CN113884074B - 一种基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法，首先将由光电传感单元矩阵构成的有源靶标设置于被检测端；根据预定斜距与方位角，使激光指向有源靶标区域；然后读取照射到有源靶标的光斑能量，确定光斑的位置；若光斑偏离中心则计算偏离的水平与垂直距离，由此计算激光云台偏转的方位角；根据激光云台偏转的水平与俯仰角度控制云台偏转；反复逼近直至测量光斑不再偏离有源靶标中心。本发明将靶标置于被监测端，避免了因为棱镜靶标45度棱镜返回CCD传感器而带来的两个垂直光轴之间的偏差，能够实现有源靶标的自动精准照准，且无需精密光学仪器，可有效降低对工作平台的稳定性要求，操作简单，易于实现，具有更好的及经济性和推广前景。

Description

一种基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法

技术领域

本发明涉及隧道施工监测技术领域，具体为一种基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法。

背景技术

近几年，施工和运营隧道的监测正向着精确化和全面数字化快速发展，能够自动照准与自动跟踪的全站仪--测量机器人，受到人们的青睐，越来越多地走入施工及运营现场。

测量机器人自动目标自动照准原理一般是通过棱镜与安装在全站仪的望远镜上的自动目标识别(ATR)部件来实现的。如图1所示，自动目标识别部件被安装在全站仪的望远镜上，红外光通过光学部件被同轴地投影在望远镜上，从物镜发射出去，反射回来的光束，形成光点由内置CCD传感器接收，其位置以CCD传感器中心作为参考点来精确的确定。假如CCD传感器中心与望远镜光轴调整正确，则可从CCD传感器的光点的位置直接计算并输出以ATR方式测得的水平方向和垂直角。

上述方式中的自动照准通常为主要有二个过程：目标搜索过程和目标照准过程。在人工粗略找准棱镜之后，启动ATR，进行目标搜索。在视场内如果没有发现棱镜，望远镜在马达的驱动下按螺旋式或矩阵式连续搜索目标。ATR一旦探测到棱镜，望远镜马上停止搜索，即可进入目标照准过程。ATR的CCD传感器接收到经棱镜反射过来的照准光点，如果该光点偏离棱镜中心，CCD传感器则计算出该偏移量。并按该偏移量驱动望远镜直接转向棱镜中心。

以上是目前全站仪测量机器人普遍采用的自动照准方式，精密程度高，但也存在自身不可避免的弱点：

1)价格昂贵，一定程度上制约了它的推广应用。

2)仪器环境稳定度要求高。由于系统有精密的光学与电子系统，对设备工作平台的稳定性要求较高。

3)CCD与望远光轴相互垂直，且处于观察仪器端，望远镜十字叉丝与棱镜中心重合比较困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法，能实现有源靶标的自动精准照准，且无需精密光学部件，可有效降低对工作平台的稳定性要求，操作简单，易于实现，具有更好的及经济性和推广前景。技术方案如下：

一种基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法，包括以下步骤：

步骤1：将由光电传感单元矩阵构成的有源靶标设置于被检测端；

步骤2：根据预定斜距与方位角，使激光指向有源靶标区域；

步骤3：读取照射到有源靶标的光斑能量，确定光斑的位置；

步骤4：判断光斑是否偏离有源靶标的中心；若不偏离则结束操作，若偏离则计算光斑偏离有源靶标中心的水平与垂直距离；

步骤5：根据偏离的水平与垂直距离计算测量机器人云台偏转的方位角；

步骤6：根据测量机器人云台偏转的水平与俯仰角度控制云台偏转；

步骤7：重复步骤2-6，直至测量光斑不再偏离有源靶标中心。

进一步的，所述步骤5中计算测量机器人云台偏转的方位角时根据测站点和目标点的三维坐标关系得到，目标点三维坐标计算公式表示如下：

N₁＝N₀+S×sinZ×cosAz

E₁＝E₀+S×sinZ×sinAz

Z₁＝Z₀+S×cosZ+ih-fh

式中，N1为被测点N坐标，E1为被测点E坐标，Z1为被测点Z坐标；N₀为测站点N坐标，E₀为测站点E坐标，Z₀为测站点Z坐标；S为斜距，Z为天顶距，Az为坐标方位角；ih为仪器高，fh为目标高。

本发明的有益效果是：本发明将靶标置于被监测端(目标端)，避免了因为棱镜靶标45度棱镜返回CCD传感器而带来的两个垂直光轴之间的偏差，能够实现有源靶标的自动精准照准，且无需精密光学仪器，可有效降低对工作平台的稳定性要求，操作简单，易于实现，具有更好的及经济性和推广前景。

附图说明

图1为现有测量机器人的测量原理图。

图2为本发明基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法的流程图。

图3为光电位置传感器的工作原理图。

图4为测站点和目标点的三维坐标图。

图中：1-反射棱镜；2-红外光源；3-CCD阵列；4-十字丝板；5-目镜。

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详细说明。本发明基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法流程图如图2所示，具体如下：

将由光电传感单元矩阵构成的有源靶标设置于被检测端；根据预定斜距与方位角，使激光指向有源靶标区域；读取照射到有源靶标的光斑能量，确定光斑的位置。判断光斑是否偏离有源靶标的中心；若不偏离则结束操作，若偏离则计算光斑偏离有源靶标中心的水平与垂直距离。

本发明的有源靶标为一种光电位置传感器(Position Sensitive DetectorsPSD)，它对入射光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。它是一种基于横向光电效应的光电位置敏感探测器。除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性能外，还具有灵敏度高、分辩率高、响应速度快和电路配置简单等特点。

工作原理：如图3所示，当光束入射到psd器件光敏层上距中心点的距离为X_A时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I₁和I₂，则流过n型层上电极的电流I₀为I₁和I₂之和，I₀＝I₁+I₂。

当光斑照射到靶标时，根据矩阵编码，一次性并行读取单元数据，采用快速比较算法，即可确定出光斑位置(相对矩阵中心的偏移量)。

然后，根据偏离的水平与垂直距离计算测量机器人云台偏转的水平与俯仰角度，再根据测量机器人云台偏转的水平与俯仰角度控制云台偏转，使得激光束趋于中心，通过逐次逼近，直到满足精度要求。

其中，计算测量机器人云台偏转的方位角时根据测站点和目标点的三维坐标关系得到。

如图4所示，在测站设置和后视定向以及相关数据记录完成后，可测定和记录目标点的三维坐标，目标点三维坐标计算公式如下：

N₁＝N₀+S×sinZ×cosAz

E₁＝E₀+S×sinZ×sinAz

Z₁＝Z₀+S×cosZ+ih-fh

式中，N₀为测站点N坐标，E₀为测站点E坐标，Z₀为测站点Z坐标；S为斜距，Z为天顶距，Az为坐标方位角；ih为仪器高，fh为目标高。N1为被测点N坐标，E1为被测点E坐标，Z1为被测点Z坐标。

设预置的靶标中心坐标N1、E1，Z1，可得到靶标中心对应的天顶角(俯仰面)Z及方位角(水平面)Az，以及斜距S。当光斑位置发生偏移，设系统读取的偏移量(ΔN，ΔE),那么光斑所处位置坐标为N2＝N1+ΔN，E2＝E1+ΔE，Z2＝Z1，斜距为S2，通过上述公式可以计算出此时光斑位置的天顶角Z’以及方位角Az’，比较两个状态对应的天顶角及方位角，即可确定云台偏转角度。

计算时不包含坐标值为“空”的情况，注意“空”值与“0”值是不同的。

靶标安放于密封盒内，工作时刻窗口盖板自动打开，不工作时，窗口盖板关闭，保护靶标不受周围环境。

本发明的照准方法原理即为通过光电方式通过算法找到光斑中心位置。有三种用法：一是激光打在有源标靶上，来判断激光发射点本身位置的变化；二是假定激光发射点本身不变，可直接测量出靶标自身的位移；三是标靶自身位置变化时，可通过位移量让激光从新搜索到靶标中心。

Claims (1)

1.一种基于光电传感矩阵有源靶标目标自动照准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将由光电传感单元矩阵构成的有源靶标设置于被检测端；

步骤2：根据预定斜距与方位角，使激光指向有源靶标区域；

步骤3：读取照射到有源靶标的光斑能量，确定光斑的位置；

步骤4：判断光斑是否偏离有源靶标的中心；若不偏离则结束操作，若偏离则计算光斑偏离有源靶标中心的水平与垂直距离；

步骤5：根据偏离的水平与垂直距离计算测量机器人云台偏转的方位角；

步骤6：根据测量机器人云台偏转的水平与俯仰角度控制云台偏转；

步骤7：重复步骤2-6，直至测量光斑不再偏离有源靶标中心；

所述步骤5中计算云台偏转的方位角时根据测站点和目标点的三维坐标关系得到，目标点三维坐标计算公式表示如下：

N₁＝N₀+S×sinZ×cosAz

E₁＝E₀+S×sinZ×sinAz

Z₁＝Z₀+S×cosZ+ih-fh

式中，N1为被测点N坐标，E1为被测点E坐标，Z1为被测点Z坐标；N₀为测站点N坐标，E₀为测站点E坐标，Z₀为测站点Z坐标；S为斜距，Z为天顶距，Az为坐标方位角；ih为仪器高，fh为目标高。