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全站仪入门知识，测量新手必看！

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2021-02-05

导读：测量技术干货

全站仪电子测距

01 电子测距的基本公式

电子测距是采用光电技术通过测量光波在测段上往返传播的时间来计算测段距离的。如果测得光波在测段上往返传播的时间为t，则测段距离：

S=ct/2 (1.4)

式中 c——大气中的光速，约300000km/s。

电子测距的精度取决于时间测量的精度。若要求距离测量的误差为0.015m，则时间测量的精度必须达到10^-10s。所以，电子测距的关键是提高时间测量的精度。

根据时间测量的方式，电子测距分为脉冲式电子测距和相位式电子测距两种。

脉冲式电子测距是采用填脉冲的方法直接测量光波往返的时间。由于光速太快，目前技术上脉冲的频率还难以达到10^-10s这个精度，所以全站仪电子测距不采用这种方式。

相位式电子测距是通过测量调制信号在测段上往返传播产生的相位增量来间接测定时间，从而求得测段距离。相位式测距精度高，全站仪电子测距都是采用相位式测距。

02 相位法测距原理

相位式电子测距除了依靠光波外，还借助于一种测距信号。这种测距信号由本机振荡器产生，并加载到光波上，形成调制光波。测距信号加载调制过程类似于无线电广播中音频信号加载调制过程。

电子测距的发射系统在测距时向外发射调制光波，接收系统接收经反射棱镜反射回来的调制光波，由解调器解出测距信号，由检相器对发射信号相位和接收信号相位进行比较，并测出其相位增量，从而间接地计算测段距离。相位式电子测距框图如图1.8所示。

设测距信号的频率为f，则其角频率：

ω=2πf （1.5）

调制信号测段上往返的相位增量：

φ=ωt=2πft （1.6）

于是有：

t=φ/2πf （1.7）

调制信号在测段上往返的波形如图1.9所示。

调制信号的相位增量φ包含N个整周期相位和不足一个整周期相位的△φ，即：

φ=2πN + △φ （1.8）

将式（1.8）代入式（1.7）得：

t=2πN + △φ/2πf （1.9）

将式（1.9）代入式（1.4）得：

s=c/2f （N+△φ/2π） (1.10)

以λ表示调制信号的波长，令△N=△φ/2π，则有：

s=λ/2 （N+△N） (1.11)

这就是相位式电子测距的基本公式，相当于用半波长的这把尺子去丈量距离，共增加了N个整尺和不足1个整尺的小数部分，距离值由此计算而得，因而半波长又称为光尺。

03 测程与测距精度

事实上，检相器只能测出△φ，而不能测出2πN，这就要求设定的光尺要比所测距离长。当光尺要比所测距离长时，N就等于0，所测距离为△N与半波长之积。

另外，检相器的精度一般为1/1000左右。若光尺设定得很长，测距误差也会增大。如3000m的光尺，其测距误差为3m，为了保证一定的测程和一定的测距精度，全站仪一般设定了多把长短不一的光尺。最长的光尺决定仪器的测程，最短的光尺决定仪器的精度。仪器无法测出长于最长的光尺的距离。

例如，用10km的光尺测量一段距离，测得△N=0.247；用100m的光尺测量该段距离，测得△N=0.691；用1m的光尺测量该段距离，测得△N=0.083。则该段距离值为2469.083m，误差只有1-2mm。

04 免棱镜测距

免棱镜测距又称无合作目标测距，测距时不需要安置目标反射棱镜，仪器直接照准所测物体，便可测得仪器至该物体的距离，免棱镜测距能大大减轻野外作业强度，特别是当目标位置难以到达，或具有危险性时，免棱镜测距更具优越性，因广受用户欢迎而成为当今全站仪发展的一个重要方向。新近出产的全站仪，大部分都具有免棱镜测距功能。

没有棱镜反射回波信号，仪器接收系统只能接收漫反射，而漫反射的信号强度比棱镜反射信号要微弱得多。这种情况下，要实现距离测量，必须提高发射功率，以提高漫反射信号的强度，同时还要提高仪器的接收灵敏度，使之能识别微弱的漫反射信号。这种免棱镜测距的方式不仅增加了电子测距系统的复杂度和仪器供电负担，而且免棱镜测程很短。

目前广泛采用的免棱镜测距方式是激光测距。这种仪器具有两种载波源，一个是红外光，一个是激光，红外光用于棱镜测距，激光用于免棱镜测距。两种测距模式可以通过键盘操作进行切换。由于激光发散角小、平行性好，传播过程中衰减较小，因而大大地增加了免棱镜测距测程。同时，采用一定的技术措施，使免棱镜测距精度也有所提高。但同一台仪器，免棱镜测距精度仍然低于棱镜测距的精度。