中國散裂中子源直線加速器控制網(wǎng)測量及精度研究

馬　娜，董　嵐，梁　靜，柯志勇，何振強

(1. 中國科學院高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞 523803； 2. 東莞中子科學中心，廣東 東莞 523803)

Measurement and Research of Control Network’s Accuracy of

CSNS Linear Accelerator

MA Na,DONG Lan,LIANG Jing,KE Zhiyong,HE Zhenqiang

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中國散裂中子源直線加速器控制網(wǎng)測量及精度研究

馬娜1,2，董嵐1,2，梁靜1,2，柯志勇1,2，何振強1,2

(1. 中國科學院高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞 523803； 2. 東莞中子科學中心，廣東 東莞 523803)

Measurement and Research of Control Network’s Accuracy of

CSNS Linear Accelerator

MA Na,DONG Lan,LIANG Jing,KE Zhiyong,HE Zhenqiang

摘要：針對中國散裂中子源(CSNS)210 m長、6 m寬的大尺度直線隧道控制網(wǎng)，提出了具體觀測方案，對觀測儀器的選擇、控制網(wǎng)布設(shè)、測量方式及數(shù)據(jù)處理進行了介紹；基于兩類跟蹤儀分兩期測量，并采用相鄰站擬合偏差、邊角觀測差對數(shù)據(jù)預(yù)處理和光束法平差進行了計算，對兩型跟蹤儀的測量精度及穩(wěn)定性進行了比較。結(jié)果表明：①采用激光跟蹤儀觀測，相鄰站擬合偏差值為0.05 mm左右，測距值不高于0.06 mm，水平和垂直向測角算術(shù)平均值在4″以內(nèi),且水平向測角精度比垂直向高1″左右；②對于狹長大尺度直線控制網(wǎng)，X向網(wǎng)形可靠，解算精度高，Y向網(wǎng)形易扭曲，解算精度下降；③LeicaAT401型跟蹤儀觀測精度略高于FARO X1，但當隧道環(huán)境穩(wěn)定之后，兩種跟蹤儀對于200 m左右的狹長直線網(wǎng)得到的平面方向坐標重復性均在0.5 mm之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：大尺度控制網(wǎng)；擬合偏差；邊角觀測差；光束法平差

大型加速器是利用電場、磁場約束粒子且進行加速，以獲取大功率束流的裝置，束流功率一般能達到幾十到上百千瓦。目前，國內(nèi)外大型加速器主要有長度約60 m的“神龍一號”電子感應(yīng)加速器[1]、主環(huán)周長161 m的蘭州重離子加速器[2]、儲存環(huán)周長280 m的瑞士光源同步輻射裝置[3]、直線加速段202 m和儲存環(huán)周長240 m的北京正負電子對撞機(BEPC)[4]，以及正在建的中國散裂中子源等。大型加速器的安裝隧道常達數(shù)百米，裝置的設(shè)計和安裝難度極大，定位精度要求極高。國內(nèi)外主要利用激光跟蹤儀建立三維測量控制網(wǎng)，以實現(xiàn)大型加速器各部件的精確定位安裝，但對大尺度、高精度控制網(wǎng)的測量精度，還缺乏深入的研究和數(shù)據(jù)驗證。結(jié)合我國在建散裂中子源大型加速器的安裝調(diào)試，本文針對中國散裂中子源(CSNS)210 m長、6 m寬的大尺度直線隧道控制網(wǎng)觀測提出了具體的測量方案，對測量數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理及平差計算，分析了兩種方法的預(yù)處理效果，討論了平差結(jié)果中點位絕對和相對精度，以及穩(wěn)定性等問題，得到了具有參考價值的結(jié)論。

一、CSNS介紹

CSNS是中科院高能物理研究所與廣東省共建的發(fā)展中國家第一臺高能強流質(zhì)子加速器驅(qū)動，擁有一臺80 MeV負氫直線加速器和一臺1.6 GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器的強中子源裝置，其直線加速器長210 m，同步環(huán)周長374 m，建成后將成為具備國際水平的中子科學綜合試驗裝置。

CSNS直線隧道位于地面20多米以下，采用加強混凝土澆筑，于2013年11月完成土建工作。CSNS直線段控制網(wǎng)具有如下特點：①通視性好，各測站點均可測到較遠目標點，有利于提高測量精度；②網(wǎng)形細長，易扭曲，無法閉合，易造成累積誤差。

二、測量方案

觀測儀器選用上，CSNS控制網(wǎng)測量采用激光跟蹤儀[4]替代傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、測距儀、水準儀等測量手段，常用的激光跟蹤儀主要有Leica、FARO和API 3種品牌，可以實現(xiàn)測量、放樣、點位檢查、數(shù)據(jù)處理、分析計算等功能，其中Leica和FARO跟蹤儀精度高、可靠性好，可選型號較多，使用廣泛。方案采用Leica AT401型和FARO X1型激光跟蹤儀分兩期進行觀測，并比較檢驗兩種跟蹤儀測量精度的可靠性和一致性。

控制網(wǎng)點布設(shè)上，CSNS園區(qū)的地面初級控制網(wǎng)前期已通過全站儀、GPS、水準經(jīng)過多期測量獲得。設(shè)備精密安裝的局部控制網(wǎng)是基于地面初級控制網(wǎng)建立的，主要由直線控制網(wǎng)、儲存環(huán)控制網(wǎng)和輸運線控制網(wǎng)組成。對于210 m長、6 m寬的CSNS直線隧道，考慮隧道內(nèi)定線、準直精度，便于安裝等因素，從隧道前端開始每7 m布設(shè)一組控制點，整個直線隧道共布設(shè)31段，每段在墻上布設(shè)距離地面約1.8 m的兩個控制點，命名為L××C與L××E，地面布設(shè)兩個控制點，命名為L××A與L××B(如圖1所示)，最終形成共124個控制點的直線隧道控制網(wǎng)，其直線前端的L01B與末端的L30B為兩個永久控制點，也是地面初級控制網(wǎng)點，外圍采用鋼筋護桶內(nèi)用鋼筋混凝土澆筑而成，均位于基巖上，其點位坐標已知，作為后期數(shù)據(jù)處理的基準點；其余控制點標志均采用不銹鋼加工而成(其結(jié)構(gòu)如圖1所示)。

圖1　隧道每段控制點分布

測量方式上，采用FARO X1與Leica AT401分兩期進行觀測，結(jié)果分別記作1_FARO和2_Leica，兩期測量間隔約半年，以研究激光跟蹤儀的觀測精度，分析新建直線隧道網(wǎng)的測量精度。由于直線控制網(wǎng)分布于狹長隧道內(nèi)，考慮跟蹤儀的有效測程和測量精度，需采用轉(zhuǎn)站搭接式測量模式，測量方法如下：依次在兩組控制點之間放置跟蹤儀，每站均向前觀測3組，向后觀測后3組(如圖2所示)，整個直線隧道共觀測30站。每站觀測控制點24個，觀測范圍約35 m。這樣前后站之間共同觀測點位達到20個，每個點位至少觀測兩次，大大增加了多余觀測數(shù)，提高了轉(zhuǎn)站精度，有效改善了觀測網(wǎng)形。

圖2　觀測方案

觀測結(jié)束后，先對觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，方案采用相鄰站擬合偏差和邊角觀測差統(tǒng)計兩種預(yù)處理方式。相鄰站擬合偏差統(tǒng)計在每站觀測完后立即進行， 通過將當前站與前一站所測公共點數(shù)據(jù)進行擬合，計算擬合殘差，以檢核觀測過程中是否存在儀器跑動、人員誤操作、激光反射球安置不到位等問題。邊角觀測差統(tǒng)計[5]是對所有相鄰站間的距離、角度觀測值進行統(tǒng)計計算，以獲得最大、最小誤差點位及所在站、總體算術(shù)平均值和幾何平均值等，查看觀測值重復性，找出并刪除重復性較差點位并分析其原因，其統(tǒng)計結(jié)果將作為平差先驗信息。

根據(jù)跟蹤儀在控制點組間設(shè)站和方向觀測的特點，采用光束法平差[6]。該方法基于最小二乘原理，多次迭代使觀測數(shù)改正數(shù)平方和最小，從而獲得最佳的儀器及觀測點位的坐標。

三、預(yù)處理及平差結(jié)果分析

1. 預(yù)處理結(jié)果分析

本方案對數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要采用擬合偏差統(tǒng)計和邊角差統(tǒng)計，分別討論如下。

(1) 相鄰站擬合偏差統(tǒng)計

相鄰站擬合偏差計算的結(jié)果如圖3所示。從圖中可知，1_FARO觀測的第22、23站和第12、13站的擬合偏差較大，分別達到0.3 mm和0.1 mm，經(jīng)分析，這主要由當時測量環(huán)境潮濕引起。后期數(shù)據(jù)處理中對這兩站中擬合偏差較大的點位予以刪除。同時，從兩條曲線的走向可知，兩種儀器觀測數(shù)據(jù)的相鄰站擬合偏差相當，均在0.05 mm左右，但2_Leica站間擬合偏差曲線較平滑，因此該儀器的穩(wěn)定性可能更高。

圖3　相鄰站擬合偏差統(tǒng)計

(2) 相鄰站邊角觀測差統(tǒng)計

采用筆者所在單位編寫的邊角統(tǒng)計程序，對兩輪觀測值進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。從測距精度看，F(xiàn)ARO X1為0.06 mm，Leica AT401為0.03 mm；從測角精度看，Leica AT401比FARO X1高1″。整體而言，兩種儀器水平與垂直測角算術(shù)平均值均在4″以內(nèi)，而水平測角精度比垂直測角高約1″，因此，激光跟蹤儀對高程測量精度略低于平面精度。

表1　相鄰站邊角差統(tǒng)計

2. 平差精度及穩(wěn)定性分析

采用從美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)引進的基于光束法平差的SURVEY軟件進行計算，該軟件經(jīng)過高能物理研究所在BEPC中的多年應(yīng)用，已完善為可視化測量平差軟件。平差中，以直線兩端永久點L01B、L30B作為平面控制點，L01B的高程為起算高程，并對直線隧道網(wǎng)兩輪觀測數(shù)據(jù)依次平差，得到點位坐標及點位絕對、相對中誤差。以下分別對點位絕對精度、相對精度及控制網(wǎng)標志點穩(wěn)定性進行分析。

(1) 點位絕對精度

點位絕對精度是檢核觀測質(zhì)量和數(shù)據(jù)處理過程的重要指標。圖4中為兩期觀測得到的X和Y向點位絕對中誤差。其中，1_FARO的X向中誤差約為0.06 mm，曲線平滑，Y向中誤差在0.1～0.3 mm，曲線波動較大；2_Leica的X向中誤差約為0.02 mm左右，曲線平滑，Y向約為0～0.15 mm，曲線波動較大。顯然，兩種跟蹤儀測得的X向絕對精度均高于Y向，且兩條X向中誤差曲線均較平滑，Y向中誤差曲線起伏均較大。因此，對于狹長大尺度直線控制網(wǎng)，X向(束流方向)網(wǎng)形可靠性好，解算精度較高，在寬度較窄的Y向(垂直束流方向)網(wǎng)形易發(fā)生扭曲，解算精度下降。

圖4　兩期觀測X、Y向點位絕對中誤差

圖5為Z向(高程方向)點位中誤差。其中，1_FARO的Z向中誤差約為0.1 mm，2_Leica的Z向中誤差約為0.05 mm。從誤差曲線的變化趨勢看，除去隧道前端部分，離高程控制點L01B越遠，其精度逐漸變差。另外，Z向中誤差略高于X向中誤差，這是由激光跟蹤儀垂直角觀測精度差引起的。

圖5　兩期觀測Z向點位絕對中誤差

表2為兩種跟蹤儀觀測精度比較，從表中可知，2_Leica的觀測精度略高于1_FARO，這也與相鄰站偏差擬合、邊角差統(tǒng)計的結(jié)果相吻合。

表2　兩種跟蹤儀測量量大、最小及標準絕對誤差統(tǒng)計　mm

(2) 點位相對精度

CSNS直線段要求設(shè)備控制點X向相對精度為0.5 mm，Y向為0.2 mm，Z向為0.2 mm?？刂凭W(wǎng)點位相對精度直接關(guān)系后期的設(shè)備安裝精度，圖6、圖7、表3為地面控制點相鄰點位的相對中誤差。從其中可知，1_FARO的X向和2_Leica的X、Y向各點位相對中誤差均滿足0.2 mm的安裝要求，而1_FARO起始點位Y向相對中誤差偏高，在0.2~0.25 mm，經(jīng)分析認為，這是由直線隧道前端吊裝口處觀測環(huán)境差引起的。整體而言，相鄰點位Y向精度低于X向，這也說明狹長直線控制網(wǎng)在較窄方向易發(fā)生變形，計算精度下降。

(3) 控制網(wǎng)標志點穩(wěn)定性

點位坐標的互差值是評價觀測精度的重要指標。如圖8所示，對兩期的觀測點位在3個坐標方向分別進行互差。從結(jié)果來看，X向兩期觀測的互差值抖動較大，但從第5站段開始互差值均降至1 mm以內(nèi)，第10站開始互差值均在0.5 mm以內(nèi)，互差較大值(1～1.5 mm)出現(xiàn)在前端吊裝口附近的4站；Y向互差值整體小于X向，且曲線較平滑，從第4站以后互差值均在0.5 mm以內(nèi)，與X向類似，吊裝口附近的4站，互差值偏大，超過0.5 mm；Z向互差值則隨著觀測點位延伸至隧道內(nèi)部，逐漸變大，在隧道末端互差值接近0.9 mm。

圖6　兩期觀測X、Y向點位相對中誤差

圖7　兩期觀測Z向點位相對中誤差

mm

圖8　兩期觀測坐標三方向互差

綜上所述，兩期觀測結(jié)果的互差值具有如下特點：①X向與Y向互差值在隧道前端點位偏大，均超過0.5 mm；②Z向互差值隨點位坐標增大，即隨著向隧道內(nèi)部延伸而逐漸變大。深入分析后，認為特點①產(chǎn)生的原因主要是因為在隧道前端，因吊裝施工、未封閉等因素，風向、震動較大，觀測條件差，而中后段則受外界環(huán)境影響較??；特點②則是由于直線隧道未閉合，誤差通過轉(zhuǎn)站累積所導致。因此可以推斷，當隧道閉合，整個隧道趨于穩(wěn)定后，激光跟蹤儀對200 m左右狹長直線控制網(wǎng)觀測的平面方向坐標重復性會在0.5 mm以內(nèi)。

四、結(jié)束語

基于在建的散裂中子源直線加速器大尺度直線段準直測量任務(wù)，本文提出了對CSNS直線隧道控制網(wǎng)的具體測量方案，對觀測儀器的選擇、控制網(wǎng)布設(shè)、測量方式及數(shù)據(jù)處理方法進行了詳細介紹；采用兩類跟蹤儀分兩期測量，依據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理和平差計算結(jié)果，對兩類跟蹤儀的測量精度及穩(wěn)定性進行比較。結(jié)果表明：①采用激光跟蹤儀觀測，相鄰站擬合偏差值為0.05 mm左右，測距值不高于0.06 mm，水平和垂直向測角算術(shù)平均值在4″以內(nèi),且水平向測角精度比垂直向高1″左右；②對于狹長大尺度直線控制網(wǎng)，X向網(wǎng)形可靠，解算精度高，Y向網(wǎng)形易扭曲，解算精度下降；③Leica AT401型跟蹤儀觀測精度略高于FARO X1，但當隧道環(huán)境穩(wěn)定之后，兩種跟蹤儀對于200 m左右的狹長直線網(wǎng)得到的平面方向坐標重復性均在0.5 mm之內(nèi)。

參考文獻：

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引文格式： 馬娜，董嵐，梁靜,等. 中國散裂中子源直線加速器控制網(wǎng)測量及精度研究[J].測繪通報，2016(1)：104-107.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0026.

作者簡介：馬娜(1987—)，女，碩士，助理工程師，主要從事精密工程測量及粒子加速器準直測量的理論方法與技術(shù)研究。E-mail：mana870518@163.com

收稿日期：2014-11-01

中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0104-04