专利名称：一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种角锥棱镜坐标测量误差补偿装置，可用于盾构测量、道路施工、地 形测量等控制点测量领域。
背景技术：
利用全站仪测定目标棱镜点的坐标是坐标解析测量的主要方法。具有自动识别功 能的全自动全站仪可以实现棱镜目标的自动照准、锁定跟踪、自动测量和记录，在动态跟踪 测量、自动测量、变形监测等方面有着广阔的应用前景。反射棱镜是构成全站仪系统的重要 组成部分，其作用是使全站仪能精确照准目标和反射全站仪激光以实现目标点的角度、距 离和位置测量。棱镜的主要类型有角锥棱镜、棱镜片、360度棱镜等。本发明涉及的是角锥棱镜 (或称回归反射器)，它是一种依据临界角原理制造的内部全反射棱镜，反射面为3个互相 垂直的棱镜面组成。它不受入射角度大小的影响，把入射光反射180度，即对于任一条进入 通光孔径的入射光线，都将被高效地按原方向反射回去。全站仪发射的激光垂直入射到角锥棱镜后，由棱镜的3个反射面反射并按原方向 返回，由测量得到的入射光的水平角、俯仰角以及全站仪与目标棱镜的距离计算出棱镜棱 角的坐标。如附图1所示，当激光以一定角度a于A点斜入射到棱镜玻璃体中时会产生折 射现象此时按上述计算方法得到的点坐标是棱镜棱角的像点坐标C，与棱镜棱角B真实坐 标存在偏差。通常认为，全站仪小角度入射棱镜时折射对测点坐标影响不大。但是，在入射角较 大或使用棱镜作为目标照准点精密测量时，光线折射造成的误差是不容忽视的。且该误差 为系统误差，不能通过多次测量求均值的方法消除。当全站仪测距精度为lmm+lppm时，入 射激光以大角度入射造成的点坐标误差可达3mm，而目前并无此类误差的补偿装置。
发明内容
本发明提供一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，解决精密测量和全站仪激光 大角度入射时棱镜坐标测量精度较低的问题，用于棱镜-全站仪坐标测量系统。该装置可 利用全站仪的测距激光测量激光对棱镜的入射角度，结合棱镜的几何和物理参数，对传统 方法计算得到的棱镜棱角坐标进行补偿，提高棱镜棱角坐标的测量精度。本发明提供的角锥棱镜坐标测量误差补偿装置，机箱内沿轴向在光路上依序装有 棱镜、滤光镜、镜头、光敏位置传感器和传输模块，其特征在于所述光敏位置传感器的光敏面位于镜头的焦平面上且与镜头轴线垂直，光敏位置 传感器光敏面的中心在镜头轴线上，其处理电路的输出信号通过无线传输模块送往计算 机。所述镜头为凸透镜或凸透镜组。所述棱镜和镜头之间设有滤光镜；所述机箱密封、充氮。
本发明的棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，但不影响全站仪的测量。全 站仪发射的激光经棱镜反射后原路返回，测量得到全站仪与棱镜的距离、激光的水平方位 和垂直方位，计算可得棱镜棱角的像点坐标；同时部分激光由棱镜切口透过棱镜，由于切口 与棱镜入射面平行，这部分激光两次折射后与入射激光平行，经滤光镜滤光后打在镜头上， 经镜头聚焦，打在处于焦平面上的光敏位置传感器上，产生感光数据，经处理得到光点在光 敏位置传感器坐标系下的坐标。此坐标由传输模块通过标准异步串行通信接口送往外部计 算机，结合镜头的焦距可计算得到透射激光相对光敏位置传感器的方位角。由于透射激光 与全站仪入射激光平行且光敏位置传感器与棱镜光轴垂直，所以得到的方位角即为全站仪 入射激光相对棱镜的入射角。最后根据此入射角补偿全站仪测得的棱镜棱角像点坐标，得 到棱镜棱角坐标的真实值。本发明主要用于测绘和施工过程中的控制点测量。如图4，将机箱固定安装在安装 架上并根据全站仪位置调整好机箱的俯仰角度，此时棱镜所处位置即为目标控制点位置。 安装架由调平底座调平，使得机箱不会产生绕自身轴线的旋转角。机箱中的棱镜与全站仪 之间应确保光路畅通，就可以利用全站仪激光测量棱镜到全站仪的距离、激光的水平角和 俯仰角以及激光对棱镜的入射角，计算得到补偿的棱镜棱角坐标值。本发明能较好地消除折射效应对棱镜棱角坐标测量的影响，具有精度高、安装和 操作简单等优点，可用于盾构测量、道路施工、地形测量等控制点测量领域。
图1为光路折射造成棱镜坐标测量误差的示意图；图2为本发明的实施例示意图；图3为本发明的光学原理图。图4为本发明的安装图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。如图2，本发明的补偿装置包括棱镜1、滤光镜2、镜头3、光敏位置传感器4和传输 模块5 (优选为无线传输)，沿光路依序装在所述补偿装置的机箱内。其中棱镜1直径660mm，棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，该小口不影 响全站仪的测量；滤光镜2的透光率有10%，1%，0. 几种，可根据测量距离的变化更换 滤光镜，距离越远，则滤光镜透光率需要越高；镜头3为两片凸透镜组成的凸透镜组，凸透 镜尺寸 27mm, f = 35mm ；光敏位置传感器4的尺寸为1600像素X 1200像素；所述光敏位 置传感器4的光敏面位于镜头3的焦平面上且与镜头3轴线垂直，光敏位置传感器4的光 敏面的中心在镜头3轴线上，光敏位置传感器4的输出信号通过传输模块送往计算机。全站仪发射的部分激光经棱镜1反射后原路返回，测量得到全站仪与棱镜的距 离、激光的水平方位和垂直方位，计算可得棱镜棱角的像点坐标；同时，另外的部分激光由 棱镜1切口透过棱镜1，由于切口与棱镜1入射面平行，这部分激光两次折射后与入射激光 平行，经滤光镜2滤光后打在镜头3上，经镜头3聚焦，打在处于镜头3焦平面上的光敏位 置传感器4上，产生感光数据，经处理得到光点在光敏位置传感器坐标下的坐标，此坐标由
传输模块5通过标准异步串行通信接口送往外部计算机，结合镜头3的焦距可计算得到透 射激光相对光敏位置传感器4的方位角。由于透射激光与全站仪入射激光平行且光敏位置 传感器4与棱镜光轴垂直，所以得到的方位角即为全站仪入射激光相对棱镜1的入射角。最 后根据此入射角补偿全站仪测得的棱镜棱角像点坐标，即可得到棱镜棱角的真实值。考虑到实际应用，上述标准异步串行通信接口可采用RS-485。各部件安装时加工精度要求达到设计精度6级精度；机箱密封、充氮、防震。图3为本发明的光学原理全站仪0瞄准棱镜棱角B点，它发射的激光通过一定角 度入射到棱镜1上的A点，经滤光镜2滤光，由镜头3聚焦，在位于镜头3焦平面上的光敏 位置传感器4上汇集为一点，该点坐标可由光敏位置传感器4的信号处理电路处理得到。设棱镜1长度为H，折射率为n，镜头3的焦距为f，光线在光敏位置传感器4上的 汇聚点在光敏位置传感器上的坐标为(u，V)，光线入射角为a (可分解为水平入射角p与 垂直入射角q)，折射角为Y，由于打在镜头上的透射激光与全站仪入射激光平行，且光敏
位置传感器与棱镜入射面平行，所以
/ 2 2 tan尸=7tan^ = y此入射角就是产生棱镜坐标测量误差的来源。由光的折射定律，入射光线OA、折射光线AB以及法线。在同一平面ABC内，则 uum uuir ff
AB = AC =~^，且 cos/
sin a-——=n
smy设全站仪测量得到的全站仪与目标棱镜距离为1，入射激光俯仰偏角为t，水平偏 角为s。由全站仪测量数据得到的点坐标为x = 1 sin t cos sy = 1 sin t sin sz = 1 cos s该坐标实际上是棱角B的像点C的坐标，则
UUU
OC = (x,y,z)
uur
^ H OC AC =-g uur
cos r°oc\通过C点坐标计算得到棱镜实际棱角B点的坐标(X’，y’，z’)。设机箱相对全站仪坐标系俯仰角为0 (沿测量方向向上俯仰为正)，水平角为 6 (沿测量方向向右偏转为正)，则
6
3 = t-q 6 = s-p
那么光路法线r^的方向矢量为
nx = (tan 5,1, tan P)
得面ABC的法矢量
n2
uuu
=oc
xnx
H
由AB在面ABC内、AB与n夹角为Y以及AB =——有
cos尸
uum un
ABgt2 = 0 uum ir
UHEI ill*
Ml
丨uura丨
M:
ni
=cosy
H
COS 7求出的冗有两个值，对称分布在法线ni两边，由入射光线与折射光线分布在法线
两侧，取与I夹角较小的那个向量即为所求，因此求得B点坐标(x’，y’，z’ )
UUIUUUU UUU UULU
=？) = on+浙。
权利要求
一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，用于对经全站仪测量的角锥棱镜坐标测量值进行误差补偿，该补偿装置包括角锥棱镜(1)、滤光镜(2)、镜头(3)和光敏位置传感器(4)，所述角锥棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，所述光敏位置传感器(4)的光敏面位于镜头(3)的焦平面上且与镜头(3)轴线垂直，所述光敏面的中心在镜头轴线上；全站仪发射的入射激光经角锥棱镜(1)反射后得到角锥棱镜棱角的像点坐标，同时部分激光由角锥棱镜(1)的小口透过角锥棱镜(1)，经滤光镜(2)滤光后打在镜头(3)上，经镜头(3)聚焦后形成光点，打在光敏位置传感器(4)上，产生的感光数据经处理得到该光点在光敏位置传感器(4)坐标下的坐标，并计算得到透射的激光相对光敏位置传感器(4)的方位角，即为全站仪入射激光相对角锥棱镜(1)的入射角，根据此入射角补偿全站仪测得的棱镜棱角像点坐标，即可得到所述角锥棱镜棱角值。
2.根据权利要求1所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，该补 偿装置还包括传输模块(5)，所述光点在光敏位置传感器(4)坐标下的坐标经该传输模块(5)传输到外部处理设备计算得到所述的方位角。
3.根据权利要求1或2所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，所 述的传输模块(5)为无线传输模块。
4.根据权利要求3所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，所述 的补偿装置通过机箱充氮密封。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在 于，所述的镜头(3)为凸透镜或凸透镜组。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在 于，以全站仪为原点0建立直角坐标系，A为入射激光在角锥棱镜上的入射点，B为角锥棱镜 棱角，C为全站仪所测的像点，则角锥棱镜棱角坐标值计算式为UUU1 UUU UUU UULU(x\y\z}) = OB = OC-AC + AB
7.根据权利要求1-6之一所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在 于，I通过如下公式计算得到UUU^ H OC AC =-guurcos r^oc\其中，H为棱镜长度，Y为折射角。
8.根据权利要求7所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，所述 的折射角、通过如下公式计算得到sin a-=nsin 7其中，a为入射角，n为角锥棱镜折射率。
9.根据权利要求8所述的一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，其特征在于，％通 过如下公式计算得到 其中;为面ABC的法矢;为法线的方向矢量，H为角锥棱镜长度，y为折射角(
全文摘要
本发明提供一种角锥棱镜坐标测量误差的补偿装置，解决精密测量和全站仪激光大角度入射时棱镜坐标测量精度较低的问题，用于棱镜-全站仪坐标测量系统。该补偿装置包括棱镜(1)、滤光镜(2)、镜头(3)和光敏位置传感器(4)，所述棱镜棱角处切有与棱镜入射面平行的小口，所述光敏位置传感器(4)的光敏面位于镜头(3)的焦平面上且与镜头(3)轴线垂直，所述光敏面的中心在镜头轴线上。本发明能较好地消除折射效应对棱镜棱角坐标测量的影响，具有精度高、安装和操作简单等优点，可用于盾构测量、道路施工、地形测量等控制点测量领域。
文档编号G01C15/00GK101922932SQ201010237990
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者朱国力, 潘明华, 邵涛 申请人:华中科技大学