CN101922932B - 一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，解决精密测量和全站仪激光大角度入射时棱镜坐标测量精度较低的问题，用于棱镜-全站仪坐标测量系统。该补偿装置包括棱镜(1)、滤光镜(2)、镜头(3)和光敏位置传感器(4)，所述棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，所述光敏位置传感器(4)的光敏面位于镜头(3)的焦平面上且与镜头(3)轴线垂直，所述光敏面的中心在镜头轴线上。本发明能较好地消除折射效应对棱镜棱角坐标测量的影响，具有精度高、安装和操作简单等优点，可用于盾构测量、道路施工、地形测量等控制点测量领域。

Description

一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置

技术领域

本发明涉及一种角锥棱镜坐标测量误差补偿装置，可用于盾构测量、道路施工、地形测量等控制点测量领域。

背景技术

利用全站仪测定目标棱镜点的坐标是坐标解析测量的主要方法。具有自动识别功能的全自动全站仪可以实现棱镜目标的自动照准、锁定跟踪、自动测量和记录，在动态跟踪测量、自动测量、变形监测等方面有着广阔的应用前景。反射棱镜是构成全站仪系统的重要组成部分，其作用是使全站仪能精确照准目标和反射全站仪激光以实现目标点的角度、距离和位置测量。

棱镜的主要类型有角锥棱镜、棱镜片、360度棱镜等。本发明涉及的是角锥棱镜(或称回归反射器)，它是一种依据临界角原理制造的内部全反射棱镜，反射面为3个互相垂直的棱镜面组成。它不受入射角度大小的影响，把入射光反射180度，即对于任一条进入通光孔径的入射光线，都将被高效地按原方向反射回去。

全站仪发射的激光垂直入射到角锥棱镜后，由棱镜的3个反射面反射并按原方向返回，由测量得到的入射光的水平角、俯仰角以及全站仪与目标棱镜的距离计算出棱镜棱角的坐标。如附图1所示，当激光以一定角度α于A点斜入射到棱镜玻璃体中时会产生折射现象此时按上述计算方法得到的点坐标是棱镜棱角的像点坐标C，与棱镜棱角B真实坐标存在偏差。

通常认为，全站仪小角度入射棱镜时折射对测点坐标影响不大。但是，在入射角较大或使用棱镜作为目标照准点精密测量时，光线折射造成的误差是不容忽视的。且该误差为系统误差，不能通过多次测量求均值的方法消除。当全站仪测距精度为1mm+1ppm时，入射激光以大角度入射造成的点坐标误差可达3mm，而目前并无此类误差的补偿装置。

发明内容

本发明提供一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，解决精密测量和全站仪激光大角度入射时棱镜坐标测量精度较低的问题，用于棱镜-全站仪坐标测量系统。该装置可利用全站仪的测距激光测量激光对棱镜的入射角度，结合棱镜的几何和物理参数，对传统方法计算得到的棱镜棱角坐标进行补偿，提高棱镜棱角坐标的测量精度。

本发明提供的角锥棱镜坐标测量误差补偿装置，机箱内沿轴向在光路上依序装有棱镜、滤光镜、镜头、光敏位置传感器和传输模块，其特征在于：

所述光敏位置传感器的光敏面位于镜头的焦平面上且与镜头轴线垂直，光敏位置传感器光敏面的中心在镜头轴线上，其处理电路的输出信号通过无线传输模块送往计算机。

所述镜头为凸透镜或凸透镜组。

所述棱镜和镜头之间设有滤光镜；所述机箱密封、充氮。

本发明的棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，但不影响全站仪的测量。全站仪发射的激光经棱镜反射后原路返回，测量得到全站仪与棱镜的距离、激光的水平方位和垂直方位，计算可得棱镜棱角的像点坐标；同时部分激光由棱镜切口透过棱镜，由于切口与棱镜入射面平行，这部分激光两次折射后与入射激光平行，经滤光镜滤光后打在镜头上，经镜头聚焦，打在处于焦平面上的光敏位置传感器上，产生感光数据，经处理得到光点在光敏位置传感器坐标系下的坐标。此坐标由传输模块通过标准异步串行通信接口送往外部计算机，结合镜头的焦距可计算得到透射激光相对光敏位置传感器的方位角。由于透射激光与全站仪入射激光平行且光敏位置传感器与棱镜光轴垂直，所以得到的方位角即为全站仪入射激光相对棱镜的入射角。最后根据此入射角补偿全站仪测得的棱镜棱角像点坐标，得到棱镜棱角坐标的真实值。

本发明主要用于测绘和施工过程中的控制点测量。如图4，将机箱固定安装在安装架上并根据全站仪位置调整好机箱的俯仰角度，此时棱镜所处位置即为目标控制点位置。安装架由调平底座调平，使得机箱不会产生绕自身轴线的旋转角。机箱中的棱镜与全站仪之间应确保光路畅通，就可以利用全站仪激光测量棱镜到全站仪的距离、激光的水平角和俯仰角以及激光对棱镜的入射角，计算得到补偿的棱镜棱角坐标值。

本发明能较好地消除折射效应对棱镜棱角坐标测量的影响，具有精度高、安装和操作简单等优点，可用于盾构测量、道路施工、地形测量等控制点测量领域。

附图说明

图1为光路折射造成棱镜坐标测量误差的示意图；

图2为本发明的实施例示意图；

图3为本发明的光学原理图。

图4为本发明的安装图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2，本发明的补偿装置包括棱镜1、滤光镜2、镜头3、光敏位置传感器4和传输模块5(优选为无线传输)，沿光路依序装在所述补偿装置的机箱内。

其中棱镜1直径φ60mm，棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，该小口不影响全站仪的测量；滤光镜2的透光率有10％，1％，0.1％几种，可根据测量距离的变化更换滤光镜，距离越远，则滤光镜透光率需要越高；镜头3为两片凸透镜组成的凸透镜组，凸透镜尺寸φ27mm，f＝35mm；光敏位置传感器4的尺寸为1600像素×1200像素；所述光敏位置传感器4的光敏面位于镜头3的焦平面上且与镜头3轴线垂直，光敏位置传感器4的光敏面的中心在镜头3轴线上，光敏位置传感器4的输出信号通过传输模块送往计算机。

全站仪发射的部分激光经棱镜1反射后原路返回，测量得到全站仪与棱镜的距离、激光的水平方位和垂直方位，计算可得棱镜棱角的像点坐标；同时，另外的部分激光由棱镜1切口透过棱镜1，由于切口与棱镜1入射面平行，这部分激光两次折射后与入射激光平行，经滤光镜2滤光后打在镜头3上，经镜头3聚焦，打在处于镜头3焦平面上的光敏位置传感器4上，产生感光数据，经处理得到光点在光敏位置传感器坐标下的坐标，此坐标由传输模块5通过标准异步串行通信接口送往外部计算机，结合镜头3的焦距可计算得到透射激光相对光敏位置传感器4的方位角。由于透射激光与全站仪入射激光平行且光敏位置传感器4与棱镜光轴垂直，所以得到的方位角即为全站仪入射激光相对棱镜1的入射角。最后根据此入射角补偿全站仪测得的棱镜棱角像点坐标，即可得到棱镜棱角的真实值。

考虑到实际应用，上述标准异步串行通信接口可采用RS-485。

各部件安装时加工精度要求达到设计精度：6级精度；机箱密封、充氮、防震。

图3为本发明的光学原理：全站仪O瞄准棱镜棱角B点，它发射的激光通过一定角度入射到棱镜1上的A点，经滤光镜2滤光，由镜头3聚焦，在位于镜头3焦平面上的光敏位置传感器4上汇集为一点，该点坐标可由光敏位置传感器4的信号处理电路处理得到。

设棱镜1长度为H，折射率为n，镜头3的焦距为f，光线在光敏位置传感器4上的汇聚点在光敏位置传感器上的坐标为(u，v)，光线入射角为α(可分解为水平入射角p与垂直入射角q)，折射角为γ，由于打在镜头上的透射激光与全站仪入射激光平行，且光敏位置传感器与棱镜入射面平行，所以

$\tan \mathrm{\α}=\frac{\sqrt{u^2+v^2}}{f}$

$\tan p=\frac{u}{f}$

$\tan q=\frac{v}{f}$

此入射角就是产生棱镜坐标测量误差的来源。

由光的折射定律，入射光线OA、折射光线AB以及法线n₁在同一平面ABC内，则

$\left|\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\right|=\left|\stackrel{\→}{\mathrm{AC}}\right|=\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}},$ 且

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\γ}}=n$

设全站仪测量得到的全站仪与目标棱镜距离为1，入射激光俯仰偏角为t，水平偏角为s。由全站仪测量数据得到的点坐标为

x＝lsintcoss

y＝lsintsins

z＝lcoss

该坐标实际上是棱角B的像点C的坐标，则

$\stackrel{\→}{\mathrm{OC}}=(x,y,z)$

$\stackrel{\→}{\mathrm{AC}}=\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}\·\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OC}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OC}}\right|}$

通过C点坐标计算得到棱镜实际棱角B点的坐标(x’，y’，z’)。

设机箱相对全站仪坐标系俯仰角为β(沿测量方向向上俯仰为正)，水平角为δ(沿测量方向向右偏转为正)，则

β＝t-q

δ＝s-p

那么光路法线n₁的方向矢量为

$\stackrel{\→}{n_1}=(\tan \mathrm{\δ},1,\tan \mathrm{\β})$

得面ABC的法矢量

$\stackrel{\→}{n_2}=\stackrel{\→}{\mathrm{OC}}\×\stackrel{\→}{n_1}$

由AB在面ABC内、AB与n夹角为γ以及有：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\·\stackrel{\→}{n_2}=0\\ \frac{\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\·\stackrel{\→}{n_1}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\right|\left|\stackrel{\→}{n_1}\right|}=\cos \mathrm{\γ}\\ \left|\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\right|=\frac{H}{\cos \mathrm{\γ}}\end{array}\right.$

求出的有两个值，对称分布在法线n₁两边，由入射光线与折射光线分布在法线两侧，取与

夹角较小的那个向量即为所求

因此求得B点坐标(x’，y’，z’)：

$\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}=(x^{\′},y^{\′},z^{\′})=\stackrel{\→}{\mathrm{OC}}-\stackrel{\→}{\mathrm{AC}}+\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}.$

Claims (9)

1.一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，用于对经全站仪测量的角锥棱镜坐标测量值进行误差补偿，该补偿装置包括角锥棱镜(1)、滤光镜(2)、镜头(3)和光敏位置传感器(4)，所述角锥棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，所述光敏位置传感器(4)的光敏面位于镜头(3)的焦平面上且与镜头(3)轴线垂直，所述光敏面的中心在镜头轴线上；

全站仪发射的入射激光经角锥棱镜(1)反射后得到角锥棱镜棱角的像点坐标，同时部分激光由角锥棱镜(1)的小口透过角锥棱镜(1)，经滤光镜(2)滤光后打在镜头(3)上，经镜头(3)聚焦后形成光点，打在光敏位置传感器(4)上，产生的感光数据经处理得到该光点在光敏位置传感器(4)坐标下的坐标，并计算得到透射的激光相对光敏位置传感器(4)的方位角，即为全站仪入射激光相对角锥棱镜(1)的入射角，根据此入射角补偿全站仪测得的棱镜棱角像点坐标，即可得到所述角锥棱镜棱角值。

2.根据权利要求1所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，该补偿装置还包括传输模块(5)，所述光点在光敏位置传感器(4)坐标下的坐标经该传输模块(5)传输到外部处理设备计算得到所述的方位角。

3.根据权利要求1或2所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，所述的传输模块(5)为无线传输模块。

4.根据权利要求3所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，所述的补偿装置通过机箱充氮密封。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，所述的镜头(3)为凸透镜或凸透镜组。

6.根据权利要求1或2或4所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，以全站仪为原点O建立直角坐标系，A为入射激光在角锥棱镜上的入射点，B为角锥棱镜棱角，C为全站仪所测的像点，则角锥棱镜棱角坐标值计算式为：

。

7.根据权利要求6所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于， 

通过如下公式计算得到： 

其中，H为棱镜长度，γ为折射角。

8.根据权利要求7所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，所述的折射角γ通过如下公式计算得到：

其中，α为入射角，n为角锥棱镜折射率。

9.根据权利要求8所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于， 

通过如下公式计算得到：

其中， 

为面ABC的法向矢量， 

为法线的方向矢量，H为角锥棱镜长度，γ为折射角。 

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