摘要：光学靶标是一种用来在室内检测大型光测设备跟踪性能和测量精度的标校装置,其运动时给出的目标空间角度值可以用来标定光测设备的动态特性。针对光学靶标运动时空间位置动态标定的问题，本文提出了一种应用瑞士 Leica 公司生产的高精度全站仪 TDA5005 对其进行自动跟踪标定的新方法。标定结果显示，光学靶标的动态位置误差小于 5″，满足标定精度要求。
引 言
光学靶标又称可编程动态靶标,是一种在室内对大型光电跟踪测量设备的跟踪精度进行检测的标校装置[1]。它可以在室内模拟外场条件，通过电机的控制模拟空间目标的各种运动状态，供光电经纬仪、红外跟踪测量设备、电视跟踪测量设备跟踪测量使用。光测设备动态跟踪靶标上的模拟空间目标，并对其空间角度进行测量，测量的结果与靶标提供的相同位置处的空间角度真值进行比对，从而完成靶标对光测设备的动态标定。
现有的动态标定方法有线阵 CCD 标定法和视频判读法。线阵 CCD 标定法是在靶标出射光锥的任意位置，设置一线阵 CCD 测量装置，当靶标的出射光斑扫过线阵 CCD 时，在 CCD 输出信号中可以得到与光斑大小相对应的计数值。对该光斑进行重复性位置计数测量统计，检测其光斑位移，可以实现对靶标的动态标定。该方法需要建立一个已精确测定的静态光斑数据库，而且需要形成一个具有对称几何形状的理想光斑，这些都具有很大的困难。视频判读法是判读电视图像信息中记录的靶标旋转光锥的运动轨迹，对光锥形成的轨迹进行统计，找出轨迹变化规律，以便得到靶标的空间角度变化规律。视频判读法不能实现靶标运动时单点位置的精确标定。另外，如果靶标快速旋转就不能提取电视脱靶量，因此，此方法不能对高速运动的靶标进行标定。为了克服上述标定方法的缺点，我们开发了一种应用瑞士 Leica 公司生产的高精度全站仪对靶标进行动态标定的全新的自动跟踪标定法。此方法实现了靶标动态单点位置的精确标定，得到了靶标高速运动时的轨迹。通过分析标定数据，证明靶标的动态位置误差小于 5″，满足标定精度要求。
1 光学靶标原理
光学靶标标校装置如图1 所示，它由平行光管、平面反射镜和高精度编码器组成。平行光管发出的光经平面反射镜反射后与旋转轴线交于 O 点，被检的光电经纬仪放置于 O 点，旋转臂转轴与出射光束之间的夹角为a，旋转臂转轴与水平线之间的夹角为 b。靶标位置的空间角度输出基准是安装在目标旋转轴上的23 位高精度光电编码器，分辨力是 0.154″。通过编码器角度值和目标空间角度的换算关系，我们可以得到用于标定光测设备的目标方位角和俯仰角度值[2]。光学靶标按照球面三角定理给出了星点目标的方位角A 和俯仰角 E，计算公式如下：
式中R 为靶标旋转臂半径，L 为旋转臂中心点与被检光电经纬仪中心之间的距离，A和E 就是用来标定光电经纬仪跟踪星点目标时的空间角度真值。通过比较同一编码器位置处的靶标提供的方位角A 和俯仰角E 与光电经纬测出的方位角 A′和俯仰角 E′之间的差异，我们就可以得到光测设备的动态测量精度。但是由于靶标在旋转过程中受离心力的作用会产生旋臂长度拉伸变形和旋转轴系晃动等情况，所以其动态旋转时实际的空间角度值会与理论值存在一定的误差，对于靶标的动态标定就是要确定其动态时的位置误差。自动跟踪标定法通过对靶标旋转时动态重复性的测量，给出了靶标的动态位置误差，实现了动态标定。
2 自动跟踪标定法
自动跟踪标定法是利用瑞士LEICA公司生产的 TDA5005 全站仪作为标定设备，实时动态跟踪靶标，同步记录全站仪角度数据的一种全新标定方法。LeicaTDA5005 全站仪是一种高精密的光电测量仪器，它可以完成测角和测距的任务，其测角精度高达0.5″[3]。通过在靶标的旋转臂上加装 Leica 猫眼反射棱镜，利用TDA5005 特有的自动目标锁定、跟踪功能(ATR&LOCK)，我们可以实现全站仪对靶标的实时跟踪。图2 是按照自动跟踪标定法进行的现场标定试验。在时间基准发生器的作用下，全站仪与编码器同时收到测量的起始时标，并同时开始记录角度数据。利用全站仪上的时间同步采样程序和后续数据处理，我们可以获得同一时刻的编码器角度值和全站仪采样的猫眼棱镜的空间方位角和俯仰角。通过多次重复跟踪测量，比较同一编码器位置处的猫眼棱镜的方位角和俯仰角的差别，我们就可以得到靶标在旋转运动时整体的动态位置误差。
3 时间同步采样程序
由于Leica 全站仪不受外部时钟的控制，所以我们利用Leica公司提供的仪器二次开发语言GEOBASIC编写了时间同步采样程序上传到全站仪上[4]，并通过全站仪的数据通讯接口来接受起始时标中断，实现数据采样起始时刻的同步。采样程序流程图如图3，由于 TDA5005采样频率较低，当按照程序进行循环采样时，平均采样频率为 3.33Hz，所以我们使编码器的采样频率高于TDA5005 的采样频率，靶标编码器按照 400Hz 频率进行采样。实际测量时，首先使全站仪跟踪靶标进行旋转，当全站仪接到开始采样的时标中断后，自动记录下此时的内部时钟时刻，同时编码器也以此中断时刻为测量起始基准开始记录。测量中，全站仪按照自身频率进行采样并同时记录下采样的内部时钟时刻。测量结束后，以时标时刻为采样起始基准，将时标后编码器记录的各时刻数据和全站仪纪录的各时刻数据进行比较，由于编码器采样频率高于 TDA5005 的采样频率，所以可以找到二者在相同时刻的采样角度值。将这些值通过后续数据处理的方法提取出来，比较同一速度下多次重复测量时，相同编码器角度位置处全站仪测量的空间角度的差别，就可以确定靶标的动态位置误差。
4 实验数据及误差分析
4.1 实验数据
利用自动跟踪标定法对光学靶标进行了现场的标定试验。试验时，靶标以 2o/s 的加速度启动并稳定在 10o/s 的速度下匀速转动，Leica 全站仪对安装在靶标旋转臂上的猫眼棱镜进行跟踪测量。图4 是按照全站仪的采样数据绘出的靶标在10o/s 速度时动态运动的轨迹。X 轴为全站仪标定数据的方位角，Y 轴为全站仪标定数据的俯仰角。利用Origin软件对全站仪和编码器采集的海量数据进行后续处理，提取了编码器从105o～130o变化时全站仪在四个采样点对靶标标定的六组动态重复采样数据，以及静态时全站仪在这四个采样点的标定数据。采样数据如表1.
表1 中，Hz 表示全站仪在编码器同一位置测量靶标得到的方位角，V 表示全站仪测量所得的俯仰角。第一行数据是靶标静态时全站仪在四个采样点测得的角度值，这些值可以作为靶标在四个采样点的空间角度真值。接下来的六组数据是全站仪跟踪靶标旋转时，在四个采样点测量的动态重复采样数据。将全站仪对靶标动态的测量值与静态的测量值进行比较，我们就可以得到靶标动态重复测量时的位置误差。由表 1 中的数据我们可以看出，当全站仪在编码器的四个空间位置进行重复测量时，四个采样点方位角的动态测量值与静态测量值近似相同，俯仰角的动态测量值与静态测量值存在一定偏差，误差的变化范围是在-4.3″到+4.6″之间变化，与真值比较最大的误差变化小于5″。
4.2 误差分析
LEICA 全站仪的测角精度为 0.5″，所以全站仪在测量时自身引起的误差可以忽略。当对靶标的同一空间位置进行重复测量时，如果不考虑靶标轴系的晃动和旋转臂旋转时变形等原因，全站仪每次测得的数据应与静态时测得的数据应近似相同。但由于是对靶标进行动态的标定试验，靶标在旋转时必然受到轴系晃动，旋转臂拉伸等因素的影响。这些误差来源造成了靶标旋转臂在经过空间的同一位置时与静态真值位置存在一定偏差，这种偏差我们可以通过比较全站仪动态和静态的标定结果得到。通过表 1 的实验数据我们可以看到，当靶标以 10o/s 的速度进行旋转时，其在编码器四个采样点的方位角和俯仰角的变化范围不大，对靶标同一个点进行重复测量时方位角的值与真值近似相等，俯仰角的值是在真值上下±5″以内变化，在真值附近±5″以内的偏差变化说明靶标最大的误差变化小于 5″,动态时 5″以内的变化范围表明靶标在动态旋转时空间位置具有较好的重复性，轴系晃动和旋转臂变形等因素对靶标的空间位置影响不大，满足靶标动态标定的精度要求。
5 结 论
本文以 Leica 高精度全站仪 TDA5005 作为标定设备，提出了一种全新的自动跟踪标定法来动态标定光学靶标。利用 Leica 公司的开发语言 GEOBASIC 编写了采样程序解决了数据实时采集的问题，并实现了全站仪和编码器采样时刻的同步。通过现场标定试验，给出了靶标动态运动时的轨迹，并验证了靶标的空间位置具有较好的动态重复性，其动态位置误差小于 5″。
参考文献：
[1] 张 波，贺庚贤，沈湘衡. 可编程动态旋转靶标标定方法[J]. 光学 精密工程，2003，11(2)：176-179.ZHANG Bo，HE Geng-xian，SHEN Xiang-heng. Calibration of programmable dynamic target [J]. Optics and PrecisionEngineering，2003，11(2)：176-179.
[2] 曹学东. 电视光电经纬仪跟踪精度影响因素分析及检验方法研究[D]. 成都：电子科技大学，2003. 27-29.CAO Xue-dong. Analyzing and research to the elements affecting the tracking accuracy of electroNIc theodolite [D]. Chengdu：Electron and Science University of China，2003. 27-29.
[3] LeicaTDA5005 reference manual [Z]. Switzerland：Leica company, 2002.
[4] LEICAGEOBASIC Reference Manual V2.20 [Z]. Switzerland：Leica company, 2002.
[5] KRISHNA R. Improved pointing accuracy using high-precision theodolite measurements[J]. SPIE，1996，2812：199-220.
基金项目：中国科学院创新基金资助项目
作者简介：李岩(1979-)，男(汉族)，吉林长春人，博士生，研究方向为光电精密测量与控制技术，快速捕获与精密跟踪技术。E-mail:doctorli1979@163.com
