1965年，首次提出双波长激光测距的概念，其目的在于减小大气折射对激光测距值的影响。因为激光在大气中传输时，大气折射率是变化不定的，很难从地面精确测定，因此，单波长激光测距仪无法准确提供大气折射改正数，使得激光测距精度受到一定制约。若沿同一传输路径，采用不同波长的激光同时测距，则可以推算出大气折射改正数，提高激光测距精度。

双波长激光测距仪和单波长激光测距仪相似，有相位式和脉冲式激光测距两种方式。两种波长可以由两个独立的激光器或者由单个激光器通过晶体调制产生，通常是红色和蓝色两种波长。双色激光测距仪将蓝光和红光通过相同的发射光学系统发射至目标表面，它们经由目标的反射后被接收光学系统收集，进入两套独立的光电探测系统。每个探测系统分别将红光和蓝光转换为电信号并输入电子计时单元中，对于相位式和脉冲式双色激光测距仪而言，其计时单元分别是鉴相器和时间计数单元。因此，双色激光测距仪将可以同时测量出同一目标的两个测距结果。

假定双波长激光测距仪最终输出的激光测距值为，波长和分别对应的激光测距值为和，则可以表示为：

或　　　（1）

式中和分别为仪器改正常数；，，其中和分别为双波长的大气群折射率。在适当湿度条件下，对于给定波长，和的一阶近似表达式可以写成如下形式：

　　　　　　（2）

　　　　　　（3）

式中为大气色散散射,其表达式为：

    （4）

通过色散函数，大气折射改正数不再需要地表大气参数的准确值和大气改正模型，只需要知道双色激光的波长值及其对应的测距结果即可修正大气影响。