1 深圳综合粒子设施研究院，广东 深圳 518107
2 中国科学技术大学 国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
3 重庆大学 超瞬态装置实验室，重庆 400044
多台激光跟踪仪组成的测量系统能够得到高精度的坐标观测值，在加速器准直工程领域应用十分广泛。该系统需要自标定仪器中心的距离，目前基于球面拟合的自标定方法虽然测量效率较高，但是其精度有限。为了提高其精度，分析基于拟合的自标定方法精度较低的主要原因，提出了基于三角形结构的自标定方法，定量对比了新方法和基于球心拟合方法的精度。新方法建立非线性误差模型进行参数迭代求解，能够应用于激光跟踪仪的三维自标定。通过模拟仿真和实测实验，证明了该方法比基于球心拟合的自标定方法在精度上有了大幅度提升。文中算法无需增加额外设备，改进了原先基于球心拟合方法并提高其自标定精度，具有一定的工程应用价值。
激光跟踪仪 自标定 球面拟合 非线性模型 精度 laser tracker self-calibration spherical fitting nonlinear model accuracy 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230607
1 中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
2 武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079
3 深圳综合粒子设施研究院，广东 深圳 518107
激光跟踪仪的转站误差直接影响数据质量。最小二乘（LS）方法只考虑观测向量误差，加权总体最小二乘（WTLS）方法忽略转站模型的特点，两种算法均存在一些不足。针对激光跟踪仪坐标转换模型的特点，提出了结构约束总体最小二乘（SCTLS）方法。该方法能够顾及坐标观测值的相关性，提取误差矩阵的特殊结构，从而保证相同元素的改正数是一致的。同时对待估参数附加限制条件，保证旋转矩阵具有正交性。使用拉格朗日乘数法严密推导算法的求解步骤，给出了精度评定的公式。仿真结果显示SCTLS法的估计参数偏差小于WTLS法，准确性更高；采用合肥光源控制网中的实测数据计算，验证SCTLS法的精度更高。与LS和WTLS算法相比，所提算法更加严密，能够有效减小转站中的误差积累。
测量 激光跟踪仪 结构约束总体最小二乘 迭代算法 转站精度
1 中国计量科学研究院 几何量计量科学研究所，北京 100029
2 哈尔滨工业大学 超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080
3 上海市在线检测与控制技术重点实验室，上海 201203
激光跟踪干涉系统的测量精度是工业机器人标定精度的主要影响因素，其基点标定精度决定了激光跟踪干涉系统的测量精度。为了确定基点与激光跟踪干涉系统的准确距离，提出了一种激光跟踪干涉系统基点的直线约束标定方法。建立了基于直线约束的数学标定模型，使各标定约束点分布在同一直线上，可直接应用干涉测量方法获取约束点的精确坐标，使用最小二乘法进行数值解析确定基点距离，该方法具有原理简单、误差源少、测量精度高的特性。针对影响标定精度的各项参数进行了数值仿真分析，优化标定参数，减小标定误差；最终搭建了实验装置评估该标定方法的性能，实验结果表明，激光跟踪干涉系统的基点距离平均值为290.076 4 mm，标准差为4.4 μm，满足对工业机器人标定的精度需求；为验证该方法的准确性，对API radian激光跟踪仪的基点距离进行比对测试，与其标称值相差3 μm。
激光跟踪干涉系统 基点距离标定 直线约束 最小二乘法 laser tracking interferometer system nase point calibration linear constraint least square method 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230288
1 中国科学院 近代物理研究所，兰州 730000
2 中国科学院大学 核科学与技术学院，北京 100000
3 兰州科近泰基新技术有限责任公司，兰州 730000
4 柯尼卡美能达再启医疗设备 (上海) 有限公司，上海 201800
治疗室与其机器人是重离子治疗装置（HIMM）精准治疗系统的重要组成部分，为了提升重离子放疗过程中患者摆位的精度和效率，研究一种使用激光跟踪仪和其配套软件SA将运载治疗床的机器人基座坐标系与治疗室坐标系统一的方法，通过图形拟合的方法确定了标定点在法兰盘坐标系中的坐标；通过数学模型的搭建完成了机器人法兰盘坐标系和基座标系之间的坐标变换；利用SA软件中最佳拟合算法求出了治疗室坐标系与机器人坐标系之间的变换矩阵，完成了坐标系的统一。在HIMM中的实际应用表明，坐标系的统一方法的使用不但简化了标定点在法兰盘中心坐标系中坐标的标定，简化了法兰盘中心坐标系和基座标系转换的计算过程，而且标定精度良好、效率更高，更加符合重离子精准治疗系统及其他工业应用。
重离子治癌装置 治疗室 机器人 坐标变换 激光跟踪仪 Heavy Ion Medical Machine treatment room robot coordinate transformation laser tracker 强激光与粒子束
2023, 35(6): 064002
1 北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616
2 中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
3 中山大学物理学院，广东 广州 510275
针对激光跟踪仪光束法平差，基于稳健估计理论中的选权迭代法，提出一种自适应加权秩亏三维光束法平差解法，通过对观测值选权判定阈值与秩亏平差基准方程权的自适应调整，能够准确识别粗差并抵御其影响。通过仿真实验验证了方法的可行性，并在合肥先进光源预研平台进行了实测验证，实验结果与SpatialAnalyzer软件的处理结果精度相当，可为准直测量数据处理提供抗差结果参考。
测量 激光跟踪仪测量 自适应加权平差 秩亏光束法平差 抗差估计
1 湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068
2 湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068
3 海宁集成电路与先进制造研究院，浙江 海宁 314400
4 中国科学院微电子所， 北京 100029
针对现代工业生产中大型装备的生产、制造和装配对于姿态精准测量提出的需求，提出了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法。首先，阐述了姿态测量系统的组成，并对姿态测量系统中使用的坐标系进行定义；其次，建立了姿态测量数学模型，在此基础上利用加权最小二乘法对冗余角度信息进行数据融合，并采用蒙特卡洛法对融合方法进行了仿真分析；最后，搭建了姿态测量实验平台，利用精密二维转台对系统姿态角测量精度进行了评定。实验结果表明：在[−30°, 30°]角度范围内，测量距离为3 m时姿态角测量精度为0.28°，测量距离为8 m时姿态角测量精度为1.76°；与单目视觉法相比，姿态角测量精度在3 m时提升了6.7%，在8 m时提升了18.8%。文中提出的数据融合方法对姿态角测量精度的提升具有较好效果。
姿态测量 加权最小二乘 单目视觉 激光跟踪 attitude measurement weighted least squares monocular vision laser tracking 红外与激光工程
2022, 51(6): 20210675
中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
基于可调谐红外激光的能源化学研究大型实验装置的核心器件是两套自由电子激光振荡器，能够产生覆盖2.5～200.0 μm波长范围的连续可调的中红外和远红外激光光谱。每套振荡器包括一个波荡器、一对由位姿可调的镀金球面反射镜和真空室构成的谐振腔以及三个POP-IN探测器。在准直过程中，需要保证波荡器磁中心、金属球面反射镜轴心和电子束流中心线达到很高的共轴精度以实现激光的饱和输出。为了实现对波荡器束流的监测，需要通过准直的手段保证反射镜的光可以通过三个由步进电机控制的POP-IN上的直径为1 mm的小孔。采用激光跟踪仪配合光电自准直仪，对谐振腔进行了准直，谐振腔反射镜的横向倾斜度小于50 μrad，横向离轴偏差小于0.1 mm。使用激光跟踪仪结合准直望远镜，实现三个POP-IN的工作点位置与电子束流中心线共轴，共轴精度为0.15 mm，并通过激光器搭建在线准直系统，将真空外准直激光照射到腔体内部以调节反射镜姿态。开展了离线标定实验和现场安装，红外自由电子激光装置的顺利出光证明所提方案是可行且可靠的。
测量 红外自由电子激光 谐振腔 准直安装 自准直仪 激光跟踪仪 中国激光
2022, 49(23): 2304003
强激光与粒子束
2022, 34(8): 084001
1 中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
在激光通信、激光制导和交会对接的过程中, 为了实现对远距离目标的捕获和跟踪, 提出了一种基于单元探测器的激光跟踪技术, 该技术以单元探测器测量距离信息, 通过快反镜使光束螺旋扫描视场, 并反馈角度信息, 由此得到三维图像。信号处理端通过处理三维图像可以获取目标相对视场中心的脱靶量, 控制端根据脱靶量驱动快反镜偏转, 使目标一直处于扫描视场中, 从而实现目标跟踪。该技术的优点是能将单元探测器引入到捕获跟踪领域中, 不再需要使用阵列探测器定位回波光斑的中心, 所以回波能量密度更高, 有利于实现远距离的激光跟踪, 特别是能够结合单光子探测器来极大地提高跟踪距离。使用该方法进行了仿真实验, 并在室内使对3.75 m处的目标进行了捕获跟踪实验。实验结果表明, 仿真与实验结果具有很高的一致性, 其中对角速度为9.07 mrad/s目标的捕获概率达到了72.5%。
单元探测器 激光跟踪 快反镜 螺旋扫描 硅光电倍增管 single-element detector laser tracking fast steering mirror spiral scan silicon photomultipliers
1 中国科学院 微电子研究所，北京00029
2 中国科学院大学，北京100049
针对航空航天、汽车装配等高端制造领域对姿态测量的迫切需求，提出一种面向激光跟踪仪的快速高精度姿态测量方法，利用深度学习结合视觉PnP模型实现了激光跟踪过程中被测件姿态的自动测量。针对PnP姿态求解模型所需的3D特征点和2D特征点之间的对应关系难以直接确定的问题，设计了一个特征提取网络用于提取特征点对应的高维特征，采用最优传输理论确定特征向量之间的联合概率分布，从而完成3D-2D特征点的自动匹配；使用Ransac-P3P结合EPnP算法对匹配好的3D特征点和2D像素点进行姿态求解，获得高精度的姿态信息；在此基础上，利用隐式微分理论计算PnP求解过程的雅克比矩阵，从而将PnP姿态求解模型集成到网络中并指导网络训练，实现了深度网络匹配能力与PnP模型姿态求解能力的优势互补，提高了解算精度。最后，制作了一个含有丰富标注信息的数据集，用于训练面向激光跟踪仪的姿态测量网络。基于高精度二维转台进行了姿态测量实验，结果表明，该方法在3 m处对俯仰角的测量精度优于0.31°，横滚角精度优于0.03°，单次测量耗时约40 ms，能够实现激光跟踪仪的高精度姿态测量。
激光跟踪仪 姿态测量 单目视觉 深度学习 laser tracker attitude measurement monocular vision deep learning 
