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1、光电测距仪测距误差分析武汉大学电子信息学院 湖北 武汉摘要：本文指出了光电测距仪测距误差的主要来源，对测距误差及其影响进行了分析，并给出精度评定的方法。关键词：光电测距仪 测距误差 精度评定一、引言光电测距仪自问世以来,以其操作方便、快捷、高效、精密、自动化、智能化等特点,被广泛应用于工程测量、控制测量、地形测量、地籍与房产测量、施工放样、工业测量及近海定位等领域。数字地球的建设,也以其为基本的数字采集设备之一。作为一种被多种领域频繁使用的长度计量仪器,光电测距仪测距误差的分析与测距精度的定期评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
2、提条件。国家技术监督局对光电仪器（全站仪、测距仪）测距系统的检定目的、项目和方法作了具的规范要求，本文就光电仪器的测距误差及精度评定进行分析。测距精度是光电测距仪的重要技术指标之一，其测距精度不但与仪器的性能有关，同时也取决于使用方法和实测时外界因素的影响。分析测距误差的来源和影响程度，找出消除或减弱误差的措施和方法，对于正确、合理地使用仪器和维护仪器，以便测出精度较好的距离成果和分析测距成果质量等都是很有必要的。按照规范要求，对仪器进行检定，客观地评定仪器测距的实际综合精度，对了解仪器性能指标，验收新购和修理后的仪器以及合理使用仪器尤为重要。欲达到系统客观地评定一台光电测距仪的测距精度这一目
3、的，一方面应严格地按照规范要求对仪器进行检定，另一方面还需具备有关测距原理及相关的误差理论知识，以便找出测距误差的主要来源，再进行测距误差分析，作为综合评定仪器精度的依据。二、光电测距原理1.光电测距仪按仪器测程分类：短程光电测距仪：测程在3Km以内，测距精度一般在1cm左右。中程光电测距仪：测程在315Km左右，适用于二、三、四等控制网的边长控制，精度一般可达（10mm+）。远程激光测距仪：测程在15Km以上的测距仪，精度一般可达（5mm+1），满足国家一、二等控制网的边长控制。2.测尺频率的选择：直接测尺频率方式：直接使用各测尺频率的测量结果组合成待测距离的方式。间接测尺频率方式：用差频作
4、为测尺频率进行测距的方式。测尺频率的确定：一般将用于决定仪器测距精度的测尺频率称精测尺频率；而将用于扩展测程的测尺频率称为粗测尺频率。对于采用直接测尺频率方式的测距仪，精测尺频率的确定，依据测向精度，主要考虑仪器的测程和测量结果的准确衔接，还要是确定的测尺长度便于计算。3.测尺频率可依据下式计算： (1)式中，-光波在大气中的传播速度； -大气折射率； -光波在真空中的传播速度； -调制频率（测尺频率）。4.光电测距仪的工作原理：电磁波测距是通过测定电磁波束在待测距离上往返传播的时间来计算待测距离D的，如下图所示，电磁波测距的基本公式为 D= (2)式中 c电磁波在大气中的传播速度。电磁波在测
5、线上的往返传播时间，可以直接测定，也可以间接测定。直接测定电磁波传播时间是用一种脉冲波，它是由仪器的发送设备发射出去，被目标反射回来，再由仪器接收器接收，最后由仪器的显示系统显示出脉冲在测线上往返传播的时间或直接显示出测线的斜距，这种测距仪称为脉冲式测距仪。间接测定电磁波传播时间是采用一种连续调制波，它由仪器发射出去，被反射回来后进入仪器接收器，通过发射信号与返回信号的相位比较，即可测定调制波往返于测线的迟后相位差中小于2的尾数。用n个不同调制波的测相结果，便可间接推算出传播时间，并计算（或直接显示）出测线的倾斜距离。这种测距仪器称为相位式测距仪。三、光电测距仪测距误差的主要来源光电测距仪的测
6、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，主要有频率误差、大气折射率误差及真空光速测距误差。其中真空测距误差对测距值得影响可忽略不计。（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、仪器与反射镜的对中误差、测相误差、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。由于现如今广泛应用于精密测距的测距仪器是相位式测距仪，本文以相位式测距仪为例，分析其测距误差。测距误差的大小与仪器本身的质量，观测时的外界环境以及操
7、作方法有着密切的关系。为了提高测距精度，必须正确地分析测距误差的来源、性质及大小，从而找到消除或削弱其影响的办法，使测距达到最高精度，同时对正确使用、检定和维护仪器具有重要的作用。 分析仪器的测距误差也和分析测量成果的误差一样，可由测距公式和仪器使用情况来寻找误差的主要来源。目前光电仪器所采用的相位法测距来自于公式： (3) 式中，-测尺长度； -整周数； -光在真空中的传播速度， -大气折射率； -光波的调制频率； -往返传播相位差； -仪器常数。将（3）式线性化并根据误差传播定律的测距误差： （4） 式（4）表明，测距误差是有以上各项误差综合影响的结果。实际上，观测边长S的中误差还应包括仪
8、器加常数的测定误差和测站及镜站的对中误差，即 （5）式中、及分别代表各因素的测定中误差。由（5）式得知：大括号内的真空光速值的误差、大气折射率误差、主控晶体振荡的频率误差，此三项是与距离成比例变化的误差；后三项测相误差、仪器加常数误差、测站及镜站的对中误差的影响则与距离无关。虽然就测相误差而言，严密地说应与距离有关，因为从理论上讲随着距离的增大，信噪比下降，测相精度相应降低；但是目前的仪器在设计有效测程时，已对此项误差规定了上限，并且设有专门的装置（自动增益控制），可以使信号自动控制在一定范围内，使得不同距离上有相近的信噪比。因此，可以认为此项误差与距离无关。此外，还有仪器对中误差和反射棱镜对
9、中误差及周期误差在式中并没有反映出来。就仪器误差影响的性质而言，可将上述误差分为两大类：（1） 系统误差，它们构成了仪器精度指标中的比例误差。（2）偶然误差，即仪器精度指标中的固定误差部分。对于偶然误差的影响，我们可以采取在不同条件下多次测量来削弱其对测距精度的影响；而对于系统误差，根据大量实测数据表明：由于仪器发光管相位不均匀性以及幅相误差等因素，仪器还存在除频率误差和大气折射率误差外，与距离长短相关的改正项，习惯上将与距离长短有关的改正数统称为乘常数。零点误差的改正系数称为加常数。系统误差可通过检定中获得的系统误差值而施改正的方法，即修正值法，来达到消除或控制其对测距精度影响的目的。比例误
10、差主要体现在：与距离成比例变化的误差。如：真空光速值的误差、大气光的折射率误差，主控晶体振荡器的频率误差。固定误差则体现在：与距离远近无关，且随机变化的测相误差和常数误差、周期误差,以及在实际测量中的对中误差和 （ 仪器反射棱镜）、偏心改正的误差、照准误差等。4、 测距误差分析1.比例误差分析由（4）式可知，光速值、调制频率和大气折射率的相对误差值随而增加，它们都属于比例误差。从误差性质上，这类误差属于系统误差。这类误差对于短程测距来说，影响并不大，但对于远程精密测距，影响却十分显著。 （1）真空光速值的误差： 目前国际上通用的真空光速值=2997924581.2 m/s，其相对误差即精度为=
11、4，则光速值对于测距误差的影响微乎其微，故而可以忽略不计。（2）主控晶体振荡器的频率误差： 我们知道，测距仪的调制频率决定了光尺长度，调制频率的变化将引起光尺长度的变化，因而使测距结果产生误差。此项误差包括两方面：频率的校准误差（反映了频率的精确度）和频率的漂移误差（反映了频率的稳定度）。调制频率是由主控振荡器产生的，因此主控振荡器的频率稳定性是影响频率误差大小的根源。频率的漂移误差与主控振荡器的石英晶体的质量、老化过程以及是否采用恒温措施密切相关，当晶体在不加恒温措施的情况下，其频率稳定度为1，而精密测距的要求为/在之间，则这个数值不能满足这个要求。因此，精密测距仪上的振荡器采用恒温措施并采
12、取了稳压电源的供电方式，来确保频率的稳定，以减小频率的漂移误差。频率误差的影响在精密远程测距中是不能忽视的，测距前后都必须及时进行频率校验，必要时还要确定晶体的温度偏频曲线，以便给以频率改正。（3） 大气光的折射率误差： 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
13、了减小此类误差，气象仪表必须经过检验，保证仪表本身的正确性。读定气象元素前，应使气象仪表反映的气象状态与实地大气的气象状态充分一致。温度读至0.2，其误差应小于0.5，气压读至0.0667kPa，其误差应小于0.1333kPa，这样就有可能吧由于气象参数的读数误差引起的测距误差降至。气象参数的代表性误差：就是在计算折射率时所用的气象参数（p、 t、 e）值应当是光速所经过的沿测线气象参数平均值，但实际上是以测线两端点所测定的气象平均值代替，由此而引起的求定折射率误差即为气象参数的代表性误差。它包含有温度代表性误差、气压代表性误差。其影响较为复杂，它受到测线周围的地形、地物和地表情况以及气象条件
14、诸多因素的影响。为了削弱这方面的影响，选择测距地点时，应该注意地形条件，尽量避免测线两端高差过大的情况，避免视线擦过水域。观测时，应该选择在空气能充分调和的有微风的天气或温度比较稳定的阴天。必要时，可以增加测量测线中间的温度。气象代表性误差的影响，在不同的时间、天气具有一定的偶然性，有互相抵消的作用。因此采取不同气象条件下的多次测量取平均值，能进一步削弱气象代表性的误差影响。大气折射率计算公式本身的误差：据有关资料介绍，当计算公式的精度不低于 时，此项误差影响可忽略不计。一般在中、远程测距时都要进行气象改正，根据测得的气象数据，按气象改正图表查出距离改正值，对距离进行改正。在有些自动数字测距仪
15、中，可以进行自动气象改正，它是根据实测气象条件拨动相应电路开关，对主控振荡器回路中的变容二极管加一定偏压，从而使光尺频率发生变化，所以仪器所测得的距离值就是经过气象改正后的距离值。对于短程测距仪的气象改正，可近似认为温度每升高10，则一公里距离加一厘米，如果气压每升高25Hg，则一公里距离减一厘米。2.固定误差分析测相误差、仪器加常数误差和对中误差都是固定误差。从误差性质上，这类误差属于偶然误差。它们都与距离的长短无关，在精密短程测距时，这类误差对测量精度的影响尤为突出。（1） 测相误差： 在测相原理中，相位差的测量过程是调节移相器使指零表指零，然后在与移相器联动的计数器上读数。因此，测相误差包括移相器或数字相位计所引起的误差即测相系统误差、信噪比误差、幅相误差和照准误差。这些
