手持式激光测距仪检定方法及系统研究

2024年3月9日发(作者：)

手持式激光测距仪检定方法及系统研究

乔卫东;赵敏;刘康;李倩;方静

【摘 要】针对现有手持式激光测距仪检定方法所需场地大、室外环境干扰因素多的

问题，提出了一种“小空间长距离”的测量方案，基于此方案研制的手持式激光测距仪检

定装置，以高精度全站仪的示值作为长度基准，利用镜面反射原理，在室内16 m长导轨

上复现50 m标准长度，消除了野外测量中环境因素的影响。实验结果表明，检定系统满

足JJG 966—2010《手持式激光测距仪》检定规程中示值误差检定技术要求，可以实现

对手持式激光测距仪示值误差的检定。%The existing verification methods of the

hand-held laser rangefinder have the problems of large space requirement and

many interference factors of outdoor environment. A measurement method

of“small space for long distance”is presented and the verification device of

hand-held laser rangefinder is developed. The indicating value of a total station is

used as length basis. The 50m length is produced indoor on the 16m guide rail by

the mirror reflection principle. The environmental influences in outdoor

measurement are eliminated. The experimental results show that the verification

system can meet the indication error requirements in the verification regulation

of“JJG 966—2010”about the hand-held laser rangefinder. The indication error

verification of the hand-held laser rangefinder is realized.

【期刊名称】《计量学报》

【年(卷),期】2016(000)001

【总页数】4页(P15-18)

【关键词】计量学;激光测距仪;全站仪;反射;示值误差;检定

【作 者】乔卫东;赵敏;刘康;李倩;方静

【作者单位】西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安710048;西安理工

大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学

院，陕西 西安710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安710048;西安

理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安710048

【正文语种】中 文

【中图分类】TB92

电磁波测距仪根据其载波的不同可以分为微波测距仪、红外测距仪和激光测距仪

［1］。手持式激光测距仪以其成本低、能精确地完成短距离内的测量等优点而得到广泛

应用［2］。对手持式激光测距仪进行检定和校准，是业内人士关注的问题。现有的测量

方法是要求建立一条一定长度范围的基准线，一般在50～200 m之间，而普通的实验室

空间往往无法达到上述要求，所以一般建立的都是野外基线［3］。但是野外检定受环境

影响可能造成很大的测量误差，不能满足良好的实验环境要求［4］。这就要求对手持式

激光测距仪制定出更加行之有效的检定方法。

2.1 测量原理

激光测距仪按工作方式主要分为脉冲式和相位式两种［5］。脉冲式测距主要适用于

大距离或超大距离的测量，测量精度较低，一般为米级。相位式测距通常适用于中短距离

的测量，测量精度可达毫米或微米级，是目前测距精度最高的一种方式，大部分短程测距

仪都采用这种工作方式［6］。

本文研究对象是相位式激光测距仪，该仪器测距原理是利用一个调制信号调制发射波

的光强，再利用此“调制光波”往返于待测距离之间的相位差值，间接求取待测距离D，

计算公式为：

式中：λ为调制光波长；φ为调制光在待测距离上的相位差；c为调制光传播速度；t

为调制光往返于待测距离之间所需要的时间；f为调制光频率［7］。

式中：ΔN1=Δφ1／2π，ΔN1表示相位φ中包含2π的整数倍；Δφ表示不是整周

期2π的相位尾数。

2.2 测量方案及组成

对手持式激光测距仪在50 m内的测距精度进行检定，如果选用传统测量方法需在室

内搭建50 m长度的检测平台，而实验室空间有限很难满足。为此，利用反射镜使光线在

空间内进行多次折返，来完成大长度检测所需的空间，以高精度全站仪（全站型电子速测

仪）的示值为长度基准，在现有16 m长的室内导轨上复现50 m标准长度，有效地解决

系统所需空间过大的问题，同时使其能满足JJG 966—2010《手持式激光测距仪》检定

规程［8］中示值误差检定的技术要求，实现对手持式激光测距仪示值误差的检定。

检定系统由全站仪、激光测距仪、固定托板、活动托板、反射镜组、光阑、反射板组

成，如图1所示，其中固定托板、活动托板置于16 m长导轨上，被测激光测距仪和反射

镜组1安装在静止的拖板上，作为标准长度复现的全站仪相对激光测距仪位置固定［9］，

反射镜组2被安装在活动拖板上。当改变活动拖板和固定拖板之间的距离时，手持式激光

测距仪测量的光程便被改变。检测中分别用测距仪和全站仪测量此光程，完成一个测点的

测量，按检定规程要求，在50 m的距离内要进行不少于10个测量点的测量，测得的数

据以全站仪的测量结果作为基准对测量结果进行比对分析，便可得到测量结果的不确定度。

由于反射镜组1、2之间存在无法进一步减小的最小间距，使激光测距仪和反射板之间对

应一段固定光程，因此系统近距离检测受到了限制，为此，在检定0～10 m的距离时，

可以直接把反射板放置在移动拖板上，通过直接移动拖板对10 m内的测量点进行测量。

2.3 反射器选择

角锥棱镜和直角棱镜均可完成光线自准直［10］，当棱镜参数都严格符合理想数据

时，进入棱镜和从棱镜反射出来的光线是平行的，但是存在半波损失问题［6］，而全站

仪、激光测距仪的测距原理都是相位式测量，故系统中选择平面反射镜作为反射器来代替

棱镜进行自准直。反射镜按照直角棱镜的原理来组合，当两面反射镜之间夹角为90°时，

入射光和出射光是相互平行的。

在选择反射镜时需要充分考虑所选反射镜的反射率，其对测距仪能否接受到反射光有

很大影响。根据图1可知，光线需要经过12次反射后回到测距仪上，而在反射过程中，

应考虑光线的传播损失以及反射镜对光线的反射损失。

出射光经反射镜反射回来的能量可表示为：

式中：I为反射能量；α为镜面反射率；I0为初始能量。

不同种类反射镜反射能量的对比如表1所示，反射率为85%的铝镜，经12次反射后

的能量为初始能量I0的14.2%；反射率为95%的银镜，其经12次反射后的能量为I0的

54.03%；虽然反射率为99%纳米镜能量损失小，但是价格昂贵。故在系统中选用了银镜。

通过采用全站仪和激光测距仪进行的多测点比对测量，验证了以银镜作反射镜所造成的光

线损失对测距结果影响很小，误差均在允许范围内。

为保证量值传递的准确性，系统在研制过程中，首先将作为长度基准的全站仪以及被

检手持式激光测距仪送到中国计量科学研究院进行校准、标定，然后将本系统测量所得手

持式激光测距仪示值误差与中国计量科学研究院测得的示值误差进行数据比对，以全站仪

的光程为标准距离，手持式激光测距仪的光程与全站仪的光程之差为手持式激光测距仪示

值误差［11］。计算公式如下：

式中：S为手持式激光测距仪的示值误差；l为手持式激光测距仪的示值；L1为全站

仪的测量示值；L0为全站仪与手持式激光测距仪测量基准边之间的距离示值。

系统测量误差不确定度主要来源如下：

（1）全站仪测量误差引起的不确定度分量u（L1）和u（L0）

系统采用的是NET05全站仪，测距精度为±（0.5＋1×10-6×D）mm，其中D为测

量光程。

服从均匀分布，

（2）全站仪与手持式激光测距仪光点不一致性引起的测量不确定度u（L2）

在测量过程中，虽然利用光阑使全站仪和手持式激光测距仪的光路尽量保持一致，但

测量中可以看出，两条光线在反射板上的光斑位置还是具有一定的夹角θ。而50 m距离

反射板上的光斑位置差距可控制在3 cm之内，则

光程差

（3）直角镜角度偏差引起的不确定度u（L3），可通过将全站仪和手持式激光测距

仪的光斑调整重合，而忽略直角镜的角度偏差的影响。

（4）反射片厚度引起的测量不确定度u（L4），在计算误差时可以修正，故可以不

考虑。

因此检定系统的标准不确定度

（5）手持式激光测距仪的标准不确定度

系统所检手持式激光测距仪属于一级测距仪，其分辨率是1 mm，分辨率除以2则可

得标准不确定度为u（l）=0.29 mm

合成标准不确定度

扩展不确定度

其中覆盖因子k=2。

中国计量科学研究院检测手持式测距仪的标准不确定度是手持式测距仪不确定度与检

定系统不确定度的合成，uci≈0.3 mm。

在对同一量值进行多组测量以后，根据计算数据比较法，如果不存在系统误差，手持

式激光测距仪的数据对比结果需满足公式：

式中：Ybi为手持式激光测距仪检定系统在第i个测量点测量的示值误差值；Yci为中

国计量科学研究院测量的第i个测量点示值误差值；ubi=uc（S）为Ybi的标准不确定度；

uci为Yci的标准不确定度；k=2。

由表2的验证结果数据可知，各测点En值均小于1，由此可知检定系统不存在系统

误差影响。

利用检定系统对手持式激光测距仪进行多次测量，测量重复性检验选在20 m处测量

10次，计算结果重复性小于1 mm；示值误差检验中共测量数据11组，每组数据在0～

50 m范围内设置15个测点，每个测点测量5次，以其平均值作为该测点的测量值［8］，

经测量计算，所有示值误差均未超出1.5 mm。测量结果显示该手持式激光测距仪测量重

复性及示值误差满足要求，该结果与中国计量科学研究院的检测结果相一致。

目前手持式激光测距仪检定系统已通过验收。该检测系统具备全室内检测功能，在室

内16 m长导轨上可复现50 m标准长度，消除了野外测量中环境因素的影响。实验结果

表明，检定系统满足JJG 966—2010《手持式激光测距仪》检定规程中示值误差检定技

术要求，可以实现对手持式激光测距仪示值误差的检定。系统的研制有效降低了劳动强度，

提高了检测效率，方便标定和维护，大大节省了工作成本，适应于检测市场发展需求。

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