何浩鵬

激光測距儀三軸一致性的檢驗與調(diào)校＊

何浩鵬

（中國地震局地震研究所（中國地震局地震大地測量重點實驗室），湖北 武漢 430071；武漢地震計量檢定與測量工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071）

激光測距儀具有測量精度高、抗干擾能力強等特點，被廣泛應(yīng)用于各種測量行業(yè)及軍工領(lǐng)域，其三軸一致性（照準(zhǔn)軸、發(fā)射軸、接收軸的平行性）是測距性能的保障?；诩す鉁y距原理，根據(jù)測距儀是否帶角度測量功能，介紹了兩種三軸一致性的檢驗方法，并提出可利用光斑校正法與角度校正法對三軸進行調(diào)校，兩種檢校方法簡單、實用，且精度滿足相應(yīng)規(guī)程要求。

激光測距儀；三軸一致性；檢驗；校正

激光測距儀具有測量精度高、抗干擾能力強、準(zhǔn)直性好等諸多特點，被廣泛應(yīng)用于各種測量行業(yè)及軍工領(lǐng)域。激光測距儀三軸一致性（照準(zhǔn)軸、發(fā)射軸、接收軸的平行性）的變化直接影響測距儀的分辨率與準(zhǔn)測率等測距性能參數(shù)[1]，但測距儀在運輸與使用過程中，經(jīng)歷振動、碰撞、高低溫等變化后，其三軸之間常常會發(fā)生偏移，使發(fā)光管發(fā)出的光不能被接收管收到，或是測距軸與照準(zhǔn)軸不一致，光信號無法變成電信號[2]等問題。激光測距儀測距三軸一致性是其測距性能的保障，一致性不好的測距儀，對于較遠(yuǎn)測距目標(biāo)的準(zhǔn)確率一般不高[3]。因此，三軸一致性的檢驗與調(diào)校對于客觀準(zhǔn)確地評估激光測距儀性能具有非要重要的意義。目前，傳統(tǒng)的檢驗與校準(zhǔn)方法操作簡單，但其結(jié)果不夠準(zhǔn)確。文獻[4]利用離軸拋物面牛頓反射式平行光管設(shè)計技術(shù)、高精度位移測控技術(shù)、紅外激光上轉(zhuǎn)換技術(shù)等，進行紅外脈沖激光測距儀發(fā)射與接收光軸一致性測量，需要的設(shè)備高端，技術(shù)要求高，操作復(fù)雜；文獻[5]介紹了根據(jù)實測的等相位誤差曲線精確校準(zhǔn)測距儀三軸的平行性方法，測定等相位誤差曲線比較復(fù)雜、煩瑣，不易被測量人員掌握?；诖耍疚尼槍Σ煌愋偷臏y距儀，分別提出兩種檢驗及校正測距儀三軸一致性的實用方法。

1 激光測距原理

目前應(yīng)用的激光測距儀通常有脈沖式和相位式兩種類型，對被測目標(biāo)距離進行測量，雖然前者是通過發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來實現(xiàn)的，后者是通過發(fā)射連續(xù)激光信號和接收信號之間的相位差所含有的距離信息來實現(xiàn) 的[6]，但是二者均是發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的紅外光，經(jīng)被測點處的反射鏡反射，再返回其接收系統(tǒng)，根據(jù)光波往返傳播所產(chǎn)生的時間差或相位差計算該段距離。

激光測距儀的照準(zhǔn)、發(fā)射、接收三系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到其測距結(jié)果的精度，為了確保測距儀的準(zhǔn)測率與分辨率等性能參數(shù)，激光測距儀均采用共軸式結(jié)構(gòu)，即其照準(zhǔn)、發(fā)射、接收系統(tǒng)共一條軸線，也即三系統(tǒng)共用同一個物鏡，發(fā)射光管的光軸與接收光管的光軸同在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光軸上，而且經(jīng)反射鏡反射回來的光信號也必須原路返回，沿著望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光軸而聚集到光電接收管上，如圖1所示。經(jīng)過電源板，將光信號轉(zhuǎn)為電信號，再經(jīng)接收板傳至邏輯板，通過計算 機算出測定距離，再將計算結(jié)果傳到顯示板，由顯示屏顯示出來[7-8]。

圖1 測距儀三軸同軸原理示意圖

2 三軸一致性檢驗方法

2.1 具備角度測量功能的測距儀

對于具備角度測量功能的激光測距儀，如全站儀，其擁有良好的測角功能，可以通過在水平方向和垂直方向測算測距儀回光信號的范圍角值[2]，進而判定測距儀三軸關(guān)系的一致性。

將發(fā)射鏡安置于距測距儀200～300 m處，用測距儀望遠(yuǎn)鏡精確照準(zhǔn)反射鏡中心，分別讀取其水平和豎直度盤讀數(shù)、，然后緩慢旋轉(zhuǎn)測距儀水平微動旋鈕，使照準(zhǔn)方向從反射鏡中心向左偏離，觀察測距儀返回信號的變化，直至測距儀接受的回光信號強度達到最小臨界狀態(tài)（時有時無）時，讀數(shù)其水平和豎直度盤讀數(shù)左、左。參照同樣方法測定測距儀照準(zhǔn)方向偏離反射鏡中心右邊臨界狀態(tài)時的水平和豎直度盤讀數(shù)右、右。

水平與豎直方向偏離角計算公式為：

依據(jù)文獻[9]，當(dāng)≤30"且≤30"時，說明測距儀三軸同軸；否則，三軸關(guān)系不一致，為提高測距精度，需對其進行校正。

2.2 不具備角度測量功能的測距儀

對于不具備角度測量功能的激光測距儀，無法通過上述測角方式判定其三軸關(guān)系的一致性，此時的檢驗思路是將測角轉(zhuǎn)換為測距[10]，利用測距計算出測距儀臨界狀態(tài)（回光信號最弱）時的范圍角值，從而判定三軸關(guān)系是否一致。

以測距儀望遠(yuǎn)鏡中心為原點，建立一直角坐標(biāo)系，假定反射鏡中心坐標(biāo)為（0x，0y），如圖2所示。用望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)反射鏡中心，若照準(zhǔn)軸與接收軸在水平方向存在偏差角x，緩慢地將測距儀照準(zhǔn)方向左偏離反射鏡中心，直至測距儀接收的回光信號強度達到最小臨界狀態(tài)時，測出偏離的距離坐標(biāo)值1x。然后將測距儀照準(zhǔn)方向右偏離反射鏡中心，直至達到右邊臨界狀態(tài)，測出偏離距離坐標(biāo)值2x。則水平方向距離偏離值x=0x－（1x+2x）/2換算成角度后，其角度偏離值x=x/，其中為測距儀望遠(yuǎn)鏡中心到反射鏡中心的距離。

圖2 檢驗原理示意圖

采用上述方法也可測出照準(zhǔn)軸與接收軸在垂直方向上的偏離角度值y，因此，照準(zhǔn)軸與接收軸之間的角度偏差 值為：

同理，可以計算得到照準(zhǔn)軸與發(fā)射軸之間的角度偏差。按照2.1的判斷依據(jù)，當(dāng)＞30"且＞30"時，說明測距儀三軸關(guān)系不一致，需對其進行校正。

3 三軸偏移的校正方法

激光測距儀三軸偏移的校正一般在檢驗室內(nèi)完成，根據(jù)測距儀的類型不同，可選擇不同的校正方法。

3.1 光斑校正法

將測距儀安置于檢校工作臺上（如果測距儀具備測角功能，應(yīng)先將測角部分校正到合格狀態(tài)），并且調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，然后在測距儀前2～3 m處放置一臺經(jīng)緯儀，用經(jīng)緯儀精確照準(zhǔn)測距儀的十字絲影像，即二者的十字絲重合。此時打開測距儀的蓋板，找到其接收管的屏蔽盒，并利用外部光源照亮屏蔽盒，按下測距鍵，此刻可從經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡內(nèi)見到如圖3所示的影像。

圖3 三軸校正影像圖

如果測距儀的三軸已發(fā)生偏移，那么影像中看到的紅色光斑也即偏離了望遠(yuǎn)鏡十字絲的中心，則需要通過調(diào)校，將光斑中心與十字絲中心調(diào)整到重合狀態(tài)。整個校正方法可分為兩步：①調(diào)節(jié)紅色光斑的位置，將光斑的中心調(diào)到接收管的中心，即將發(fā)射軸和接收軸調(diào)整至同軸；②再把發(fā)射與接收軸的中心調(diào)到望遠(yuǎn)鏡十字絲中心即可，即將測距軸和照準(zhǔn)軸調(diào)整至同軸。

3.2 角度校正法

對于帶度盤式的測距儀，不僅可以通過上述光斑校正法調(diào)校其三軸一致性，還可以通過角度校正法進行校正。

基于2.1檢驗方法中測量得到的測距儀照準(zhǔn)反射鏡中心時的水平度盤值，及左右偏離反射鏡中心至臨界狀態(tài)時的度盤值左、右，則偏離反射鏡中心左邊和右邊臨界狀態(tài)時的正確角度值計算公式為：

4 結(jié)語

本文基于激光測距儀的測距原理，根據(jù)測距儀是否帶角度測量功能，介紹了兩種三軸一致性的檢驗方法，并提出可利用光斑校正法與角度校正法對其進行調(diào)校，兩種檢校方法簡單、實用，且精度滿足相應(yīng)規(guī)程要求，容易被測量人員或檢校機構(gòu)人員掌握，同時可為測距儀生產(chǎn)廠家提供生產(chǎn)組裝環(huán)節(jié)的質(zhì)量保證、出廠檢驗等提供檢測手段。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.036

2095－6835（2020）22－0087－02

何浩鵬（1987—），女，湖北黃岡人，碩士研究生，工程師，主要從事測繪儀器計量檢校與裝置研發(fā)工作。

中國地震局地震研究所和地殼應(yīng)力研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項資助項目（編號：IS201926304）

〔編輯：王霞〕