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激光测距仪三轴一致性检验方法研究

2020-11-26 328 上传者：管理员

摘要：激光测距仪具有测量精度高、抗干扰能力强等特点，被广泛应用于各种测量行业及军工领域，其三轴一致性（照准轴、发射轴、接收轴的平行性）是测距性能的保障。基于激光测距原理，根据测距仪是否带角度测量功能，介绍了两种三轴一致性的检验方法，并提出可利用光斑校正法与角度校正法对三轴进行调校，两种检校方法简单、实用，且精度满足相应规程要求。

关键词：
三轴一致性
测距轴
测量精度
激光测距
激光测距仪
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激光测距仪具有测量精度高、抗干扰能力强、准直性好等诸多特点，被广泛应用于各种测量行业及军工领域。激光测距仪三轴一致性（照准轴、发射轴、接收轴的平行性）的变化直接影响测距仪的分辨率与准测率等测距性能参数[1]，但测距仪在运输与使用过程中，经历振动、碰撞、高低温等变化后，其三轴之间常常会发生偏移，使发光管发出的光不能被接收管收到，或是测距轴与照准轴不一致，光信号无法变成电信号[2]等问题。激光测距仪测距三轴一致性是其测距性能的保障，一致性不好的测距仪，对于较远测距目标的准确率一般不高[3]。因此，三轴一致性的检验与调校对于客观准确地评估激光测距仪性能具有非要重要的意义。目前，传统的检验与校准方法操作简单，但其结果不够准确。文献[4]利用离轴抛物面牛顿反射式平行光管设计技术、高精度位移测控技术、红外激光上转换技术等，进行红外脉冲激光测距仪发射与接收光轴一致性测量，需要的设备高端，技术要求高，操作复杂；文献[5]介绍了根据实测的等相位误差曲线精确校准测距仪三轴的平行性方法，测定等相位误差曲线比较复杂、烦琐，不易被测量人员掌握。基于此，本文针对不同类型的测距仪，分别提出两种检验及校正测距仪三轴一致性的实用方法。

1、激光测距原理

目前应用的激光测距仪通常有脉冲式和相位式两种类型，对被测目标距离进行测量，虽然前者是通过发射和接收激光脉冲信号的时间差来实现的，后者是通过发射连续激光信号和接收信号之间的相位差所含有的距离信息来实现的[6]，但是二者均是发射系统发射的红外光，经被测点处的反射镜反射，再返回其接收系统，根据光波往返传播所产生的时间差或相位差计算该段距离。

激光测距仪的照准、发射、接收三系统的性能直接关系到其测距结果的精度，为了确保测距仪的准测率与分辨率等性能参数，激光测距仪均采用共轴式结构，即其照准、发射、接收系统共一条轴线，也即三系统共用同一个物镜，发射光管的光轴与接收光管的光轴同在望远镜系统的光轴上，而且经反射镜反射回来的光信号也必须原路返回，沿着望远镜系统的光轴而聚集到光电接收管上，如图1所示。经过电源板，将光信号转为电信号，再经接收板传至逻辑板，通过计算机算出测定距离，再将计算结果传到显示板，由显示屏显示出来[7,8]。

图1测距仪三轴同轴原理示意图

2、三轴一致性检验方法

2.1具备角度测量功能的测距仪

对于具备角度测量功能的激光测距仪，如全站仪，其拥有良好的测角功能，可以通过在水平方向和垂直方向测算测距仪回光信号的范围角值[2]，进而判定测距仪三轴关系的一致性。

将发射镜安置于距测距仪200～300m处，用测距仪望远镜精确照准反射镜中心，分别读取其水平和竖直度盘读数H、Z，然后缓慢旋转测距仪水平微动旋钮，使照准方向从反射镜中心向左偏离，观察测距仪返回信号的变化，直至测距仪接受的回光信号强度达到最小临界状态（时有时无）时，读数其水平和竖直度盘读数H左、Z左。参照同样方法测定测距仪照准方向偏离反射镜中心右边临界状态时的水平和竖直度盘读数H右、Z右。

水平与竖直方向偏离角计算公式为：

依据文献[9]，当α≤30"且β≤30"时，说明测距仪三轴同轴；否则，三轴关系不一致，为提高测距精度，需对其进行校正。

2.2不具备角度测量功能的测距仪

对于不具备角度测量功能的激光测距仪，无法通过上述测角方式判定其三轴关系的一致性，此时的检验思路是将测角转换为测距[10]，利用测距计算出测距仪临界状态（回光信号最弱）时的范围角值，从而判定三轴关系是否一致。

以测距仪望远镜中心为原点，建立一直角坐标系，假定反射镜中心坐标为（D0x,D0y），如图2所示。用望远镜照准反射镜中心，若照准轴与接收轴在水平方向存在偏差角θx，缓慢地将测距仪照准方向左偏离反射镜中心，直至测距仪接收的回光信号强度达到最小临界状态时，测出偏离的距离坐标值D1x。然后将测距仪照准方向右偏离反射镜中心，直至达到右边临界状态，测出偏离距离坐标值D2x。则水平方向距离偏离值Dx=D0x-(D1x+D2x）/2换算成角度后，其角度偏离值θx=Dx/L，其中L为测距仪望远镜中心到反射镜中心的距离。

图2检验原理示意图

采用上述方法也可测出照准轴与接收轴在垂直方向上的偏离角度值θy，因此，照准轴与接收轴之间的角度偏差值为：

同理，可以计算得到照准轴与发射轴之间的角度偏差γ。按照2.1的判断依据，当θ>30"且γ>30"时，说明测距仪三轴关系不一致，需对其进行校正。

3、三轴偏移的校正方法

激光测距仪三轴偏移的校正一般在检验室内完成，根据测距仪的类型不同，可选择不同的校正方法。

3.1光斑校正法

将测距仪安置于检校工作台上（如果测距仪具备测角功能，应先将测角部分校正到合格状态），并且调焦至无穷远目标，然后在测距仪前2～3m处放置一台经纬仪，用经纬仪精确照准测距仪的十字丝影像，即二者的十字丝重合。此时打开测距仪的盖板，找到其接收管的屏蔽盒，并利用外部光源照亮屏蔽盒，按下测距键，此刻可从经纬仪望远镜内见到如图3所示的影像。

图3三轴校正影像图

如果测距仪的三轴已发生偏移，那么影像中看到的红色光斑也即偏离了望远镜十字丝的中心，则需要通过调校，将光斑中心与十字丝中心调整到重合状态。整个校正方法可分为两步：(1)调节红色光斑的位置，将光斑的中心调到接收管的中心，即将发射轴和接收轴调整至同轴；(2)再把发射与接收轴的中心调到望远镜十字丝中心即可，即将测距轴和照准轴调整至同轴。

3.2角度校正法

对于带度盘式的测距仪，不仅可以通过上述光斑校正法调校其三轴一致性，还可以通过角度校正法进行校正。

基于2.1检验方法中测量得到的测距仪照准反射镜中心时的水平度盘值H，及左右偏离反射镜中心至临界状态时的度盘值H左、H右，则偏离反射镜中心左边和右边临界状态时的正确角度值计算公式为：

旋转测距仪水平微动螺旋，直至水平角读数为α右时，利用改针调节测距仪水平角校正螺钉，直至测距仪返回的光强信号处于临界状态。然后，测算测距仪偏离反射镜中心左边临界状态时的水平度盘读数左，并与α右进行检核，当二者差值大于30″时，应重复以上操作，直至满足要求。垂直方向的校正可参照上述操作进行。

4、结语

本文基于激光测距仪的测距原理，根据测距仪是否带角度测量功能，介绍了两种三轴一致性的检验方法，并提出可利用光斑校正法与角度校正法对其进行调校，两种检校方法简单、实用，且精度满足相应规程要求，容易被测量人员或检校机构人员掌握，同时可为测距仪生产厂家提供生产组装环节的质量保证、出厂检验等提供检测手段。

参考文献：

[1]王文林,江琴,沙定国.矩形点阵法测量激光测距机瞄准轴与接收轴一致性[J].光学与光电技术,2005,3(2):26-29.

[2]许凤喜,范金明,王瑞卿.检校测距仪三轴关系的实用方法[J].城市勘测,2008(1):110-111.

[3]刘建.光轴一致性测量技术原理与应用[J].云光技术,2010,42(1):33-36.

[4]王若帆,张国玉,曹秒,等.红外脉冲激光测距仪发收光轴一致性测试方法研究[J].长春理工大学学报(自然科学版),2018,41(1):60-62.

[5]郭达志,周丙申,聂恒庄.大地测量仪器学[M].北京:煤炭工业出版社,1986.