1、激光跟蹤儀概述

近年來，在精密制造、裝配及檢測(cè)等工業(yè)測(cè)量和精密工程測(cè)量領(lǐng)域，激光跟蹤儀以其測(cè)量速度快、精度高、測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，被稱為移動(dòng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。其基本原理是極坐標(biāo)法，通過測(cè)量目標(biāo)的水平角、垂直角及斜距，建立以測(cè)站為ZX的極坐標(biāo)系。其精度主要是由測(cè)距保證的，因?yàn)樾本嗬眉す飧缮嬖頊y(cè)量。在跟蹤頭中有一個(gè)位置敏感探測(cè)器(PSD)，可以測(cè)出激光束的位置變化量，通過軟件精確計(jì)算并反饋給伺服馬達(dá)控制眼蹤頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量，使操作者無需進(jìn)行繁瑣的目標(biāo)瞄準(zhǔn)，提高了測(cè)量的效率。

采用激光跟蹤儀測(cè)量有兩種測(cè)量方式：一是單站測(cè)量，儀器不動(dòng)，測(cè)量所有目標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量半徑為35m;二是轉(zhuǎn)站測(cè)量(通常稱為蛙跳)，完成一次測(cè)量任務(wù)需要多次移動(dòng)儀器的位置，其優(yōu)點(diǎn)是可以避免外界環(huán)境的影響，改善通視條件。一般通過對(duì)3個(gè)以上的定向點(diǎn)測(cè)量，利用光束法平差原理建立起相鄰站之間的姿態(tài)、定向關(guān)系，同時(shí)實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量范圍的較大擴(kuò)展，也可避免測(cè)量精度隨距離增大而快速下降。

無論采用單站或轉(zhuǎn)站測(cè)量，都需要對(duì)儀器的測(cè)量精度進(jìn)行正確的評(píng)定。由于儀器受外界及自身的各種因素影響較大，有必要在現(xiàn)場(chǎng)確定儀器的實(shí)際測(cè)量精度，本文將就精度評(píng)定的若干問題進(jìn)行討論，供激光跟蹤儀測(cè)量工作者參考。

2、影響激光跟蹤儀測(cè)量精度的因素

影響激光跟蹤儀測(cè)量精度的因素主要來自外界環(huán)境和儀器自身。由于儀器的高度自動(dòng)化，對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)、技巧的要求大為降低，但也需要正確操作。

2.1外界環(huán)境

外界環(huán)境包括溫度變化、溫度梯度、大氣抖動(dòng)、外界振動(dòng)、儀器支架和被測(cè)物的穩(wěn)定性等。不同環(huán)境下得到的測(cè)量結(jié)果可能大相徑庭，在高精度測(cè)量中必須嚴(yán)格控制。

(1)溫度、氣壓和濕度等氣象條件會(huì)影響大氣折射率，溫度1℃、氣壓lmmHg及40℃時(shí)40%的相對(duì)濕度變化會(huì)引起折射率百萬分之一的計(jì)算誤差，從而影響距離測(cè)量的精度。

(2)激光光路方向上的溫度梯度、大氣抖動(dòng)會(huì)影響光的方向，使得角度測(cè)量誤差增大。

(3)外界的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致粗差的出現(xiàn)及儀器和被測(cè)物相對(duì)位置的緩慢變化。

(4)儀器和支架的不穩(wěn)定將導(dǎo)致測(cè)量精度的嚴(yán)重下降。

2.2儀器

儀器本身由很多電子元件組成，它們的散熱會(huì)導(dǎo)致儀器結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而產(chǎn)生細(xì)微變化。而且激光頻率也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移，在剛開機(jī)預(yù)熱后的一段時(shí)間內(nèi)非常明顯。

激光跟蹤儀包括兩個(gè)度盤及各種反射光路組成的測(cè)角系統(tǒng)、激光干涉測(cè)距系統(tǒng)及各種復(fù)雜的馬達(dá)、反饋系統(tǒng)。儀器的加工裝配誤差、運(yùn)輸及外界環(huán)境的變化都會(huì)造成光路的改變及軸系關(guān)系的變化，影響儀器的性能。

為保證儀器的穩(wěn)定性，配套軟件應(yīng)提供自校準(zhǔn)程序。在軟件中存在著包含各種誤差(如度盤偏心、鏡軸傾斜、軸系傾斜等)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，通過特定的校準(zhǔn)步驟，計(jì)算出誤差值，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)結(jié)果受實(shí)際條件影響較大。

2.3操作

激光跟蹤儀的操作不僅是會(huì)使用儀器，而且應(yīng)能夠根據(jù)測(cè)量任務(wù)的具體情況，選擇合適的方案，并采取措施使得儀器自身及外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響Z小。

3、激光跟蹤儀精度評(píng)定方法

精度評(píng)定方法有兩種：比對(duì)法和統(tǒng)計(jì)分析法。比對(duì)法是將測(cè)量結(jié)果和更精確的儀器或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的方法;統(tǒng)計(jì)分析法是根據(jù)概率及統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，利用誤差傳播定律估計(jì)測(cè)量精度的方法。二者在激光跟蹤儀精度評(píng)定中均有所應(yīng)用。

3.1比對(duì)法

比對(duì)法是激光跟蹤儀精度評(píng)定中Z常用的方法，常用的標(biāo)準(zhǔn)物有標(biāo)準(zhǔn)尺、“球桿”等。

標(biāo)準(zhǔn)尺采用膨脹系數(shù)非常低的錮瓦合金或碳纖維制造，其長(zhǎng)度一般在2m以內(nèi)，精確尺寸由生產(chǎn)廠家或計(jì)量單位的精密測(cè)長(zhǎng)設(shè)備給出。用儀器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度和尺長(zhǎng)比較，在一定程度上，差值可以反映儀器的測(cè)量精度。

球桿能夠產(chǎn)生一個(gè)精確定義的圓，其原理是：在一個(gè)平面內(nèi)，物體繞一點(diǎn)作固定半徑的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是圓。球桿通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，反射球的軌跡將是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓。由于儀器的測(cè)量誤差，反射球的軌跡將不再是一個(gè)圓，可通過圓擬合的方法，計(jì)算擬合誤差，根據(jù)誤差情況，可用于檢驗(yàn)儀器的精度或修正儀器參數(shù)。

此外，還有其它一些標(biāo)準(zhǔn)物，如步距軌、標(biāo)準(zhǔn)平面、標(biāo)準(zhǔn)圓柱等，由于現(xiàn)場(chǎng)使用不便，本文不做介紹。除了標(biāo)準(zhǔn)物外，兩面測(cè)量也是一種非常好的精度評(píng)定辦法。度盤在兩面測(cè)量同一個(gè)目標(biāo)時(shí)，其測(cè)量值之和應(yīng)等于360°'差值反映儀器的軸系誤差。FARO和API僅利用若干點(diǎn)的兩面測(cè)量即可完成儀器的現(xiàn)場(chǎng)檢查和校準(zhǔn)，LEICA采用兩面測(cè)量和球桿相結(jié)合進(jìn)行上述工作。

從精度評(píng)定的角度來說，激光跟蹤儀的激光干涉測(cè)距技術(shù)是一個(gè)國(guó)際認(rèn)可的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上可替代標(biāo)準(zhǔn)尺。

3.2統(tǒng)計(jì)分析法

比對(duì)法中的各種辦法可以比較直觀的給出儀器的測(cè)量精度，但是對(duì)于激光跟蹤儀來說，由于其測(cè)量范圍非常大，比較法給出的儀器精度是局部、片面的信息。統(tǒng)計(jì)分析法則可以給出較為全面的信息，基本思路是：利用一系列空間點(diǎn)形成一個(gè)相對(duì)位置關(guān)系確定、但參數(shù)未知的標(biāo)準(zhǔn)空間參考系統(tǒng)。

利用跟蹤儀從不同位置對(duì)該空間系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，在合理的測(cè)量布置下，獲得兩組信息：一是空間點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系及其測(cè)量精度，二是儀器之間的相對(duì)位置。測(cè)量精度信息反映了各種因素的影響，可以評(píng)定激光跟蹤儀的測(cè)量精度，對(duì)精度的分析是建立在均方根誤差或方差等統(tǒng)計(jì)值之上，故稱之為統(tǒng)計(jì)分析法，該方法可較為實(shí)際的反映儀器在空間范圍內(nèi)的測(cè)量精度情況。從儀器操作的角度來看，該方法是利用轉(zhuǎn)站測(cè)量評(píng)定儀器的精度。由于空間點(diǎn)的數(shù)目、相對(duì)位置關(guān)系、儀器設(shè)站次數(shù)等均會(huì)影響結(jié)果，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況布設(shè)空間點(diǎn)及儀器位置。

相對(duì)于比對(duì)法來說，統(tǒng)計(jì)分析法給出的精度信息非常綜合，但提供的只是儀器的驗(yàn)后精度，無法為測(cè)量提供驗(yàn)前信息及指導(dǎo)。二者各有利弊，所以在實(shí)際工作中可結(jié)合使用，根據(jù)要求靈活掌握，給出正確的精度評(píng)定。

4、結(jié)束語(yǔ)

激光跟蹤儀測(cè)量精度的正確評(píng)定會(huì)影響測(cè)量方案的制定、儀器的選購(gòu)及使用中儀器所能達(dá)到的實(shí)際測(cè)量精度。本文比較系統(tǒng)的闡述了用于激光眼蹤儀的各種精度評(píng)定方法，希望能對(duì)廣大儀器使用者提供一定的參考和指導(dǎo)。