它与光波波长λ、测线上的气温T、气压P和湿度e有关。因此，测距时还需测定气象元素，对距离进行气象改正。

由（4－15）式可知，测定距离的精度主要取决于时间t的测定精度，即d D＝cdt。当要求测距误差d D小于1cm时，时间测定精度dt要求准确到6.7×10－11s，这是难以做到的。因此，时间的测定一般采用间接的方式来实现。间接测定时间的方法有两种。

1.脉冲法测距

由测距仪发出的光脉冲经反射棱镜反射后，又回到测距仪而被接收系统接收，测出这一光脉冲往返所需时间间隔t的钟脉冲的个数，进而求得距离D。由于钟脉冲计数器的频率所限，所以测距精度只能达到0.5～1m。故此法常用在激光雷达等远程测距上。

2.相位法测距

相位法测距是通过测量连续的调制光波在待测距离上往返传播所产生的相位变化来间接测定传播时间，从而求得被测距离。红外光电测距仪就是典型的相位式测距仪。

红外光电测距仪的红外光源是由砷化镓（Ga As）发光二极管产生的。如果在发光二极管上注入一个恒定电流，它发出的红外光光强则恒定不变。若在其上注入频率为f的高变电流（高变电压），则发出的光强随着注入的高变电流呈正弦变化，如图4.11所示，这种光称为调制光。

图4.11 光的调制

测距仪在A点发射的调制光在待测距离上传播，被B点的反射棱镜反射后又回到A点而被接收机接收，然后由相位计将发射信号与接收信号进行相位比较，得到调制光在待测距离上往返传播所引起的相位移φ，其相应的往返传播时间为t。如果将调制波的往程和返程展开，则有如图4.12所示的波形。

设调制光的频率为f（每秒振荡次数），其周期T＝（每振荡一次的时间（s）），则调制光的波长为：

λ＝c·T＝ 　（4－16）

图4.12 相位式测距原理

从图4.12可看出，在调制光往返的时间t内，其相位变化了N个整周（2π）及不足一周的余数Δφ，而对应Δφ的时间为Δt，距离为Δλ，则（4－17）t＝NT＋Δt

由于变化一周的相位差为2π，则不足一周的相位差Δφ与时间Δt的对应关系为

于是得到相位测距的基本公式

式中：ΔN＝为不足一整周的小数。

在相位测距基本公式（4－19）中，常将看做是一把“光尺”的尺长，测距仪就是用这把“光尺”去丈量距离。N则为整尺段数，ΔN为不足一整尺段之余数。两点间的距离D就等于整尺段总长N和余尺段长度ΔN之和。

测距仪的测相装置（相位计）只能测出不足整周（2π）的尾数Δφ，而不能测定整周数N，因此使（4－19）式产生多值解，只有当所测距离小于光尺长度时，才能有确定的数值。例如，“光尺”为10m，只能测出小于10m的距离；“光尺”为1000m，则可测出小于1000m的距离。又由于仪器测相装置的测相精度一般为1／1000，故测尺越长测距误差越大，其关系可参见表4.1。为了解决扩大测程与提高精度的矛盾，目前的测距仪一般采用两个调制频率，即两把“光尺”进行测距。用长测尺（称为粗尺）测定距离的大数，以满足测程的需要；用短测尺（称为精尺）测定距离的尾数，以保证测距的精度。将两者结果衔接组合起来，就是最后的距离值，并自动显示出来。

表4.1 测尺长度与测距精度

若想进一步扩大测距仪器的测程，可以多设几个测尺。

4.3.2 电磁波测距仪的种类

目前电磁波测距仪已发展为一种常规的测量仪器，其型号、工作方式、测程、精度等级也多种多样，对于电磁波测距仪的分类通常有以下几种：

1.按载波分类

2.按测程分类(www.xing528.com)

短程：＜3km，用于普通工程测量和城市测量；

中程：3～5km，常用于国家三角网和特级导线；

长程：＞15km，用于等级控制测量。

3.按测量精度分类

电磁波测距仪的精度，由其机械结构和工作原理决定，常用如下公式表示：

m D＝a＋b·D 　（4－20）

式中，a为不随测距长度变化的固定误差（单位：mm），b为随测距长度变化的误差比例系数（单位：mm／km，常记为ppm，part per million），D为测距边长度（单位为km）。

在式（4－20）中，设D＝1km时，可划分为三级：

Ⅰ级：＜5mm（每千米测距中误差）

Ⅱ级：5～10mm

Ⅲ级：11～20mm

4.3.3 电磁波测距步骤

目前国内外生产的测距仪种类很多，测距步骤也不尽相同，但基本都包括如下操作步骤：

①在测站点安置经纬仪，安装测距仪；照准点安置反射棱镜，量取仪器高和棱镜高（目标高），检查无误后开机，仪器自检。

②测定大气温度和气压，加入气象改正数。目前，使用的测距仪，可以通过输入气温、气压后，自动加入气象改正数。

③设置测距参数。

④松开制动瞄准目标，用经纬仪十字丝照准反射棱镜规板中心，观测垂直角。测距仪瞄准反射棱镜中心，当听到信号返回提示时，轻轻制动仪器，并用微动螺旋调整仪器，精确瞄准目标，使信号指针在回光信号强度的30％～80％范围内。

⑤轻轻按动测距按钮，直到显示测距成果并记录。测距完成后，应当松开制动，并在关机后收装仪器。

4.3.4 电磁波测距注意事项

①使用主机时要轻拿轻放，运输时应将主机箱装入防震木箱内，避免摔伤和跌落。

②测距时，应避免在同一条直线上有两个以上反射体或其他明亮物体，以免测错距离。

③气象条件对光电测距影响较大，微风的阴天是观测的良好时机。

④避免在高压线下或有电磁场影响的范围内作业。例如测距时应暂停无线电通话，不接近变压器、高压线等。

⑤要严防阳光及其他强光直射接收物镜，避免光线经镜头聚焦进入机内，将部分元件烧坏，阳光下作业应撑伞保护仪器。

⑥测线应高出地面或障碍物1.3m以上，测线应避免通过吸热、散热不同的地区，如湖泊、河流和沟谷等。观测时选择有利时间进行。

⑦到达测站后，应立刻打开气压计并放平，避免日晒。温度计应悬于离地面1.5m左右处，待与周围温度一致后，才能读数。

⑧在高差较大的情况下，反光镜必需准确瞄准主机，若瞄准偏差大，则会产生较大的测量误差。