激光自准直仪的数据处理与误差估计

　　1　引　　言

　　在几何量测量领域,小角度测量一直占据着相当重要的地位,而自准直法又是小角度测量中应用较广的一种高精度测量方法。不仅如此,它还广泛应用于直线性、平面度测量及野外目标的初始定位等。本文讨论以半导体激光为光源,CCD摄像器件为接收器件的自准直望远系统中的数据处理方法,并讨论了野外使用时,环境条件对仪器精度的影响。

　　2　光学系统的工作原理

　　系统的光学系统的原理如图1所示。由激光器1发出的光经聚光镜2照到准直分划板3上,而准直分划板3上的狭缝(双狭缝)位于物镜7的焦平面上,因此从物镜7出射的为一束平行光。这束平行光照到被测物体上的反射镜14上,当反射镜14与物镜7的光轴垂直时,平行光将依原路返回,再经物镜7成像在光电接收器件CCD上,以此位置定为光束自准直后的像点原点位置。而当反射镜14与光轴有一定的倾角α时,则返回的分划板3上狭缝的像将偏离CCD上原点位置,将此偏移位置设为x,则由自准直原理可知[1]:

　　x=ftg2α

　　其中,f为此系统物镜焦距。当α角比较小时,可用角度的弧度值代替正切值,即:

　　x=2fα

　　因此,反射镜的偏角可以用自准像的线位移来表示,

　　即:　α=x/2f

　　3　视频信号的处理方法

　　由于线阵CCD具有高灵敏,低噪声,长寿命,低功耗等优点,发展十分迅速。CCD像元尺寸小,几何精度高,配置适当的光学系统,便可以获得很高的空间分辨率。对于CCD输出视频的信号,我们在实验过程中采用了A/D的方法,精确确定自准直像的线位移。这种方法将CCD输出的信号经A/D数据采集卡,送入计算机,直接对数字信号进行处理。我们在具体的实验过程中,首先采用一定的滤波处理,对数字信号曲线进行平滑,然后采用以下几种不同的算法,计算分划板上两缝成像的中心位置对初始零位的线偏移量,再由一个像元对应的角度γ的公式:γ=d/2f,(其中d为单个像元尺寸),换算成角度。

　　3.1　浮动阈值法(如图2)

　　通过实验观测滤波后的曲线,设定选取某一固定数量N的像元,保证CCD图像的曲线近似在线性段。然后,使阈值从某一较小的值逐次递增,直至使得大于阈值的像元输出值的个数小于等于N时,通过计算阈值两邻近点处对应像元序号的平均值,得出此时一个狭缝成像的中心位置x1和x2,再由两狭缝成像中心位置的平均值与初始零位的线偏移量换算成角度。这种方法是一种最简单的信号处理方法,在精度要求不高的情况下,仍有一定的应用性。

　　3.2　数据拟合法