基于经纬仪检定仪的激光垂准仪校准装置的研制

胡志刚,曾 琼,张亚麟,肖衍凡

(江西省检验检测认证总院计量科学研究院 ,330002,南昌)

0 引言

激光垂准仪是以重力线为基准,给出铅垂直线的光学仪器,可用来测量相对铅垂线的微小水平偏差、进行铅垂线的点位转递、物体垂直轮廓的测量及方位的垂直传递。该类设备常用于高层建筑、塔架、烟囱、高塔项目、发射坑、大型圆柱形机械设备的安置,大坝的测量、工程监控及变形观测等场景。常见的带激光器光学垂准仪主要由点激光器、物镜、调焦镜、目镜、十字分划板、竖直回转轴、管状水准器及带有脚螺旋的基座等部分组成,其结构如图1所示。该仪器利用光学准直原理,利用半导体激光器产生一条与望远镜视准轴重合的可见激光束,用脚螺旋安平管状水准器后,激光器垂直向上或向下发出光束,通过望远镜及调焦手轮照准目标,可使光束在目标处会聚成一明亮的光斑。该装置主要校准项目包含竖轴和望远镜视轴的同轴度,竖轴和激光光轴的同轴度,一测回垂直测量的标准偏差等。依据JJF1081—2022垂准仪校准规范,采用焦距大于500 mm平行光管、五棱镜以及50 m长室内外场地作为校准用。例如常见的既可目视又可激光瞄准定位的垂准仪,其竖轴与望远镜视准轴的同轴度需用测角平行光管校准,而激光轴与竖轴同轴度校准需要在50 m以上的室外场地上进行。另外,为了确定激光垂准测量基准的偏移,需人工对激光光斑定位进行瞄准读数,该过程需要手工记录80个数据点,并处理计算,导致校准工作效率低。基于此,有些测量技术公司(如大连拉特激光)研制了专用的垂准仪室内校准装置,主要采用光电图像处理技术,大幅减少了实验室场地面积[1-2]。

图1 激光垂准仪结构示意图

江西省九江精达检测技术有限公司基于多齿分度台测角技术,研制出JQJY型高精度经纬仪检定设备,已被国内省市及第三方的计量技术机构采用。该设备专为校准目视测角仪器设计(图2),但对激光垂准仪器的激光性能指标的校准并不适用。为了解决该问题,经分析其结构原理,发现添加工业相机、分光镜等硬件设备,并配以专用图像处理软件改进原装置,能够很好地模拟人眼对激光点的瞄准定位,将大幅提高垂准仪整体计量特性的高精度校准效果,且成本也相当低廉。

图2 经纬仪检定仪结构示意图

1 改进后的校准装置结构特点

本文介绍的改进方法是先取下原有经纬仪检定仪卧轴多齿分度台上平行光管装置侧面的小配重块,然后替换为激光减光片和USB图像数据接口输出的工业相机。另外,在原光管的折返光路中添加半透半反的分光棱镜,如图3所示。

图3 改造后平行光管结构示意图

由图3可知,该改进装置中的分光棱镜能够反射垂准仪产生的激光点,使其照射在工业相机的影像传感器上,而且这种解决方案并未引起任何对原有的经纬仪检定设备的主体结构的改变,保障了原设备上的平行光管十字分划板成像正常,还不影响常规的目视经纬仪或水准仪设备的正常检校。另外,影像传感器由于其电气原理限制激光线不能直接照入,因此需通过添加减光片来降低入射光照度,通常减光片的种类包括偏振型滤光片和中性滤光片[3]。对于垂准仪,由于其采用的半导体激光发射器出射的光线有较强偏振性,为了保证角度测定的准确性,中性滤光片是最佳的选择。经试验,使用透射率为0.1%的中性滤光片可取得满意减光效果。另外,垂准仪发出的激光类似于平行光会通过平行光管物镜会聚,因此工业相机图像传感器接收面应位于焦距为550 mm平行光管物镜的焦平面上,该位置可通过自准直法确定(见图4),即通过在工作台上放置反光镜,平行光管上十字分划线反射光线会被工业相机接收,通过电脑屏幕上图像的清晰度来前后移动工业相机的位置,图像最清晰的位置就是图像传感器接收面位于光管物镜焦平面上[3]。然而,在该改进方案中,由于平行光管的工业相机安装在原先的圆形配重块所在位置上,若工业相机装置与原配重块的重量不一致,会导致对仪器的垂直旋转装置的配重发生变化,因此需对原仪器上其他配重块位置进行微调,以避免校准小角度时带来额外误差[4-6]。

图4 自准直法示意图

通过确定工业相机影像传感器接收面的位置,可计算出相机每个像素代表的角度数值。本文使用的是130万像素(1 280*1 024)的工业相机,其CMOS影像传感器的像素距离为3.75 μm,理论上在550 mm焦距的镜头焦平面时,计算出的单个像素角度值为:(3.75 ÷ 550000) × 200000″,大约为1.4″[3]。

2 激光图像处理软件设计特点

工业相机中图像传感器接收了垂准仪发射的激光,会形成一个近乎圆形的亮点。在采集图像过程中,关键是要确定亮点中心的坐标位置,采集图像如图5所示。

图5 激光垂准仪发射激光光斑图像

鉴于激光线光斑边缘存在模糊,有必要对激光光斑图像进行形态学处理。为实现此目标,本文在此项目里编制了一套基于VC和Matlab的专用图像处理软件,利用这款软件先对图像实施采集和均值滤波,接着进行二值化处理,调用regionprops函数,构建一个圆形的结构元素,以此元素对原始图像执行腐蚀操作(详细操作可以参考后续的代码)。通过这一系列操作,能够确定光斑中心的位置坐标,基于此开发的软件系统界面,如图6所示。

图6 校准系统软件界面

global vidobj;

bw1 = getsnapshot(vidobj(1));

row=[];col=[];

for i = 1:2,

frame = bw1;

red = frame(:, :, 1);

laser1 = (red >= (0.85 * double(max(red(:)))));

props = regionprops(bwlabel(laser1), 'Area', 'Centroid');

area = [props.Area];

[num_pixels, index] = max(area);

threshold = 5;

if (num_pixels >threshold)

row(i) = props(index).Centroid(2);

col(i) = props(index).Centroid(1);

else

row(i) = NaN;

col(i) = NaN;

end

end

row1=mean(row);

col1=mean(col);

3 垂准仪配套微型漫反射照明光源

为了校准望远镜视准轴与竖轴的同轴度,需在垂准仪目镜处加一漫射光源装置照明目镜分划板,为此设计了微型LED灯珠照明光源,其结构如图7所示。其中,磨砂乳白玻璃会形成漫射均匀照明,当垂准仪目镜分划板十字线成像在校准装置的CCD相机上时,会使得视场更加均匀,便宜后续图像处理。

图7 LED照明光源

4 校准装置使用方法

依据JJF1081—2002垂准仪校准规范主要校准项目及具体校准方法有:垂准仪望远镜视准轴与竖轴同轴度的校准,垂准仪激光视准轴与竖轴同轴度校准和一测回垂准测量标准偏差校准。

4.1 垂准仪望远镜视准轴与竖轴同轴度的校准

主要步骤:首先是转动卧轴多齿分度台将平行光管调整至直立状态(见图8);其次用螺丝接口以强制定心方式将垂准仪置于立轴多齿分度台上,通过三个脚螺旋调整垂准仪管状水泡处于水平状态;接着在垂准仪目镜上装夹小型LED光源照明器,转动垂准仪调焦旋钮直至十字刻度或激光光斑在计算机屏幕视场中间清晰成像,此时可调节LED光源亮度使视场照明适宜,微动旋转垂准仪使得垂准仪的分划板与软件系统的十字刻度线平行;然后点击相关按钮,即可自动测出垂准仪十字刻度中心点的坐标,也可在旋转垂准仪180°后,重新定位十字刻度中心点坐标;最后软件会自行计算出同轴度的偏差(见图9)。

图8 实际校准装置应用示意图

图9 垂准仪望远镜视准轴与竖轴的同轴度校准

4.2 垂准仪激光视准轴与竖轴同轴度校准

该项校准关键在于垂准仪激光光斑中心准确定位,打开激光器按上述4.1校准方法类似步骤操作,转动垂准仪调焦旋钮直至激光光斑在计算机屏幕视场中间清晰成像;然后点击相关按钮,即可自动测出垂准仪激光光斑中心点的坐标,在旋转垂准仪180°后,重新定位激光光斑中心点坐标;最后通过软件图像处理功能可自动定位两次位置激光光斑中心位置(见图6),则可自动计算出同轴度偏差。

4.3 一测回垂准测量标准偏差校准

依据校准规范在对径旋转垂准仪后定位激光光斑中心位置重复测量10次,通过采集各次激光光斑中心坐标值,可计算出一测回垂准测量标准偏差,可实现室内校准该项目(见图10)。

图10 一测回垂准测量标准偏差校准

5 结束语

本文结合JQJY型经纬仪检定仪的基础构造和功能特点,分析了采取工业相机和中性滤光片等软硬件设备对原仪器智能化升级改造方案,实现了激光垂准仪发射的圆形激光光斑中心的自动定位和测量,进而可在室内进行垂准仪主要计量特性的校准。改造实例表明,可用较低的成本提高计量技术机构现有标准设备的校准能力,实现了高精度、高效率、低劳动强度校准垂准仪,在激光垂准仪的检测和校准领域中具有一定的实用和推广价值。