楊占立， 范百興， 西 勤， 王成江， 王瑞鵬

(1.解放軍信息工程大學(xué)， 河南 鄭州 450001； 2.?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司， 山東 青島 266100； 3.青島市勘察測繪研究院， 山東 青島 266033)

1 引 言

目前，大多數(shù)光電自準(zhǔn)直儀采用的二維敏感器件主要應(yīng)用于航空航天立方鏡的準(zhǔn)直測量，機(jī)械制造中同軸度、直線度、平面度的測量[1,2]，計量測試中測角設(shè)備的精度檢測等。由于光電自準(zhǔn)直儀具有測量精度高、靈敏度高、自動化程度高、分辨率高、使用簡單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測量的各個領(lǐng)域[3-8]。

對光電自準(zhǔn)直儀的應(yīng)用目前只局限在單臺對單個目標(biāo)的測量上，對實現(xiàn)多臺、多目標(biāo)的聯(lián)合測量的研究則鮮見報道。聯(lián)合測量是一種根據(jù)測量對象、精度要求、測量環(huán)境等條件融合多種傳感器的測量方法，旨在解決工業(yè)測量領(lǐng)域自動化程度不高、測量精度低等多種難題。本文提出一種光電自準(zhǔn)直儀自身坐標(biāo)系建立的方法，根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測量原理，建立空間虛擬直角坐標(biāo)系，并建立二維角度觀測值(x,y)與直角坐標(biāo)系下的水平角α和垂直角β的轉(zhuǎn)換模型，對實現(xiàn)光電自準(zhǔn)直儀與多傳感器的聯(lián)合測量打下基礎(chǔ)。

2 光電自準(zhǔn)直儀工作原理

2.1 光電自準(zhǔn)直原理

圖1為光電自準(zhǔn)直儀的光學(xué)成像原理圖。光源發(fā)出的發(fā)散光通過圓孔目標(biāo)，透過分光鏡到達(dá)準(zhǔn)直物鏡轉(zhuǎn)換為平行光直接照射到反射鏡上，然后沿原光路返回，再次到達(dá)分光鏡并反射至敏感器件。當(dāng)反射鏡產(chǎn)生α偏角時，反射回敏感器上的光電位置也將發(fā)生變化[5,7]。

圖1 光電自準(zhǔn)直原理圖

根據(jù)光學(xué)原理，反射鏡的偏角α與準(zhǔn)直物鏡焦距f′及反射光在敏感器件上的位移量S有如下的關(guān)系：

S=2f′ tanα

(1)

光電自準(zhǔn)直儀是一種小角度測量儀器，因此α比較小，式(1)可近似寫為S=2f′α。在光電自準(zhǔn)直儀中f′是一個常數(shù)，需通過測量接收器上的位移量即可得到反射鏡的偏角α。

2.2 敏感器件工作原理

在光電自準(zhǔn)直儀中，敏感器件的作用是將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，隨著光電位置的變化導(dǎo)致電信號的變化，記錄電信號的變化來確定光點(diǎn)位移量，即可通過公式(1)解算得到反射鏡的偏角。

根據(jù)敏感器件的不同，光電自準(zhǔn)直儀角度測量數(shù)據(jù)分為一維和二維，目前大多數(shù)的光電自準(zhǔn)直儀采用二維的敏感器件，主要有位置敏感器件(position sensitive detector，PSD)和電耦合元件(charged coupled device，CCD)兩種。

PSD器件是一種基于橫向光電效應(yīng)的光能/位置轉(zhuǎn)換器件，以模擬量的形式將位置量進(jìn)行輸出，是一種非線性轉(zhuǎn)換方式[9]，原理圖如圖2所示。圖中X1,X2,Y1,Y2分別為每個電極的光電流輸出；(X,Y)為光斑的中心位置坐標(biāo)；LX,LY分別為光敏面的寬和長。

CCD敏感器件是由一對金屬氧化物半導(dǎo)體充電電容與儲存電電容耦合而成的相敏單元，光或電刺激使得電路將各個相敏單元收到的光電能信號以電脈沖信號的方式輸出[10]，進(jìn)而實現(xiàn)位移量的測量，面型CCD原理圖如圖3所示。

圖3 面型CCD原理圖

3 光電自準(zhǔn)直儀坐標(biāo)系

3.1 坐標(biāo)系的建立

光電自準(zhǔn)直儀不同于常規(guī)的測量儀器，其本身沒有空間坐標(biāo)系，為了將其與多種測量設(shè)備聯(lián)合使用，本文提出一種虛擬空間坐標(biāo)系建立方法，并將其應(yīng)用于光電自準(zhǔn)直儀，實現(xiàn)光電自準(zhǔn)直儀自身坐標(biāo)系的建立。

光電自準(zhǔn)直儀是在平面坐標(biāo)系顯示二維角度值。以光電自準(zhǔn)直儀的視準(zhǔn)軸為坐標(biāo)系的Z軸，該Z軸平行于測量角度值為(0,0)的平面鏡法線；X軸定義為光電自準(zhǔn)直儀讀數(shù)為(xi,0)的點(diǎn)所在的直線，以xi值增大方向為正向；同理，Y軸定義為光電自準(zhǔn)直儀讀數(shù)為(0，yi)的點(diǎn)所在的直線，以yi值增大的方向為正向。這里i=0,1,2,…,n;xi,yi表示光電自準(zhǔn)直儀角度測量數(shù)據(jù)。

坐標(biāo)系原點(diǎn)的確定：當(dāng)光電自準(zhǔn)直儀對反射鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，其平面坐標(biāo)值為(0″,0″)時，反射光中心與目鏡的交點(diǎn)作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，也是視準(zhǔn)線與目鏡的交點(diǎn)。

3.2 參數(shù)轉(zhuǎn)換模型

以空間中任意一個平面鏡為例，用光電自準(zhǔn)直儀對其進(jìn)行準(zhǔn)直測量，并根據(jù)光電自準(zhǔn)直儀工作原理得到反射光線和平面鏡法線在空間坐標(biāo)系下的位置關(guān)系，如圖4所示。

圖4 空間直角坐標(biāo)系

以Sx表示敏感器件得到的x方向的位移量，同理Sy表示y方向的位移量，加上光電自準(zhǔn)直儀的觀測值(x,y)，則可根據(jù)(1)可以得到：

(2)

從圖4可以得出tanα=Sy/Sx，聯(lián)立式(2)得到平面鏡法線在空間坐標(biāo)系下的水平角α的計算公式：

(3)

(4)

聯(lián)立公式(2)得到：

(5)

3.3 模型驗證

以光電子準(zhǔn)直儀兩組觀測值(0″,500″)、(0″，-500″)為例，從兩組觀測值可以看出兩平面鏡法線的夾角θ=1 000″；根據(jù)式(3)和式(5)計算出的平面鏡法線在空間坐標(biāo)系下的水平角和垂直角分別約為(90°， 89.861 1°)、(-90°， 89.861 1°)，以這兩組數(shù)據(jù)計算得到的兩平面鏡法線的夾角θ′=1 000.08″，θ≈θ′，即驗證了光電自準(zhǔn)直儀空間坐標(biāo)系建立方法的合理性及參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的正確性。

因此，式(3)和式(5)即為利用光電自準(zhǔn)直儀觀測值(x,y)計算平面鏡法線在空間坐標(biāo)系下的水平角α和垂直角β的轉(zhuǎn)換模型。

4 結(jié) 論

對光電自準(zhǔn)直儀的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過虛擬方法建立其空間直角坐標(biāo)系，推導(dǎo)出參數(shù)的轉(zhuǎn)換模型并進(jìn)行實例驗證，為實現(xiàn)光電自準(zhǔn)直儀與其他傳感器的聯(lián)合測量提供了理論基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 董彥維，賈軍強(qiáng)，萬琦,等.一種高精度線陣CCD二維自準(zhǔn)直儀四狹縫目標(biāo)中心的定位方法[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2016，(1)：81-84.

[2] 葉聲華，樊玉珍.提高激光準(zhǔn)直精度的一種有效方法[J].計量學(xué)報,1986, 7(4):75-78.

[3] 劉學(xué)吉，王省書，周金鵬,等. 光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)的建模方法研究[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2016,37(4): 545-551.

[4] 張小強(qiáng),武欣,王偉榮,等. 平面光學(xué)元件平面度動態(tài)干涉拼接測量[J].計量學(xué)報, 2016, 37(5): 484-488.

[5] 周丹，向陽，高健. 自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2014, 35(5): 794-798.

[6] 劉雯,沈妮,李天初. 用多齒分度臺標(biāo)定激光小角度干涉儀[J].計量學(xué)報, 2004,25(4): 298-301.

[7] 周紅鋒，宮愛玲. 小角度測量的光學(xué)方法[J]. 計量技術(shù), 1981,(3): 3-8.

[8] 張之江，于瀛潔. 三維小角度測量系統(tǒng)建模[J].計量學(xué)報, 2003, 24(1): 21-25.

[9] 王強(qiáng)龍，潘宏俠，任海峰,等. 基于PSD的長管彎曲度測量系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2013,32(1): 108-110.

[10] 石東新，傅新宇，張遠(yuǎn). CMOS與CCD性能及高清應(yīng)用比較[J]. 通信技術(shù), 2010,43(12): 174-179.