一种激光自准直测角零位基准误差测量方法

摘要

本发明属于测量技术，涉及对激光自准直测角技术方法的改进。本发明的实施基于：一个带有反射镜的三自由度旋转台，激光测角传感器，光电接收器件，数据采集卡和计算机。根据建立的激光自准直测角系统基准零位的畸变模型，按照测量步骤完成系统零位基准误差的测量。本发明方法对提高激光自准直测角系统的测量精度有着十分重要的作用，具有工程实用价值。

主权项

1、一种激光自准直测角系统零位基准误差测量方法，其特征在于，1.1、本测量方法的实施基于以下装置：一个精度在角秒级的三自由度旋转台，在旋转台的旋转中心放置着平面反射镜；激光测角传感器，即测角系统的光学部分；光电接收器件；数据采集卡和计算机；1.2、建立激光自准直测角系统基准零位的畸变模型，首先，建立xyz坐标系，右手系。1.2.1、当光电接收器件的安装位置垂直于光轴且平面镜绕光轴旋转一周时，折射光线绕光轴旋转形成的正锥体的方程为：          [z+M]²＝N(x²+y²)                 (1)式中： $M=\frac{f·L·\tan \alpha }{|(f-L)·\alpha |}+f,N=\frac{f^2}{|(f-L)·\alpha {|}^2},$f为光学系统的焦距，L为测量距离，α为反射光线与光轴之间的夹角；1.2.2、当光电接收器件的安装位置发生倾斜时，光电接收器件倾斜平面方程为：       Ax+By+Cz+D＝0                     (2)当光电接收器件倾斜平面位置确定时，式中A、B、C、D为确定的常数。1.2.3、联立公式(1)和公式(2)，则像点在光电接收器件上的运动轨迹方程为：(A²-C²N)x²+2ABxy+(B²-C²N)y²+2A(D-CM)x+2B(D-CM)y+(D-CM)²＝0   (3)式(3)表示的是一椭圆曲线，该椭圆曲线的中心像坐标(a，b，c)由下式给出： $\left\{\begin{array}{c}a=\frac{-A(D-\mathrm{CM})}{A^2+B^2-C^{2}N}\\ b=\frac{-B(D-\mathrm{CM})}{A^2+B^2-C^{2}N}\\ c=\frac{-\mathrm{Aa}-\mathrm{Bb}-D}{C}\end{array}\right.---\left(4\right)$1.2.4、激光自准直测角系统实际零位基准(x_o，y_o，z_o)是光轴与光电接收器件平面的交点，即 $\left\{\begin{array}{c}{x}_o=0\\ y_o=0\\ z_o=-\frac{D}{C}\end{array}\right.---\left(5\right)$1.2.5、系统基准零位的畸变模型d， $d=\sqrt{{(a-x_o)}^2+{(b-y_o)}^2+{(c-z_o)}^2}$ $=\sqrt{\frac{{(D-\mathrm{CM})}^2·(A^4+A^2{C}^2+B^4+B^2{C}^2+2A^2{B}^2)}{C^2{(A^2+B^2-C^{2}N)}^2}}---\left(6\right)$d为式(4)所代表的点与式(5)所代表的点两个点之间的距离；1.3、本发明方法的测量步骤如下：1.3.1、调整平面镜到初始零位状态，打开激光器，使得自准直测量系统的出射光束照射在平面镜上；1.3.2、转动平面镜，绕转台内框轴以角速度W旋转一周，1°/s＜W＜150°/s，通过数据采集与显示部分，每隔一定时间间隔t，记录光电接收器件探测到的像点坐标，设一共记录像点坐标p对，P的取值大于10，t＝360/(W×P)；1.3.3、对上述p对像点坐标进行圆拟合，求解得到圆心坐标(x₁，y₁)和圆半径R；1.3.4、根据已知的测量系统的光学系统的焦距f，在1.3.3的基础上，通过下列公式求解得到反射光线与光轴之间的夹角α： $\alpha =\arctan \left(\frac{R}{f}\right)---\left(7\right)$1.3.5、对1.3.2中获得的p对像点坐标进行椭圆拟合，求解得到椭圆的圆心坐标(x₂，y₂)和下列方程的各个系数：     a₁x²+2a₂xy+a₃y²+2a₄x+2a₅y+a₆＝0              (8)求取圆心坐标和椭圆圆心坐标之间的距离偏差，如果距离偏差小于光电接收器件的位置分辨率，就认为反射光线与光轴之间夹角的真实值近似等于夹角α，测量步骤跳转到第1.3.8步；否则进行第1.3.6步；1.3.6、在俯仰和偏航两个方向转动平面镜，使得反射光线与光轴之间的夹角减去α值，得到平面镜新的空间位置，令转动的俯仰角θ和偏航角满足下式：1.3.7、在平面镜新的空间位置的基础上，绕转台内框轴转动一周，重复1.3.2～1.3.5的过程，直到反射光线与光轴之间夹角的真实值近似等于夹角α，根据式 $N=\frac{f^2}{{|(f-L)·\alpha |}^2}$求解得到N的值；1.3.8、根据1.3.5的拟和结果和夹角α的值，结合公式(3)，得到光电接收器件平面方程系数间的关系： $A^2=\frac{a_4{a}_2}{a_5},B^2=\frac{a_5{a}_2}{a_4},{(D-\mathrm{CM})}^2=a_6,C^2=\frac{A^2-a_1}{N}---\left(10\right)$1.3.9、把公式(10)的结果带入到公式(6)，计算得到激光自准直测角系统基准零位的测量误差。