一种新型通用经纬仪检定装置设计

仇召辉高 毅王洪旭刘敦秀曹 静曲鑫艳

（中国人民解放军96963 部队，北京100192）

1 引 言

经纬仪是用于测角的重要设备，故对其进行定期检定和使用前复查十分必要。 经纬仪检定装置主要有多目标式和多齿分度台式两种结构形式。检定人员在使用两种装置进行测试过程中，均需用眼瞄准，使经纬仪分划板和平行光管目标进行精确符合。 因此，对经纬仪的精确检定需要检定人员有丰富的测试经验和较高的熟练度。 由于计量机构中岗位流动性较强，人员能力并不能时刻予以保证，即使是经验丰富的检定人员也会不可避免的引入瞄准误差，影响测量精度。 此外，在完成大批量检定任务时，测试时间过长，强度过大，易造成人眼疲惫，工作效率低下。

为此，设计了一种新型通用经纬仪检定装置，针对主平行光管结构进行设计优化，通过机器代替人眼来获取图像信号，用图像识别和软件处理取代人眼瞄准，以减少对测试人员素质的依赖，同时消除目视读数误差，提高检定精度，提升工作效率。

2 检定装置结构

检定装置由光管升降安置台、新型平行光管组、经纬仪及多齿分度台安置台、激光指向器、经纬仪分划板照明器、集线器、供电电源、PC 机组成。 被测经纬仪安装于安置台上，通过光管组的上、中、下三根光管并配合多齿分度台或棱体即可实现对经纬仪一测回水平方向标准偏差、照准差、指标差、横竖轴垂直度、调焦误差、自准直经纬仪准直光轴与望远镜视准轴同轴度等指标的检定。 检定装置结构如图1 所示。

图1 检定装置结构图Fig.1 Structure diagram of verification device

3 新型平行光管设计

3.1 新型平行光管结构设计

检定装置的核心为新型平行光管的设计。 新型平行光管主要由光管镜筒、物镜组、调焦镜组及调焦手轮、准直分划板及准直分光棱镜组、光管分划板组、1 ∶1 分光组、CMOS 相机组、目镜组合分划板照明组成。 具有提供瞄准目标、光电自准直及图像采集处理三大功能，主要创新点是通过图像识别和处理替代人眼瞄准，故图像采集及处理功能的实现为其中的关键技术。 新型平行光管结构如图2所示。

图2 新型平行光管结构图Fig.2 Structure diagram of new collateral strip

3.2 提供瞄准目标功能

主平行光管为内调焦式设计，其中瞄准目标由调焦镜组提供。 调焦镜组由调焦镜筒、调焦透镜胶合组、消隙簧片、调焦齿条组成。 此调焦镜组在保留传统限位设计、采用弹性刚齿轮等设计基础上，增加移动功能，实现光管光学系统中分划板处于有限远目标状态，模拟多个目标，以用于调焦误差的检测。 此外，在光管镜筒刻划有2m，3m，∞标志线，且在调焦手轮刻划相同符号标志线，旋转手轮时只需两标志线符合即表示调焦镜处于相应位置，操作方便简单。

3.3 自准直功能

设计准直分划板及分光棱镜组件，以实现光管的自准直功能。 准直分划板组由自准直外罩、准直压套、准直调节座、分划板座、分划板底座、光管分划板和准直照明器组成。 分光棱镜组由分光棱镜座和分光棱镜组成，分光棱镜采用1 ∶1 分光设计。整体结构设计依托传统自准直装置，为配合图像处理、目视瞄准、自准直瞄准等需要，对光管分划板采用特有设计。 光管分划板设计为：中心小十字、单双线及圆刻划，外围刻划4 根短线。 其中，中心单双线刻划用于图像处理；中心小十字配合单双线刻划，用于目视与被测经纬仪分划板或自准直像的目视符合瞄准；圆刻划用于单分划板自准直时，自准直像与光管分划板的准直瞄准；外围4 根短刻划线用于装配过程中确定光管分划板竖丝的垂直度。光管分划板设计图如图3 所示。

图3 光管分划板的设计图Fig.3 Design of strip partition board

3.4 图像采集功能

3.4.1 图像采集系统光、机结构设计

在设计1 ∶1 分光组件和实现单分划板自准直功能基础上，成像光路通过1 ∶1 分光系统将分划板图像以平行光的形式传输到分光棱镜，折转90°后进入CMOS 相机光学成像系统。 光路聚焦于CMOS相机光敏面上，从而实现光管分划板的图像采集。图像采集系统光、机结构如图4 所示。

图4 图像采集系统光、机结构图Fig.4 Optical and mechanical structure diagram of the image collection system

3.4.2 1 ∶1 分光组

1 ∶1 分光组由准直镜筒、1 ∶1 透镜组、1 ∶1 透镜座、CMOS 分光棱镜及棱镜座组成，具有1 ∶1 光路传输和1 ∶1 分光两个功能。 其中两组1 ∶1 透镜组分别安装于分光棱镜的两侧，可以将分划板处图像以原比例向目镜传递，实现目视瞄准；中间的分光棱镜采用1 ∶1 分光设计，使分划板处图像折转90°方向，以实现CMOS 相机的图像采集。

3.4.3 CMOS 相机组

CMOS 相机组由CMOS 相机、相机压圈、相机接头及光学成像系统组成。 其中相机与相机连接座通过相机压圈连接，便于调整相机方向；后用压圈压紧，通过接口与计算机连机，进行数据传输，使采集的图像方向与实物一致。 相机成像光学系统采用三分离透镜，焦距为16.67mm，相对于1 ∶1 透镜焦距（8.9mm）约成1.85 倍关系，即CMOS 采集到的图像是光管分划板的1.85 倍，可以有效的提高整个光学系统的分辨率，从而提高图像处理的瞄准计算精度。

3.5 图像处理软件设计

图像处理软件以增加分光设计的普通光管和配有集成图像传感器的专业光管为载体，通过接收到的实时图像，来甄别图像中被测经纬仪分划板和光管分划板的位置，并提取两分划板的中心位置，得到两者中心的偏差，从而得到两分划板的不重合偏差量，再将该偏差量与被测经纬仪检定时的角度值合成，即为被测经纬仪精确瞄准光管分划板时的被测经纬仪的角度值，从而完成仪器设备精度的检定和设备的精确校准，即实现了图像瞄准的功能。

图像采集与处理技术的实现分为以下7 个部分。

3.5.1 图像采集

图像采集指图像传感器连续采集实时图像并将图像通过USB 传输到PC 机的过程。 PC 机的底层USB 驱动程序负责与图像传感器通信，使实时图像数据通过回调函数传输给图像处理软件。 设计采用的图像传感器是PointGrey 公司FlyCapture2 工业相机模块，与PC 机的通信采用的是USB3.0 或USB3.1 协议，连续采样帧频可达130fps，可以满足实时处理要求。

3.5.2 图像缓存

本方案采用双缓存机制，并行实现图像采集与图像处理。 图像处理软件通过USB 驱动程序接收图像数据后，将另一个空Buffer 的指针回传给USB 驱动程序，在准备接收下一帧图像数据的同时对当前帧图像数据进行处理。 而后，在下一帧图像数据的接收完成前，当前帧图像数据已处理完成，当前帧的图像数据Buffer 就可以成为再下一帧的接收Buffer，两个Buffer 交替用于图像接收和图像数据处理，互不干涉，实现高达120fps 的帧处理速度。

3.5.3 图像预处理

图像在成像和传输过程中都受噪声影响，为了降低图像噪声，提高图像清晰度，减少无效的冗余数据，必须对原始图像进行预处理。

1）对图像进行几何旋转，大小剪裁，区域选择等基本预处理；

2）为了提高线性测量精度，对图像进行枕形校正、线性校正；

3）为了去除散点噪声，对图像进行3 ×3 或5 ×5 小窗口的二阶低通滤波平滑处理；

4）为了降低后面图像算法的数据范围，对图像灰度直方图统计分析，对图像灰度进行归一化处理；

5）选取合理的灰度阈值，剔除图像背景数据。

3.5.4 图像识别

图像识别指的是对测量对象的识别。 本方案的图像测量对象是十字丝，一个十字丝又可以分为中心小十字丝（水平方向、垂直方向各一根短线），水平方向三根长线，垂直方向三根长线。 随着十字丝中心位置的变化，也有可能缺失以上部分中的某些部分。 所以为了准确得到十字丝的中心位置，会把这些不同部分的特征数据进行准确分组，做聚类分析，以实现快速图像识别。

3.5.5 亚像素细分

一般来说，基于图像处理的检测方法的精度都是像素级的，如果要提高测量精度，需要提高图像系统的分辨率。 本设计采用的是亚像素细分的方式以提高分辨率，进而提高测量精度。 实现方式是对只有像素等级分辨率的特征数据，根据其相邻特征数据之间的相互关系、灰度变化趋势、所处图像中区域分布等综合因素，进行更准确的像素坐标统计分析，得到亚像素分辨率，从而实现更高精度的测量。

3.5.6 中心定位

基于亚像素级分辨率的多组特征数据，分别对每一组特征数据进行物理形状拟合，得到每一组物理图形在原始图像上的准确位置；再根据所有物理图形之间的相互关系，解算出特征图像的中心位置。

3.5.7 角度输出

根据被测仪器和光管本身的各项固有光学、物理参数，将图像识别的结果（单位为像素）乘以一个系数，再加上一个零位偏移量就可以得到经纬仪光轴与本光管光轴的夹角或者自准直的失准值。 以光电对瞄测量时为例，其软件测量解算界面如图5所示。

图5 光电对瞄测量时软件解算界面图Fig.5 Software calculation interface during photoelectric sighting measurement

4 数据处理分析

依托软件进行数据自动化处理分析，以减少人员计算工作，提高检定工作效率。 在经纬仪检定装置对被测设备进行检测时，通过软件自动获取图像解算数据、通过手动输入被测设备显示的相应角度数据，按照检测流程分别计算得到各项技术指标检测值，并以表格的方式显示，用Excel 表格的形式输出测试报告。 数据处理软件的几何关系数据处理界面如图6 所示。

图6 数据处理界面图Fig.6 Interface of data processing

5 检定方法及不确定度分析

以“一测回水平方向标准偏差”的检定为列，说明检定装置的使用方法。 本装置检测该项指标有两种方法：多齿分度台法和多面棱体法，前者适用于小型经纬仪，后者适用于大型经纬仪及陀螺经纬仪。 多齿分度台法，是将经纬仪安置在391 或552齿多齿分度台上，对被测经纬仪分划板进行照明，再利用主平行光管实时图像采集的功能，通过图像识别进行每一次精确瞄准操作，得到每一次瞄准后经纬仪的水平角度值，最终得到一测回水平方向标准偏差；再变换水平度盘起始位置（根据测回数，将度盘读数改变180°／），重复上述测回的观测，依次求出各测回的观测结果。 多面棱体法，是将多面体装置安装在被测陀螺经纬仪上方，利用主平行光管的自准直功能，对多面体的各个反射面进行准直瞄准，从而得到被测经纬仪的相应水平角度值；再变换多面体与经纬仪相对安置角度（即换盘），对多面体各个反射面进行准直瞄准，得到下一个测回的角度值，进行4～5 个测回检测后，即可根据多个测回的检测数据，计算得到被测经纬仪的一测回水平方向标准偏差。

采用多齿分度台法，不确定度来源主要有：平行光管对瞄测量误差0.17″，0 级多齿分度台最大分度间隔误差引入不确定度0.17″，合成不确定度=0.24″。 采用多面棱体法，不确定度来源有平行光管对瞄测量误差0.17″，二等正多面棱体引入不确定度0.12″，合成不确定度=0.21″。

6 结束语

新型通用经纬仪检定装置既满足经纬仪各项检测的需求，又彻底改变了传统经纬仪检定单纯依靠人眼瞄准测量的传统模式，大大缓解了检定过程对于人员技术的依赖，提高检定的工作效率和数据可靠性。 此装置已通过不确定度分析以及最终产品主要指标的检测验证，可以满足经纬仪各项检测的需求。