光學(xué)平行裝置精度測(cè)量及數(shù)據(jù)處理*

楊益興

(武漢市64291信箱 武漢 430064)

1 引言[1]

慣性導(dǎo)航設(shè)備或其它方位測(cè)量設(shè)備在裝船時(shí),須進(jìn)行標(biāo)校校準(zhǔn)試驗(yàn),使具有方位基準(zhǔn)的被試設(shè)備與測(cè)量設(shè)備間的方位零位一致,并與載體的方位零位相匹配。方位標(biāo)校校準(zhǔn)往往會(huì)遇到一些困難,如果被試慣性導(dǎo)航設(shè)備與測(cè)量設(shè)備安裝在不同的艙室而不通視,再加上距離遠(yuǎn),必須通過多臺(tái)經(jīng)緯儀接力的方式才能完成方位標(biāo)校工作,會(huì)帶來中間誤差。設(shè)備安裝于不同高度的艙室,依靠經(jīng)緯儀進(jìn)行光路傳遞時(shí),上、下經(jīng)緯儀的俯仰角就會(huì)很大,有時(shí)超過了40°。根據(jù)光學(xué)測(cè)距原理,簡化的方位測(cè)角誤差公式為:Δ F=Δ H ×sin(A)×tan(h)(其中 Δ F為方位測(cè)角誤差,ΔH為載體不水平度,A水平傾角與測(cè)量方向的夾角,h為經(jīng)緯儀的俯仰角)。

如上所述,比較好的解決辦法是采用光學(xué)傳遞裝置,用來完成不同艙室之間的方位傳遞。光學(xué)平行裝置是一種高精度的動(dòng)態(tài)標(biāo)校光學(xué)傳遞裝置,用于船舶方位的測(cè)量、船舶慣性導(dǎo)航設(shè)備方位信息校準(zhǔn)等用途,可以用來解決被測(cè)慣性導(dǎo)航設(shè)備與測(cè)量設(shè)備安裝在不同的艙室所帶來的不能夠通視、距離遠(yuǎn)、中間環(huán)節(jié)引起的過程誤差比較大等問題,可以完成上、下艙室之間的方位直接傳遞。如圖1所示。

圖1 光學(xué)平行裝置示意圖

光學(xué)平行裝置屬于精密光學(xué)測(cè)量裝置,但由于幾何尺寸比較大以及裝置的應(yīng)力變形等原因,還會(huì)存在誤差,為此就需要對(duì)該裝置進(jìn)行精度測(cè)量,本文依據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3756-99《測(cè)量不確定度的表示及評(píng)定》和國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1059-1999《測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示》中的要求,對(duì)光學(xué)平行裝置的精度測(cè)量以及測(cè)量不確定度進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析,給出了該方法的擴(kuò)展不確定度。

2 試驗(yàn)所需儀器及附件

光學(xué)平行裝置精度試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的主要儀器及附件包括:經(jīng)緯儀、水銀盤、自制儀器架、細(xì)琴弦、阻尼油桶等。

?經(jīng)緯儀,完成精度測(cè)量的主要測(cè)試儀器。

?水銀盤,光學(xué)平行裝置水平放置時(shí),提供一種絕對(duì)的水平基準(zhǔn)。

?自制儀器架,用來支撐經(jīng)緯儀、水銀盤等的支架。

?細(xì)琴弦,用來構(gòu)建方位基準(zhǔn)。

?阻尼油桶,細(xì)琴弦的鉛垂吊放在阻尼油桶內(nèi)的油中,保證兩根細(xì)琴弦建立的方位基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)方法

3.1 標(biāo)定光學(xué)平行裝置上、下反射鏡

首先組裝光學(xué)平行裝置的上、下接桿以及上、下反射鏡,用經(jīng)緯儀將光學(xué)平行裝置軸體調(diào)水平,然后用2臺(tái)經(jīng)緯儀、水銀盤把上下反射鏡鏡面調(diào)平行對(duì)準(zhǔn),最后復(fù)測(cè),上反射鏡相對(duì)下反射鏡方位偏差。方位偏差的大小可以用來驗(yàn)證反射鏡本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖2 使用經(jīng)緯儀以及水銀盤標(biāo)定反射鏡示意圖

3.2 建立測(cè)量基準(zhǔn)方位

圖3 建立方位基準(zhǔn)示意圖

用細(xì)琴弦線吊鉛垂的懸線建立測(cè)量基準(zhǔn)方位(見圖3)。兩鉛垂懸線下面分別吊一個(gè)鉛垂,鉛垂放在阻尼油桶中,兩鉛垂懸線相距足夠遠(yuǎn)的距離,兩者確定了一個(gè)精確的鉛垂面,在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)不同的水平面內(nèi)分別按上、下反射鏡的高度設(shè)兩臺(tái)經(jīng)緯儀,望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)面被調(diào)定在該鉛垂面內(nèi),建立起基準(zhǔn)方位。

3.3 豎起光學(xué)平行裝置檢測(cè)上、下反射鏡

在光學(xué)平行裝置進(jìn)行精度檢測(cè)試驗(yàn)過程中,光學(xué)平行裝置裝在可轉(zhuǎn)動(dòng)的光學(xué)平行裝置支架內(nèi),并隨支架一起吊起、固定等操作。

精確調(diào)整兩經(jīng)緯儀按兩個(gè)鉛垂懸線建起一致的基準(zhǔn)方位,再將光學(xué)平行裝置豎立在建立方位基準(zhǔn)的兩個(gè)鉛垂線之間位置(如圖 4所示)。轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)平行裝置軸體,使最下面水平面內(nèi)的經(jīng)緯儀2對(duì)下反射鏡自準(zhǔn)直,測(cè)量下反射鏡法線相對(duì)基準(zhǔn)方位的偏差角。同時(shí),上水平面內(nèi)的經(jīng)緯儀1對(duì)上反射鏡自準(zhǔn)直,測(cè)量上反射鏡相對(duì)基準(zhǔn)方位的偏差角。然后用將光學(xué)平行裝置再重新平行放回原來位置重復(fù)進(jìn)行下一次測(cè)量。共重復(fù)測(cè)量n次。

圖4 豎立測(cè)量時(shí)的光學(xué)平行裝置示意圖

4 數(shù)據(jù)處理及精度評(píng)定[2～3]

光學(xué)平行裝置的精度測(cè)量對(duì)測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性要求很高,需要對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行計(jì)算。

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

計(jì)算兩經(jīng)緯儀測(cè)上、下反射鏡相對(duì)基準(zhǔn)方位的偏差角

式中,δ下為下水平面的經(jīng)緯儀2測(cè)得下反射鏡相對(duì)基準(zhǔn)方位的偏差角(″);δ上為上水平面的經(jīng)緯儀1測(cè)得上反射鏡相對(duì)基準(zhǔn)方位的偏差角(″);θi為下水平面的經(jīng)緯儀2測(cè)得基準(zhǔn)方位讀數(shù)(″);θ′i為下水平面的經(jīng)緯儀2測(cè)得下反射鏡方位讀數(shù)(″);φi為上水平面的經(jīng)緯儀 1測(cè)得基準(zhǔn)方位讀數(shù)(″)′為上水平面的經(jīng)緯儀1測(cè)得上反射鏡方位讀數(shù)(″);xi為兩經(jīng)緯儀測(cè)得上反射鏡相對(duì)下反射鏡的方位偏差(″)。

根據(jù)前面所述,重復(fù)測(cè)量n次,就可得出n組xi數(shù)據(jù)(x1、x2、…、xn-1、xn)。如果 xi為負(fù)值 ,說明上反射鏡相對(duì)于下反射鏡方位偏小;反之如果xi為正值,說明上反射鏡相對(duì)于下反射鏡方位偏大。

4.2 異常值檢驗(yàn)[4]

測(cè)量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常值時(shí),應(yīng)仔細(xì)查其原因,如果是粗大誤差或變值系統(tǒng)誤差所致,則應(yīng)在測(cè)量中找出根源,設(shè)法消除或剔除該數(shù)據(jù)后再計(jì)算。若無充分理由肯定其是壞值時(shí),則不得剔除,可以在維持等精度測(cè)量條件的前提下,增加測(cè)量次數(shù)。我們采用格拉布斯(Grubbs)異常值檢驗(yàn)法,為此將樣本按方位自小到大排序?yàn)?

根據(jù)上述樣本有

根據(jù)格拉布斯檢驗(yàn)規(guī)則,采用雙側(cè)情形檢驗(yàn)法,按下式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Gn和:

取檢出水平α=0.5,n=n,根據(jù)格拉布斯檢驗(yàn)法的臨界表對(duì)應(yīng)n,α/2的臨界值得G1-α/2(n)=2.355。查格拉布斯檢驗(yàn)法規(guī)定:

否則,判定“沒有異常值”。

x(n)、x(1)分別是樣本排序的第n個(gè)值和第一個(gè)值。根據(jù)上述規(guī)定判定將異常值剔出,剩余的樣本(x1、x2、…、xu)即為有效數(shù)據(jù)。

4.3 測(cè)量不確定度分析

測(cè)量不確定度是表示測(cè)量結(jié)果不能肯定的程度,或者說它是表征測(cè)量結(jié)果分散性的一個(gè)參數(shù),是用于說明測(cè)量準(zhǔn)確度高低的一個(gè)可量化的表示值。有了這個(gè)就可以評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的可信程度或進(jìn)行比較。GJB3756-99《測(cè)量不確定度的表示及評(píng)定》中規(guī)定:不確定度用來表征合理賦予被測(cè)量值的分散性,是測(cè)量結(jié)果含有的一個(gè)參數(shù),與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)。

1)測(cè)量結(jié)果

光學(xué)平行裝置上反射鏡對(duì)下反射鏡方位偏差量用測(cè)得u個(gè)有效偏差值的平均值來表示:

2)測(cè)量儀器不確定度[5]

經(jīng)緯儀標(biāo)準(zhǔn)偏差0.5″,考慮瞄準(zhǔn)誤差在內(nèi)設(shè)定一次測(cè)角誤差1″。一次測(cè)量一臺(tái)經(jīng)緯儀兩次測(cè)角不確定度為 2″,一次測(cè)量兩臺(tái)經(jīng)緯儀引起的測(cè)量不確定度u1為:

3)多次測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度[6]

把光學(xué)平行裝置檢測(cè)看成每次測(cè)量都是獨(dú)立的直接測(cè)量,服從正態(tài)分布。按標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定,用貝塞爾法計(jì)算每次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差:

u2是n次重復(fù)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度,等于平均值ˉx的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

4)計(jì)算合成不確定度

合成不確定度uc為

5)計(jì)算擴(kuò)展不確定度[7]

計(jì)算測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U,取置信概率P=95%,包含因子k=2有

5 試驗(yàn)情況

該試驗(yàn)在試驗(yàn)室中進(jìn)行,共進(jìn)行了11次重復(fù)測(cè)量,為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性以及試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性,選擇在晚上零點(diǎn)以后進(jìn)行,盡量地減少外界環(huán)境的影響,同時(shí)嚴(yán)格細(xì)致的制定試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則,保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

光學(xué)平行裝置上反射鏡相對(duì)下反射鏡的方位偏差檢測(cè)結(jié)果表示為:

試驗(yàn)結(jié)果表明:光學(xué)平行裝置按規(guī)定程序、狀態(tài)在碼頭標(biāo)校中使用,擴(kuò)展不確定度95%情況下在5″之內(nèi),機(jī)構(gòu)比較穩(wěn)定。

圖5 方位偏差檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語

本文首先介紹了一種光學(xué)轉(zhuǎn)換裝置(光學(xué)平行裝置)精度測(cè)量的試驗(yàn)方法,介紹了和不確定度相關(guān)的信息,如異常值的處理、評(píng)定方法、測(cè)量儀器不確定度等,并根據(jù)該方法對(duì)光學(xué)平行裝置精度試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理。結(jié)果表明該光學(xué)平行裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,精度測(cè)量和不確定度評(píng)定可以作為動(dòng)態(tài)標(biāo)校試驗(yàn)的依據(jù)。本試驗(yàn)方法和評(píng)定方法可以用在其它同類光學(xué)轉(zhuǎn)換裝置的精度測(cè)量和評(píng)定中。

[1]鄭梓禎,劉德耀.船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)海上試驗(yàn)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006,1

[2]GJB3756-1999測(cè)量不確定度的表示與評(píng)定[S].中國人民解放軍總裝備部批準(zhǔn)發(fā)布,FL-0151,1999,3

[3]JJF1059-1999測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示[S].國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布,1999,1

[4]宋明順.測(cè)量不確定度的評(píng)定與數(shù)據(jù)處理[M].北京:中國計(jì)量出版社,2000,1

[5]JJF1094-2002測(cè)量儀器特性評(píng)定[M].北京:中國計(jì)量出版社,2002,11

[6]中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會(huì).靶場(chǎng)大地測(cè)量[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004,1

[7]劉延軍.發(fā)射場(chǎng)計(jì)量測(cè)試技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006,12