激光測距儀三軸一致性的檢驗與調校＊

何浩鵬

激光測距儀三軸一致性的檢驗與調校＊

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，被廣泛應用于各種測量行業及軍工領域，其三軸一致性（照準軸、發射軸、接收軸的平行性）是測距性能的保障。基于激光測距原理，根據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校，兩種檢校方法簡單、實用，且精度滿足相應規程要求。

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、準直性好等諸多特點，被廣泛應用于各種測量行業及軍工領域。激光測距儀三軸一致性（照準軸、發射軸、接收軸的平行性）的變化直接影響測距儀的分辨率與準測率等測距性能參數[1]，但測距儀在運輸與使用過程中，經歷振動、碰撞、高低溫等變化后，其三軸之間常常會發生偏移，使發光管發出的光不能被接收管收到，或是測距軸與照準軸不一致，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，對于較遠測距目標的準確率一般不高[3]。因此，三軸一致性的檢驗與調校對于客觀準確地評估激光測距儀性能具有非要重要的意義。目前，傳統的檢驗與校準方法操作簡單，但其結果不夠準確。文獻[4]利用離軸拋物面牛頓反射式平行光管設計技術、高精度位移測控技術、紅外激光上轉換技術等，進行紅外脈沖激光測距儀發射與接收光軸一致性測量，需要的設備高端，技術要求高，操作復雜；文獻[5]介紹了根據實測的等相位誤差曲線精確校準測距儀三軸的平行性方法，測定等相位誤差曲線比較復雜、煩瑣，不易被測量人員掌握。基于此，本文針對不同類型的測距儀，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，對被測目標距離進行測量，雖然前者是通過發射和接收激光脈沖信號的時間差來實現的，后者是通過發射連續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 的[6]，但是二者均是發射系統發射的紅外光，經被測點處的反射鏡反射，再返回其接收系統，根據光波往返傳播所產生的時間差或相位差計算該段距離。

激光測距儀的照準、發射、接收三系統的性能直接關系到其測距結果的精度，為了確保測距儀的準測率與分辨率等性能參數，激光測距儀均采用共軸式結構，即其照準、發射、接收系統共一條軸線，也即三系統共用同一個物鏡，發射光管的光軸與接收光管的光軸同在望遠鏡系統的光軸上，而且經反射鏡反射回來的光信號也必須原路返回，沿著望遠鏡系統的光軸而聚集到光電接收管上，如圖1所示。經過電源板，將光信號轉為電信號，再經接收板傳至邏輯板，通過計算 機算出測定距離，再將計算結果傳到顯示板，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系的一致性。

將發射鏡安置于距測距儀200～300 m處，用測距儀望遠鏡精確照準反射鏡中心，分別讀取其水平和豎直度盤讀數、，然后緩慢旋轉測距儀水平微動旋鈕，使照準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（時有時無）時，讀數其水平和豎直度盤讀數左、左。參照同樣方法測定測距儀照準方向偏離反射鏡中心右邊臨界狀態時的水平和豎直度盤讀數右、右。

水平與豎直方向偏離角計算公式為：

依據文獻[9]，當≤30"且≤30"時，說明測距儀三軸同軸；否則，三軸關系不一致，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系的一致性，此時的檢驗思路是將測角轉換為測距[10]，利用測距計算出測距儀臨界狀態（回光信號最弱）時的范圍角值，從而判定三軸關系是否一致。

以測距儀望遠鏡中心為原點，建立一直角坐標系，假定反射鏡中心坐標為（0x，0y），如圖2所示。用望遠鏡照準反射鏡中心，若照準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時，測出偏離的距離坐標值1x。然后將測距儀照準方向右偏離反射鏡中心，直至達到右邊臨界狀態，測出偏離距離坐標值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軸與接收軸在垂直方向上的偏離角度值y，因此，照準軸與接收軸之間的角度偏差 值為：

同理，可以計算得到照準軸與發射軸之間的角度偏差。按照2.1的判斷依據，當＞30"且＞30"時，說明測距儀三軸關系不一致，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完成，根據測距儀的類型不同，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，應先將測角部分校正到合格狀態），并且調焦至無窮遠目標，然后在測距儀前2～3 m處放置一臺經緯儀，用經緯儀精確照準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，此刻可從經緯儀望遠鏡內見到如圖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生偏移，那么影像中看到的紅色光斑也即偏離了望遠鏡十字絲的中心，則需要通過調校，將光斑中心與十字絲中心調整到重合狀態。整個校正方法可分為兩步：①調節紅色光斑的位置，將光斑的中心調到接收管的中心，即將發射軸和接收軸調整至同軸；②再把發射與接收軸的中心調到望遠鏡十字絲中心即可，即將測距軸和照準軸調整至同軸。

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時的度盤值左、右，則偏離反射鏡中心左邊和右邊臨界狀態時的正確角度值計算公式為：

4 結語

本文基于激光測距儀的測距原理，根據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校，兩種檢校方法簡單、實用，且精度滿足相應規程要求，容易被測量人員或檢校機構人員掌握，同時可為測距儀生產廠家提供生產組裝環節的質量保證、出廠檢驗等提供檢測手段。

［1］王文林，江琴，沙定國.矩形點陣法測量激光測距機瞄準軸與接收軸一致性［J］.光學與光電技術，2005，3（2）：26-29.

［2］許鳳喜，范金明，王瑞卿.檢校測距儀三軸關系的實用方法［J］.城市勘測，2008（1）：110-111.

［3］劉建.光軸一致性測量技術原理與應用［J］.云光技術，2010，42（1）：33-36.

［4］王若帆，張國玉，曹秒，等.紅外脈沖激光測距儀發收光軸一致性測試方法研究［J］.長春理工大學學報（自然科學版），2018，41（1）：60-62.

［5］郭達志，周丙申，聶恒莊.大地測量儀器學［M］.北京：煤炭工業出版社，1986.

［6］朱相磊.脈沖-相位式激光測距儀的研究［J］.山東科學，1998，11（3）：3-5.

［7］孟曉芳.全站儀發射、接收、照準三軸同軸的校驗［J］.江蘇測繪，2000，23（1）：47-48.

［8］高坡，胡以華，趙楠翔.近距離收發同軸激光測距精度研究［J］.紅外與激光工程，2014，43（3）：915-919.

［9］中交第一公路勘察設計研究院，中國地震局第二形變檢測中心，陜西省計量測試研究所.JJG 703—2003 光電測距儀檢定規程［S］.出版社不詳，2003.

［10］曾嫦娥，張俊生，沙定國，等.脈沖激光測距機接收軸與瞄準軸平行性測試方法研究［J］.光學技術，2005，31（Suppl 1）：112-117.

P204

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工作。

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

〔編輯：王霞〕