全面剖析TCA2003全站儀ATR功能原理及其應(yīng)用

文道平

摘要：利用全站儀的ATR （Automatic Target Recognition）功能，能使測量工作自動化，從而提高測量效率。本文簡單地介紹了全站儀自動目標(biāo)識別功能ATR的原理與測量精度，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況討論了ATR在工程應(yīng)用中注意的一些問題，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：全站儀；ATR；精度；校準(zhǔn)；應(yīng)用

0 引言

徠卡TCA2003全站儀作為95年生產(chǎn)的一種現(xiàn)代化測量儀器，不僅測量精度高（標(biāo)稱測角精度±0.5″，邊長1mm+1ppm×D），而且具有自動目標(biāo)識別與跟蹤功能即ATR功能（Automatic Target Recognition），可按照內(nèi)置機(jī)載程序進(jìn)行自動觀測與記錄，實(shí)現(xiàn)無人值守不間斷觀測，已在水電站大壩安全監(jiān)測、巖土工程圍巖變形測量等方面得到了廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控工作向三維、快速和高度自動化方向發(fā)展，成為安全分析和施工控制的最可靠依據(jù)之一，在測繪行業(yè)得到了普遍認(rèn)可。但是人們在分享它那特殊功能時(shí)，可能對其工作原理、使用方法以及注意事項(xiàng)不甚完全了解，本文結(jié)合作者在實(shí)際工作中遇到的一些問題，并針對這些問題提出了相應(yīng)的解決辦法，旨在提高TCA2003全站儀或類似儀器的應(yīng)用水平。

1 ATR工作原理

ATR功能部件被安裝TCA2003全站儀的望遠(yuǎn)鏡上。在打開ATR功能進(jìn)行測量時(shí)，全站儀的CCD光源發(fā)射一束紅外激光，經(jīng)過儀器的光學(xué)部件多次反射處理后，與望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸同軸地發(fā)射出去，由目標(biāo)棱鏡反射回來并引導(dǎo)ATR光束至CCD陣列上，形成光點(diǎn)。光點(diǎn)位置以CCD相機(jī)的中心作為參考點(diǎn)來精確確定。如果望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸和CCD相機(jī)的中心是一致的，則使用ATR功能測得的角度值，可直接從CCD相機(jī)上光點(diǎn)的位置計(jì)算出來（如圖1所示）。

在人工粗略照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡使用內(nèi)置機(jī)載程序開始ATR精密測量之后， ATR首先檢查目標(biāo)棱鏡是否位于望遠(yuǎn)鏡的視場內(nèi)，如果在視場內(nèi)找不到目標(biāo)棱鏡，它將在儀器設(shè)定的范圍內(nèi)進(jìn)行螺旋式搜索，一旦探測到棱鏡，搜索動作即刻停止，由馬達(dá)驅(qū)動望遠(yuǎn)鏡重復(fù)多次、最大限度地靠近棱鏡中心，并測量棱鏡中心與十字絲中心的偏離值，修正輸出最終的水平角和垂直角測量值（如圖1所示）。

圖1 TCA2003全站儀ATR望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

ATR精密測量過程包括搜索過程、照準(zhǔn)過程和測量過程。在人工對目標(biāo)棱鏡進(jìn)行粗略照準(zhǔn)之后， ATR首先檢查粗略照準(zhǔn)的棱鏡是否位于望遠(yuǎn)鏡的視場內(nèi)，如果它探測不到棱鏡，它將進(jìn)行螺旋式的搜索過程，一旦探測到棱鏡，望遠(yuǎn)鏡馬上停止搜索，由馬達(dá)驅(qū)動望遠(yuǎn)鏡去接近棱鏡的中心，并計(jì)算出十字絲中心與棱鏡中心的偏移值，偏移值控制馬達(dá)又一次驅(qū)使望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動，使其更加接近正確的角度值位置。全站儀再次測量棱鏡中心與十字絲中心的偏離值，并輸出最終的水平角和垂直角測量值（如圖2所示）。

2 ATR的測量精度

TCA2003全站儀ATR功能的測量精度分為內(nèi)部精度和外部精度。內(nèi)部精度與CCD陣列的分辨力、棱鏡的位置、測量條件和測量時(shí)機(jī)等因素有關(guān)；而外部精度就是目標(biāo)棱鏡定位精度，它受棱鏡型號和外部環(huán)境條件的影響較大。使用ATR自動目標(biāo)識別功能進(jìn)行水平角和垂直角測量時(shí)，其測量精度中包含有內(nèi)部精度和外部精度。一般情況下，ATR的內(nèi)部精度用戶是無法測試的，廠家標(biāo)定的精度指標(biāo)主要是指外部精度。許多文獻(xiàn)資料所檢測的ATR精度主要是指外部精度，其結(jié)果基本能夠達(dá)到儀器所標(biāo)定的精度。

ATR的外部精度又分為兩方面：

（1）測量距離在200m內(nèi)，目標(biāo)定位精度是一個(gè)固定值，如TCA2003全站儀，目標(biāo)采用Leica圓棱鏡，精密定位精度是±1mm；目標(biāo)采用Leica360°棱鏡，精密定位精度是±5mm。

（2）測量距離在200m外，目標(biāo)定位精度與儀器標(biāo)稱測角精度是一致的，即TCA2003全站儀的測角精度±0.5″。

圖2 ATR測量過程

3 ATR的校準(zhǔn)

一般來說，所有的測量儀器都存在由于機(jī)械加工或安裝問題而引起的誤差，如垂直編碼度盤指標(biāo)差、水平視準(zhǔn)差、水平軸傾斜誤差及ATR準(zhǔn)直差。這些誤差可隨時(shí)間和溫度的改變而變化，因此在儀器第一次使用、精密測量前、長途運(yùn)輸后、長期工作后、溫度變化大于20℃等情況下都需重新確定這些誤差。

ATR的準(zhǔn)直差指的是由于CCD陣列中心與望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸不完全同軸所引起的誤差，或者說是視準(zhǔn)軸偏離CCD陣列軸在水平和垂直方向的分量。假如存在ATR準(zhǔn)直差，則ATR方式判定的目標(biāo)點(diǎn)就與視準(zhǔn)軸瞄準(zhǔn)的目標(biāo)點(diǎn)有差異.也就是說十字絲可能較大地偏離棱鏡中心，產(chǎn)生測角誤差。

全站儀是高技術(shù)產(chǎn)品，特別像ATR這類儀器，既存在傳統(tǒng)意義上的指標(biāo)差、視準(zhǔn)差，又存在著ATR方式的準(zhǔn)直差。即使是有經(jīng)驗(yàn)的測量員，也不可能通過調(diào)整分劃板來協(xié)調(diào)儀器所有軸系的一致性了，因此目前解決此類機(jī)械誤差的最佳辦法是電子補(bǔ)償，即測出相應(yīng)的機(jī)械誤差，改變誤差符號并將其作為改正數(shù)對角度值進(jìn)行修正，這就是校準(zhǔn)。ATR校準(zhǔn)的具體步驟可參見儀器使用手冊。

ATR準(zhǔn)直差的校準(zhǔn)是提高測量精度的重要環(huán)節(jié)，在以下幾種情況下都需要對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)：

（1）在精密工程測量前，必須檢測ATR準(zhǔn)直差，特別是需要開展三角高程測量時(shí)。

（2）在測量過程中當(dāng)環(huán)境溫度條件變化較大時(shí)，亦應(yīng)進(jìn)行該項(xiàng)檢測及其他誤差檢驗(yàn)。

（3）如果在測角時(shí)既使用ATR方式，又使用人工照準(zhǔn)方式，必須先進(jìn)行ATR校準(zhǔn)。只有這樣，兩種方法觀測結(jié)果才是正確的。

（4）人工精確照準(zhǔn)100m處的棱鏡，記下此時(shí)的角度值。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡偏離棱鏡，然后使用ATR功能（按下DIST），檢查此時(shí)的角度值，應(yīng)與記下的一樣，其差別如果大于2.1″（這里為 ，其中0.001m為標(biāo)稱定位精度），則需進(jìn)行校準(zhǔn)。endprint

在ATR的校準(zhǔn)過程中，應(yīng)分清下列兩種情況：

（1）當(dāng)盤左對準(zhǔn)目標(biāo)，利用SHIFT F4將儀器轉(zhuǎn)到盤右時(shí)，如果十字絲偏離目標(biāo)較大，這并不是ATR的問題，可通過校準(zhǔn)儀器的2C差和指標(biāo)差來解決。

（2）實(shí)際測量時(shí)，望遠(yuǎn)鏡十字絲與棱鏡中心存在一定的ATR偏移，正確的視準(zhǔn)軸讀數(shù)使用該偏移值來改正，但這種偏移值不能超過ATR棱鏡定位精度。

4 對比實(shí)驗(yàn)

在水平角測量過程中，由于受共同的零方向觀測值的差分計(jì)算，各個(gè)水平角觀測值受ATR準(zhǔn)直差的影響不大（在ATR準(zhǔn)直差不影響棱鏡定位誤差的條件），不容易被發(fā)現(xiàn)。但在三角高程測量過程中，如不進(jìn)行ATR準(zhǔn)直差校準(zhǔn)，其觀測結(jié)果就有可能發(fā)生錯(cuò)誤。

本工程事例是使用TCA2003按照內(nèi)置機(jī)載程序進(jìn)行三等三角高程測量，生產(chǎn)作業(yè)前工作人員未進(jìn)行ATR準(zhǔn)直差檢測，其觀測高差結(jié)果如表一（折光系數(shù)k取0.12，），對向觀測高差均超出±0.035 的限差要求。

重新返工按照以下三種方式進(jìn)行測量（儀器在使用前，均進(jìn)行了三軸誤差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后打開相應(yīng)補(bǔ)償器開關(guān)）：

（1）人工觀測；

（2）按照儀器說明書的方法進(jìn)行ATR準(zhǔn)直性校準(zhǔn)，接受校準(zhǔn)值進(jìn)行自動測量；

（3）每個(gè)測站均進(jìn)行單方向校準(zhǔn)，即每個(gè)方向都進(jìn)行ATR準(zhǔn)直性校準(zhǔn)，棱鏡置于控制點(diǎn)上，并接受校準(zhǔn)值分別進(jìn)行各方向的自動測量。

三種觀測方式其計(jì)算結(jié)果如表二～表四（k取值同前），從表中可以看出，人工觀測和進(jìn)行ATR校準(zhǔn)后的自動觀測結(jié)果對向觀測高差較差均滿足±0.035 的限差要求，且對向觀測高差平均值（見表五）可有效消除ATR準(zhǔn)直差這種系統(tǒng)誤差的影響，但單向觀測三角高差則包含這種儀器系統(tǒng)誤差，在邊坡監(jiān)測、前方交會等工程單向觀測三角高差時(shí)必須特別注意這點(diǎn)。

5 結(jié)束語

（1）ATR準(zhǔn)直差的校準(zhǔn)是提高測量精度的重要環(huán)節(jié)，特別是在進(jìn)行三角高程單向測量時(shí)。如事先未進(jìn)行ATR準(zhǔn)直差的校準(zhǔn)，其觀測結(jié)果可能不正確，對向觀測高差亦不能滿足規(guī)范要求。

（2）由于ATR外部測量精度容易受棱鏡型號和環(huán)境條件的影響，因此在進(jìn)行高精度變形監(jiān)測時(shí)應(yīng)盡量使用徠卡圓棱鏡，且TCA2003測量邊長不宜小于200m。

參考文獻(xiàn)

[1] 徠卡測量系統(tǒng)有限公司.Leica TPS-System1000操作手冊.

[2] 朱順平，薛英. ATR的工作原理、校準(zhǔn)及檢測[J].北京測繪， 2005， （3）.endprint