CN207456381U - 提高激光跟踪仪测量精度的装置 - Google Patents

Abstract

一种提高激光跟踪仪测量精度的装置，包括长度标准装置和激光跟踪仪；基于长度标准装置对激光跟踪仪进行标定，获得标定点的观测量，根据标定点的观测量以及计算得到的标定点观测量的改正数和标定点观测量平差值的精度对目标点的观测量进行改正，得到目标点观测量的改正数，将目标点的观测量与目标点观测量的改正数相加，获得目标点改正后的观测量。基于长度标准装置对激光跟踪仪进行标定，然后将标定获得的标定点的观测量用于对激光跟踪仪实际测量的目标点的观测量进行误差改正，从而提高激光跟踪仪的测量精度。

Description

提高激光跟踪仪测量精度的装置

技术领域

本申请涉及激光测量技术领域，具体涉及一种提高激光跟踪仪测量精度的 装置。

背景技术

激光跟踪仪是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，它具有高精 度、高效率、实时测量等特点。其测量原理是通过获取仪器中心至反射球球心 的水平角、垂直角以及边长，从而计算出反射球球心的坐标。

影响激光跟踪仪自身测量精度的因素主要为测角误差和测距误差，而这些 误差主要是由激光跟踪仪内部部件几何位置不正确造成，虽然可以通过建立仪 器几何误差模型对测角和测距误差进行补偿，但是几何误差模型参数较多而且 具有相关性，使得激光跟踪仪目前的精度水平不高。

随着我国航空航天、造船、核能、轨道交通、大科学装置等领域中对工件 制造及装配的精度要求越来越高，相应地对仪器的测量精度也提出了更高的要 求。

实用新型内容

本申请提供一种提高激光跟踪仪测量精度的装置，以提高激光跟踪仪的测 量精度。

一种提高激光跟踪仪测量精度的装置，包括长度标准装置和激光跟踪仪； 长度标准装置的激光干涉仪固定在长度标准装置上，激光跟踪仪稳固架设；使 运动平台在长度标准装置的导轨上运动，在运动路径上选取复数个停留点作为 标定点，激光干涉仪对标定点测量获得长度观测量，激光跟踪仪对标定点测量 获得水平方向观测量、天顶距观测量、边长观测量；变换激光跟踪仪的架设方 向和/或位置，重复上述测量步骤，使激光跟踪仪的水平方向观测量覆盖0° -360°范围、天顶距观测量覆盖0°-180°范围、边长观测量覆盖激光跟踪仪测 量半径；根据标定点的观测量及计算得到的标定点观测量的改正数和标定点观 测量平差值的精度对目标点的观测量进行改正，得到目标点观测量的改正数， 将目标点的观测量与目标点观测量的改正数相加，获得目标点改正后的观测量。

优选地，获得目标点观测量改正数的计算过程为：建立标定点观测量的函 数模型和随机模型，结合函数模型和随机模型，依据最小二乘原理得到观测量 的改正数方程及观测量平差值的方差阵，将标定点的观测量代入观测量的改正 数方程和观测量平差值的方差阵分别得到标定点观测量的改正数和标定点观测 量平差值的精度；根据标定点的观测量、标定点观测量的改正数以及标定点观 测量平差值的精度对目标点的观测量进行插值改正，获得目标点观测量的改正 数。

优选地，对目标点的观测量插值改正的计算过程为：以激光跟踪仪仪器坐 标系的原点为球心，构建一个球体，将标定点和目标点映射在这个球体表面上， 对目标点的水平方向观测量进行插值，选取其周围相邻的且其水平方向观测量 的平差值的精度比先验精度高的标定点进行插值计算，得到目标点水平方向观 测量的改正数；同理，对目标点的天顶距观测量进行插值，得到目标点天顶距 观测量的改正数。

优选地，结合函数模型和随机模型，依据最小二乘原理还得到观测量的后 验方差阵。

优选地，所述建立标定点观测量的函数模型包括建立激光跟踪仪仪器坐标 系、全局坐标系、激光干涉仪坐标系；引入方位角W进行激光跟踪仪仪器坐标 系与全局坐标系的转换，引入旋转角R进行全局坐标系与激光干涉仪坐标系的转 换。

从以上技术方案可以看出，本实用新型基于长度标准装置对激光跟踪仪进 行标定，然后将标定获得的标定点的观测量用于对激光跟踪仪实际测量的目标 点的观测量进行误差改正，从而提高激光跟踪仪的测量精度。本实用新型通过 引入方位角W进行激光跟踪仪仪器坐标系与全局坐标系的转换，引入旋转角R进 行全局坐标系与激光干涉仪坐标系的转化，建立激光跟踪仪对标定点的观测量 与激光干涉仪对标定点的观测量之间的数学关系，从而彻底消除了激光跟踪仪 的反射镜的运动轴线与激光干涉仪的激光束方向的不平行造成的余弦误差的影 响，降低了对长度标准装置的导轨直线度和激光干涉仪的光束调整精度的要求， 从而降低了长度标准装置的建造标准，使得长度标准装置走向平民化，在普通 单位即可开展仪器检定和精度补偿。

同时，本实用新型在对仪器校准提供示值误差的基础上，还能通过观测量 的后验方差阵直观的计算出仪器的水平方向、天顶距、边长的测量误差，这对 仪器的性能评估具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型长度标准装置与激光跟踪仪反射镜的放置结构示意。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型的基本思想是，针对激光跟踪仪测量重复性高的特点，提出基 于长度标准装置对激光跟踪仪的观测量进行标定，然后将标定获得的标定点的 观测量用于对激光跟踪仪实际测量的目标点的观测量进行误差改正，从而提升 激光跟踪仪的测量精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面首先介绍本实 用新型中应用到的长度标准装置，长度标准装置主要由精密导轨系统、长度激 光测量系统、环境监测系统和自动控制系统四部分组成。精密导轨系统为直线 导轨；长度激光测量系统利用激光干涉仪作为测量基准；环境监测系统用于采 集温度等参数，供系统实时补偿。长度标准装置工作方法：激光干涉仪的角锥 反射镜放置在运动平台上，运动平台由电机驱动沿直线导轨运行，移动的距离 由激光干涉系统测量。在中国计量院有80m长大长度标准装置以及在中航工业 北京长城计量测试技术研究所有30m长大长度标准装置。

实施例一：请参考图1，本实用新型提高激光跟踪仪测量精度的装置，包括 长度标准装置1和激光跟踪仪；长度标准装置的激光干涉仪反射镜11和激光跟 踪仪的反射镜2固定于长度标准装置的运动平台12上，长度标准装置的激光干 涉仪13固定在长度标准装置导轨14的一端，激光跟踪仪稳固架设，使长度标 准装置的运动平台12在长度标准装置的导轨14上运动，在运动路径上选取复 数个停留点作为标定点，激光干涉仪13对标定点测量获得长度观测量L，激光 跟踪仪对标定点测量，获得水平方向观测量α、天顶距观测量β、边长观测量S； 激光跟踪仪在一个测站上完成对当前所有标定点的测量后，变换激光跟踪仪的架设方向和/或位置，使运动平台12在长度标准装置的导轨14上运动，在运动 路径上选取复数个停留点作为标定点，在新的测站上再对标定点进行测量；重 复上述测量步骤，使激光跟踪仪的水平方向观测量α覆盖0°-360°范围、天顶 距观测量β覆盖0°-180°范围、边长观测量S覆盖激光跟踪仪测量半径，得到 标定点的观测量。其具体的测量实施过程为：

水平测量标定：

1)长度标准装置水平放置；激光跟踪仪距离长度标准装置至少2m远，其 稳固架设在长度标准装置中部位置。2)使长度标准装置的运动平台在长度标准 装置的导轨上运动，运动平台每移动一段距离取一标定点，激光干涉仪和激光 跟踪仪分别进行测量，记录标定点的观测量。3)测量完成后，将激光跟踪仪水 平旋转一定角度后重新稳固架设，再次按照上述的步骤2进行测量，以保证激 光跟踪仪的水平方向观测量的测量范围覆盖0°～360°。4)将激光跟踪仪上升 或下降一个高度后重新稳固架设，以保证激光跟踪仪测量时的天顶距观测量的 测量范围覆盖0°～180°的范围，重复上述步骤2-3，完成水平方向观测量的标定。其中，激光跟踪仪稳固架设在长度标准装置中部位置是指激光跟踪仪位于 长度标准装置的中平面上，且与导轨中点等高，下同。

垂直测量标定：1)长度标准装置垂直放置；激光跟踪仪距离长度标准装置 至少2m远，其稳固架设在长度标准装置中部位置。2)使长度标准装置的运动 平台在长度标准装置的导轨上运动，运动平台每移动一段距离取一标定点，激 光干涉仪和激光跟踪仪分别进行测量，记录标定点的观测量。3)测量完成后， 将激光跟踪仪上升或下降一个高度后重新稳固架设，再次按照上述的步骤2进 行测量，以保证激光跟踪仪测量时的天顶距观测量的测量范围覆盖0°～180°。 4)将激光跟踪仪水平旋转一定角度后重新稳固架设，以保证激光跟踪仪的水平 方向观测量的测量范围覆盖0°～360°，重复上述步骤2-3，完成天顶距观测量的标定。

纵向测量标定：1)长度标准装置水平放置，激光跟踪仪稳固架设在长度标 准装置的端头，与导轨等高。2)使长度标准装置的运动平台在长度标准装置的 导轨上运动，运动平台每移动一段距离取一标定点，激光干涉仪和激光跟踪仪 分别进行测量，记录标定点的观测量。3)测量完成后，将激光跟踪仪向前或向 后移动一定的距离后重新稳固架设，再次按照上述的步骤2进行测量，以保证 激光跟踪仪测量时的边长观测量的测量范围覆盖激光跟踪仪测量半径。4)重复 上述步骤2-3，完成边长观测量的标定。

对角线测量标定：1)长度标准装置与地面成45°夹角倾斜放置，激光跟踪 仪距离长度标准装置至少2m远，其稳固架设在长度标准装置中部位置。激光跟 踪仪摆放在长度标准装置的左侧时进行左对角测量标定，激光跟踪仪摆放在长 度标准装置的右侧时进行右对角测量标定。2)使长度标准装置的运动平台在长 度标准装置的导轨上运动，运动平台每移动一段距离取一标定点，激光干涉仪 和激光跟踪仪分别进行测量，记录标定点的观测量。3)测量完成后，将激光跟 踪仪水平旋转一定角度后重新稳固架设，再次按照上述的步骤2进行测量，以 保证激光跟踪仪的水平方向观测量的测量范围覆盖0°～360°。4)将激光跟踪 仪上升或下降一个高度后重新稳固架设，以保证激光跟踪仪测量时的天顶距观 测量的测量范围覆盖0°～180°的范围，重复上述步骤2-3，对水平方向观测量 和天顶距观测量的标定进行补充。

获得标定点的观测量后，对标定点的观测量进行运算获得标定点观测量的 改正数及观测量平差值的精度，具体实施计算过程为：

建立激光跟踪仪仪器坐标系、全局坐标系、激光干涉仪坐标系；

激光跟踪仪仪器坐标系：以激光跟踪仪仪器中心点为原点，以竖轴为第一 轴Z轴，以激光跟踪仪的零方向为第二轴X轴，激光跟踪仪的零方向是指水平 方向观测值为零的方向，一般特定指向激光跟踪仪的基点。在仪器坐标系下目 标的三维坐标为(X_T,Y_T,Z_T)，见公式(1)；

全局坐标系：以激光跟踪仪仪器中心点为原点，以竖轴为第一轴Z轴，以 激光干涉仪的激光束方向为第二轴X轴，在全局坐标系下目标的三维坐标为 (X,Y,Z)，见公式(2)，其中，W为激光跟踪仪的零方向在全局坐标系下的方位 角；

激光干涉仪坐标系：以激光干涉仪的测距零点为原点，以激光干涉仪的激 光束方向为第一轴X轴，则激光干涉仪坐标系与全局坐标系的转化关系见公式 (3)，其中，R为激光干涉仪坐标系与全局坐标系转化的旋转角，在激光干涉仪 坐标系下目标的三维坐标为(X_I,Y_I,Z_I)；

对于标定点在激光跟踪仪下的水平方向观测量，有观测方程 平差方程为：其中

令则水平方向的误差方程为：

对于标定点在激光跟踪仪下的天顶距观测量，有观测方程平差方程为： 其中

令则天顶距的误差方程为：

对于标定点在激光跟踪仪下的边长观测量，有观测方程为平差方程为：

令则边长的误差方程为：

对于标定点在激光干涉仪下的长度观测量，通过公式(3)，有观测方程为平差方程为：

。

令则长度的误差方程为：

假设激光跟踪仪测量有n个标定点，则根据式(4)-(7)，可得到误差方程 的矩阵形式：

其中：

建立随机模型，得到观测量及其相互间统计相关性质：函数模型(8)中观测 量α_i、β_i、S_i、L_i是随机量，模型中的参数是非随机量，得到随机模型，即 观测量的方差阵：式中，Q为观测量的协因数阵，P为观 测量的权阵，为单位权方差，定权时，单位权方差可以是任意选定的某一 个常数，P与Q互为逆阵，观测量相互之间都是独立的，所以权阵P为对角阵， σ_αi、σ_βi、σ_Si、σ_Li为观测量的先验精度。

如下式所示；

由于激光跟踪仪测量有n个标定点，那么，总共有4n个观测方程，有3n+3 个未知参数，观测方程的个数应不小于未知参数个数，即n≥3，根据最小二乘 原理，上式(8)中的必须满足V^TPV＝min的要求，则得到：

将式(9)代入式(8)，即可得到改正数的方程式：

V＝B(B^TPB)^-1B^TPl-l (10)

单位权方差的估值为：

观测量的后验方差阵：

观测量的平差值的方差阵：

将标定点P(α，β，S，L)的观测量代入公式(10)和(12)，得到标定 点P_i改正数v_αi、v_βi、v_Si和观测量的平差值的精度

得到标定点的改正数和观测量的平差值的精度后，根据标定点的观测量、 标定点观测量的改正数以及标定点观测量平差值的精度对目标点的观测量进行 插值改正，获得目标点观测量的改正数。

插值改正方法如下：

由于激光跟踪仪的测距精度高，其精度主要是受测角精度的限制，因此， 重点对激光跟踪仪的角度进行改正。以激光跟踪仪仪器坐标系的原点为球心， 构建一个球体，将标定点和目标点都映射在这个球体表面上，对目标点M的水 平方向观测量进行插值，选取其周围的4个相邻的且其水平方向观测量的平差 值的精度比先验精度高的标定点P_i、P_j、P_k、P_l进行插值计算，得到目标点M水 平方向观测量α_m的改正数：

(13)；其中，先验精度是指仪器厂家给定的仪器标准精度。

同理，对目标点M的天顶距观测量进行插值，得到目标点M天顶距观测量 β_m的改正数v_βm。

同样，在本实用新型的其他实施例中，并不限定仅选取与目标点周围相邻 的4个标定点，也可以选取1个、2个、6个、8个甚至12个，优选其中平差精 度比先验精度高2倍的标定点进行插值计算，以获得更加精确的改正数。

将目标点的观测量与目标点观测量的改正数相加，获得目标点改正后的观 测量。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新 型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依 据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (5)

1.一种提高激光跟踪仪测量精度的装置，其特征在于，包括长度标准装置和激光跟踪仪，长度标准装置具有导轨、运动平台、激光干涉仪和激光干涉仪反射镜；激光干涉仪反射镜和激光跟踪仪的反射镜固定于运动平台上，激光干涉仪固定在长度标准装置上；所述运动平台用于在导轨上运动，并停留在导轨上的复数个不同位置，各个不同位置形成各个标定点；激光干涉仪用于测量各个标定点的长度观测量；激光跟踪仪稳固架设用于测量各个标定点的水平方向观测量、天顶距观测量、边长观测量。

2.如权利要求1所述的提高激光跟踪仪测量精度的装置，其特征在于，激光跟踪仪稳固架设于各个方向和/或位置上，使激光跟踪仪相对标定点的水平方向观测量覆盖0°-360°范围、天顶距观测量覆盖0°-180°范围、边长观测量覆盖激光跟踪仪测量半径。

3.如权利要求1所述的提高激光跟踪仪测量精度的装置，其特征在于，测量水平方向观测量和天顶距观测量时，激光跟踪仪距离长度标准装置至少2m远，其稳固架设在长度标准装置中部位置。

4.如权利要求1所述的提高激光跟踪仪测量精度的装置，其特征在于，测量边长观测量时，激光跟踪仪稳固架设在长度标准装置的端头，与导轨等高。

5.如权利要求1所述的提高激光跟踪仪测量精度的装置，其特征在于，所述激光干涉仪固定在长度标准装置上的一端。