專利名稱：基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光通信技術領域，具體涉及采用激光通信方式，高精度、高實時、高頻率測量經(jīng)緯儀設備扭轉角。
背景技術：
經(jīng)緯儀設備在工作過程中，設備之間存在的三維微小角度變化分別稱為縱向撓曲、橫向撓曲和扭轉，縱向撓曲和橫向撓曲是發(fā)生在兩設備連線平面內(nèi)的變形，而扭轉變形是繞梁設備連線的扭轉角。扭轉角的測量具有重要的工程意義，可以在事后或者實時對經(jīng)緯儀測量數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)差修正，從而獲得準確的設備精度值。目前，扭轉角的測量方法很多，但扭轉角的測量難度大，可用的測量方法較少。到目前為止，國內(nèi)外先后提出的測量扭轉角的主要方法有偏振光測量法；大鋼管基準法；雙光源雙CCD探測法；雙頻偏振光法；莫爾條紋法等。偏振光測量法結構簡單，體積小、質量輕，便于安裝和維護。但其對偏振計接收靈敏度、起偏器與檢偏器要求較高，難以滿足高精度測量要求。大鋼管基準法原理簡單，測量精度高，技術成熟。但其設備沉重、體積大，安裝維護不便。雙光源雙CCD探測法原理簡單，技術基礎成熟，質量輕，便于安裝和維護；但兩光源和兩CCD跨度要求大，否則測量精度難以滿足要求。雙頻偏振光法技術先進，結構簡單，體積小、質量輕，便于安裝和維護。但雙頻輻射源制造比較困難，需要采用很高的電壓控制。莫爾條紋法測量精度高，抗干擾能力強，但目前還處于理論研究階段，尚未實現(xiàn)工程化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有測量經(jīng)緯儀設備扭轉角存在測量設備安裝條件與測量精度兩個因素往往無法同時保證的問題，提供一種基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法。基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法，該方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一、激光通信端機的安裝，發(fā)射機位于經(jīng)緯儀機上光纖系統(tǒng)中，接收機位于經(jīng)緯儀機下光纖系統(tǒng)中；步驟二、多次測量發(fā)射機和接收機間的通信距離取測量后的平均值；所述的平均值用于計算光傳輸幾何路程；步驟三、發(fā)射機發(fā)射光信號經(jīng)由光纖輸出后進行放大、整形轉換為準直光束，所述準直光束經(jīng)反射鏡反射至接收機端的半反半透鏡后分為信標光和信號光；信標光經(jīng)聚焦透鏡后在CXD相機上成像；步驟四、對步驟三獲得成像后的圖像進行圖像處理并實時提取脫靶量；步驟五、根據(jù)接收機端的口徑、焦距、C⑶像元尺寸和步驟二獲得的光傳輸幾何路程和步驟四獲得的脫靶量進行實時運算經(jīng)緯儀設備扭轉角。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的經(jīng)緯儀設備在機上、機下間采用激光通信的同時，又可以進行傾角測量；并且測量精度高、測量數(shù)據(jù)輸出頻率高；本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明所述的方法不但對安裝條件要求低，同時能夠得出滿足經(jīng)緯儀系統(tǒng)要求的測量精度。


圖1為本發(fā)明所述的測量經(jīng)緯儀設備的扭轉角的示意圖；圖2為與圖1不同扭轉角位置的示意圖；圖3為本發(fā)明所述的基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法中信標光成像示意圖。
具體實施例方式結合圖1至圖3說明本實施方式，基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法，該方法由以下步驟實現(xiàn)，由于系統(tǒng)測角方法中使用的是信標光，所以實現(xiàn)步驟中重點論述的對象是信標光步驟一、激光通信端機安裝，機上通信端機為發(fā)射機，機下通信端機為接收機，實現(xiàn)全雙工通信功能。步驟二、多次測量發(fā)射機和接收機間的通信距離取測量后的平均值；然后將獲得的平均值用于計算光傳輸幾何路程；綜合運算該距離值和系統(tǒng)光學焦距值可以得出后續(xù)計算扭轉角所需的一個重要參數(shù)，即光傳輸幾何路程。通信端機間的距離也可以利用異步應答方式實時測量。在這里由于經(jīng)緯儀工作時，通信端機間距離變化量對測角精度影響很小， 所以采用直接測量方式即可。步驟三、發(fā)射機發(fā)射光信號(信號光和信標光)經(jīng)由光纖輸出后進行放大、整形轉換為準直光束，考慮到經(jīng)緯儀底座和機下通信端機的安裝位置，光束通過經(jīng)緯儀底座處一片反射鏡完成一次全反射后，在經(jīng)緯儀機上和機下間傳輸。光束到達機下接收端機后，經(jīng)由半反半透鏡分為兩束光信號(信標光和信號光)，信標光經(jīng)由聚焦及縮束處理后在CCD相機上成像；步驟四、采用重心圖像處理的方法，對步驟三獲得的在CXD相機上成像的圖像進行數(shù)字圖像處理，實時提取脫靶量；步驟五、根據(jù)接收機端的口徑、焦距、C⑶像元尺寸和步驟二獲得的光傳輸幾何路程和步驟四獲得的脫靶量進行實時計算經(jīng)緯儀設備扭轉角。結合圖1和圖2，本實施方式根據(jù)經(jīng)緯儀工作情況可以分為兩種，方式一、測量經(jīng)緯儀設備的微小傾角，這種情況適合于經(jīng)緯儀落地情況；則后端的成像系統(tǒng)采用小像元，長焦距系統(tǒng)。方式二、測量經(jīng)緯儀設備的較大傾角，這種情況適合于經(jīng)緯儀不落地情況 ’后端的成像系統(tǒng)采用大像元，短焦距系統(tǒng)。本實施方式所述的經(jīng)緯儀設備在工作的過程中，機上機下利用激光通信的方式進行通信。傳輸?shù)墓庑盘柗譃橥ㄐ殴夂托艠斯鈨煞N。本實施方式擬利用信標光完成對經(jīng)緯儀設備扭轉角(既傾角)的測量。經(jīng)緯儀設備傾角測量示意圖如圖1、圖2所示。圖1和圖2 分別示意了傾角位置設備所處的工作狀態(tài)。圖中包括機上光纖系統(tǒng)、機下光纖系統(tǒng)，光信號經(jīng)由放大整形后轉換為激光光束的形式在機上、機下間傳輸。機上發(fā)射的光束經(jīng)由經(jīng)緯儀底座處一片反射鏡發(fā)送到遠端機下，機下的入射光半反半透為兩束光信號，其中通信光用于數(shù)據(jù)通信，信標光聚焦后在CCD相機成像用于后端的圖像處理。結合圖1和圖2，當測控設備發(fā)生傾擺時，由于反射鏡和垂直軸之間相對位置固定，所以從經(jīng)緯儀底座出射的光束也隨之擺動。在遠端對光束進行分光操作，分立出信標光經(jīng)縮束后在CCD上成像。結合圖3，為了使經(jīng)緯儀設備擺動幅度在C⑶上成像明顯，所以在系統(tǒng)中將具有一定發(fā)散角的信標光束進行縮束處理，使得光束在CXD上成像為1 2個像元大小。點0(。， Y0)是調平后光束成像，點(X1J1)和點( , )是設備在X軸上左傾和右傾時的成像情況。 點(Xn，Yn)是在X軸和Y軸上組合晃動的情況。圖中成像只是示意圖，實際計算時要根據(jù)光傳輸?shù)膸缀温烦?、焦距、和脫靶量等參?shù)計算偏角。測量精度初步估算假設機上發(fā)射光經(jīng)反射到機下CCD像面，光傳輸幾何路程L為20m，平行光束直徑為20_。C⑶像元尺寸為5. 5μπΚ2Μ360相機)，接收光學系統(tǒng)口徑120_，焦距1米。按照目前圖像處理能力假定光斑成像至少為3個像元，實時輸出脫靶量能力為1個像元。相關參數(shù)估算如下。系統(tǒng)測量分辨率arctan(5. 5 + 1000000) X 3600 = 1. 13〃arctan (5.5X2 +1000000) X 3600 = 2. 26 “接收視場角arctan(5. 5X 1024+1000000) X3600 = 19‘上述工作情況下，接收系統(tǒng)可接收平行光束晃動角度范圍arctan((60-10) +20000) X60X2 = 17. 2'通過以上初步估算可以看到，從上式計算可以看到系統(tǒng)在完成高速通訊的同時， 可以測量的垂直軸最小晃動量為1.13"，晃動范圍為17.2'。在系統(tǒng)設計時，可以充分衡量系統(tǒng)測量分辨率要求以及可測量角度范圍兩個因素，選擇合適的成像系統(tǒng)，確定相應的系統(tǒng)參數(shù)如像元，系統(tǒng)焦距，端機間距離等。本發(fā)明利用激光通信技術，在保證高速通信的前提下，實現(xiàn)對經(jīng)緯儀扭轉角的測量，達到一舉兩得的效果。測量裝置結構簡單，體積小、質量輕，便于安裝和維護，測量精度高，測量輸出頻率高。但該方法由于傳輸介質為大氣，工作環(huán)境必須為通視情況。
權利要求
1.基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn)； 步驟一、激光通信端機的安裝，發(fā)射機位于經(jīng)緯儀機上光纖系統(tǒng)中，接收機位于經(jīng)緯儀機下光纖系統(tǒng)中；步驟二、多次測量發(fā)射機和接收機間的通信距離取測量后的平均值；所述的平均值用于計算光傳輸幾何路程；步驟三、發(fā)射機發(fā)射光信號經(jīng)由光纖輸出后進行放大、整形轉換為準直光束，所述準直光束經(jīng)反射鏡反射至接收機端的半反半透鏡后分為信標光和信號光；信標光經(jīng)聚焦透鏡后在CXD相機上成像；步驟四、對步驟三獲得成像后的圖像進行圖像處理并實時提取脫靶量； 步驟五、根據(jù)接收機端的口徑、焦距、CCD像元尺寸和步驟二獲得的光傳輸幾何路程和步驟四獲得的脫靶量進行實時運算經(jīng)緯儀設備扭轉角。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法，其特征在于， 步驟二中所述的通信距離采用異步應答方式實時測量或者采用直接測量的方式。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法，其特征在于， 步驟三所述的對圖像外理的方法采用重心圖像處理。
全文摘要
基于激光通信測量經(jīng)緯儀設備扭轉角的方法，涉及激光通信技術領域，它解決現(xiàn)有測量經(jīng)緯儀設備扭轉角存在測量設備安裝條件與測量精度兩個因素往往無法同時保證的問題，通安裝信端機，多次測量發(fā)射機和接收機間的通信距離取測量后的平均值；發(fā)射機發(fā)射光信號經(jīng)由光纖輸出后進行放大、整形轉換為準直光束，所述準直光束經(jīng)反射鏡反射至接收機端的半反半透鏡后分為信標光和信號光；信標光經(jīng)聚焦透鏡后在CCD相機上成像并進行圖像處理并實時提取脫靶量；根據(jù)接收機端的口徑、焦距、CCD像元尺寸、光傳輸幾何路程和脫靶量進行實時運算經(jīng)緯儀設備扭轉角。本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，易于實現(xiàn)。同時能夠得出滿足經(jīng)緯儀系統(tǒng)要求的測量精度。
文檔編號G01C25/00GK102494665SQ201110409089
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權日2011年12月9日
發(fā)明者吳志勇, 梁敏華, 王芳, 陳濤, 高世杰 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所