电子经纬仪

关键词： 误差 补偿 测量 电子

电子经纬仪（精选十篇）

电子经纬仪 篇1

采用20″细分法提高测量精度,该法对模拟信号要求不高,能长时间保证精度范围不受影响;硬件实现简单;使用效果突出,完全没有转速限制.

1 系统设计原理

电子经纬仪的光电系统主要包括模拟角度测量系统和数字角度测量系统.电子经纬仪开机后,转动光栅盘,待垂直光栅过零后,系统进入工作状态.模拟信号处理电路将4个模拟角度测量装置(水平方向2个,垂直方向2个)产生的8路正余弦信号(每个模拟角度测量装置分别产生2路正弦余弦信号)采样进行整形得到计数脉冲,然后送入FPGA进行硬件辨向和计数,接着将计数值送入微处理器.同时,也将正余弦信号送入微处理器中,作A/D转换、软件细分和补偿运算处理.最后结果和FPGA的计数值加起来,经制式变换等获得终点处角位移量,并送到显示器显示,或存储于存储器中.研究了基于FPGA的硬件辨向计数的实现和软件细分的实现过程[2],分析了软件细分误差等关键技术.

由于圆光栅盘全圆周共刻有16200条刻线,所以,光栅每相对移动1条刻线,正余弦信号移动1个周期,即代表角度移动了80″.对模拟角度测量系统输出的2路信号进行波形变换,形成与此正余弦信号一致的周期性的脉冲信号.对此2路正余弦信号上下边沿进行微分相加,得到1组微分脉冲,该微分脉冲每20″出现1次.结合辨向信号计算所测信号20″整周期的个数:辨向信号为高,即正转时出现一个微分脉冲计数值加1;反之辨向信号为低,即反转时出现1个微分脉冲则计数值减1.计数器的计数范围设在0～64799中.一个微分脉冲代表20″,第64800个脉冲代表所测角度到了360°,也就是0°,所以计数器归零.垂直信号计数器是用零位脉冲信号异步清零,水平信号计数器则用单片机给的清零信号异步清零.

对光栅读数头输出的信号进行放大整形时,由于各路信号的幅度范围均不相同,直流电压也不同,用相同的比较电压与各路信号作比较,得到的方波的占空比不是1:1,这对用来计数的微分脉冲有影响,而单片机中不足20″的秒数值的计算则不然,所以实际计算时,20″整周期的个数的计数值要对照归一化后的正余弦数值所确定的采样点所在区间号作20″的加减修正处理.对于不足20″的角度部分采用的是一种新型的数字细分技术来处理的.

2 辨向计数的实现

20″整周期的个数需要用硬件计数以达到转速的要求,为防止软件计数中丢数的现象出现,采用Altera公司Cyclone系列EP1C3T144型号的FPGA来实现硬件计数、辨向、控制按键处理、补偿初处理等的功能(见图1).该芯片是I/O电压为3.3 V,采用TPFQ封装,支持JTAG和AS下载模式,共有2910逻辑单元,59904RAM bits,1个PLLs,最多有104个用户I/O.上电时由控制电路控制将SPROM中的配置数据装载入FPGA器件中.系统采用的SPROM为EPCS1.

FPGA工作的时钟信号由外部的一个有源晶振提供,用计数器和比较器共同组成分频器对由有源晶振产生的8 MHz的信号进行分频,分别产生2 MHz、490 Hz、15 Hz的3种频率的方波,得到2 MHz的时钟信号给FPGA中各单元.一个圆周360°分为64800个20″.若测量镜头1 s转一周则整周期的个数1 s内出现64800个,频率远低于2 MHz.所以这个时钟完全可以满足设计需要,避免对整周期的个数计数时,发生丢数的现象.而另外490 Hz分频时钟是给按键去噪声电路的,15 Hz的分频时钟则是提供给补偿器的选择控制信号.

3 电源开关单元

电子经纬仪一般应用于野外测量,因此要求电源功耗低、体积小.因为产生莫尔条纹信号的光源是由直流电源电路供电的,所以电源的稳定与否直接影响信号的细分和读数精度.同时运放和比较器等也是由该稳压电源提供,因此必须进行系统电源的优化设计.本系统采用4节1.5 V电池供电,即输入电压最大为6 V.整个系统需要多组电源,数字和模拟的电源总共需要6组:数字电源5、3.3 、1.8、1.5 V;模拟电源3.3、1.8 V.

电压转换设计好后,还须设计电源开关控制电路.液晶显示器有6个操作按键,其中POWER是电源开关,另外5个功能控制键根据对应的第一功能分别记作:0SET、R/L、HOLD、FUNC、ANG%.系统开机后,由0SET、R/L、HOLD、FUNC、ANG% 5个按键进行控制,每个按键还有第二功能.根据设计需要,开机时应长按POWER按键电源才对系统供电,实际设计用89C2051单片机做电源开关控制,因为该单片机价钱低廉,在不增加成本的情况下,可利用其内设计数器对POWER按键的有效状态进行计数,一定时间后可使电源导通[3,4].

4 软件细分的实现

系统选择了PHILIPS ARM7系列LPC2214单片机.其体积小、功耗低、多功能、方便快捷,内部带A/D转换,I/O口多.LPC2214带有256 KB嵌入的高速片内Flash存储器、多个32位定时器、8路10位ADC以及9个外部中断.

89C2051单片机的任务主要就是提供按键信号和开机模式代码给单片机LPC2214.系统根据89C2051送来的开机模式的代码,开始运行相应开机模式的程序.电子经纬仪有5种开机模式,系统开机后,LPC2214开始运行程序.由0SET、R/L、HOLD、FUNC、ANG% 5个按键进行控制,每个开机模式的程序都有各自的取指令子程序,因而每个模式都能完成其自身的功能.

在正常测量角度的时候,当所有数值都采集完时,就要进行最重要的工作,即对数值进行细分处理,最后算出角度值.所有其他工作都是建立在这一步处理的基础上,而这一步的处理也最为复杂,所以角度计算子程序是软件设计的关键(见图2).

具体角度测量值可由表示为:θ=20″N+θ′s-θs.其中,N为微分脉冲数(整数);θ′s为终点处不足20″的小数;θs为起点处不足20″的小数;θ′s、θs要经过细分才能求出.

采用模拟角度测量系统输出的sinθ和cosθ进行A/D转换,变换为数字信号,然后,用软件编程的方法,利用sinθ和cosθ数字量构建新的函数的数字量u=|sinθ|-|cosθ|,并利用此新函数在软件上做细分.

每次A/D采样后存在A/D寄存器中的采样值,要先经归一化处理转换成各自的正余弦数,即-1～1间的数值.由于8路信号的幅度范围均不相同,直流分量也不相同,在有限的电路板面积的条件下,设计同时采集各路信号的最大值和最小值,再算出各自的直流电平,接下来才作归一化处理,这样就可以避免归一化误差的出现.

最后计算角度值的时候,实际计算时区间号以小秒数的区间号为准,要对照小秒数计算出的区间号对角度值作20″的加减修正处理.

最终显示的水平和垂直角度值不能有负值、超过360°或是跳数的情况出现.由于FPGA的计数器设置数值范围和系统工作原理决定了单组角度数据是不会超过360°的.关键是在角度为零附近时,如果水平和垂直的2组信号的零位不完全对齐,即位置不是精确相差180°时,则计算出来的秒制角度值在零位时用简单的相加求平均会出现180°的严重错误.因此在算法中要设法避免这种情况的出现.设计用第1组和第2组秒数角度值的差来做判断,只要两者差大于10″,最终角度值用2组角度值减360°再作平均.但这样处理的最终角度值会出现小于0°的情况,所以最终角度值一旦出现负值就要加360°.

经过这些计算处理,可以得到十分精确的水平和垂直角度值,但还没有考虑到仪器自身的垂直轴的垂直问题会给垂直角度带来很大的误差,所以系统用电子水泡补偿器作补偿.

5 系统细分误差分析

电子经纬仪作为一种高精度的测角仪器,整个系统的工作,会有各种误差对使用精度产生影响.由于使用时外界误差不可避免,而在设计的误差范围中,对于在使用时外界带来的误差已包括在内.因此,在此仅就读数系统细分误差进行分析.从数学角度来看新构建的准三角函数U

U=|sinθ|-|cosθ|

为了考察U,先对正余弦函数的绝对值进行傅里叶变换,将其在区间(-π,π)展开,展开式为

为了考察新构函数U的线性好坏,把它与1个三角波进行比较.该三角波函数幅值为π/3,周期为π,它的数学表达式为

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该三角函数在(-π/2,π/2)区间内的傅里叶展开式为

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如果把U和U′在区间(-π/2,π/2)内之差记为△U,则△U的大小为

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U的最大值不大于3%.在区间(-π/2,π/2)内用函数U来代替三角波是一个较好的方案.

6 结 论

通过对电子经纬仪的硬件辨向计数和软件细分原理的研究,对软件细分的误差进行了分析.在硬件系统上结合软件编程进行在线调试,实现了5种操作模式下的各种功能,最终系统达到了2″的测量精度,1″的读数精度.

参考文献

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[3]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计:系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001:1-10.

电子经纬仪 篇2

关键词：电子式光学经纬仪使用技巧

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1007-3973(2011)005-026-01

ZXGO1F型电子式光学经纬仪是集光、机、电于一体，用于高空风观测的便携式高空气象探测仪器，是CFJ-1型和五八式等经纬仪的更新换代产品，它是目前我国120多个气象高空站必备的辅助性观测设备，与GTC2型L波段探空数据接收机系统配套使用可以替代GFE(L)l型二次测风雷达系统，完成高空气压、温度、湿度、风向和风速五个要素的探测，在高空气象探测中发挥着举足轻重的作用。熟练掌握ZXG01F型电子式光学经纬仪的使用技巧，是每个高空探测人员的必修课程，也是提高和保障探测质量的必备条件。

1.工作原理

1.1经纬仪的组成

ZXGO1F型电子式光学测风经纬仪由光学、机械和电子三大部分组成，即：光学部分：主要包括望远镜装置和夜间照明装置。机械部分：主要包括机械传动装置和水平调整装置。电子部分：主要包括光栅角度传感器和信号采样及数据处理电路板。

1.2工作原理

ZXGO1F型电子式光学测风经纬仪是一种精密的光学仪器，用来观测气球在空中的角座标值(仰角、方位)，确定气球在空中的位置，并通过一定的运算，计算出不同高度的风向、风速。光学望远镜系统主要用于观测目标物(气球)。机械传动装置是在跟踪气球时用来调整望远镜的仰用和方位角的。二者都是采用摩擦制动和蜗轮、蜗杆轮系统传动的原理来实现既能“大动”(用手直接扳动物镜使角度发生大的变化)，又能“小动”(调节手轮使角度发生小的变化)。光栅角度传感器：仰角和方位分别装有由光栅盘、红外发射和接收管等组成的角度传感器，一个水平放置，一个垂直放置，它们的作用是将仰角、方位角的机械角位移转换为电信号输出，主要部件还有信号采样板和数据处理板，完成数据运算、储存以及语音播报等功能。

2.优点

2.1使用方便

ZXGO1F型经纬仪能自动存录观测数据，不需人工读数和记录，观测时只需人工跟踪气球，一人操作便可完成测量工作，节省人力，解决了过去既要跟踪操作又要读数容易发生丢球的烦恼。

2.2自动化程度高

采用先进的光栅编码和计算机技术，能自动定时采集气球的仰角、方位角数据，观测结果自动存储还可语音播报，也以以通过输出接口用通讯线缆将采集的数据传输到Pc机实现自动传输和处理。

2.3测量准确、快速

减少了观测中人为读数误差，提高了观测速度和准确度。

3.使用技巧

3.1使用经纬仪的定向记忆功能，便于夜间观测

ZXGO1F型经纬仪具有定向记忆功能，特别适合于一次架设，长期使用的气象台站。经首次定向调整设定后，只要不搬动或重新架设经纬仪，无需进向定向设置和操作。实施放球前，只要按如下操作流程即可。

对准固定目标物－开机－自检－结束定向－等待放球定向记忆原理：

经纬仪的内部有一个存储单元专门用来存储开机时的方位位置，称为“方位定向值”。经纬仪开机时会读出该“方位定向值”作为经纬仪的初始方位，同时经纬仪进入角度测量工作状态，随着方位的机械转动，方位角度值在“方位定向值”的基础上增加或减小。

为了便于在夜间观测时进行方位角调整，一般要选择一个孤立的灯光作为夜间观测的目标物。如果没有灯光作为夜间的目标物，利用经纬仪的定向记忆功能也可以进行夜间方位角的调整。具体操作如下：在每一次观测结束之后，把经纬仪的小物镜调来正对固定目标物，之所以要用小物镜是因为在临时观测时万一忘了大小物镜的转换，气球施放后近距离不好抓球，然后再关机，这样下次使用时经纬仪本身就已经对准固定目标物了，这一步就可以省略，直接开机一自检一结束定向一等待放球就可以了。

3.2改变经纬仪的采样间隔

设置采样间隔的操作流程：

按住观测键－开机－选择采样间隔－关机保存

具体操作方法：

(1)先按住观测键再按下开机键，进入采样间隔的设置，语音提示采样间隔。

(2)用+或-键选取所要的采样间隔。有10"、15"、20"、30"、60"五种采样间隔可选。

(3)选好采样间隔，按下关机键关机。所选定的采样间隔即成为经纬仪开机默认的采样间隔。

3.3使用经纬仪的一键传输功能

实施数据传输的操作流程：

连接通讯线缆一开启PC机并打开应用程序经纬仪－开机－传输－保存

3.4电池报警功能

当电池电压降到一定程度，即将影响经纬仪正常工作时，会有语音“请更换电池”的报警提示，放球结束后应及时予以充电。该经纬仪的欠压报警，在设计时已留有充分的富余量，有第一次报警后仍有足够的电力维持经纬仪工作数小时至少可以放一个球。

4.结论

本文从ZXGO1F型电子式光学经纬仪的工作原理入手，介绍了它在高空气象探测业务工作中的用途和优点，阐述了电子式光学经纬仪在实际操作中的一些使用技巧和经验方法，仅供同行们参考。

参考文献：

[1]中央气象局，高空气象观测手册——高空风观测部分，1976：8.

电子经纬仪 篇3

经纬仪具有测量精度高、非接触、可移动等优点,被广泛应用于航空航天、船舶制造、汽车工程等领域。传统经纬仪测量系统需要人眼瞄准,测量效率低,不能对多个目标进行快速的瞄准测量[1]。带有CCD相机和马达驱动的电视经纬仪测量系统能够实现自动瞄准测量,但受马达驱动误差影响,难以准确瞄准被测目标,不能达到较高的测量精度[2,3]。张滋黎通过摄像机视场引导经纬仪测量,对摄像机和经纬仪可分别布站,既满足了目标空间的大范围搜索要求又不影响经纬仪的优化布站,但在对视场内目标点进行自动瞄准时采用了逐渐逼近的方法,由于马达驱动误差等因素的影响,经纬仪激光光斑很难在较少的瞄准次数下精确对准目标质心位置,从而降低了自动测量效率[4,5]。

本文提出了一种基于视觉的目标点精确定位方法,在视觉引导的经纬仪测量系统中,通过建立经纬仪激光光斑的扫描线模型,对目标点进行区域扫描,从而解算出目标点的实际坐标。无需多次瞄准,既保证了测量的精度又提高了测量效率。

1 测量系统组成

如图1所示,本系统由两台马达驱动激光电子经纬仪和一台固定在二维精密转台上的可自动变焦摄像机组成。在每台经纬仪目镜端装配有半导体激光器,其投射在目标上的光斑质心即为经纬仪实际瞄准位置。摄像机首先处于广角模式,驱动精密转台转动带动摄像机在测量空间内搜索被测目标。当被测目标出现在视场内后,调整摄像机焦距,使目标在视场内清晰成像,并驱动经纬仪瞄准目标视场。最后驱动经纬仪利用本文建立的扫描线模型对视场内的目标点进行自动瞄准,并通过逐次缩小步长逐次逼近计算提高测量精度。

2 目标点的精确定位

2.1 扫描平行网格模型

如图2所示,V为目标平面,W为摄像机平面,平面U与摄像机像平面平行且过扫描初始点N。电子激光经纬仪以固定的垂直角β0做水平小角度旋转,设旋转前后经纬仪水平角分别为α0、(α0+Δα0),则经纬仪旋转形成的圆锥面可近似为一个平面,该平面与目标平面V相交形成的轨迹MN可视为一条直线。直线MN方程可表示为

根据Kardan旋转,使得平面V按照Z轴、Y轴、X轴的顺序分别旋转角度α、β、γ得到平面U,则两平面间的旋转矩阵:

平面V上任意点M在相机坐标系下的投影坐标M'(x',y',z')满足:

其中:f为相机有效焦距。当垂直角β不变时联立式(1)∼(3)可求得直线MN的斜率:

当相机位置及目标平面位置确定时K、φ1、φ2为由A、B、C、α、β、γ确定的定值。当经纬仪以不同的水平角α、(α+Δα)扫过目标平面V的斜率偏差:

当Δα很小时Δk近似为0。即当垂直角变化很小时,两条水平扫描轨迹线近似平行。同理,当水平角变化很小时,两条垂直扫描线也近似平行,可视为不同方向平行线组成的平行网格。

2.2 扫描线与旋转角度的关系

如图2,扫描初始位置对应的直线ON方程可表示为

当经纬仪做单轴旋转,扫描到位置M时联立式(1)、式(6)解得点M、N坐标分别为(xM,yM,zM)=g(A,B,C,α,β,dα),(xN,yN,zN)=g(A,B,C,α,β,Δα)则当经纬仪垂直角度不变,水平角度旋转Δα时,经纬仪激光点在目标平面上扫过的距离为。由于旋转角Δα很小,可近似认为cosΔα=1,sinΔα=Δα。可将D化简为如下形式:

对于每个固定的目标平面K1K2K3为由A、B、C、α、β决定的常数。令平面V法向量为n1=(0,-1,0)T则平面U法向量为

设经纬仪做小角度单轴旋转时,激光束扫过平面的法矢量为(m,n,o)T,将平面V上线段MN投影到平面U上得到M′N,联立式(7)、式(8)得到:

其中:K′、K″为由式(7)中K1K2K3确定的定值,而K4为由α、β、γ、m、n、o决定的定值。将相机视为理想的小孔模型,如图2满足相似三角形关系:

综上所述,当经纬仪做单轴旋转时其激光点在像平面上扫过的距离与旋转角度间的关系为

其中:C1、C2、C3在相机姿态固定、目标位置不变时为定值。

2.3 相机的畸变矫正

扫描线模型能够实现对空间中目标高效的自动测量,但是在实际的测量中,当在视场中存在多个目标点且其中部分目标点不处于视场中心时,若直接使用扫描线模型,镜头的畸变将对测量精度产生较大影响。因此需要对镜头畸变进行矫正以进一步提高测量精度。

镜头存在的畸变通常包括径向畸变和切向畸变,对于本系统采用的镜头切向畸变产生的影响很小,可忽略不计[6]。径向畸变的矫正模型如下:

其中:L(r)=1+k1r2+k2r4,该式中的为特征像点到光轴的径向距离,其中(xm,ym)为特征像点的实际像面坐标,(x0,y0)为畸变中心坐标,(xˆ,yˆ)为经过矫正后的理想像面坐标。

2.4 目标点的精确定位

如图3,经纬仪激光光斑在目标点附近做单轴扫描,沿水平、垂直方向分别各扫描三次以上即可利用式(11)建立冗余方程,通过最小二乘法可以求得水平方向的CH1、CH2、CH3和垂直方向的CV1、CV2、CV3并得到扫描线斜率,设水平扫描线方程为:y=kx+b,与垂直扫描线平行且过目标点的直线方程为y=k2x+b2,联立以上两式得到两直线交点P坐标。则初始扫描点到点P的间距为水平扫描距离,点P到目标点间距为垂直扫描距离。通过式(11)进行插值计算可以得到当经纬仪瞄准激光点时的水平、垂直角度值。以上为单次概略瞄准过程,重复迭代上述过程直到激光光斑与目标点间距达到可接受的范围时认为经纬仪已瞄准目标点,测量过程结束。其中对于目标点的定位采用椭圆拟合求取拟合圆心的方式,而对于激光光斑则用加权质心法直接定位。

3 实验

3.1 相机标定实验

将经纬仪与相机的相对位置固定。采用12×9的棋盘格特征靶标,棋盘格特征行列间距20 mm。将靶标置于距经纬仪5 m处,利用matlab中的toolbox_calib工具箱进行相机标定[9]。得到相机内参数以及畸变系数如下:fc=[8 072.028,8 025.933],[u,v]=[383.5,287.5],[k1,k2]=[0.706,2.571]

3.2 经纬仪扫描瞄准实验

3.2.1 未经过畸变矫正的测量结果

用目标平面代替相机标定实验中的靶标平面。目标平面上共有10个圆形特征,其分布如图4所示。测量开始时分别将经纬仪激光点置于每个特征附近,经纬仪沿水平方向以角度增量Δα=0.03扫描5个位置,利用最小二乘法拟合得到每个特征位置处的水平扫描线斜率和扫描距离与单轴旋转角的关系系数。经纬仪沿垂直方向按照同样的方式扫描得到垂直扫描斜率以及关系系数。利用图3建立的扫描线模型进行插值计算,得到当经纬仪激光点瞄准目标点中心时的水平、垂直角度值。重复进行上述过程3次,每次将扫描角度间隔减小一半。将测量结果与传统经纬仪测量方法中人眼瞄准的角度值做对比,结果如表1所示。实验结果表明,对于未经过畸变矫正的图像,在距离畸变中心较远处误差较大。对10个点概略瞄准的均方根误差为:δx=0.001 114°=4.012″,δy=0.001226°=4.413″。

3.2.2 经过畸变矫正的测量结果

对图4得到的畸变参数曲线进行线性插值,得到当前焦距处的畸变系数,利用此系数对目标图像进行畸变矫正,对校正后的图像重新计算水平、垂直扫描线斜率和关系参数,计算得到瞄准目标时的水平、垂直角度值与标准值对比结果如表2所示。对经过畸变校正后的图像进行概略瞄准发现,对视场边缘处的目标点的测量精度有所提高,对畸变中心附近的目标点的测量精度几乎没有影响。进行畸变校正后对10个目标点的单次概略瞄准的均方根误差为:δx=0.000 698°=2.512″,δy=0.000 689°=2.248″。

4 结论

实验数据表明,在视觉引导的经纬仪测量系统中,镜头畸变对于视场中距离畸变中心较远的目标点会产生比较显著的影响。进行畸变补偿后再利用扫描线模型进行测量可以提高测量精度,并且具有较高的测量效率。

利用该模型在目标为平面时能够在较少的扫描次数下达到较高的测量精度,对于空间曲面的测量应进一步改进测量模型,补偿测量误差,从而适用于更多工程应用场合。

参考文献

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电子经纬仪 篇4

摘要：倾斜巷道的腰线测设在坡度较大和精度要求较高时，传统的悬挂坡度规法和水准仪法均不能满足工程需要，经纬仪高程法在实现腰线测设中无论采用中线点兼作腰线点测设或伪倾角测设，腰线标示点改正都是至关重要的，成组腰线点间标设方法和精度由于受巷道侧帮不规则起伏而制约放线精度，本从实际测量实践，对高程法倾斜巷道经纬仪腰线测设进行探究，达到倾斜巷道腰线测设中实现精确、快速、腰线点布设灵活的目标。

关键词：高程法倾斜巷道经纬仪腰线测设

随着采掘设备、技术、工艺的进步，在矿山开拓和降段延伸中，倾斜巷道依据工程量小于平巷加竖并方式和便于矿山整体系统衔接的特点，在矿山建设中占据越来越大的比重。倾斜巷道由于其特殊的空间几何关系，三维坐标呈函数关系变化，在腰线测设中无法照搬平巷或者天井的腰线测设方法进行操作。本文根据陕西铅硐山矿业有限公司1330m～1080m主运输斜井开拓施工中，采用的经纬仪高程法对斜井巷道腰线测设实践，对这一成功方法进行探讨。

陕西铅硐山矿业有限公司1330～1080m主运输斜井，倾角28°，斜井全长532.5m，斜坡道采用有轨卷扬机提升方式开凿，坡度精度要求较高。悬挂半园仪法测设腰线不能达到精度要求，水准仪在1.5米视线高最大可视斜长仅4806m，无法满足测设腰线的需要；根据测量理论和施工要求，一般在倾角大干5°的主要倾斜巷道或精度要求较高的倾斜巷道，必须使用经纬仪测设腰线。详见图1、图2。

根据工程技术要求，腰线点每隔30m成组设置(2对4个腰线点为一组)，受巷道两帮不规则影响，瞄线法在施工过程中更加便利于现场随时标示施工基准线，因此不使用两帮延长线法。

中线点兼作腰线点的标设法，如图3，在中线点的垂球线上作出腰线的标志，同时量腰线标志到中线点的距离，以便随时根据中线点恢复腰线的位置。该方法虽然具备在中线点的垂线上随时便利量取腰线点且不受伪倾斜的影响，但是在施工中由于只能保证一条沿中线的坡度线，不易标示，纵向控制便利，横向控制无精度保障，施工时炮眼布设和铺设轨道极为不便，实际施工指导效果不可靠，在该工程中没有采用。

因此在该工程中使用伪倾角标设法，空间一个倾斜面的真倾角《即它与水平面间所夹二面角)是指在垂直于其与水平面的交线的竖直面内的投影与水平线的夹角。在与其交线斜交的竖直面内的投影与水平线间的夹角则称为伪倾角。

如下图4：δ为倾斜面CDEF的真倾角，δ′则为其伪倾角。真倾角永远大于伪倾角。

用伪倾角法来标定腰线的原理，由于设计巷道时仅给出了真倾角，而腰线是标定在巷道两帮上的，经纬仪又只能安置在巷道中部，因此，只能根据真倾角与伪倾角间的关系，按伪倾角来标定腰线。

由图得tanδ′=COSβ·tan δ

根据真倾角δ和两个竖直面间所夹水平角β，计算伪倾角δ′，从而标定腰线点的位置。实地标设时，将经纬仪安置在中线点B下，后视中线点A，瞄准A点附近的腰线点1，读取水平度盘读数即水平角β1。按伪倾角与真倾角间的关系式，计算出伪倾角δ′1。并将望远镜竖盘位置准确调至竖直角δ1′。在1点上或下作一记号，用小钢尺量取腰线点1至记号的垂直距离b。然后，将望远镜瞄准前面一个中线点C，读取水平度盘读数，再转动照准部，瞄准欲标设的腰线点2，根据水平读盘读数计算出望远镜转动的水平角B2，并按照上述同样的方法，计算出伪倾角δ2′。将望远镜的倾角调至δ2′，再由此向上或向下量取垂直距离b，并作上标记，即得腰线点2。

经纬仪测试场景仿真系统研究 篇5

在实验室中仿真出外场环境,使用虚拟测试场景代替真实场景[1],将是未来光电经纬仪室内性能测试的一种重要手段。其中,虚拟目标的运动特征成为决定测试效果的重要因素之一,对虚拟目标运动轨迹的仿真,传统上主要采用了结点插补法和动力学分析法[2]。这两种方法共同的缺点是仿真目的不直接针对跟踪性能测试本身,难以仿真出符合测试要求的运动轨迹。本文首先建立了一种简便实用的,直接描述目标运动结果(运动特征)的运动仿真模型,并结合经纬仪的测量模型,将虚拟目标的运动实时映射为经纬仪的理论跟踪状态。对目标运动轨迹、姿态模型解算方法和背景云图的实现技术进行了深入探讨,运用Open GL强大的虚拟现实能力、精确的定位和定量控制成像能力模拟目标三维运动场景,并实现了场景图像仿真及叠加合成经纬仪图像。采用VC++6.0和Open GL技术开发了光电经纬仪测试场景与图像仿真系统,仿真出了不同场景下的经纬仪动态图像序列,以检测其相关性能。

1 虚拟测试场景仿真系统总体结构

对于仿真系统来说,系统场景主要是由虚拟飞行目标、云图背景、地形和经纬仪跟踪系统四个部分组成[3]。对这些部分的科学分析与模拟是经纬仪图像仿真的关键。在分析虚拟目标运动轨迹及姿态和大气背景特性的基础上,对经纬仪图像仿真技术进行了深入的研究,设计的系统功能总体结构如图1所示,其中主要包括虚拟测试场景的生成和经纬仪图像仿真两大模块,以及图像叠加和实时跟踪监控与评价模块。场景生成主要有虚拟目标仿真(轨迹仿真及其姿态仿真)、地形和背景云图模拟;图像仿真主要采用Open GL模拟成像原理分别对三维虚拟场景进行二维成像,预先渲染背景仿真图像和虚拟目标仿真图像序列;图像叠加(合成)主要实现背景图像和虚拟目标图像序列在经纬仪实际跟踪时进行实时叠加,生成符合经纬仪测试的跟踪图像;监控与评价模块主要是对经纬仪实际跟踪情况和理论跟踪数据进行实时对比和评价。本文将主要对虚拟测试场景的生成和经纬仪图像仿真及图像叠加的分析、建模关键技术进行研究。

2 虚拟测试场景建模

2.1 目标轨迹数据建模

根据光电经纬仪的性能测试需求,结合其测量模型,采用直接描述动力学模型作用结果的目标运动模型作为设计轨迹的仿真模型。经纬仪测量学模型的作用是将目标的运动状态实时转化为光电经纬仪的理论跟踪状态,如图2所示,经纬仪跟踪的是目标的高低角E、方位角A的变化、加速度变化及目标姿态的变化[4]。由此在直角坐标下建立直观描述目标运动的仿真模型,并由此测量模型实时转换为经纬仪理论跟踪状态数据,如下公式(1)∼(3)进行转换。

虚拟目标位置(x,y,z)可由微分方程进行描述:

俯仰角θ和高低攻角δ1可共同决定运动(航迹)方向的高低角度(θ-δ1);偏航角ψ和侧向攻角δ2则共同决定运动方向的偏航角度(ψ+δ2)。而r和vr,即速度大小采用独立建模方法,与描述姿态的变化一样采用独立的微分方程式进行描述。

2.2 姿态模拟

目标姿态及攻角及其速度变化采用独立建模的方式,分别用如式(7)∼(8)微分方程描述,如偏航角ψ,其它姿态、运动速度大小变化也如此建立。

各跟踪阶段描述其加速度(如ψ)变化的模型可采用如下五种模型,通过对这些模型的积分求解可以得到姿态变化(如ψ)及其速度变化(如ψ)情况。

线性模型,只适合描述加速度变化不快或无变化的情况,这种情况通常出现在飞行过程中,机动性不是很强的飞行时段。

y=axn+bxn-1+......+m,多项式模型,使用高次多项式可以描述出快速变化的运动特征,而使用低次多项式可以描述出缓慢变化的加速度。

y=ax,指数模型,常可用来仿真发动机点火和熄火的瞬间(1∼2 s内)时飞行器加速度的变化过程。

y=logax,对数模型,通常取大于1的定义域,其间对数函数值的变化趋势都是由急到缓的,因此比较适合描述姿态等的小范围变化。

y=A⋅exp(-at)⋅cos(b⋅t),阻尼衰减模型,在每一仿真时段的末尾使用阻尼函数,将姿态参数的变化速度自动降为零。这样仿真出的姿态变化过程就比较光滑,且整个仿真过程也会变得更加方便。

结合测试需求,在不同的跟踪阶段内分别设定目标飞行过程各阶段运动控制参数,主要设定目标各阶段飞行加速度a、飞行姿态变化以及攻角变化采用四阶龙格-库塔法对模型进行解算,可以依次计算(逆向求解)各变量较为精确的积分结果,获得的目标轨迹理论(跟踪)数据如下表1所示。

表中k,l是目标成像中轴线的理论斜率和截距,用于图像合成时的目标姿态的定位。由(9)∼(10)进行计算,(x0,y0,z0)为目标中轴线上的参考点,(x1,y1,z1)为目标中轴线上得到的离参考点一定距离的点。

2.3 背景云图模拟

采用粒子系统[5]能很好的模拟背景云图不规则的变化特性。在该场景中选取定位粒子控制点,控制点的帧间位移自动设为与云移动速度同一量级的随机数;然后用最小二乘法求出以所设定的控制点的坐标为解的多项式的系数,得到帧间位移映射方程;最后根据位移映射方程计算云图中非控制点的位移。设控制点的坐标为(x,y,z),经过随机位移之后的坐标为(X,Y,Z),则可建立函数关系:

式中:f(),g(),h()为符合两个坐标值对应关系的函数,可用多项式对其任意逼近。采用二阶多项式进行逼近,则有式(12),其中,k1,k2,k18,为多项式的系数。当控制点个数大于6时,上述非线性方程个数大于未知数个数,可用最小二乘法解得多项式的系数。背景云图中非控制点的位移均用所解得的多项式进行变换得到。

3 经纬仪图像仿真

3.1 Open GL模拟成像

光电经纬仪使用CCD相机拍摄目标的飞行过程,而Open GL使用多种变换函数实现从三维场景到二维图像的变换。Open GL模拟CCD相机的成像过程如下图3所示,其成像公式为式(13)。一个三维物体模型上的点经过模型矩阵M的旋转、平移及缩放变换,进入像方三维坐标系中;又经过投影矩阵P的透视投影变换,即视锥体的错切、标准化缩小、透视变换以及视锥体整体平移旋转;再经过透视仿射变换F,实现视口映射,从而获得影像二维坐标[6]。

将光电经纬仪内部成像参数,相机的焦距f、相机的分辨率(rx,ry)、相机CCD像素的尺寸(sx,sy)(得到窗口尺寸(lx,ly)),及透视物体(锥体)空间位置设置到Open GL视锥体设置函数gl Frustum(left,bottom,right,top,near,far)中,得到透视投影变换矩阵P,可以表示为式(14)中的矩阵,其中D,d为物体(锥体)远、近距离,(x0,y0)为显示窗口左下角的坐标;将相机的外部成像参数,相机的位置(xc,yc,zc)、相机的拍摄姿态(A,E)(即拍摄位置、角度)设置到视口变换函数glu Look At(xeye,yeye,zeye,xcenter,ycenter,zcenter,xup,yup,zup)中,可得到F,如式(15)所示,w,h为显示窗口的横纵向分辨率,(Xnd,Ynd)为物体归一化映射坐标。其中,(xeye,yeye,zeye)通常定义相机的位置坐标(xc,yc,zc),场景中心参考点(xcenter,ycenter,zcenter)可以取测量系统主光轴上光心前的任意一点,取值如(16)式。而向上矢量(xup,yup,zup)通常就取(0,1,0)。

由此,Open GL虚拟相机可替代经纬仪CCD相机可模拟成像,其拍摄质量可靠,如位置、姿态成像精度较高,能满足经纬仪图像测试相关性能的要求,文献[6]已详细论证Open GL模拟成像精度的可靠性,精确的定位和定量控制成像能力,这里不再赘述。

3.2 姿态扰动模拟

在此利用周期性正弦函数来模拟经纬仪姿态的抖动,利用高斯随机数来模拟经纬仪姿态的指向误差。建立经纬仪姿态扰动模型为

式中:ψ(t)表示姿态角;t表示仿真时间;ft,ψmi和ϕi分别为姿态抖动第i个分量的频率、幅度和初始相位;ψ0为高斯随机数。可以模拟经纬仪姿态的扰动量,反映在模拟生成的图像中即目标叠加在图像中的位置与实际理论计算得到的目标在图像中位置之间的误差。

3.3 噪声模拟

经纬仪图像上常见的噪声有均匀分布噪声、高斯噪声、椒盐噪声、白噪声等[7],为仿真图像添加适当的噪声,有利于提高经纬仪测试评估的真实性。

3.4 灰度变化模拟

根据相机成像机理,目标经过成像系统后会有一定的模糊。传感器光学传递函数一般符合高斯、多像素分布模型。为了反映这种特性,在将目标图像与背景图像合成时,采用高斯点扩散函数模拟这种模糊[8]。

由于在本系统中x,y不相关,所以在目标及其周围邻域内高斯分布式(18),x,y分别为像素点横、纵坐标。µ1,µ2分别为目标位置点的横、纵坐标,p为主峰值,由相机光学传递函数衰减比率决定。由式(18)可求得在目标真实位置点及其周围邻域的灰度分布。

3.5 图像合成

经纬仪的理论脱靶量数据(∆A,∆E)计算如(19)式,(Am,Em)和(An,En)分别为经纬仪实际跟踪时的方位角、俯仰角编码器值和理论跟踪数据,σa和σe为光电经纬仪相机在方位和俯仰上的图像当量值,由此,可将脱靶量数据进一步转化为目标中心离图像中心的像数值(∆A,∆E),如图4所示。在目标的头部和尾部各取一点,分别求得其与中心点O的向量的高低角和俯仰角,设分别为(A0,E0)和(A1,E1),则直线A0A1与X轴夹角θ1及直线A″0A″1与X轴夹角θ2可分别计算如式(20),图像目标的旋转角度θ=θ2-θ1。采用双线性插值法把目标理论位置、姿态按照计算出的姿态数据调整成实际位置、姿态,再与背景实时叠加,仿真出经纬仪当前时刻实际拍摄到的图像。

4 系统实现及应用

4.1 系统实现

结合VC++和Open GL开发技术,开发出如图5所示经纬仪仿真测试需求的虚拟测试场景与图像仿真系统。位于左上边的1号区域是基于Open GL开发出的仿真视景系统,用于显示设计过程中的三维轨迹数据和经纬仪跟踪目标飞行过程的可视化测试场景。位于左下边的2号区域是由多个可选窗口共同组成的,其中包括用于显示目标轨迹精确数值的数据表格、用于显示光电经纬理论跟踪数值的跟踪数据表格和理论跟踪数据的表格。位于下中部的3号区域一个基于Open GL开发的三维显示系统,在平动坐标系内显示目标的姿态变化。位于右下角的4号区域是目标运动模型选择及参数化仿真设计模块,可以选择目标的运动模型、配置模型参数,并实时交互仿真和完善。位于右上方的5、6号区域是分别模拟两台光电经纬仪(灰度)成像的区域,所显示的图像是经过图像仿真模块预先渲染的背景图像和目标图像序列进行实时叠加合成的结果,可仿真如脱靶、抖动、噪声及云层遮挡等拍摄状况,符合经纬仪跟踪时的实际成像要求,能满足经纬仪相关性能测试。如图6所示为图像仿真模块预先渲染生成目标图像序列的情形。

4.2 仿真测试

采用可视化交互仿真测试系统可以设计(选择各阶段运动模型和参数)所需目标运动轨迹和姿态变化特征,得到表2解算出的目标仿真数据资料,其中焦距f为800 mm,截距l和滚转角为0,斜率k等价于ψn,F为是否有尾焰;测站坐标:(156 785.0,-14.7,-157 667.4);飞行目标:柱状体。将仿真参数实时融入虚拟相机跟踪拍摄,得到如图6所示目标在视场或图像中的成像情形。

1)跟踪测角误差检测方面,在工作角速度和角加速度范围内测试,可实时得到每一拍的编码器值(含扰动误差)和理论值之差(实时脱靶量),动态显示,方位(A)、高低(E)曲线图7(由主系统2号区域显示)所示。这样就可以计算出方位、高低的测量均方跟误差δA=0.000 18°,δE=0.000 25°,且跟踪的最大测角误差都小于5′,符合现有经纬仪的实际跟踪性能水平。

2)现有姿态提取算法效果的检测方面,对仿真目标、背景合成图像进行姿态提取,仿真图像序列如下图8所示,结果如曲线图9所示:在目标大小在80像素时,提取精度约0.1°;而当目标大小在6像素时,提取精度仅约为5.7°。但虚拟目标图像还可添加其它典型的噪声等进一步检测该算法的效果,如加上高斯噪声后(噪声方差>5),提取精度还有不同程度的下降。

5 结论

本文以虚拟环境下光电经纬仪的跟踪性能测试需求为研究背景,构建了虚拟测试场景仿真系统的功能总体结构,建立了基于运动特征、适用的虚拟目标轨迹、姿态独立仿真模型及背景仿真方法;运用Open GL强大的虚拟现实能力、摄影测量精确的定位和定量控制成像能力实现了经纬仪目标图像和背景图像模拟成像、实时叠加。整个仿真方案成像质量高、精度可靠,试验表明,仿真场景及数据有效、可行,拓展了采用真实目标测试性能的模式,能满足经纬仪相关性能的测试和评估。

摘要：虚拟测试场景的可视化仿真是经纬仪室内性能测试的重要手段。构建了虚拟测试场景仿真系统总体结构,该系统主要为虚拟测试提供三维虚拟场景和场景仿真图像。论述了虚拟场景仿真中基于目标运动特征的轨迹、姿态建模方法及背景云图模拟技术,图像仿真时目标姿态扰动模拟、灰度模拟及目标、背景图像实时合成等关键技术。采用VC++和OpenGL,开发了经纬仪虚拟测试场景仿真系统,应用表明,生成的三维场景、合成出的目标、背景图像及数据有效满足了经纬仪相关性能的测试需求。

关键词：轨迹-姿态仿真模型,OpenGL模拟成像,图像合成,虚拟测试

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经纬仪如何对中与整平 篇6

光学对点器对中与整平：

1. 架仪器：

首先把三脚架放开，选择一个适合自己高度的位置，把它架在测站点正上方。然后，观察经纬仪的脚螺旋是否都处在适中的位置，因为在整平过程中要用到脚螺旋，所以必须保证脚螺旋既能使仪器调高，又能调低。因此要选一个适中的位置。最后，把仪器固定在三脚架的适中位置上。因为下一步对中时要来回移动仪器，所以要保证仪器有来回移动的余地。

2. 调节目镜与物镜：

调节光学对点器的目镜，使分划板的小圆圈清晰，再调节其物镜，拉出或推进对中器的镜管，使测站点目标成像清晰。

3. 对中与整平：

a.第一步：对中。用两手握住三脚架的两个支腿，来回移动，剩下的一个支腿原位置不动，通过对点器寻找测站点目标是否在分划板的小圆圈内，当测点目标在分划板的小圆圈内时，把三脚架固定住，以防支腿移动。

b.第二步，粗略整平。这步整平不是动脚螺旋，而是动支腿。因为用脚螺旋整平“中”会移动，而动用支腿整平“中”不会移动，但必须要小心仔细。具体操作是这样的，转动照准部，使照准部水准管一端处在任意一个支腿位置，看气泡靠近支腿还是远离支腿，若气泡靠近支腿，说明这个支腿位置高了，应降低支腿，反之就低了，低了就抬高支腿，在调支腿时，要动用两手和眼，一手握住支腿，另一手转动支腿扳手，眼睛观察气泡，当气泡处在管中时，把支腿扳手拧紧。紧接着用同样方法，调另两个支腿，三个方向调完之后，粗略整平就结束，然后观察“中”是否移动，如果这一步做好了，“中”是不会移动的。

c.第三步，精细整平。具体操作是转动照准部，使照准部水准管处在任意两个脚螺旋的连线平行的位置上，用左右手同时向内或向外转动两个脚螺旋，使水准管气泡居中。记住，脚螺旋顺时针转动使仪器抬高，逆时针转动，使仪器降低。气泡居中后，将照准部再转动90*，使水准管垂直于原来两个脚螺旋连线的位置，转动另一个脚螺旋，使气泡居中。照准部水准管在两个不同位置反复使气泡居中数次后，当照准部任意转动停留时，气泡仍处于居中位置，此时，水平度盘即处于水平状态。然后观察“中”的位置，若“中”移动不大，就进行第四步。

d.第四步，再一次对中。将架头的连接螺旋松动，两手抱住仪器慢慢直线移动，移动仪器时注意观察目标在圆圈的什么方向，那么移动仪器时就把仪器向目标相反的方向移动，直至目标在圆圈内。最后把连接螺旋拧紧。

e.第五步：观察精平。如果精平不平再重复上述第三步操作。精平之后观察“中”是否移动，若“中”没有移动，说明对中与整平就算完成了。若“中”移动了，那么再重复上述第四步操作。

电子经纬仪 篇7

以经纬仪作为测控仪器, 以Auto CAD软件作为计算成图工具, 利用已测定其与新建工程相对位置标高关系并成图的三个以上标志, 在施工层上虚立镜, 用三点两角定位法, 测定虚立镜点在软件模型图中的平面位置, 用三角高程法测定虚立镜点镜标高;然后依据软件模型图中标志、虚立镜点, 施工层上平面控制点的相对位置关系, 用极坐标法或两点前方角度交会法进行平面控制点测控, 同时用虚立镜点镜高进行标高引测。

2 工艺流程及操作要点

2.1 施工工艺流程

测控前期准备→设置标志→工程定位→设置基线→标志、基线、定位桩测量→校核测量→确定施工层上控制线种类→施工层上虚立镜测量数据→验线。

2.2 施工操作要点

因本工法外业与内业交叉进行, 现按工艺流程组织以下文字, 即外业操作流程和内业操作流程分开, 操作流程以本工法在一个长70 m, 宽24 m的虚拟工程中的应用过程图来辅助说明。

外业作业流程。本条中第1点至第6点为本工法实际应用前的准备作业, 一般应于土方工程施工前完成, 第7, 8点为本工法的实际应用作业, 第9点为一般测控作业内容。

1) 测控前期准备。选择测控人员, 组织测控小组机构, 制定管理办法。选择测控仪器及工具。2) 设置标志。设置标志是第一道也是关键的一道作业内容, 标志设置过程中, 应尽量保证标志中线的水平与垂直, 另外, 在有利位置可多设几个点, 以便择优选用或用于校核。3) 工程定位。本测控法在该阶段至少需设定一个精确的工程位置控制点, 和一条通过该控制点的主要工程定位方向线。4) 设置基线。须在现场设置一条或几条满足对标志及新建工程定位桩点相对位置进行精确测定的测控基线。5) 标志、基线、定位桩测量。本过程主要工作为测角, 并填写测角手簿。a.用工程定位桩点对标志实施测控:在选定的不少于两个主要的定位桩点上设站, 以另一最有利工程定位桩点 (或引设的后视点) 为零方向, 采用全圆方向法, 测取各可照准标志的角度数据。b.用基线实施测控:为满足角度交会法测控原则, 在该测控过程引入基线测控的方法, 完成标志及工程定位桩点与测控基线的各角度数据测取;测取过程中, 设站点至少一个或全部位于测控基线的桩点上。c.观测方法采用全圆方向法, 半测回归零差不超过12″, 2C值限差为18″, 同一方向值各测回互差不得大于12″, 观测不少于2个测回, 俯仰角一并测定。d.主要设站点须进行镜标高的引测 (将仪器水平角调至0°, 引测仪器与工程±0.00的相对标高) 。6) 校核测量。在选定的工程定位桩点设站, 但按虚立镜点进行2次~3次成图计算, 确定该设站点每次计算在软件模型图中位置 (用以检验虚立镜点成图偏差) ;再以每个成图位置, 计算出另一选定工程定位桩点的放测数据, 并据此进行放测 (用以检验在虚立镜点放测工程主要位置线的方向偏差) 。7) 确定施工层上控制线种类。根据工程结构及现场施工要求, 由施工员确定放测控制线种类, 并在软件工程模型图中相应位置绘出控制线的主要交点, 即为施工层上需测放的平面控制点。控制线在某工程中的设置见图1。8) 施工层上虚立镜测量数据。根据图纸设计的结构布置情况、施工层上通视情况、须放测控制点位置、设站点与标志通视条件、观测角度等情况, 在测控方案中初步设定各虚立镜点的大致范围。实际操作时, 只需在这个大致范围内设站即可。如图2所示, B-1~B-3为设置于工程外部的标志点, “O”为虚立镜点, 交会角为本次设站须测出数据的角, 同时, 照准B-1~B-3的俯仰角一并测取。9) 验线。a.层与层之间校核:层间校核采用吊线法。根据工程结构布置情况, 主要控制线要弹测至结构边, 且不应少于三处 (见图1) , 以便测控人员采用吊线法复核上层弹线成果, 两次放测误差控制在3 mm之内。b.阶段校核:每施工3层~5层主体, 采用经纬仪用首层引测的位置线上传校核。

3 材料和机具设备

3.1 材料

3.1.1 标志材料

标志的设置因工程不同而异, 可以是墙立面上的弹线, 还可以是贴于墙面上的一个标志等, 只要满足可照准要求、一定的耐久性能以及方便设置的要求即可。如图3所示为用即时贴与自喷漆制作的喷在外墙立面上的自喷漆标志。

3.1.2 一般工具及材料

科学型计算器, 水平尺, 自喷漆, 红蓝铅笔, 50 m钢尺、盒尺, 塔尺、墨斗等。

3.2 机具设备

2″电子经纬仪, 装有Auto CAD的电脑一台。

4 质量控制

1) 编制合理可行的测量方案。2) 选派业务精良、工作上认真负责的测量专业人员进行操作。3) 测控人员在前期准备阶段做到“三了解”, 具体测控操作前做到“三校核”。4) 内业计算:人工计算及CAD软件制图过程中, 角度值的精度均应为0.01″。5) 及时复核, 未复核的成果不能作为下一道工序的依据。6) 观测时要消除视差, 尽量用十字丝中点照准目标点。7) 测控操作及精度应符合GB 50026-2007工程测量规范, JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程及其他相关现行标准要求。

5 效益分析

1) 施工效率。a.施工层上平面位置测控与标高引测一体完成, 使得现有两项作业内容合二为一, 简化了作业过程。b.施工层上测控作业工序少, 测控速度快。c.工程平面形状复杂时, 放测效率比直角放测高。d.在满足精度及通视条件下, 设站点可以在施工层上放测任意平面位置点, 设站效率高。e.采用CAD软件通过制图作业进行数据处理, 数据处理过程简便、快捷、直观, 结果准确。f.施工层上经纬仪采用虚立镜形式, 设站速度快。g.设置的标志在其他工程施工时, 可重复使用。h.在大占地面积工程及同时施工群体工程应用本工法时, 测控效率高。

2) 经济效益。本测控方法, 其本身的操作直接产生经济效益不高, 但更快捷准确的控制线放测速度会更好的保证施工质量, 减少材料浪费, 及时的为班组开创作业面。所以, 本工法的主要经济效益是通过施工过程中的综合因素来体现的。

6 结语

当前, 随着科学技术的进步及建筑业的发展, 建筑施工测控的工具愈来愈先进, 测控方法也随之改进, 如采用全站仪、GPS测控等, 但在大量普通的建筑施工中, 仍基本采用经纬仪, 扩展经纬仪的测控方法, 仍具有较大的价值;另一方面, 在工程施工中, 计算机与Auto CAD软件的应用已很普及, 充分利用计算机及制图软件功能, 将有效提高工程施工的工作效率和技术管理水平。

摘要：对AutoCAD辅助经纬仪进行施工测控的工艺原理作了简要介绍, 并对其施工工艺流程及施工操作要点进行了论述, 阐述了施工中所用的材料和机具设备, 分析了其质量控制方法及经济效益, 以供参考。

关键词：经纬仪,材料,施工工艺,效益

参考文献

[1]GB 50026-2007, 工程测量规范[S].

陀螺经纬仪稳定性检验方法探讨 篇8

陀螺经纬仪能在矿山井下、隧道等任何隐蔽地区直接测出真北方向, 且不受时间、地点、环境条件的限制。应用到矿山, 它能把地面的方向传到井下, 代替传统的几何方向;同时它又能在井下导线的任意测站上加测陀螺定向边。这种仪器不仅不占用井筒就能定向, 而且能提高井下导线精度, 因此它是一种省时省力先进的定向仪器。

随着我国采矿事业的发展, 我国各大矿山已普遍应用了陀螺经纬仪。目前对陀螺经纬仪稳定性的检验很不全面, 因为我国现行矿山测量规程规定, 陀螺定向时只要测前测后测定陀螺仪常数。但本人认为这样不十分可靠, 因为陀螺经纬仪是一种光、机、电相结合的精密仪器, 它在外部的各种因素影响下, 可能导致仪器光路、电路状况及其参数发生改变, 而只测定仪器常数不一定能发现问题。针对这种情况, 本人认为有必要对外部因素建立一套检测陀螺经纬仪稳定性的方法, 并根据对多台陀螺经纬仪的检测结果, 初步确定了陀螺经纬仪稳定性的参考标准, 从而保证了陀螺定向结果的准确性。

二、电压稳定性的检测

要使陀螺仪性能稳定, 定向精度高, 则必须要求陀螺马达转速稳定。当陀螺仪采用三相异步电机时, 为了使陀螺马达的转速恒定, 除了要求电源频率稳定外, 还要求输出电压稳定。考虑到陀螺仪定向一次测量读取5个逆转点不超过30min, 因此作者用数字电压表对几台陀螺仪进行了30min的电压稳定性测定, 结果见表5。

根据表1的观测结果可知, 检测的4台中等精度陀螺仪电压稳定性的中误差为±0.42V/0.5h, 因此根据中误差与允许误差的关系及陀螺仪技术指标要求, 可认为±1.0V/0.5h为中等精度陀螺仪电压稳定性的标准。

三、陀螺电源频率稳定性的检测

无论陀螺仪采用三相异步电机还是马达, 其转子转速稳定性均与频率有关, 因此为了检测陀螺仪的稳定性, 必须检测电源频率的稳定性。表2是作者用频率计对几台陀螺仪进行30min频率稳定度的结果。

根据表2中5台陀螺仪频率稳定度的结果可知, 其频率稳定度中误差为6.2×10-4, 因此, 根据允许误差与中误差的关系及陀螺仪的技术指标和实践经验, 可认为1×10-3为中等精度陀螺仪电源频率稳定性的标准。

四、陀螺摆动中值稳定性检测

陀螺经纬仪在运转期间, 由于受马达温升、供电电压、频率及外界干扰力矩等方面的影响, 一般存在摆动中值漂移量的大小反映了仪器的稳定性。为了获得陀螺摆动中值稳定性, 可在陀螺仪指向北后, 启动下放陀螺, 这时用中天法或逆转点法连续观测一小时以上, 然后计算△Ni或Ni, 最后检验△Ni或Ni的最大最小值互差是否满足undefined为陀螺仪仪器常数——测回中误差的设计值, 以下同) 的摆动中值稳定性要求, 表3是5台陀螺经纬仪观测一小时的摆动中值稳定结果。

五、仪器常数在不同环境温度下的稳定性检测

由于陀螺仪定向时, 测定仪器常数时的环境一般和在井下测定陀螺方位时的环境温度不相同, 因此仪器常数在不同环境温度下的稳定性显得很重要。作者认为可在仪器设计适应环境温度的低温、室温和高温条件下, 各观测仪器常数5测回, 然后计算3个仪器常数的平均值, 最后检验其常数互差是否满足undefined稳定性要求, 表4是1台GAK-1和2台FT90陀螺仪在-10℃、室温和40℃温度下进行5个测回仪器常数稳定性检验结果。

六、仪器常数时间稳定性检测

考虑到仪器常数可能随时间的变化, 因此我们认为可连续观测5天, 每天上、下午各观测仪器常数3次, 每次均重新连接陀螺仪, 然后检查这30个仪器常数观测值的最大最小值互差是否满足undefined作为仪器常数时间稳定性的标准。

七、结语

以上5项是笔者根据经验, 并参照光电测距仪的检查规范而提出的检测陀螺经纬仪的稳定性的方法, 至于中等精度陀螺经纬仪稳定性参考标准的制定, 一方面顾及陀螺仪的技术指标要求, 另一方面考虑了陀螺经纬仪的实际使用情况, 另外还运用了误差和数理统计理论。

参考文献

[1].张国良.陀螺经纬仪定向[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1988

[2].煤科总院唐山分院陀螺经纬仪组编著.陀螺经纬仪基本原理、结构与定向[M].北京:煤炭工业出版社, 1982

[3].中华人民共和国能源部制定.煤矿测量规程[M].北京:煤炭工业出版社, 1989

感应生命的经纬 篇9

中国传统文化的精髓，概括出来就是一个“悟”字。“悟”是一种感受的艺术，是天成的。因之天成而朴实，因之朴实而完美。它是一门高超的顺天重性的最有价值的学问。中华大地孕育了感觉能力特别强的一个民族，非凡的感悟力总是能将天地宇宙和生命感应融为一体渗透在生活的各个层面。伯乐相马重神韵，中医治病观面色，厨师烧菜凭直觉。军事家作战部著不是靠背诵兵法，而靠随时随地的各种情况汇集一起的感觉判断，这就是“悟”。悟性的高低，决定了一个人才华大小。西方艺术是偏理性的，他们以科学精神对待艺术。艺术的手段和结果都具有极大的清晰性，条分缕析。比如黄金分割率，就是用数字精确算出来的。东方艺术是一种超逸的态度，而超逸本身是无法用数字来限定和阐释的，逻辑的数字怎么能算出弥散处处而看不见摸不着的“神韵”之美?西画的线条是作画时运用的具象的科学手段，国画的线条是精神的轨迹，生命的经纬，情感的缆索，其中的玄妙是非达到一定境界所不能领悟的。

境界是中国人文精神的最高标准。所谓“境”，是指他人的精神所达到的万物归一的无对境界，是圆通的、天人合一的，中庸中正的，老子所谓“得道是也”，得道，人之精神则可立于不败之地。纵观历史，中华民族虽然受到过其他民族文化的冲击，但并没有改变自己的文化精神，而是外来文化被吸收、改造和消化，这都得益于中华民族的大境界一定力极强的中庸思想。

艺术家创作需要中和甲淡的心态，不动情乃至于没有情，无情才是大境界。给太阳、地球送礼，它们不会感谢你，也不会因之多给你日照或不给你黑夜，因为地球、太阳具有没爱憎的博爱情怀，只有无情却永恒的至高境界。好艺术不是激荡情绪的，而足一种不动容的沉静，净化心灵，无求无期。绘画上我追求静寂、沉凝、简淡冲和之美。不受外物所牵，崇尚“落花无言人淡如菊”的“静”境。新的东西不见得有价值和质量，我推崇“白胜者强”的老庄思想，不断地战胜自己就是超越。艺术早就有它完美的大境界，只需要到达和深化，不需要发展，任何想超越的想法都足无知的。古人讲“盈科而后进”，我们现在能做的只有深入地继承，把古人留下的艺术坑“填满”。

舰载光电经纬仪视轴稳定精度的分析 篇10

1 影响视轴稳定精度的因素分析

影响舰载经纬仪的视轴稳定精度的因素很多, 主要包括以下几个方面。

1.1 机械机构误差

作为光电传感器的载体, 转动框架的精度直接影响光电传感器的稳定精度, 转动框架的误差主要有以下两个方面: (1) 框架的机械误差:主要包括机械回转误差和三轴误差; (2) 陀螺的安装误差:陀螺在安装的过程中, 会产生速度轴垂直度误差和与视轴的平行度等误差, 这些误差会影响陀螺的输出量, 造成了控制系统的反馈量误差, 降低了系统的稳定精度。

1.2 陀螺信号误差

视轴稳定系统的测速元件一般都为陀螺, 陀螺信号存在两种主要误差:陀螺信号漂移和噪声。这些陀螺误差会通过控制回路影响控制量, 从而对视轴稳定形成不确定干扰, 因此, 有效的抑制陀螺的输出漂移误差和噪声是提高视轴稳定性能的关键。

1.3 执行元件的误差

执行元件的误差主要是由于电机的死区、力矩饱和特性、电机的输出特性的非线性等原因产生的传动系统的误差。

2 视轴稳定精度对光电经纬仪探测能力的影响

光电经纬仪的探测能力即作用距离是光测设备的重要技术指标。目标成像主要包括大气、光学系统、光学接收器件和信号处理器等几个环节, 从成像的各个环节可知, 影响光电经纬仪的作用距离的因素很多, 主要包括光学成像系统的性能、目标的特性 (包括目标大小、发光度或辐射特性) 、外界环境 (大气抖动、背景亮度) 、接收器件等有关。

目标是否能被光学系统探测到, 都应满足如下的条件: (1) 目标像在光学接收器件上的光能量 (或照度) 能被接收器感受到, 即目标照度≥相机最低照度阈值; (2) 像面上目标和背景的对比度要达到一定的比值或满足信噪比的要求, 以满足视频跟踪器稳定提取视频信号和视频判读的要求; (3) 目标在靶面上成像尺寸应满足最小成像的要求。

以可见光电视系统为例, 其探测能力主要取决于两点: (1) 电视系统接收面上目标和背景的照度大于接收器的灵敏度值; (2) 整个系统的信噪比大于2。信噪比来源于目标与背景的照度差, 故实际上也是“反差”。

目标在CCD靶面上形成的照度可用公式 (1) 来计算:

在 (1) 、 (2) 和 (3) 式中:

ECM为目标在相机靶面上的照度;

E′CM为考虑了视轴稳定误差后的目标在相机靶面上的照度;

E0为太阳光照射的物面照度, E0=1.25×105lx;

ρ为目标反射系数;

D为探测器的口径;

F为可见光电视相对孔径;

τ1为光学系统透过率;

τ2为大气透过率;

τ3为电视对目标的滤光系数;

θ为观测方向与太阳的夹角, 一般取45°;

α为弥散系数 (与光学系统分辨率, 成像质量, 相对速度, 目标大小, 大气抖动等有关) ;

d为目标像的尺寸;

d0为像元尺寸;

σa为大气抖动;

σw为视轴稳定精度;

σf为像元的角分辨率;

X为目标在考虑扩散的影响后所成像占的像元数;

K为目标像扩散前后在CCD靶面照度的衰减系数。

以某可见电视系统为例, 取f=3200mm D=360mm, 目标的直径=1.14m在R=20km时, 理想情况下, 目标像的尺寸为45.6μm约占7个像元;以像元尺寸12μm计, 像元的角分辨率为σf=arctan (12×10-3/3200) =0.77″若考虑2″的大气抖动, 则像点弥散3个像元;假设视轴稳定精度为σw, 像点因视轴不稳定和大气抖动最终成像所占像元数按式 (2) 计算。表1中列出了不同的稳定精度条件下, 目标成像的大小, 从式 (1) 可以看出, 目标成像的大小、视轴稳定精度和与目标在CCD靶面上的照度下降比例的关系。利用公式 (3) 可以计算出像点太小不同的目标在CCD靶面上照度下降的比例, 其具体值见表1。

从表1中可以看出, 由于视轴的抖动会引起像点的扩散, 从而使目标在靶面上的照度变小, 视轴抖动的越严重, 靶面上的照度下降的比例越大, 当像点扩散到一定程度, 就会使目标不成像, 从而影响了光测设备的作用距离, 引起图像的模糊。另外从公式中也能看出, 当系统像元分辨率越小时, 视轴的稳定精度对系统探测能力影响越大。

3 分析光电经纬仪探测能力对视轴稳定精度的需求

对于舰载光电经纬仪, 视轴稳定性能的好坏直接影响光测系统的探测能力和成像质量, 甚至关系到能否成像的问题。以CCD电视成像系统来讲, 目标像占3×3个像素可发现目标。焦距2000mm、靶面1/3的电视系统, 3个像素对应的角度值为2″。

从以上分析计算可以看出, 舰载光电经纬仪不同的探测能力与成像要求, 需要不同的视轴稳定精度。焦距越长、规模越太、探测能力与成像质量要求越高的设备。

4 实现舰载光电经纬仪视轴稳定的方法

为了保证舰载光电经纬仪的探测能力和成像质量, 必须对视轴采用稳定控制方法。目前采用的方法可分为机械平台和视轴自稳定控制。机械平台稳定控制技术由于所占体积较大、成本高, 在近些年的已被淘汰。视轴的自稳定技术常用两种方法实现, 第一种方法为船摇速度前馈法, 第二种方法为速率陀螺反馈法。

4.1 船摇速度前馈法

利用船上惯导系统或其它稳定基准实时测量船摇运动的横摇、纵摇、艏摇角度和角速度, 经过计算机平滑处理和解算外推, 求出船摇速度前馈量。分别输入到伺服控制系统方位和高低回路, 进一步补偿船摇扰动引起的指向误差。

4.2 速率陀螺反馈法

速率陀螺反馈法, 即将两个正交速率陀螺安装在天线俯仰支臂上, 分别敏感船摇运动在天线横向及俯仰轴向引起的扰动信号, 并负反馈到角伺服控制系统各只路中组成各自的稳定回路。陀螺反馈也有两种方法, 一种用速率陀螺作为速度敏感元件, 组成速度环隔离船摇扰动。另一种方法是用速率积分陀螺, 陀螺电路串接在系统主回路中, 成为系统主回路的一部分, 靠陀螺角动量矩的空间反馈来组成陀螺稳定回路。从上述的两种陀螺反馈的视轴稳定控制原理可知, 第一种方法在闭环回路里包含了基座的机械谐振频率和陀螺的闭环谐振频率, 因此整个闭环回路的谐振频率受到了影响;第二种方法的闭环回路中缺少陀螺谐振环节, 这样稳定回路的带宽可以做得很高, 对高频船摇扰动隔离效果更好, 但设计和调试的难度加大。

5 结语

通过分析视轴稳定精度对光电经纬仪的探测能力的影响, 我们可以得到以下结论:光电经纬仪的视轴稳定对设备的成像质量和作用距离具有重要的影响, 光学系统的焦距越长、角分辨率越小, 则要求的视轴稳定精度越高。

参考文献

[1]朱华征, 范大鹏, 马东玺, 等.动载体光电成像系统视轴稳定精度研究[J].应用光学, 2009 (4) :537～541.

[2]罗俊萍.机载光测设备视轴稳定精度分析[J].飞行器测控学报, 2001 (1) :50～54.

[3]贾平, 张葆.航空光电侦察平台关键技术及其发展[J].光学精密工程, 2003 (1) :82～88.

[4]王凤英, 张显库, 任承志, 等.光电跟踪器船摇自稳定建模及仿真[J].光电工程, 2005 (7) :11～14.

[5]姬伟, 李奇, 杨浦.陀螺惯性平台视轴稳定双速度环串级控制的研究[J].仪器仪表学报, 2007 (1) :114～119.