羅 濤 董 嵐 李 波 王小龍 門玲鸰

(中國科學院高能物理研究所 北京 100049)

工業(yè)級全站儀在BEPCII中的應用研究

羅 濤 董 嵐 李 波 王小龍 門玲鸰

(中國科學院高能物理研究所 北京 100049)

北京正負電子對撞機(BEPCII)重大改造工程中，結合TDA 5005工業(yè)級全站儀特點，根據(jù)BEPCII中工程技術要求，做了一系列儲存環(huán)內(nèi)控制點及儀器設備基準點的測量。分析工業(yè)全站儀ATR三維坐標測量的精度及可靠性，探討其在加速器準直測量中運用的可行性，給出了有益的結論，為同類加速器準直測量應用及拓展工業(yè)全站儀應用領域提供了技術依據(jù)。

BEPCII, 工業(yè)全站儀, TDA 5005, ATR

北京正負電子對撞機(BEPCII)工程是國家重大科學工程項目。為大幅提高對撞機整體性能，在原有BEPC隧道內(nèi)增加一個儲存環(huán)，實現(xiàn)雙環(huán)對撞“一機兩用”的改造。BEPCII儲存環(huán)由正、負電子環(huán)組成，周長都是237.53 m，兩環(huán)束流中心距離1.179 m，總體布局如圖1。它們在南北兩點交叉，距離是65.83 m。南北交叉點為對撞區(qū)，南對撞區(qū)安裝北京譜儀(BESIII)，北對撞區(qū)通過旁路管道將正、負電子環(huán)的外半環(huán)連一起，供同步輻射專用模式使用，周長241.13 m[1]。

在這樣環(huán)形控制網(wǎng)測量中，工業(yè)級全站儀能在較長距離測量中彌補激光跟蹤儀不足，其測量精度較高，在儲存環(huán)準直測量中起重要作用，本文對其性能及儲存環(huán)測量作若干探討和分析。

圖1 BEPCII儲存環(huán)及跟蹤儀測量示意圖Fig.1 Laser tracker measurement and storage ring of BEPCII.

1 瑞士徠卡TDA5005型工業(yè)全站儀

1.1 TDA 5005特點

Leica TDA5005工業(yè)全站儀的測距精度：標準模式(1 mm+2PPM)；跟蹤模式(5 mm+2PPM)。

在120 m內(nèi)絕對測距精度可達0.5 mm/0.02″，在～20 m精度可優(yōu)于0.3 mm/0.012″，可比擬激光跟蹤儀測距精度。測角精度0.5″。

1.2 TDA 5005各項指標差補償

TDA5005指標差改正包括補償器、垂直度盤、水平視準差、水平軸傾斜誤差、及考慮上述各指標差下的一個綜合改正[2]。此外，自動目標識別(ATR)準直差的ATR1是視準線和CCD像機陣列中心軸線在水平和垂直方向的偏差，包括視準差和垂直指標差。用激光跟蹤儀反射鏡(38.1 mm和22.225 mm)進行ATR1準直差改正(圖2a、2b)時，距100 m處瞄準并找對反射鏡中心較困難，因此做一個與反射鏡同樣大小的球，中間打穿并嵌入玻璃，在球心處玻璃上鍍膜(圖2c)。我們先人工瞄準此光學目標，然后儀器不動換上激光跟蹤儀反射鏡進行多次ATR1準直差改正。

圖2 各種激光跟蹤儀反射鏡與光學目標Fig.2 Different types of the laser tracker reflector.

1.3 工業(yè)全站儀的ATR實驗

儲存環(huán)所有控制點及設備基準點均為球狀吸附底座(為激光跟蹤儀反射鏡設計)，在全站儀測量中用激光跟蹤儀38.1 mm反射鏡測量。按儀器要求進行ATR1準直差改正后，全站儀ATR目標在較遠距離得到較好角度2C指標差(2C為角度測量不符值)，但近處始終超限。為此嘗試調整ATR1準直差改正，進行遠、中遠、近處及多處改正。根據(jù)儲存環(huán)工程要求及激光跟蹤儀測量結果，角度2C值要＜5 s，即＜5 s合格，否則不合格，結果如表1。

表1 38.1 mm激光跟蹤儀反射鏡ATR實驗結果(單位:s)Table 1 The ATR experimental results (in s) for 38.1 mm laser tracker reflector.

結合ATR原理和儲存環(huán)內(nèi)全站儀測量特點，我們改變反射鏡大小，把原來38.1 mm激光跟蹤儀反射鏡換成22.225 mm反射鏡。經(jīng)ATR1準直差改正后，反射鏡位置2 m、2.5 m、S02A、S03A、S04A、S06A和71 m的結果分別為9.3、1.1、0.8、1.9、4.6、4.5和0.3 s。因此全站儀ATR有效距離為2.5 m，小于相鄰控制點距離～3 m。因實驗次數(shù)有限，為擴大統(tǒng)計樣本數(shù)，提高結論可靠性，用22.225 mm反射鏡進行儲存環(huán)北半環(huán)全站儀測量，并對數(shù)據(jù)進行ATR角度2C值統(tǒng)計分析，結果如表2。

表2 儲存環(huán)北半環(huán)全站儀測量ATR照準2C值統(tǒng)計(單位:s)Table 2 Statistics (in s) for ATR experiment 2C of total station measurement in north half of the storage ring.

由表2，ATR測角2C值主要集中在2.5 s以內(nèi)，遠小于5 s規(guī)定值，說明22.225 mm激光跟蹤儀反射鏡能很好完成全站儀ATR測量[3]?；诖私Y論，全站儀瞄準目標后向反射鏡發(fā)射激光，激光反射回來由CCD相機捕獲，程序計算反射光的中心位置，并換算成水平角(垂直角)改正數(shù)，根據(jù)改正數(shù)由伺服馬達步進到棱鏡的中心位置，精確瞄準。計算CCD捕獲反射光中心位置時，主要用反射光成像的圖像特征來精確確定中心位置，雖然38.1 mm激光跟蹤儀反射球反射光較強，但反射光成像圖不如22.225 mm的。這也說明為什么反射球在一定距離內(nèi)無法自動識別目標。

2 TDA5005在儲存環(huán)測量中的應用

2.1 大地四邊形測量

2.1.1 測量方案

BEPCII隧道東西兩側各有一個起算控制點，作為全環(huán)控制點、設備基準點等平差計算起算數(shù)據(jù)。兩起算點間距～70 m，為避免起算數(shù)據(jù)誤差，進行兩起算點間聯(lián)測，要求較長距離內(nèi)獲較高測量精度，且測量點數(shù)較少，所以TDA 5005工業(yè)測量全站儀剛好滿足需求。

進行起算點大地四邊形測量避免起算點誤差。在起算點附近各選一點組成一大地四邊形，各點上架設全站儀，精密對中整平后對其余各點進行人工瞄準四測回邊角觀測，測距15次后測量平均值[4]。

2.1.2 大地四邊形平差計算

該大地四邊形為狹長型，固定S01A至S33A方向。在數(shù)據(jù)預處理中，做好整個大地四邊形粗差剔除和閉合差檢查。最后用方差分量估算，得該大地四邊形測量精度為：測距中誤差為0.2 mm，測角中誤差為0.978 s。大地四邊形計算結果顯示有東西兩側延長趨勢[5]，具體四邊形精度見表3。

表3 大地四邊形平差計算結果(單位：mm)Table 3 The adjustment results (in mm) of geodetic quadrangle.

2.2 儲存環(huán)北半環(huán)兩測回測量

2.2.1 測量方案

從S01段控制點繞北環(huán)至S33段控制點，最終通過儲存環(huán)通道聯(lián)測閉合。全站儀基本在S03A、S05A……S29A、S31A附近自由設站，除永久點S01A和S33A外，其他每次設站前后觀測三段控制點(僅A、B)并前后分別觀測遠近處各一個C點和一個磁鐵基準點。在S01A、S01B、S33A和S33B上架設全站儀，并在兩側分別增加一控制點G，以增加公共點個數(shù)(圖3)。

設站觀測中，以前方向第一段A點為起始方向，盤I順時針對各點邊角觀測。最后一點倒鏡，盤II逆時針對各點邊角觀測。每次全站儀自由設站對各點進行二測回邊角觀測。

圖3 全站儀設站觀測方案(a)和觀測情況(b)Fig.3 The stationing and measuring scheme (a) and situation (b) for the total station.

2.2.2 儲存環(huán)北半環(huán)平面網(wǎng)平差計算

通過工業(yè)全站儀測量得到各站測量點在儀器坐標系下的坐標值。并檢核角度2C值等指標差，去除相應粗差。對實測數(shù)據(jù)預處理，得到全部測量點平面坐標轉換到已知點坐標系下坐標值，并以此為平差計算初始值。以儲存環(huán)東西兩側永久點坐標值為起算數(shù)據(jù)，并根據(jù)經(jīng)驗輸入激光跟蹤儀測邊測角驗前中誤差，用專為BEPC儲存環(huán)編制的Survey5.0軟件計算。計算過程需多次輸入測邊測角驗前中誤差值來逼近真實值，達到與驗后單位權中誤差一致。表4是儲存環(huán)北半環(huán)平面網(wǎng)平差精度統(tǒng)計結果。

表4 儲存環(huán)北半環(huán)平面網(wǎng)平差精度統(tǒng)計(單位：mm)Table 4 Statistics (in mm) for plane control net in north half of the storage ring.

表4的測量結果較激光跟蹤儀儲存環(huán)測量結果差很多，但由于本身測量方案差異和儀器本身測量精度，此次測量已顯示出較好測量效果。全站儀北半環(huán)測量平均鄰站搭接點為8個，激光跟蹤儀全環(huán)測量平均鄰站搭接點為28個。全站儀平差結果坐標與激光跟蹤儀結果具體差值為：X、Y方向最大差值分別為1.255和0.865 mm，最小差值都為0 mm，均值為0.474和0.254 mm，統(tǒng)計平均值為0.565和0.33 mm。與人工照準大地四邊形測量結果有一定差距，主要因為人工照準大地四邊形測量方案為測距15次平均值，4測回邊角測量，并在預處理中將粗差數(shù)據(jù)剔除和削若，這都是提高測量精度的有效保證。

最后，二測回平均觀測值比一測回平均觀測值的平差結果好，說明適當多測回測量可在一定程度上提高精度。

3 結論

通過工業(yè)全站儀在BEPCII儲存環(huán)測量中應用和一系列實驗研究，得出以下結論和建議：(1) 通過22.225 mm跟蹤反射鏡若干實驗和光學目標ATR1準直差改正，使工業(yè)全站儀ATR測量能較好滿足BEPCII工程需要，不但減少人工照準，也提高了作業(yè)效率和測量精度；(2) 人工瞄準全站儀大地四邊形測量顯示出較好精度，可滿足BEPCII工程需要；(3) ATR二測回平面平差結果明顯優(yōu)于一測回，人工瞄準四測回又優(yōu)于二測回測量，表明適量多測回測量可提升測量精度；(4) 方案上，全站儀儲存環(huán)測量與跟蹤儀儲存環(huán)測量在相鄰站搭接點個數(shù)有差距，全站儀測量平均在8個，激光跟蹤儀平均在28個，故從測量方案上可進一步提升全站儀測量結果精度；(5) 在全站儀BEPCII儲存環(huán)北半環(huán)現(xiàn)場測量中，并未對其觀測數(shù)據(jù)進行一定的粗差剔除。希在儲存環(huán)測量中檢驗角度距離測量限差，并對相關測回和測站重測，這比事后數(shù)據(jù)預處理中剔除出差要好很多。

因此，工業(yè)全站儀在BEPCII儲存環(huán)測量中起一定作用，尤其在長距離測量及全自動測量方面有獨特優(yōu)點，都需進一步研究。

1 王國峰. 城市勘測, 2008, (1): 112 WANG Guofeng. Urban Geotech Invest Surv, 2008, (1):112

2 Leica TPS-System 1000 System User Manul. 2003

3 鄧 標, 黃 騰, 陳建華, 等. 水電自動化與大壩監(jiān)測,2006, 30(6): 57–60 DENG Biao, HUANG Teng, CHEN Jianhua, et al.Hydropower Autom Monit, 2006, 30(6): 57–60

4 黃 騰, 陳光保, 張書豐. 水電自動化與大壩監(jiān)測, 2004,28(3): 37–40 HUANG Teng, CHEN Guangbao, ZHANG Shufeng.Hydropower Autom Monit, 2004, 28(3): 37–40

5 張正祿, 李廣云, 潘國榮, 等. 工程測量學. 武漢: 武漢大學出版社, 2005 ZHANG Zhenglu, LI Guangyun, PAN Guorong, et al.The engineering surveying. Wuhan: Wuhan University Press, 2005

Application of TDA5005 industrial total station at BEPCII

LUO Tao DONG Lan LI Bo WANG Xiaolong MEN Linlin
(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

For reconstruction of the Beijing Electron Positron Collider (BEPCII), performance of the industrial total station Leica TDA 5005 was combined with technical requirements of BEPCII. The control points and instruments reference points of the storage ring were measured repeatedly. In this paper, we analyze the accuracy and reliability of automatic target recognition (ATR) measurement with TDA5005, and discuss the feasibility of applying it in the accelerator alignment measurement. The results can be of help in this kind of applications in alignment measurements of similar accelerators.

BEPCII, Industrial total station, TDA 5005, ATR

P2

羅 濤，男，1985年出生，2009年于武漢大學測繪學院獲大地測量學與工程測量專業(yè)碩士學位，助理工程師，主要做加速器準直測量工作

2010-06-18，

2010-07-21

CLCP2