基于面阵ccd的激光角度测量系统的研究

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1、第33卷第10期光电工程Vol.33,No.102006年10月Opto-ElectronicEngineeringOct,2006文章编号：1003-501X(2006)10-0091-05基于面阵CCD的激光角度测量系统的研究邹万军，朱国力，吴学兵(华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074)摘要：介绍了一种以激光作光源，采用光学成像原理和CCD图像采集技术实现激光角度测量的方法，给出了系统构成和测量原理，并对系统可达精度及其影响因素进行了分析。结果表明，系统在50~200m的测量距离和±5°的测量角度内时，测量精

2、度可以达到0.05mrad，满足了隧道盾构施工中对盾构机方位角的高精度测量要求。关键词：角度测量；全站仪；水平方位角；发散角；激光测角中图分类号：TN247文献标识码：AAnglemeasuringsystemoflaserbasedonarrayCCDZOUWan-jun，ZHUGuo-li，WUXue-bing(SchoolofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:

3、Amethodformeasuringangleoflaserisintroduced.ThemethodadoptedtheprincipleofopticalimagingandthetechnologyofCCDimagecollectionwithlaserasthelamp-house.Thisarticleexpoundsthesystemconstitutionandthemeasuringprinciple.Therealizableaccuracyandtheaffectingaccuracyfactorsar

4、eanalyzedindetail.Theanalyticalresultsshowthat,withinthemeasuringrange50~200mandthemeasuringangleof±5°,ameasuringaccuracyof0.05°canbeachieved.Thesystemaccuracymeetsthehigh-precisionmeasurementofazimuthangleofshieldmachineintunnelboringconstruction.Keywords:Anglemeasu

5、rement;Totalstation;Horizontalazimuthangle;Divergentangle;Laseranglemeasurement引言隧道盾构施工中，盾构自动导向系统可全天候对盾构机姿态进行测量、控制，实时显示盾构机姿态，具有人力投入小、测量速度高等优点，已成为隧道盾构测量技术的发展方向。盾构自动导向系统主要有英国的ZED、德国的VMT和日本的GYRO等系统，前两者为激光导向，后者为陀螺仪导向。目前，VMT[1,2]系统和ZED系统应用比较广泛，它们均有不同类型的激光标靶：标靶内部在横向和纵向分别安装

6、了倾角仪，用来测量盾构机的滚动角和坡度角；而对方位角的测量，它们采用了不同的方法。这两种激光标靶都较好地应用在隧道盾构机姿态的测量中。但是，它们也有不足之处。VMT标靶内部安装了转动部件，测量速度慢，并且角度测量精度和分辨率受到机械结构精度的制约，难以满足更高精度的测量要求；ZED标靶采用光电传感器探测激光信号，当测量距离较远或者激光较弱时，系统测量精度会受到影响而降低。在863计划项目“地铁盾构姿态测量导向系统”的支持下，华中科技大学与上海隧道工程股份有限公司合作，研究和设计了一种新型的激光标靶。与现有的激光标靶相比，这种新型

7、激光标靶在测量方位角时收稿日期：2005-10-19；收到修改稿日期：2006-02-18基金项目：国家863计划资助项目作者简介：邹万军(1980-)，男(汉族)，湖北汉川人，硕士生，主要研究工作是激光测量、CCD应用技术。E-mail:zouwanjun@tom.com92光电工程第33卷第10期采用了一种基于面阵CCD的非接触式光电检测方法，克服了现有激光标靶的弊端，具有快速、稳定性好和测量精度高等优点。本文将介绍这种测量系统的构成以及测量原理，并对系统测量精度及其影响因素进行了分析。1系统构成LaseryFieldlen

8、sThinlens激光角度测量系统组成如图1所示。系统由全站仪、准直激光器、薄透镜、CCDcamera光学屏幕、物镜、CCD摄像机和图像采集Ox系统等组成。准直激光器安装于全站仪上，[3,4]Totalstation与全站仪内置测距仪轴线平行。光学屏Imagec