工業(yè)級(jí)全站儀在BEPCII中的應(yīng)用研究

羅 濤 董 嵐 李 波 王小龍 門玲鸰

(中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049)

工業(yè)級(jí)全站儀在BEPCII中的應(yīng)用研究

羅 濤 董 嵐 李 波 王小龍 門玲鸰

(中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049)

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCII)重大改造工程中，結(jié)合TDA 5005工業(yè)級(jí)全站儀特點(diǎn)，根據(jù)BEPCII中工程技術(shù)要求，做了一系列儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)控制點(diǎn)及儀器設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量。分析工業(yè)全站儀ATR三維坐標(biāo)測(cè)量的精度及可靠性，探討其在加速器準(zhǔn)直測(cè)量中運(yùn)用的可行性，給出了有益的結(jié)論，為同類加速器準(zhǔn)直測(cè)量應(yīng)用及拓展工業(yè)全站儀應(yīng)用領(lǐng)域提供了技術(shù)依據(jù)。

BEPCII, 工業(yè)全站儀, TDA 5005, ATR

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCII)工程是國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目。為大幅提高對(duì)撞機(jī)整體性能，在原有BEPC隧道內(nèi)增加一個(gè)儲(chǔ)存環(huán)，實(shí)現(xiàn)雙環(huán)對(duì)撞“一機(jī)兩用”的改造。BEPCII儲(chǔ)存環(huán)由正、負(fù)電子環(huán)組成，周長(zhǎng)都是237.53 m，兩環(huán)束流中心距離1.179 m，總體布局如圖1。它們?cè)谀媳眱牲c(diǎn)交叉，距離是65.83 m。南北交叉點(diǎn)為對(duì)撞區(qū)，南對(duì)撞區(qū)安裝北京譜儀(BESIII)，北對(duì)撞區(qū)通過旁路管道將正、負(fù)電子環(huán)的外半環(huán)連一起，供同步輻射專用模式使用，周長(zhǎng)241.13 m[1]。

在這樣環(huán)形控制網(wǎng)測(cè)量中，工業(yè)級(jí)全站儀能在較長(zhǎng)距離測(cè)量中彌補(bǔ)激光跟蹤儀不足，其測(cè)量精度較高，在儲(chǔ)存環(huán)準(zhǔn)直測(cè)量中起重要作用，本文對(duì)其性能及儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量作若干探討和分析。

圖1 BEPCII儲(chǔ)存環(huán)及跟蹤儀測(cè)量示意圖Fig.1 Laser tracker measurement and storage ring of BEPCII.

1 瑞士徠卡TDA5005型工業(yè)全站儀

1.1 TDA 5005特點(diǎn)

Leica TDA5005工業(yè)全站儀的測(cè)距精度：標(biāo)準(zhǔn)模式(1 mm+2PPM)；跟蹤模式(5 mm+2PPM)。

在120 m內(nèi)絕對(duì)測(cè)距精度可達(dá)0.5 mm/0.02″，在～20 m精度可優(yōu)于0.3 mm/0.012″，可比擬激光跟蹤儀測(cè)距精度。測(cè)角精度0.5″。

1.2 TDA 5005各項(xiàng)指標(biāo)差補(bǔ)償

TDA5005指標(biāo)差改正包括補(bǔ)償器、垂直度盤、水平視準(zhǔn)差、水平軸傾斜誤差、及考慮上述各指標(biāo)差下的一個(gè)綜合改正[2]。此外，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(ATR)準(zhǔn)直差的ATR1是視準(zhǔn)線和CCD像機(jī)陣列中心軸線在水平和垂直方向的偏差，包括視準(zhǔn)差和垂直指標(biāo)差。用激光跟蹤儀反射鏡(38.1 mm和22.225 mm)進(jìn)行ATR1準(zhǔn)直差改正(圖2a、2b)時(shí)，距100 m處瞄準(zhǔn)并找對(duì)反射鏡中心較困難，因此做一個(gè)與反射鏡同樣大小的球，中間打穿并嵌入玻璃，在球心處玻璃上鍍膜(圖2c)。我們先人工瞄準(zhǔn)此光學(xué)目標(biāo)，然后儀器不動(dòng)換上激光跟蹤儀反射鏡進(jìn)行多次ATR1準(zhǔn)直差改正。

圖2 各種激光跟蹤儀反射鏡與光學(xué)目標(biāo)Fig.2 Different types of the laser tracker reflector.

1.3 工業(yè)全站儀的ATR實(shí)驗(yàn)

儲(chǔ)存環(huán)所有控制點(diǎn)及設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)均為球狀吸附底座(為激光跟蹤儀反射鏡設(shè)計(jì))，在全站儀測(cè)量中用激光跟蹤儀38.1 mm反射鏡測(cè)量。按儀器要求進(jìn)行ATR1準(zhǔn)直差改正后，全站儀ATR目標(biāo)在較遠(yuǎn)距離得到較好角度2C指標(biāo)差(2C為角度測(cè)量不符值)，但近處始終超限。為此嘗試調(diào)整ATR1準(zhǔn)直差改正，進(jìn)行遠(yuǎn)、中遠(yuǎn)、近處及多處改正。根據(jù)儲(chǔ)存環(huán)工程要求及激光跟蹤儀測(cè)量結(jié)果，角度2C值要＜5 s，即＜5 s合格，否則不合格，結(jié)果如表1。

表1 38.1 mm激光跟蹤儀反射鏡ATR實(shí)驗(yàn)結(jié)果(單位:s)Table 1 The ATR experimental results (in s) for 38.1 mm laser tracker reflector.

結(jié)合ATR原理和儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)全站儀測(cè)量特點(diǎn)，我們改變反射鏡大小，把原來38.1 mm激光跟蹤儀反射鏡換成22.225 mm反射鏡。經(jīng)ATR1準(zhǔn)直差改正后，反射鏡位置2 m、2.5 m、S02A、S03A、S04A、S06A和71 m的結(jié)果分別為9.3、1.1、0.8、1.9、4.6、4.5和0.3 s。因此全站儀ATR有效距離為2.5 m，小于相鄰控制點(diǎn)距離～3 m。因?qū)嶒?yàn)次數(shù)有限，為擴(kuò)大統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)，提高結(jié)論可靠性，用22.225 mm反射鏡進(jìn)行儲(chǔ)存環(huán)北半環(huán)全站儀測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ATR角度2C值統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2。

表2 儲(chǔ)存環(huán)北半環(huán)全站儀測(cè)量ATR照準(zhǔn)2C值統(tǒng)計(jì)(單位:s)Table 2 Statistics (in s) for ATR experiment 2C of total station measurement in north half of the storage ring.

由表2，ATR測(cè)角2C值主要集中在2.5 s以內(nèi)，遠(yuǎn)小于5 s規(guī)定值，說明22.225 mm激光跟蹤儀反射鏡能很好完成全站儀ATR測(cè)量[3]?；诖私Y(jié)論，全站儀瞄準(zhǔn)目標(biāo)后向反射鏡發(fā)射激光，激光反射回來由CCD相機(jī)捕獲，程序計(jì)算反射光的中心位置，并換算成水平角(垂直角)改正數(shù)，根據(jù)改正數(shù)由伺服馬達(dá)步進(jìn)到棱鏡的中心位置，精確瞄準(zhǔn)。計(jì)算CCD捕獲反射光中心位置時(shí)，主要用反射光成像的圖像特征來精確確定中心位置，雖然38.1 mm激光跟蹤儀反射球反射光較強(qiáng)，但反射光成像圖不如22.225 mm的。這也說明為什么反射球在一定距離內(nèi)無法自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)。

2 TDA5005在儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 大地四邊形測(cè)量

2.1.1 測(cè)量方案

BEPCII隧道東西兩側(cè)各有一個(gè)起算控制點(diǎn)，作為全環(huán)控制點(diǎn)、設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)等平差計(jì)算起算數(shù)據(jù)。兩起算點(diǎn)間距～70 m，為避免起算數(shù)據(jù)誤差，進(jìn)行兩起算點(diǎn)間聯(lián)測(cè)，要求較長(zhǎng)距離內(nèi)獲較高測(cè)量精度，且測(cè)量點(diǎn)數(shù)較少，所以TDA 5005工業(yè)測(cè)量全站儀剛好滿足需求。

進(jìn)行起算點(diǎn)大地四邊形測(cè)量避免起算點(diǎn)誤差。在起算點(diǎn)附近各選一點(diǎn)組成一大地四邊形，各點(diǎn)上架設(shè)全站儀，精密對(duì)中整平后對(duì)其余各點(diǎn)進(jìn)行人工瞄準(zhǔn)四測(cè)回邊角觀測(cè)，測(cè)距15次后測(cè)量平均值[4]。

2.1.2 大地四邊形平差計(jì)算

該大地四邊形為狹長(zhǎng)型，固定S01A至S33A方向。在數(shù)據(jù)預(yù)處理中，做好整個(gè)大地四邊形粗差剔除和閉合差檢查。最后用方差分量估算，得該大地四邊形測(cè)量精度為：測(cè)距中誤差為0.2 mm，測(cè)角中誤差為0.978 s。大地四邊形計(jì)算結(jié)果顯示有東西兩側(cè)延長(zhǎng)趨勢(shì)[5]，具體四邊形精度見表3。

表3 大地四邊形平差計(jì)算結(jié)果(單位：mm)Table 3 The adjustment results (in mm) of geodetic quadrangle.

2.2 儲(chǔ)存環(huán)北半環(huán)兩測(cè)回測(cè)量

2.2.1 測(cè)量方案

從S01段控制點(diǎn)繞北環(huán)至S33段控制點(diǎn)，最終通過儲(chǔ)存環(huán)通道聯(lián)測(cè)閉合。全站儀基本在S03A、S05A……S29A、S31A附近自由設(shè)站，除永久點(diǎn)S01A和S33A外，其他每次設(shè)站前后觀測(cè)三段控制點(diǎn)(僅A、B)并前后分別觀測(cè)遠(yuǎn)近處各一個(gè)C點(diǎn)和一個(gè)磁鐵基準(zhǔn)點(diǎn)。在S01A、S01B、S33A和S33B上架設(shè)全站儀，并在兩側(cè)分別增加一控制點(diǎn)G，以增加公共點(diǎn)個(gè)數(shù)(圖3)。

設(shè)站觀測(cè)中，以前方向第一段A點(diǎn)為起始方向，盤I順時(shí)針對(duì)各點(diǎn)邊角觀測(cè)。最后一點(diǎn)倒鏡，盤II逆時(shí)針對(duì)各點(diǎn)邊角觀測(cè)。每次全站儀自由設(shè)站對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行二測(cè)回邊角觀測(cè)。

圖3 全站儀設(shè)站觀測(cè)方案(a)和觀測(cè)情況(b)Fig.3 The stationing and measuring scheme (a) and situation (b) for the total station.

2.2.2 儲(chǔ)存環(huán)北半環(huán)平面網(wǎng)平差計(jì)算

通過工業(yè)全站儀測(cè)量得到各站測(cè)量點(diǎn)在儀器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。并檢核角度2C值等指標(biāo)差，去除相應(yīng)粗差。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到全部測(cè)量點(diǎn)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到已知點(diǎn)坐標(biāo)系下坐標(biāo)值，并以此為平差計(jì)算初始值。以儲(chǔ)存環(huán)東西兩側(cè)永久點(diǎn)坐標(biāo)值為起算數(shù)據(jù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入激光跟蹤儀測(cè)邊測(cè)角驗(yàn)前中誤差，用專為BEPC儲(chǔ)存環(huán)編制的Survey5.0軟件計(jì)算。計(jì)算過程需多次輸入測(cè)邊測(cè)角驗(yàn)前中誤差值來逼近真實(shí)值，達(dá)到與驗(yàn)后單位權(quán)中誤差一致。表4是儲(chǔ)存環(huán)北半環(huán)平面網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表4 儲(chǔ)存環(huán)北半環(huán)平面網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(jì)(單位：mm)Table 4 Statistics (in mm) for plane control net in north half of the storage ring.

表4的測(cè)量結(jié)果較激光跟蹤儀儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量結(jié)果差很多，但由于本身測(cè)量方案差異和儀器本身測(cè)量精度，此次測(cè)量已顯示出較好測(cè)量效果。全站儀北半環(huán)測(cè)量平均鄰站搭接點(diǎn)為8個(gè)，激光跟蹤儀全環(huán)測(cè)量平均鄰站搭接點(diǎn)為28個(gè)。全站儀平差結(jié)果坐標(biāo)與激光跟蹤儀結(jié)果具體差值為：X、Y方向最大差值分別為1.255和0.865 mm，最小差值都為0 mm，均值為0.474和0.254 mm，統(tǒng)計(jì)平均值為0.565和0.33 mm。與人工照準(zhǔn)大地四邊形測(cè)量結(jié)果有一定差距，主要因?yàn)槿斯ふ諟?zhǔn)大地四邊形測(cè)量方案為測(cè)距15次平均值，4測(cè)回邊角測(cè)量，并在預(yù)處理中將粗差數(shù)據(jù)剔除和削若，這都是提高測(cè)量精度的有效保證。

最后，二測(cè)回平均觀測(cè)值比一測(cè)回平均觀測(cè)值的平差結(jié)果好，說明適當(dāng)多測(cè)回測(cè)量可在一定程度上提高精度。

3 結(jié)論

通過工業(yè)全站儀在BEPCII儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量中應(yīng)用和一系列實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論和建議：(1) 通過22.225 mm跟蹤反射鏡若干實(shí)驗(yàn)和光學(xué)目標(biāo)ATR1準(zhǔn)直差改正，使工業(yè)全站儀ATR測(cè)量能較好滿足BEPCII工程需要，不但減少人工照準(zhǔn)，也提高了作業(yè)效率和測(cè)量精度；(2) 人工瞄準(zhǔn)全站儀大地四邊形測(cè)量顯示出較好精度，可滿足BEPCII工程需要；(3) ATR二測(cè)回平面平差結(jié)果明顯優(yōu)于一測(cè)回，人工瞄準(zhǔn)四測(cè)回又優(yōu)于二測(cè)回測(cè)量，表明適量多測(cè)回測(cè)量可提升測(cè)量精度；(4) 方案上，全站儀儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量與跟蹤儀儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量在相鄰站搭接點(diǎn)個(gè)數(shù)有差距，全站儀測(cè)量平均在8個(gè)，激光跟蹤儀平均在28個(gè)，故從測(cè)量方案上可進(jìn)一步提升全站儀測(cè)量結(jié)果精度；(5) 在全站儀BEPCII儲(chǔ)存環(huán)北半環(huán)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，并未對(duì)其觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的粗差剔除。希在儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量中檢驗(yàn)角度距離測(cè)量限差，并對(duì)相關(guān)測(cè)回和測(cè)站重測(cè)，這比事后數(shù)據(jù)預(yù)處理中剔除出差要好很多。

因此，工業(yè)全站儀在BEPCII儲(chǔ)存環(huán)測(cè)量中起一定作用，尤其在長(zhǎng)距離測(cè)量及全自動(dòng)測(cè)量方面有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，都需進(jìn)一步研究。

1 王國(guó)峰. 城市勘測(cè), 2008, (1): 112 WANG Guofeng. Urban Geotech Invest Surv, 2008, (1):112

2 Leica TPS-System 1000 System User Manul. 2003

3 鄧 標(biāo), 黃 騰, 陳建華, 等. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2006, 30(6): 57–60 DENG Biao, HUANG Teng, CHEN Jianhua, et al.Hydropower Autom Monit, 2006, 30(6): 57–60

4 黃 騰, 陳光保, 張書豐. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè), 2004,28(3): 37–40 HUANG Teng, CHEN Guangbao, ZHANG Shufeng.Hydropower Autom Monit, 2004, 28(3): 37–40

5 張正祿, 李廣云, 潘國(guó)榮, 等. 工程測(cè)量學(xué). 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2005 ZHANG Zhenglu, LI Guangyun, PAN Guorong, et al.The engineering surveying. Wuhan: Wuhan University Press, 2005

Application of TDA5005 industrial total station at BEPCII

LUO Tao DONG Lan LI Bo WANG Xiaolong MEN Linlin
(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

For reconstruction of the Beijing Electron Positron Collider (BEPCII), performance of the industrial total station Leica TDA 5005 was combined with technical requirements of BEPCII. The control points and instruments reference points of the storage ring were measured repeatedly. In this paper, we analyze the accuracy and reliability of automatic target recognition (ATR) measurement with TDA5005, and discuss the feasibility of applying it in the accelerator alignment measurement. The results can be of help in this kind of applications in alignment measurements of similar accelerators.

BEPCII, Industrial total station, TDA 5005, ATR

P2

羅 濤，男，1985年出生，2009年于武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院獲大地測(cè)量學(xué)與工程測(cè)量專業(yè)碩士學(xué)位，助理工程師，主要做加速器準(zhǔn)直測(cè)量工作

2010-06-18，

2010-07-21

CLCP2