CN103487013B - 一种高精度垂轴倾角测量系统及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度垂轴倾角测量系统及其标定方法，包括车载平台和固定安装于车载平台上的光电经纬仪，该光电经纬仪搭载有第一成像装置；所述高精度垂轴倾角测量系统还包括搭载有第二成像装置的电视自准直仪、以及位于电视自准直仪正下方并与地面相对固定的平面反射装置；所述电视自准直仪垂直固定于光电经纬仪底座下方。其标定方法步骤如下：光电经纬仪粗调平；开启电视自准直仪；在光电经纬仪同一水平位置安装水平放置的平行光管；倾斜车载平台；转动光电经纬仪的方位轴；再次倾斜车载平台。本发明简化了系统结构，提高了垂轴倾角测量的效率。

Description

一种高精度垂轴倾角测量系统及其标定方法

技术领域

本发明涉及一种垂轴倾角测量系统及其标定方法，特别适用于不落地工作模式的垂轴倾角测量。

背景技术

垂轴倾角测量主要用于光电经纬仪不落地测量技术，垂轴倾角直接影响光电经纬仪对目标的测量精度，常规的光电经纬仪采用落地工作模式，开始测量工作前先进行经纬仪自身的严格调平，以目前的调平方法可使经纬仪的垂轴误差调整到3″以下，经纬仪的综合测量误差可以达到10″以下。而采用不落地工作模式时，由于车体支撑机构的刚性和间隙导致了经纬仪总是带有一个较大的垂轴误差，并且该误差随着外界扰动还会不断变化，经过实际测量，由阳光照射、风吹、人员走动等外界扰动造成车体垂轴变化可达到3′以上，无法满足当前光电经纬仪的测量精度要求，因此必须对经纬仪的垂轴晃动误差即倾角误差进行实时测量，并进行对测量结果进行修正补偿。

目前，国内采用的倾角测量方法有两种方法：一种方法是在经纬仪底座上安装整装式的二维倾角传感器，通过传感器测出正交的两向垂轴误差。这种方法的主要缺点是倾角传感器的响应速度达不到经纬仪车体平台的变形速度，测量数据滞后于车体平台的倾角变形，所得数据无法真实表征车体的高频变化，通过滤波只能感应车体的低频变形。还有一种方法是光学非接触测量方法，采用两个电视自准直仪对车体的俯仰和横滚变形进行监视(图1)，通过时统系统将车体的两个方向的数据进行记录，再用测量数据对测量结果进行补偿。但测量工作开始前还需要对自准直仪进行调水平和调正交，该方法的优点是结果真实准确，其缺点是测量准备时间太长，不利于工程上对测量系统快速展开、机动测量的要求。

发明内容

本发明提供一种高精度垂轴倾角测量系统及其标定方法，旨在简化系统结构，提高垂轴倾角测量的效率。

本发明的基本原理是：

本方法为满足快速响应的特点，采用光学非接触式的测量方法，采用一台电视自准直仪，垂直固定于光电经纬仪底座下方，光电经纬仪的垂轴晃动会带动自准直仪的光轴变化，采用水银水准器进行水平指示，通过电视自准直仪的出射像和水银水准器的反射像计算经纬仪垂轴两个方向(俯仰和横滚)的倾斜量。通过经纬仪上光学系统对水平静止放置的平行光管成像，分别判读倾斜车体前后两套光学系统的成像数据，对比二者的判读数据即可计算出两套坐标系的对准夹角。

本发明的技术方案如下：

一种高精度垂轴倾角测量系统，包括车载平台和固定安装于车载平台上的光电经纬仪，该光电经纬仪搭载有第一成像装置；其特征在于：所述高精度垂轴倾角测量系统还包括搭载有第二成像装置的电视自准直仪、以及位于电视自准直仪正下方并与地面相对固定的平面反射装置；所述电视自准直仪垂直固定于光电经纬仪底座下方。

基于上述基本方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：

上述平面反射装置采用水银水准器，从而保证反射面的绝对水平。

上述光电经纬仪还安装有电子水平仪。

上述第一成像装置和第二成像装置均采用光电传感器(CCD)。

对上述高精度垂轴倾角测量系统进行标定的方法，包括以下步骤：

(1)光电经纬仪粗调平；

(2)开启电视自准直仪，电视自准直仪发出准直光束经水银水准器反射回第二成像装置；调整电视自准直仪的安装位置，使反射光束的像点位置位于第二成像装置的成像面的中心；

(3)在光电经纬仪同一水平位置安装水平放置的平行光管，第一成像装置接收来自平行光管的光束，调整平行光管的架设位置，使得该光束的像点位置位于第一成像装置的成像面的中心；

(4)倾斜车载平台，第一成像装置和第二成像装置的成像目标在各自的成像面上产生位移矢量，记录坐标变化量分别为(ΔX1，ΔY1)、(ΔX2，ΔY2)，按照下式计算：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y2}{\mathrm{\Δ}X2}\right)-arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y1}{\mathrm{\Δ}X1}\right);$

此Δθ为之后步骤光电经纬仪的方位编码器与电视自准直仪CCD的对准夹角；

(5)转动光电经纬仪的方位轴，转动角度为Δθ；

(6)再次倾斜车载平台，记录本次位移矢量的(ΔX1，ΔY1)、(ΔX2，ΔY2)，核实是否ΔX1＝ΔX2、ΔY1＝ΔY2，如果相等，则表明步骤(5)对方位轴转过角度Δθ后，光电经纬仪的方位编码器零点与电视自准直仪的成像面坐标对准，即完成标定。

本发明具有以下优点：

1.整套系统仅使用一台电视自准直仪，减少了测量所需的元器件，降低了垂轴倾角测量的成本，实现了快速展开设备，快速获得真实测量数据的特点。

2.采用本发明给出的标定方法，通过简单的实验室设备就可以完成两套系统的坐标系对准标定工作，一次标定便可实现较长时间的高精度工作，不用像传统方法那样每次工作时都需要先校准设备，显著提高了工作效率。

3.该标定方法获得的对准精度较高，基本可以使两套系统坐标系对准的残余误差对测量精度的影响忽略不计，从而使不落地测量的整套思路和装置由理论设想变成了可以进行工程实施的规范产品。该方法可行可靠，具有较大的经济效益。

附图说明

图1为传统车载平台的变形测量方法；其中，10-车载平台；11-俯仰变形；12-横滚变形。

图2为本发明的测角原理。

图3为本发明的成像数据处理示意图。

图4为本发明进行标定时的系统结构示意图，车载平台按照图中箭头方向进行前倾、后倾。其中，1-光电经纬仪(本体)，2-光电经纬仪上的第一成像装置，3-电视自准直仪，4-平行光管，5-水银水准器，6-自调平刚性支腿。

图5为电视自准直仪与光电经纬仪光学系统成像对照图。

具体实施方式

电视自准直仪垂直固定安装于光电经纬仪车载底座，在地面上放置平面反射装置(水准器)，为系统提供水平基面。当运动产生的转动惯量和风力等影响会带动车体的晃动和变形时，经水银水准器反射后的十字丝在CCD上成像。

根据非接触测量系统的光路特点，系统安装、调试完毕，光电经纬仪的方位编码器的绝对零位与电视自准直仪的十字丝的相对位置便已确定，采用电视自准直仪，即可测得光电经纬仪的动态调平和变形误差(即经纬仪垂直轴倾斜误差)。当经纬仪基座姿态发生变化时，出射至平面反射装置的光路会发生改变，与原先的光路产生α的偏移角，该偏移角α即为基座绕CCD靶面X、Y轴方向的偏移角度，发生变化的光路通过地面的平面放射镜一次反射后将偏移角度放大1倍。

CCD靶面的像点位置会发生变化，将CCD输出的图像采集至视频跟踪器进行像点脱靶量的判读，并将处理结果通过PS232/422接口发送到主控计算机用于目标合成角的实时修正，由于CCD采用与光电经纬仪一致的同步信号来触发曝光，并且在相同的处理周期处理和传输数据，可以保证数据采样时刻的同步，如图3所示。

基准参考点的位置并不需要成像在CCD靶面的十字丝中心，只需在设备初始化标定完毕后记录基准参考点的位置，测量时判别像点位置的相对变化即可，如图中的△X和△Y。

基座姿态绕CCD靶面X、Y方向的偏移角度可以表示为：

α_x＝Δxd/2

α_y＝Δyd/2

其中△X、△Y为两个正交坐标系下相对基准参考点的脱靶量，d为单个像元的角分辨率。

由于电视自准直仪和车载平台上承载的光学负载(主要指经纬仪)为两个分离部件，分别固定于车载平台的不同部位，因此光电经纬仪上的方位轴光电编码器无法直接与电视自准直仪(第二成像装置的坐标系)对准。一种比较落后的方法是采用机械加工预留基准的方法对准两个坐标系，这种方法由于中间过渡环节较多，尺寸相距太远，可能获得的精度小于5°，经过对补偿公式的分析，该项误差可能造成经纬仪的测角误差增大25″，这样便无法实现高精度的不落地测量工作。

对于上述高精度垂轴倾角测量系统，本发明采用一个水平放置的平行光管作为间接标定工具，用于标定两个坐标系之间的角度偏差，通过该平行光管间接将基准转换，实现对电视自准直仪与经纬仪的方位编码器进行高精度标定，从而获得可靠的倾角测量数据。

该高精度垂轴倾角测量系统的标定过程，借用光电经纬仪上搭载的第一成像装置，在经纬仪载车前方放置一平行光管，平行光管视场须大于1°。将平行光管调水平，用经纬仪上的第一成像装置观察平行光管，调整电视自准直仪(的第二成像装置)的安装位置，使二者靶面上的十字丝均位于中心视场处。需要调整光电经纬仪上方位编码器零点位置使编码器零点与电视自准直仪的靶面坐标对准，以完成标定工作。

如果经纬仪上的方位轴光电编码器与电视自准直仪的CCD靶面坐标系没有经过对准和标定，那么在车载平台做前倾、后倾调整时，经纬仪上光学负载十字丝变化的方向将与电视自准直仪CCD靶面不同，且所测量角度变化的量也不同，如图5所示。

假设经纬仪上第一成像装置所测量出得角度变化为△X1和△Y1，而电视自准直仪(的第二成像装置)测量出得角度变化为△X2和△Y2，那么车载平台调整角度转轴与平行光管光轴的夹角为φ，而光电经纬仪的方位编码器与电视自准直仪CCD的对准夹角为△θ。二者之间有如下关系：

$\mathrm{\φ}=arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y1}{\mathrm{\Δ}X1}\right)$

$\mathrm{\φ}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y2}{\mathrm{\Δ}X2}\right)$

则可得： $\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y2}{\mathrm{\Δ}X2}\right)-arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y1}{\mathrm{\Δ}X1}\right)$

通过调整经纬仪的方位编码器，可以使此时由电视自准直仪测得的△θ便是二者的坐标系对准夹角。通过对经纬仪方位编码器置零，完成两个坐标系的对准和标定工作。

使用该方法对经纬仪的方位编码器进行标定的主要误差，是由于经纬仪上光学系统的像元分辨率和电视自准直仪的CCD像元分辨率引起，理论上误差由二者像元分辨率中较大的决定。目前可见光光学系统负载的像元分辨率一般均大于1024×1024，按照判读误差为半个像元来估计，该方法引入的坐标系对准误差为：

$d\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{0.5}{1024}\right)={100.7}^{\′\′}$

根据对补偿公式的分析，可知该对准误差带来的经纬仪测角误差ΔA、ΔE不超过0.2″，基本可以忽略不计。

按照上述方法进行标定相对比于传统方法，精度要高一个数量级以上，从而使该套装置具备高效测量的能力。

具体进行高精度的垂轴倾角测量的方法包括以下步骤：

1.调整车载平台水平度，通过车载平台的四条刚性支腿将载车平台的水平度调整到3′以内；

2.将水银水准器置于地面，电视自准直仪开机，此时电视自准直仪(的第二成像装置)的自准返回的十字丝像已经接近视场中心；

3.使用光电经纬仪上的电子水平仪在电视自准直仪靶面的对准方向测量两个方向的倾角(俯仰和横滚)，用电子水平仪测量值对电视自准直仪置数。

4.光电经纬仪此时可以进行测量工作，然后用电视自准直仪的测量值来对光电自准直仪的测量数据进行补偿修正即可。

5.长时间工作时，每隔一个固定周期(建议为15分钟)，可用电子水平仪对电视自准直仪的测量数据进行校核，保证测量数据可靠。校准过程为步骤3,4。

Claims (5)

1.一种高精度垂轴倾角测量系统，包括车载平台和固定安装于车载平台上的光电经纬仪，该光电经纬仪搭载有第一成像装置；其特征在于：所述高精度垂轴倾角测量系统还包括搭载有第二成像装置的电视自准直仪、以及位于电视自准直仪正下方并与地面相对固定的平面反射装置；所述电视自准直仪垂直固定于光电经纬仪底座下方。

2.根据权利要求1所述的高精度垂轴倾角测量系统，其特征在于：所述平面反射装置采用水银水准器。

3.根据权利要求1所述的高精度垂轴倾角测量系统，其特征在于：所述光电经纬仪还安装有电子水平仪。

4.根据权利要求1所述的高精度垂轴倾角测量系统，其特征在于：所述第一成像装置和第二成像装置均采用光电传感器。

5.对如权利要求1所述的高精度垂轴倾角测量系统进行标定的方法，包括以下步骤：

(1)光电经纬仪粗调平；

(2)开启电视自准直仪，电视自准直仪发出准直光束经水银水准器反射回第二成像装置；调整电视自准直仪的安装位置，使反射光束的像点位置位于第二成像装置的成像面的中心；

(3)在光电经纬仪同一水平位置安装水平放置的平行光管，第一成像装置接收来自平行光管的光束，调整平行光管的架设位置，使得该光束的像点位置位于第一成像装置的成像面的中心；

(4)倾斜车载平台，第一成像装置和第二成像装置的成像目标在各自的成像面上产生位移矢量，记录坐标变化量分别为(ΔX1，ΔY1)、(ΔX2，ΔY2)，按照下式计算：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y2}{\mathrm{\Δ}X2}\right)-arctan\left(\frac{\mathrm{\Δ}Y1}{\mathrm{\Δ}X1}\right);$

此Δθ为之后步骤光电经纬仪的方位编码器与电视自准直仪CCD的对准夹角；

(5)转动光电经纬仪的方位轴，转动角度为Δθ；

(6)再次倾斜车载平台，记录本次位移矢量的(ΔX1，ΔY1)、(ΔX2，ΔY2)，核实是否ΔX1＝ΔX2、ΔY1＝ΔY2，如果相等，则表明步骤(5)对方位轴转过角度Δθ后，光电经纬仪的方位编码器零点与电视自准直仪的成像面坐标对准，即完成标定。