CN116954011B - 高精度光学反射系统标校相机的装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种高精度光学反射系统标校相机的装调方法。包括：通过水平仪对垂直轴进行确定；通过两台全站仪对标校相机进行粗调，使标校相机正镜、倒镜状态下均可看到全站仪的自准直像；调整转台装置，使标校相机正镜时第一全站仪的自准直像位于靶面正中心，倒镜时第二全站仪的自准直像位于靶面正中心，记录此时方位编码器值A_正和A_倒，计算照准差；调整转台装置，使标校相机正镜时第一全站仪的自准直像位于靶面正中心，倒镜时第二全站仪的自准直像位于靶面正中心，记录此时俯仰编码器值E_正和E_倒，计算零位差；复检照准差和零位差直至满足要求，结束装调工作。优点在于不必寻找足够远的合作目标，节约装调空间。

Description

高精度光学反射系统标校相机的装调方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种高精度光学反射系统标校相机的装调方法。

背景技术

高精度光学反射系统包括底座转台装置、平面反射镜、标校相机、电控系统等，其中底座转台装置采用地平式结构，可进行方位、俯仰两个维度的转动。如图1所示，系统包含三条主要的轴线：垂直轴9、水平轴10以及照准轴11。前两条轴线是仪器机械转动的轴线，后一轴线是物镜光心与十字丝中心的连线。其中照准轴11被机械旋转轴带动绕两轴旋转，可以对准空间任意位置。

照准轴11绕水平轴10旋转形成的圆心角为高低角，当照准轴11与水平轴10构成的平面与水平面平行时，此时的高低角E为0°；照准轴11绕垂直轴9旋转形成的圆心角为方位角，当E=0°时，照准轴11指向地平面正北方向，规定为方位零位，即方位角度值A=0°。

对于该系统，要求：1）垂直轴9必须与水平面垂直，及与设备站铅垂线重合；2）水平轴10线必须与垂直轴9线垂直；3）照准轴11必须垂直于水平轴10线。上述平面反射镜垂直于照准轴11，即平面反射镜的法线平行于照准轴11，平面反射镜可绕垂直轴9、水平轴10运动改变其指向角度。当照准轴11在标校相机的装调过程中出现较大偏差时，将影响平面反射镜及其法线在方位上的指向，进而影响该光学反射系统的精度。同样，当系统存在零位差时，将影响平面反射镜及其法线在俯仰上的指向，同样影响该光学反射系统的精度。上述电控系统主要用于显示当前系统的方位和俯仰编码器值、引导设备稳定于某固定位置，便于标校相机的装调和检测。

关于照准差装调：对于上述要求的前两项，可通过垂直轴9调平和底座转台装置设计加工保证，但照准轴11与水平轴10是否垂直取决于标校相机的装调。此时，照准轴11不垂直于水平轴10的角量称为照准差，用字母C表示。实际上，照准差C的值表示了实际照准轴11与理想照准轴11不重合的程度。

图2为系统三轴的俯视图，其中O为三轴交点，当E=0°时，OZ为正镜状态下理想的照准轴位置，OZ₁为正镜时实际照准轴的位置，OZ₁与OZ之间的夹角即为照准差C，OZ₂’为倒镜（E=180°）时实际照准轴的位置，OZ₂’与OZ的夹角为180°+C。当系统绕垂直轴转动180°时，∠Z₁OZ₂=2C，当标校相机经过粗略调整后，可使∠Z₁OZ₂远远小于标校相机的视场，即当E=0°和E=180°时，可通过转动方位角使同一目标进入标校相机视场，通过该原理可测出系统照准差并进行修正。具体方法如下：设某合作目标的理论方位角为A₀（不必知道其准确值），正镜将目标引至标校相机视场中心时读数值为A₁，倒镜将目标引至标校相机视场中心时读数值为A₂，则可知正镜时A₀=A₁-C，倒镜时A₀=A₂±180°+C，两式相减可得C=（A₁-A₂±180°）÷2。上述合作目标可为水平位置的平行光管，用于模拟无穷远目标。

通过上述方法测量出照准差后，可通过对标校相机位置的挪动调整照准差，重复“检测-调整”的步骤，可将照准差装调至合理范围内。

关于零位差装调：当照准轴与水平轴构成的平面与水平面平行时，此时的高低角E为0°，此时如底座转台装置的俯仰编码器读数不为0°，则表示系统存在零位差h。可选用相对于标校相机E≈0°的合作目标进行零位差检测：正镜将合作目标引入标校相机视场正中心，读取高低角E_正，再倒镜将合作目标引入标校相机视场，读取高低角E_倒，通过下式即可得到零位差h=[（E_正+E_倒）-180°]÷2。测量出零位差后可通过装调标校相机或对俯仰编码器置数的方式清除零位差。

然而，上述现有技术的缺点在于，为装调标校相机需提供相应的装调环境和配套设施，且难以满足适应标校相机安装位置变化的需求，主要体现在：

1、为了正镜、倒镜均看见同一个合作目标，需要照准轴经过垂直轴和水平轴的交点（三轴共点），即照准轴绕垂直轴旋转180°后仍与旋转前的照准轴重合。如图3所示，将标校相机1安装于转台装置的水平轴轴头位置，当合作目标6不够远时，标校相机1在水平轴方向上与垂直轴9的偏移造成观测合作目标6出现视差角度7，从而影响正镜时照准差8的测量精度；

2、如选用平行光管作为合作目标6模拟无穷远目标可解决上述问题，但要求光管的直径足够大，能够使标校相机在E=0°和E=180°（此时标校相机1需绕垂直轴9旋转180°）时均能看见平行光管中的像。但在实际装调过程中难以找到焦距和直径均满足要求的平行光管，这使得当照准轴不经过垂直轴9和水平轴10的交点时的标校相机1装调存在困难；

3、平行光管的架设也同样受装调环境的限制，难以满足外场检测的需求。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种高精度光学反射系统标校相机的装调方法。

本发明目的在于提供一种高精度光学反射系统标校相机的装调方法，所述高精度光学反射系统包括转台装置、标校相机、平面反射装置和电控系统，所述电控系统包括编码器数据采集装置和标校相机数据采集装置，编码器数据采集装置用于采集方位编码器值和俯仰编码器值，标校相机数据采集装置用于采集、传输标校图像数据，具体包括如下步骤：

S1、通过水平仪对高精度光学反射系统的垂直轴进行确定；

S2、调整全站仪位置并粗调标校相机：调整两台全站仪位置，通过两台全站仪对所述标校相机进行粗调，使所述标校相机在正镜、倒镜状态下均可分别观测到两台全站仪中各自的自准直像；所述两台全站仪包括第一全站仪和第二全站仪；

S3、通过调整高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在正镜状态下观测到的第一全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时方位编码器值A_正；转动高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在倒镜状态下观测到的第二全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时方位编码器值A_倒；计算此时照准差；调整所述标校相机位置，以减小所述照准差的值，直至照准差满足系统使用要求；

S4、通过调整高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在正镜状态下观测到的第一全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时俯仰编码器值E_正；转动高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在倒镜状态下观测到的第二全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时俯仰编码器值E_倒；计算标校相机的零位差；调整所述标校相机位置，以减小所述零位差的值，直至零位差满足系统使用要求；

S5、检测：复检照准差和零位差，如均满足系统要求，则结束装调工作；如不满足则重复上述步骤S3和步骤S4，直至照准差和零位差均在指标要求范围内，结束装调工作。

优选的，两台全站仪以所述垂直轴为中心对称布置；所述两台全站仪之间的距离等于高精度光学反射系统的标校相机原始位置与绕所述垂直轴旋转180°后的位置之间的距离。

优选的，步骤S2具体包括如下步骤：

S201、放置两台全站仪；

S202、调整全站仪高度，与标校相机的靶面中心高度相同，使标校相机在正镜、倒镜情况下均可观测到全站仪中的自准直像；

S203、将全站仪调整至工作状态，微调两台全站仪的位置使两台全站仪均可观测到对方的自准直像；继续调整两台全站仪，直至均将对方的像调整至己方视场正中心时俯仰编码器值均为0°，记录下两台全站仪的方位角度值分别为A1和A2；

S204、使两台全站仪均面向标校相机方向旋转90°角，分别转至A1±90°和A2±90°位置，使两台全站仪中的自准直像均正对标校相机，此时两台全站仪发出的自准直像平行；

S205、粗调标校相机位置，使标校相机正镜、倒镜状态下均可看到全站仪中的自准直像；如无法找到合适的标校相机位置，则重复步骤S202-S204，直至满足本步骤所述要求。

优选的，步骤S1具体包括如下步骤：

S101、将水平仪稳定放置于高精度光学反射系统的转台装置上，使水平仪的基线方向通过所述转台装置的中心，即水平仪基线与转台装置的垂直轴相交；调整后待水平仪静止，读取数据；

S102、转动所述转台装置，使水平仪一同绕所述垂直轴转动一定角度，待水平仪测量数据稳定后，读取数据；

S103、重复步骤S102，直至水平仪随转台装置绕所述垂直轴转动360°，过程中多次读取数据；根据水平仪采集的若干数据调整所述转台装置，使垂直轴的轴线与水平面垂直；

S104、重复步骤S102~S103，直至在水平仪在随转台装置绕垂直轴转动360°的过程中测量值一致，完成垂直轴的调整。

优选的，标校相机距离所述垂直轴的距离大于0.5m。

优选的，照准差公式为：C=（A_正-A_倒±180°）÷2；

其中，C代表照准差，A_正表示标校相机正镜时第一全站仪的自准直像位于靶面正中心时的方位编码器值，A_倒表示标校相机倒镜时第二全站仪的自准直像位于靶面正中心时的方位编码器值。

优选的，零位差公式为：h=[（E_正+E_倒）-180°]÷2；

其中，h代表零位差，E_正表示标校相机正镜时第一全站仪的自准直像位于靶面正中心时的俯仰编码器值，E_倒表示标校相机倒镜时第二全站仪的自准直像位于靶面正中心时的俯仰编码器值。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

（1）不必寻找足够远的合作目标，节约装调空间；

（2）适用于标校相机不位于方位回转中心的情况对标校相机进行装调；

（3）可在室外对标校相机进行装调，不必在室内采用平行光管进行装调或将平行光管移出室内。

附图说明

图1是高精度光学反射系统三轴关系示意图。

图2是高精度光学反射系统三轴关系俯视示意图。

图3是现有技术中标校相机装调原理示意图。

图4是根据本发明实施例提供的正镜和倒镜状态下标校相机位置的俯视示意图；（A）正镜状态下；（B）倒镜状态下。

图5是根据本发明实施例提供的粗调标校相机位置的原理示意图。

图6是根据本发明实施例提供的高精度光学反射系统标校相机的装调方法流程图。

附图标记：

1、标校相机；2、高精度光学反射系统；3、转台装置的垂直轴；4、第一全站仪；5、第二全站仪；6、合作目标；7、视差角度；8、正镜时照准差；9、垂直轴；10、水平轴；11、照准轴。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种高精度光学反射系统标校相机的装调方法（图6示出了装调方法流程），装调过程中用到高精度光学反射系统2，包括转台装置、标校相机1、平面反射装置和电控系统，所述电控系统包括编码器数据采集装置和标校相机数据采集装置，编码器数据采集装置用于采集方位编码器值和俯仰编码器值，标校相机数据采集装置用于采集、传输标校图像数据；还用到两台全站仪、一台水平仪；

装调方法具体包括如下步骤：

S1、通过水平仪进行垂直轴的调整：

S101、将水平仪稳定放置于高精度光学反射系统2的转台装置上，使水平仪的基线方向通过所述转台装置的中心，即水平仪基线与转台装置的垂直轴3相交；调整后待水平仪静止，读取数据；

S102、转动所述转台装置，使水平仪一同绕所述转台装置的垂直轴3转动一定角度，待水平仪测量数据稳定后，读取数据；

S103、重复步骤S102，直至水平仪随转台装置绕所述转台装置的垂直轴3转动360°，过程中多次读取数据；根据水平仪采集的若干数据调整所述转台装置，使垂直轴的轴线与水平面垂直；

S104、重复步骤S102~S103，直至在水平仪在随转台装置绕转台装置的垂直轴3转动360°的过程中测量值一致，完成垂直轴的调整；

S2、调整全站仪位置并粗调标校相机1；图4示出了标校相机1在正镜和倒镜状态下的位置（原理示意）；图4（A）为正镜状态，正镜时可以观测到第一全站仪4；图4（B）为倒镜状态，倒镜时可以观测到第二全站仪5；

S201、如图5所示的位置放置第一全站仪4及第二全站仪5，使其间距L₂等于标校相机1原始位置与标校相机1绕垂直轴9旋转180°后的位置之间的距离L₁（L₁=L₂），同时保证两台全站仪到垂直轴9的距离相同；

S202、调整两台全站仪高度，与标校相机1的靶面中心高度相同；上述步骤可保证标校相机1在正镜、倒镜情况下均可分别观测到第一全站仪4及第二全站仪5中的自准直像（分划板的像）；

S203、将全站仪调整至工作状态，微调两台全站仪，使两台全站仪均可观测到对方的自准直像；继续调整两台全站仪，直至均将对方的像调整至己方视场正中心时俯仰编码器值均为0°（此时两台全站仪高度相同），记录下两台全站仪的方位角度值分别为A1和A2；由于全站仪内部自带测角功能，可以在其显示屏上读取水平方向上的方位角度值；

S204、使两台全站仪均在方位上面向标校相机1方向旋转90°角，分别转至A1±90°和A2±90°位置，使两台全站仪中的自准直像均正对标校相机1，此时两台全站仪发出的自准直像平行；

S205、粗调标校相机1位置，使标校相机1正镜、倒镜状态下均可看到全站仪的自准直像；如无法找到合适的标校相机1位置，则重复步骤S202-S204，直至满足本步骤所述要求；

S3、标校相机1照准差装调；

S301、调整高精度光学反射系统2的转台装置，使标校相机1正镜时第一全站仪4的自准直像位于靶面正中心，记录此时方位编码器值A_正；转动高精度光学反射系统2的转台装置，使标校相机1倒镜时第二全站仪5的自准直像位于靶面正中心，记录此时方位编码器值A_倒；计算此时照准差：

C=（A_正-A_倒±180°）÷2；

其中，C代表照准差，A_正表示标校相机1正镜时第一全站仪4的自准直像位于靶面正中心时的方位编码器值，A_倒表示标校相机1倒镜时第二全站仪5的自准直像位于靶面正中心时的方位编码器值；

S302、通过调整标校相机1位置，以减小所述照准差的值，直至照准差满足系统使用要求，例如本实施例要求照准差C≤5″；

S4、标校相机零位差装调；

S401、调整高精度光学反射系统2的转台装置，使标校相机1正镜时第一全站仪4的自准直像位于靶面正中心，记录此时俯仰编码器值E_正；转动高精度光学反射系统2的转台装置，使标校相机1倒镜时第二全站仪5的自准直像位于靶面正中心，记录此时俯仰编码器值E_倒；计算标校相机的零位差：

h=[（E_正+E_倒）-180°]÷2；

其中，h代表零位差，E_正表示标校相机1正镜时第一全站仪4的自准直像位于靶面正中心时的俯仰编码器值，E_倒表示标校相机1倒镜时第二全站仪5的自准直像位于靶面正中心时的俯仰编码器值；

S402、通过调整标校相机1位置，以减小所述零位差，直至零位差满足系统使用要求，例如本实施例要求零位差h≤20″；

S5、检测：复检照准差和零位差，如均满足系统要求，则结束装调工作；如不满足误差要求，则重复上述步骤S3和步骤S4，直至照准差和零位差均在指标要求范围内，结束装调工作。

在本实施例所述的装调过程中，还用到用于控制转台装置转动的伺服分系统。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.高精度光学反射系统标校相机的装调方法，所述高精度光学反射系统包括转台装置、标校相机、平面反射装置和电控系统，所述电控系统包括编码器数据采集装置和标校相机数据采集装置，编码器数据采集装置用于采集方位编码器值和俯仰编码器值，标校相机数据采集装置用于采集、传输标校图像数据，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、通过水平仪对高精度光学反射系统的垂直轴进行确定；

S2、调整全站仪位置并粗调标校相机：调整两台全站仪位置，通过两台全站仪对所述标校相机进行粗调，使所述标校相机在正镜、倒镜状态下均可分别观测到两台全站仪中各自的自准直像；所述两台全站仪包括第一全站仪和第二全站仪；

S3、通过调整高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在正镜状态下观测到的第一全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时方位编码器值A_正；转动高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在倒镜状态下观测到的第二全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时方位编码器值A_倒；计算此时照准差；调整所述标校相机位置，以减小所述照准差的值，直至照准差满足系统使用要求；

S4、通过调整高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在正镜状态下观测到的第一全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时俯仰编码器值E_正；转动高精度光学反射系统的转台装置，使所述标校相机在倒镜状态下观测到的第二全站仪中的自准直像位于标校相机的靶面正中心，记录此时俯仰编码器值E_倒；计算标校相机的零位差；调整所述标校相机位置，以减小所述零位差的值，直至零位差满足系统使用要求；

S5、检测：复检照准差和零位差，如均满足系统要求，则结束装调工作；如不满足则重复上述步骤S3和步骤S4，直至照准差和零位差均在指标要求范围内，结束装调工作。

2.根据权利要求1所述的高精度光学反射系统标校相机的装调方法，其特征在于：所述两台全站仪以所述垂直轴为中心对称布置；所述两台全站仪之间的距离等于高精度光学反射系统的标校相机原始位置与绕所述垂直轴旋转180°后的位置之间的距离。

3.根据权利要求2所述的高精度光学反射系统标校相机的装调方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：

S201、放置两台全站仪；

S202、调整全站仪高度，与标校相机的靶面中心高度相同，使标校相机在正镜、倒镜情况下均可观测到全站仪中的自准直像；

S203、将全站仪调整至工作状态，微调两台全站仪的位置使两台全站仪均可观测到对方的自准直像；继续调整两台全站仪，直至均将对方的像调整至己方视场正中心时俯仰编码器值均为0°，记录下两台全站仪的方位角度值分别为A1和A2；

S204、使两台全站仪均面向标校相机方向旋转90°角，分别转至A1±90°和A2±90°位置，使两台全站仪中的自准直像均正对标校相机，此时两台全站仪发出的自准直像平行；

S205、粗调标校相机位置，使标校相机正镜、倒镜状态下均可看到全站仪中的自准直像；如无法找到合适的标校相机位置，则重复步骤S202-S204，直至满足本步骤所述要求。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的高精度光学反射系统标校相机的装调方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S101、将水平仪稳定放置于高精度光学反射系统的转台装置上，使水平仪的基线方向通过所述转台装置的中心，即水平仪基线与转台装置的垂直轴相交；调整后待水平仪静止，读取数据；

S102、转动所述转台装置，使水平仪一同绕所述垂直轴转动一定角度，待水平仪测量数据稳定后，读取数据；

S103、重复步骤S102，直至水平仪随转台装置绕所述垂直轴转动360°，过程中多次读取数据；根据水平仪采集的若干数据调整所述转台装置，使垂直轴的轴线与水平面垂直；

S104、重复步骤S102~S103，直至在水平仪在随转台装置绕垂直轴转动360°的过程中测量值一致，完成垂直轴的调整。

5.根据权利要求4所述的高精度光学反射系统标校相机的装调方法，其特征在于：所述标校相机距离所述垂直轴的距离大于0.5m。

6.根据权利要求5所述的高精度光学反射系统标校相机的装调方法，其特征在于：所述照准差公式为：C=（A_正-A_倒±180°）÷2；

其中，C代表照准差，A_正表示标校相机正镜时第一全站仪的自准直像位于靶面正中心时的方位编码器值，A_倒表示标校相机倒镜时第二全站仪的自准直像位于靶面正中心时的方位编码器值。

7.根据权利要求6所述的高精度光学反射系统标校相机的装调方法，其特征在于：所述零位差公式为：h=[（E_正+E_倒）-180°]÷2；

其中，h代表零位差，E_正表示标校相机正镜时第一全站仪的自准直像位于靶面正中心时的俯仰编码器值，E_倒表示标校相机倒镜时第二全站仪的自准直像位于靶面正中心时的俯仰编码器值。