一種新型通用經(jīng)緯儀檢定裝置設(shè)計(jì)

仇召輝高 毅王洪旭劉敦秀曹 靜曲鑫艷

（中國(guó)人民解放軍96963 部隊(duì)，北京100192）

1 引 言

經(jīng)緯儀是用于測(cè)角的重要設(shè)備，故對(duì)其進(jìn)行定期檢定和使用前復(fù)查十分必要。 經(jīng)緯儀檢定裝置主要有多目標(biāo)式和多齒分度臺(tái)式兩種結(jié)構(gòu)形式。檢定人員在使用兩種裝置進(jìn)行測(cè)試過程中，均需用眼瞄準(zhǔn)，使經(jīng)緯儀分劃板和平行光管目標(biāo)進(jìn)行精確符合。 因此，對(duì)經(jīng)緯儀的精確檢定需要檢定人員有豐富的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和較高的熟練度。 由于計(jì)量機(jī)構(gòu)中崗位流動(dòng)性較強(qiáng)，人員能力并不能時(shí)刻予以保證，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的檢定人員也會(huì)不可避免的引入瞄準(zhǔn)誤差，影響測(cè)量精度。 此外，在完成大批量檢定任務(wù)時(shí)，測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)，強(qiáng)度過大，易造成人眼疲憊，工作效率低下。

為此，設(shè)計(jì)了一種新型通用經(jīng)緯儀檢定裝置，針對(duì)主平行光管結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過機(jī)器代替人眼來(lái)獲取圖像信號(hào)，用圖像識(shí)別和軟件處理取代人眼瞄準(zhǔn)，以減少對(duì)測(cè)試人員素質(zhì)的依賴，同時(shí)消除目視讀數(shù)誤差，提高檢定精度，提升工作效率。

2 檢定裝置結(jié)構(gòu)

檢定裝置由光管升降安置臺(tái)、新型平行光管組、經(jīng)緯儀及多齒分度臺(tái)安置臺(tái)、激光指向器、經(jīng)緯儀分劃板照明器、集線器、供電電源、PC 機(jī)組成。 被測(cè)經(jīng)緯儀安裝于安置臺(tái)上，通過光管組的上、中、下三根光管并配合多齒分度臺(tái)或棱體即可實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差、照準(zhǔn)差、指標(biāo)差、橫豎軸垂直度、調(diào)焦誤差、自準(zhǔn)直經(jīng)緯儀準(zhǔn)直光軸與望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸同軸度等指標(biāo)的檢定。 檢定裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 檢定裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of verification device

3 新型平行光管設(shè)計(jì)

3.1 新型平行光管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢定裝置的核心為新型平行光管的設(shè)計(jì)。 新型平行光管主要由光管鏡筒、物鏡組、調(diào)焦鏡組及調(diào)焦手輪、準(zhǔn)直分劃板及準(zhǔn)直分光棱鏡組、光管分劃板組、1 ∶1 分光組、CMOS 相機(jī)組、目鏡組合分劃板照明組成。 具有提供瞄準(zhǔn)目標(biāo)、光電自準(zhǔn)直及圖像采集處理三大功能，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是通過圖像識(shí)別和處理替代人眼瞄準(zhǔn)，故圖像采集及處理功能的實(shí)現(xiàn)為其中的關(guān)鍵技術(shù)。 新型平行光管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型平行光管結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of new collateral strip

3.2 提供瞄準(zhǔn)目標(biāo)功能

主平行光管為內(nèi)調(diào)焦式設(shè)計(jì)，其中瞄準(zhǔn)目標(biāo)由調(diào)焦鏡組提供。 調(diào)焦鏡組由調(diào)焦鏡筒、調(diào)焦透鏡膠合組、消隙簧片、調(diào)焦齒條組成。 此調(diào)焦鏡組在保留傳統(tǒng)限位設(shè)計(jì)、采用彈性剛齒輪等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加移動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)光管光學(xué)系統(tǒng)中分劃板處于有限遠(yuǎn)目標(biāo)狀態(tài)，模擬多個(gè)目標(biāo)，以用于調(diào)焦誤差的檢測(cè)。 此外，在光管鏡筒刻劃有2m，3m，∞標(biāo)志線，且在調(diào)焦手輪刻劃相同符號(hào)標(biāo)志線，旋轉(zhuǎn)手輪時(shí)只需兩標(biāo)志線符合即表示調(diào)焦鏡處于相應(yīng)位置，操作方便簡(jiǎn)單。

3.3 自準(zhǔn)直功能

設(shè)計(jì)準(zhǔn)直分劃板及分光棱鏡組件，以實(shí)現(xiàn)光管的自準(zhǔn)直功能。 準(zhǔn)直分劃板組由自準(zhǔn)直外罩、準(zhǔn)直壓套、準(zhǔn)直調(diào)節(jié)座、分劃板座、分劃板底座、光管分劃板和準(zhǔn)直照明器組成。 分光棱鏡組由分光棱鏡座和分光棱鏡組成，分光棱鏡采用1 ∶1 分光設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依托傳統(tǒng)自準(zhǔn)直裝置，為配合圖像處理、目視瞄準(zhǔn)、自準(zhǔn)直瞄準(zhǔn)等需要，對(duì)光管分劃板采用特有設(shè)計(jì)。 光管分劃板設(shè)計(jì)為：中心小十字、單雙線及圓刻劃，外圍刻劃4 根短線。 其中，中心單雙線刻劃用于圖像處理；中心小十字配合單雙線刻劃，用于目視與被測(cè)經(jīng)緯儀分劃板或自準(zhǔn)直像的目視符合瞄準(zhǔn)；圓刻劃用于單分劃板自準(zhǔn)直時(shí)，自準(zhǔn)直像與光管分劃板的準(zhǔn)直瞄準(zhǔn)；外圍4 根短刻劃線用于裝配過程中確定光管分劃板豎絲的垂直度。光管分劃板設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 光管分劃板的設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of strip partition board

3.4 圖像采集功能

3.4.1 圖像采集系統(tǒng)光、機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)1 ∶1 分光組件和實(shí)現(xiàn)單分劃板自準(zhǔn)直功能基礎(chǔ)上，成像光路通過1 ∶1 分光系統(tǒng)將分劃板圖像以平行光的形式傳輸?shù)椒止饫忡R，折轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入CMOS 相機(jī)光學(xué)成像系統(tǒng)。 光路聚焦于CMOS相機(jī)光敏面上，從而實(shí)現(xiàn)光管分劃板的圖像采集。圖像采集系統(tǒng)光、機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 圖像采集系統(tǒng)光、機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Optical and mechanical structure diagram of the image collection system

3.4.2 1 ∶1 分光組

1 ∶1 分光組由準(zhǔn)直鏡筒、1 ∶1 透鏡組、1 ∶1 透鏡座、CMOS 分光棱鏡及棱鏡座組成，具有1 ∶1 光路傳輸和1 ∶1 分光兩個(gè)功能。 其中兩組1 ∶1 透鏡組分別安裝于分光棱鏡的兩側(cè)，可以將分劃板處圖像以原比例向目鏡傳遞，實(shí)現(xiàn)目視瞄準(zhǔn)；中間的分光棱鏡采用1 ∶1 分光設(shè)計(jì)，使分劃板處圖像折轉(zhuǎn)90°方向，以實(shí)現(xiàn)CMOS 相機(jī)的圖像采集。

3.4.3 CMOS 相機(jī)組

CMOS 相機(jī)組由CMOS 相機(jī)、相機(jī)壓圈、相機(jī)接頭及光學(xué)成像系統(tǒng)組成。 其中相機(jī)與相機(jī)連接座通過相機(jī)壓圈連接，便于調(diào)整相機(jī)方向；后用壓圈壓緊，通過接口與計(jì)算機(jī)連機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使采集的圖像方向與實(shí)物一致。 相機(jī)成像光學(xué)系統(tǒng)采用三分離透鏡，焦距為16.67mm，相對(duì)于1 ∶1 透鏡焦距（8.9mm）約成1.85 倍關(guān)系，即CMOS 采集到的圖像是光管分劃板的1.85 倍，可以有效的提高整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，從而提高圖像處理的瞄準(zhǔn)計(jì)算精度。

3.5 圖像處理軟件設(shè)計(jì)

圖像處理軟件以增加分光設(shè)計(jì)的普通光管和配有集成圖像傳感器的專業(yè)光管為載體，通過接收到的實(shí)時(shí)圖像，來(lái)甄別圖像中被測(cè)經(jīng)緯儀分劃板和光管分劃板的位置，并提取兩分劃板的中心位置，得到兩者中心的偏差，從而得到兩分劃板的不重合偏差量，再將該偏差量與被測(cè)經(jīng)緯儀檢定時(shí)的角度值合成，即為被測(cè)經(jīng)緯儀精確瞄準(zhǔn)光管分劃板時(shí)的被測(cè)經(jīng)緯儀的角度值，從而完成儀器設(shè)備精度的檢定和設(shè)備的精確校準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)了圖像瞄準(zhǔn)的功能。

圖像采集與處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分為以下7 個(gè)部分。

3.5.1 圖像采集

圖像采集指圖像傳感器連續(xù)采集實(shí)時(shí)圖像并將圖像通過USB 傳輸?shù)絇C 機(jī)的過程。 PC 機(jī)的底層USB 驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與圖像傳感器通信，使實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)通過回調(diào)函數(shù)傳輸給圖像處理軟件。 設(shè)計(jì)采用的圖像傳感器是PointGrey 公司FlyCapture2 工業(yè)相機(jī)模塊，與PC 機(jī)的通信采用的是USB3.0 或USB3.1 協(xié)議，連續(xù)采樣幀頻可達(dá)130fps，可以滿足實(shí)時(shí)處理要求。

3.5.2 圖像緩存

本方案采用雙緩存機(jī)制，并行實(shí)現(xiàn)圖像采集與圖像處理。 圖像處理軟件通過USB 驅(qū)動(dòng)程序接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)后，將另一個(gè)空Buffer 的指針回傳給USB 驅(qū)動(dòng)程序，在準(zhǔn)備接收下一幀圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)當(dāng)前幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 而后，在下一幀圖像數(shù)據(jù)的接收完成前，當(dāng)前幀圖像數(shù)據(jù)已處理完成，當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)Buffer 就可以成為再下一幀的接收Buffer，兩個(gè)Buffer 交替用于圖像接收和圖像數(shù)據(jù)處理，互不干涉，實(shí)現(xiàn)高達(dá)120fps 的幀處理速度。

3.5.3 圖像預(yù)處理

圖像在成像和傳輸過程中都受噪聲影響，為了降低圖像噪聲，提高圖像清晰度，減少無(wú)效的冗余數(shù)據(jù)，必須對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。

1）對(duì)圖像進(jìn)行幾何旋轉(zhuǎn)，大小剪裁，區(qū)域選擇等基本預(yù)處理；

2）為了提高線性測(cè)量精度，對(duì)圖像進(jìn)行枕形校正、線性校正；

3）為了去除散點(diǎn)噪聲，對(duì)圖像進(jìn)行3 ×3 或5 ×5 小窗口的二階低通濾波平滑處理；

4）為了降低后面圖像算法的數(shù)據(jù)范圍，對(duì)圖像灰度直方圖統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)圖像灰度進(jìn)行歸一化處理；

5）選取合理的灰度閾值，剔除圖像背景數(shù)據(jù)。

3.5.4 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別指的是對(duì)測(cè)量對(duì)象的識(shí)別。 本方案的圖像測(cè)量對(duì)象是十字絲，一個(gè)十字絲又可以分為中心小十字絲（水平方向、垂直方向各一根短線），水平方向三根長(zhǎng)線，垂直方向三根長(zhǎng)線。 隨著十字絲中心位置的變化，也有可能缺失以上部分中的某些部分。 所以為了準(zhǔn)確得到十字絲的中心位置，會(huì)把這些不同部分的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分組，做聚類分析，以實(shí)現(xiàn)快速圖像識(shí)別。

3.5.5 亞像素細(xì)分

一般來(lái)說(shuō)，基于圖像處理的檢測(cè)方法的精度都是像素級(jí)的，如果要提高測(cè)量精度，需要提高圖像系統(tǒng)的分辨率。 本設(shè)計(jì)采用的是亞像素細(xì)分的方式以提高分辨率，進(jìn)而提高測(cè)量精度。 實(shí)現(xiàn)方式是對(duì)只有像素等級(jí)分辨率的特征數(shù)據(jù)，根據(jù)其相鄰特征數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系、灰度變化趨勢(shì)、所處圖像中區(qū)域分布等綜合因素，進(jìn)行更準(zhǔn)確的像素坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，得到亞像素分辨率，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。

3.5.6 中心定位

基于亞像素級(jí)分辨率的多組特征數(shù)據(jù)，分別對(duì)每一組特征數(shù)據(jù)進(jìn)行物理形狀擬合，得到每一組物理圖形在原始圖像上的準(zhǔn)確位置；再根據(jù)所有物理圖形之間的相互關(guān)系，解算出特征圖像的中心位置。

3.5.7 角度輸出

根據(jù)被測(cè)儀器和光管本身的各項(xiàng)固有光學(xué)、物理參數(shù)，將圖像識(shí)別的結(jié)果（單位為像素）乘以一個(gè)系數(shù)，再加上一個(gè)零位偏移量就可以得到經(jīng)緯儀光軸與本光管光軸的夾角或者自準(zhǔn)直的失準(zhǔn)值。 以光電對(duì)瞄測(cè)量時(shí)為例，其軟件測(cè)量解算界面如圖5所示。

圖5 光電對(duì)瞄測(cè)量時(shí)軟件解算界面圖Fig.5 Software calculation interface during photoelectric sighting measurement

4 數(shù)據(jù)處理分析

依托軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理分析，以減少人員計(jì)算工作，提高檢定工作效率。 在經(jīng)緯儀檢定裝置對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過軟件自動(dòng)獲取圖像解算數(shù)據(jù)、通過手動(dòng)輸入被測(cè)設(shè)備顯示的相應(yīng)角度數(shù)據(jù)，按照檢測(cè)流程分別計(jì)算得到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)值，并以表格的方式顯示，用Excel 表格的形式輸出測(cè)試報(bào)告。 數(shù)據(jù)處理軟件的幾何關(guān)系數(shù)據(jù)處理界面如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理界面圖Fig.6 Interface of data processing

5 檢定方法及不確定度分析

以“一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差”的檢定為列，說(shuō)明檢定裝置的使用方法。 本裝置檢測(cè)該項(xiàng)指標(biāo)有兩種方法：多齒分度臺(tái)法和多面棱體法，前者適用于小型經(jīng)緯儀，后者適用于大型經(jīng)緯儀及陀螺經(jīng)緯儀。 多齒分度臺(tái)法，是將經(jīng)緯儀安置在391 或552齒多齒分度臺(tái)上，對(duì)被測(cè)經(jīng)緯儀分劃板進(jìn)行照明，再利用主平行光管實(shí)時(shí)圖像采集的功能，通過圖像識(shí)別進(jìn)行每一次精確瞄準(zhǔn)操作，得到每一次瞄準(zhǔn)后經(jīng)緯儀的水平角度值，最終得到一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差；再變換水平度盤起始位置（根據(jù)測(cè)回?cái)?shù)，將度盤讀數(shù)改變180°／），重復(fù)上述測(cè)回的觀測(cè)，依次求出各測(cè)回的觀測(cè)結(jié)果。 多面棱體法，是將多面體裝置安裝在被測(cè)陀螺經(jīng)緯儀上方，利用主平行光管的自準(zhǔn)直功能，對(duì)多面體的各個(gè)反射面進(jìn)行準(zhǔn)直瞄準(zhǔn)，從而得到被測(cè)經(jīng)緯儀的相應(yīng)水平角度值；再變換多面體與經(jīng)緯儀相對(duì)安置角度（即換盤），對(duì)多面體各個(gè)反射面進(jìn)行準(zhǔn)直瞄準(zhǔn)，得到下一個(gè)測(cè)回的角度值，進(jìn)行4～5 個(gè)測(cè)回檢測(cè)后，即可根據(jù)多個(gè)測(cè)回的檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到被測(cè)經(jīng)緯儀的一測(cè)回水平方向標(biāo)準(zhǔn)偏差。

采用多齒分度臺(tái)法，不確定度來(lái)源主要有：平行光管對(duì)瞄測(cè)量誤差0.17″，0 級(jí)多齒分度臺(tái)最大分度間隔誤差引入不確定度0.17″，合成不確定度=0.24″。 采用多面棱體法，不確定度來(lái)源有平行光管對(duì)瞄測(cè)量誤差0.17″，二等正多面棱體引入不確定度0.12″，合成不確定度=0.21″。

6 結(jié)束語(yǔ)

新型通用經(jīng)緯儀檢定裝置既滿足經(jīng)緯儀各項(xiàng)檢測(cè)的需求，又徹底改變了傳統(tǒng)經(jīng)緯儀檢定單純依靠人眼瞄準(zhǔn)測(cè)量的傳統(tǒng)模式，大大緩解了檢定過程對(duì)于人員技術(shù)的依賴，提高檢定的工作效率和數(shù)據(jù)可靠性。 此裝置已通過不確定度分析以及最終產(chǎn)品主要指標(biāo)的檢測(cè)驗(yàn)證，可以滿足經(jīng)緯儀各項(xiàng)檢測(cè)的需求。