CN118565387A - 一种带有自动校准功能的高精度自准直装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

一种带有自动校准功能的高精度自准直装置与测量方法，涉及精密小角度测量领域，解决传统结构光电自准直仪自身基准容易受影响而变化，产生测量误差，缺少有效校准手段的问题。装置包括光源、准直物镜、固定反射镜、分光棱镜、第一光电传感器和底座及支撑；底座及支撑上设置有角度发生模块；在自准直装置中增加标准角度发生模块，通过机械结构驱动自准直装置主动产生高精度的标准角度变化。自准直装置测量姿态变化前后的被测反射镜的角度变化并与标准角度进行对比分析，生成校准函数实现自校准功能。本发明适用于车载、舰载导航定位等的角度测量。

Description

一种带有自动校准功能的高精度自准直装置与测量方法

技术领域

本发明属于精密小角度测量领域，具体涉及一种带有自动校准功能的高精度自准直装置与测量方法。

背景技术

光电自准直仪是基于光学自准直原理的超精密小角度测量仪器，是角度测量领域的重要仪器之一。光电自准直仪具有精度高、分辨力高、速度快、非接触、体积小等优势，在超精密加工制造、精密运动控制、半导体制造、大科学装置如天文望远镜安装等领域具有广泛的应用。

自准直仪自身结构复杂，影响最终测量精度的因素众多，每一个微小的偏差都会引起较大的测量误差。在仪器的实际使用过程中，自准直仪会受到机械结构形变、人员操作及外部环境等因素的影响，自身的测量基准发生变化，产生测量误差，而这些误差不在仪器厂商给出的标称精度范围内，导致仪器出现在其使用寿命内精度降低的情况。在这种情况下必须对仪器进行重新校准，确保其测量可靠性。然而现有自准直仪普遍没有能够进行自身校准的装置或方法，无法满足长时间、高精度测量的需求。因此发展对自准直仪的校准技术是十分有必要的。

目前，传统结构光电自准直仪如图1所示，该装置包括光源1、准直物镜2、被测反射镜3、分光棱镜4、第一光电传感器5、外壳6、底座及支撑7。其工作原理为：光源1发出的光，经过分光棱镜4、准直物镜2透射准直成平行光束后，入射到被测反射镜3；经被测反射镜3反射的光束为测量光束，经准直物镜2透射、分光棱镜4反射后，汇聚成像在第一光电传感器5的感光平面上；第一光电传感器5采集光斑光强数据，可由软件算法处理得到光斑的位置信息，根据自准直原理得到被测反射镜3的偏航角与俯仰角大小。

综上所述，传统结构光电自准直仪存在以下问题：

1.传统结构光电自准直仪的测量基准容易受到复杂因素的影响而发生变化，产生系统性的测量误差。自准直仪测量结果为被测对象相对于自准直仪自身坐标系下的角度变化，若因仪器机械磨损或者内部结构发生位移，造成自准直仪器光学系统坐标轴与被测对象角度转动轴之间存在空间夹角，导致角度测量结果存在误差，该误差会在角度测量中传递给被测对象或处于校准过程中的自准直仪。

2.传统结构光电自准直仪缺乏有效的自校准手段。自准直仪在长时间使用后由于漂移等因素测量精度会不可避免地降低，不能就绪满足高精度的测量需求，而且无法对仪器自身的系统误差进行有效的测量和补偿。

发明内容

本发明解决现有传统结构光电自准直仪缺乏有效的校准手段，进而导致测量精度降低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，所述装置包括光源、准直物镜、固定反射镜、分光棱镜、第一光电传感器和底座及支撑；

所述光源发出的光，经过分光棱镜和准直物镜透射准直成平行光束，所述平行光束为测量光束；

所述测量光束经固定反射镜反射、准直物镜透射、分光棱镜反射后，汇聚成像在第一光电传感器的感光平面上；

所述第一光电传感器用于采集光斑光强数据并获得光斑的位置信息；

所述底座及支撑用于支撑所述自准直装置；

所述底座及支撑上设置有角度发生模块；

所述角度发生模块用于接受指令并根据指令驱动底座及支撑底部的可动支撑，实现自准直装置自身在偏航和俯仰两个方向上发生设定好的标准角度变化α与β。

进一步，还有一种优选实施例，上述光源、分光棱镜、准直物镜和固定反射镜依次摆放在同一轴线上。

进一步，还有一种优选实施例，上述轴线为自准直装置光学系统的光轴；

所述光源位于所述准直物镜的焦平面上；

所述分光棱镜的反射面与所述光轴呈45°角摆放。

进一步，还有一种优选实施例，上述第一光电传感器位于所述准直物镜的焦平面上，且第一光电传感器的中心与所述光轴重合。

进一步地，还有一种优选实施例，上述底座及支撑还包括固定支撑、第一可动支撑、第二可动支撑和底座平板；

所述固定支撑、第一可动支撑和第二可动支撑均设置在所述底座平板的底部，且固定支撑与第一可动支撑和第二可动支撑呈三角分布；

所述角度发生模块用于接受指令并根据指令分别驱动第一可动支撑和第二可动支撑的高度，实现底座平板的高度变化和姿态调整。

进一步，还有一种优选实施例，上述第一可动支撑和第二可动支撑均为双层圆柱结构，且所述第一可动支撑和第二可动支撑的底部均为半球形。

进一步地，还有一种优选实施例，上述装置还包括外壳；

所述外壳设置在所述底座及支撑上。

进一步地，还有一种优选实施例，上述装置还包括扇形轨道；

所述第一可动支撑和第二可动支撑设置在所述扇形轨道内。

进一步地，还有一种优选实施例，上述装置还包括第一偏振分光镜、二维偏转镜架、第二偏振分光镜和第二光电探测器，且所述第一可动支撑和第二可动支撑均替换为普通支撑；

所述光源发出的光，经过分光棱镜、准直物镜透射准直成平行光束后，经过第一偏振分光镜反射的光束为参考光束，所述参考光束经二维偏转镜架反射、第一偏振分光镜反射、准直物镜透射、分光棱镜反射和第二偏振分光镜反射后，汇聚成像在第二光电传感器的感光平面上；

所述第二光电传感器用于采集参考光束会聚成像光斑的位置；

所述角度发生模块用于控制二维偏转镜架发生指定的偏航角角度变化α与俯仰角角度变化β。

本发明还提供一种带有自动校准功能的高精度自准直测量方法，所述方法是基于上述任意一项所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置实现的，所述方法为：

S1、完成自准直装置的准备工作；

S2、测量光束经固定反射镜反射后，会聚成像在第一光电传感器上的光斑偏离感光区域中心的距离为Δx1，Δy1，计算得到固定反射镜相对于自准直光轴的偏航角α1与俯仰角β1；

S3、向角度发生模块发送信号驱动第一可动支撑和第二可动支撑，使自准直装置在偏航和俯仰两个方向上变化设定好的角度α和β；

S4、自准直装置姿态发生变化后，测量光束重新会聚成像在第一光电传感器上的光斑偏离感光区域中心的距离Δx2，Δy2，计算得到固定反射相对于自准直光轴的偏航角α2与俯仰角β2；

S5、得到自准直装置姿态变化前后，由自准直测量得到的固定反射镜相对于自准直装置光轴的偏航角变化α3＝α2-α1和俯仰角变化β3＝β2-β1；

S6、根据自准直原理，α3和β3为自准直装置测量得到的自身偏航角和俯仰角的角度变化，得到自准直装置自身角度测量的误差为Δα＝α3-α、Δβ＝β3-β；

S7、根据所述Δα和Δβ，得到自准直装置的修正函数f3和f4；

S8、根据所述修正函数f3和f4，将自准直装置测量的角度修正为实际发生的标准角度变化并进行测量结果的输出。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种带有自动校准功能的高精度自准直测量装置，通过在装置内部设置机械结构，即角度发生模块，使得通过机械结构驱动自准直装置主动产生高精度的标准角度变化，并与自准直装置测量姿态变化前后的固定反射镜的角度变化进行对比分析，生成校准函数实现自校准功能，解决现有自准直装置无法独立实现校准问题，从而解决因长期使用、外界冲击等因素导致原始补偿函数失效，精度丢失的问题。

进一步地，本发明与现有技术相比较，自准直装置本身带有自动校准功能，无需额外的标准仪器进行校准与补偿，提高了使用的方便性和准确性。

进一步地，本发明与现有技术相比较，通过在自准直装置内放置高精度的二维偏转镜架，自准直参考光束实现全量程范围内的标准角度测量并计算角度测量误差，通过生成的误差补偿函数实现自准直角度测量误差的补偿，增加了自准直的自校准功能，使自准直装置定期校准与检查更方便，解决现有自准直装置安装后不便拆卸，自身测量基准变化无法进行监测与校准的问题。

2、本发明提供的一种带有自动校准功能的高精度自准直测量方法，首先得到姿态变化前反射镜相对于自准直光轴的偏航角和仰俯角，然后通过角度发生模块驱动自准直装置主动产生高精度的标准角度变化，并与自准直装置测量姿态变化前后的固定反射镜的角度变化进行对比分析，生成校准函数实现对自准直装置测量的角度修正，将自准直装置测量的角度修正为实际发生的标准角度变化并进行测量结果的输出，解决现有自准直装置测量方法存在无法独立实现校准问题，从而解决因长期使用、外界冲击等因素导致原始补偿函数失效，精度丢失的问题。

本发明适用于车载、舰载导航定位等的角度测量。

附图说明

图1是背景技术中提到的传统结构光电自准直仪的结构示意图；

图2是实施方式一至五所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置的侧视图；

图3是实施方式五所述的角度发生模块设置在底座及支撑上的俯视图；

图4是实施方式六所述的可动支撑的结构示意图；

图5是实施方式八所述的增加扇形轨道的结构示意图；

图6是实施方式九所述的将第一可动支撑和第二可动支撑均替换为普通支撑，且增加第一偏振分光镜、二维偏转镜架、第二偏振分光镜和第二光电探测器的结构示意图。

其中，1－光源，2－准直物镜，3－固定反射镜，4－分光棱镜，5－第一光电传感器，6－外壳，7－底座及支撑，71－固定支撑，72－第一可动支撑，73－第二可动支撑，74－角度发生模块，75－底座平板，76－扇形轨道，8－第一偏振分光镜，9－二维偏转镜架，10－第二偏振分光镜，11－第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施方式一、参见图2说明本实施方式，本实施方式提供一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，所述装置包括光源1、准直物镜2、固定反射镜3、分光棱镜4、第一光电传感器5和底座及支撑7；

所述光源1发出的光，经过分光棱镜4和准直物镜2透射准直成平行光束，所述平行光束为测量光束；

所述测量光束经固定反射镜3反射、准直物镜2透射、分光棱镜4反射后，汇聚成像在第一光电传感器55的感光平面上；

所述第一光电传感器5用于采集光斑光强数据并获得光斑的位置信息；

所述底座及支撑7用于支撑所述自准直装置；

所述底座及支撑7上设置有角度发生模块74；

所述角度发生模块74用于接受指令并根据指令驱动底座及支撑7底部的可动支撑，实现自准直装置自身在偏航和俯仰两个方向上发生设定好的标准角度变化α与β。

本实施方式在实际应用时，如图2所示，高精度自准直装置包括光源1、准直物镜2、固定反射镜3、分光棱镜4、第一光电传感器5和底座及支撑7；

其中，光源1、分光棱镜4、准直物镜2、固定反射镜3按照图2所示依次摆放在同一轴线上，该轴线为本实施方式所述的自准直装置光学系统的光轴；

光源1位于准直物镜2的焦平面上；分光棱镜4的反射面与光轴呈45°角摆放，沿光轴传播的光束经反射面反射后，光束传输方向改变90°；

第一光电传感器5位于准直物镜2的焦平面上，且中心与光学系统的光轴重合，沿光轴传输的平行光经准直物镜2透射后恰好会聚成像在传感器中心位置。

底座及支撑7用于支撑所述自准直装置，且底座及支撑7包含固定支撑71、第一可动支撑72、第二可动支撑73、和底座平板75；所述固定支撑71和第一可动支撑72、第二可动支撑73呈三角分布，自准直装置重心落在三角几何中心位置；

角度发生装置74固定在底座平板75上，具有驱动第一可动支撑72、第二可动支撑73，使自准直仪发生固定角度偏转的功能；使得角度发生模块74用于接受指令并根据指令驱动第一可动支撑72和第二可动支撑73，实现自准直装置自身在偏航和俯仰两个方向上发生设定好的角度变化α与β，进而实现自准直装置的高度变化和姿态调整。

使得光源1发出的光，经过分光棱镜4、准直物镜2透射准直成平行光束，该平行光束为测量光束。

测量光束经固定反射镜3反射、准直物镜2透射、分光棱镜4反射后，汇聚成像在第一光电传感器5的感光平面上；第一光电传感器5采集光斑光强数据，可由软件算法处理得到光斑的位置信息(x₁,y₁)，根据自准直原理得到固定反射镜3相对于自准直光轴的偏航角α₁与俯仰角β₁，其中f为准直物镜2的焦距；

在自准直角度测量过程中，角度发生模块74接收使用者发出的指令信息，驱动第一可动支撑72、第二可动支撑73的高度发生变化，调整自准直仪底座的姿态，使自准直仪自身在偏航和俯仰两个方向上发生设定好的标准角度变化α与β。

此时，第一光电传感器5采集测量光束会聚成像光斑的位置移动至(x₂,y₂)，根据自准直原理得到当前固定反射镜3相对于自准直光轴的偏航角α2与俯仰角β2

将前后两次测量得到的偏航角与俯仰角相减，得到的差值即为在发生相应的角度变化α与β时，自准直测量到的该角度变化，为：

Δα＝α₂-α₁

Δβ＝β₂-β₁；

将Δα和Δβ与设定好的角度变化α与β进行对比，即可得知自准直装置角度测量系统误差的具体数值，根据此结果对测量数据进行修正，通过修正函数，将自准直测量的角度结果修正回设定好的标准角度，其中f1、f2为修正函数

α＝f₁(Δα)

β＝f₂(Δβ)

该过程实现了自准直装置的自动校准功能，减小了自准直装置本身的测量误差，提高了角度测量的准确性和稳定性。

本实施方式针对传统结构光电自准直装置自身基准容易受到外部因素影响而引入测量误差，缺少有效实时自身校准功能的问题，提出一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，通过在装置内部设置机械结构，即角度发生模块，使得通过机械结构驱动自准直装置主动产生高精度的标准角度变化，并与自准直装置测量姿态变化前后的固定反射镜的角度变化进行对比分析，生成校准函数实现自校准功能，解决现有自准直装置无法独立实现校准问题，从而解决因长期使用、外界冲击等因素导致原始补偿函数失效，精度丢失的问题。

实施方式二、参见图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置中的光源1、分光棱镜4、准直物镜2和固定反射镜3的摆放位置作举例说明；

所述光源1、分光棱镜4、准直物镜2和固定反射镜3依次摆放在同一轴线上。

本实施方式在实际应用时，光源1、分光棱镜4、准直物镜2、固定反射镜3按照图2所示依次摆放在同一轴线上，该轴线为实施方式所述的自准直装置光学系统的光轴。

实施方式三、参见图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置中的光源1和分光棱镜4的具体摆放位置作举例说明；

所述光源1位于所述准直物镜2的焦平面上；

所述分光棱镜4的反射面与所述光轴呈45°角摆放。

本实施方式在实际应用时，如图2所示，光源1位于准直物镜2的焦平面上；分光棱镜4的反射面与光轴呈45°角摆放，沿光轴传播的光束经反射面反射后，光束传输方向改变90°。

实施方式四、参见图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置中的第一光电传感器5的位置作举例说明；

所述第一光电传感器5位于所述准直物镜2的焦平面上，且第一光电传感器5的中心与所述光轴重合。

本实施方式在实际应用时，如图2所示，第一光电传感器5位于准直物镜2的焦平面上，且中心与光学系统的光轴重合，沿光轴传输的平行光经准直物镜2透射后恰好会聚成像在传感器中心位置。

实施方式五、参见图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置中的底座及支撑7作举例说明；

所述底座及支撑7还包括固定支撑71、第一可动支撑72、第二可动支撑73和底座平板75；

所述固定支撑71、第一可动支撑72和第二可动支撑73均设置在所述底座平板75的底部，且固定支撑71与第一可动支撑72和第二可动支撑73呈三角分布；

所述角度发生模块74用于接受指令并根据指令分别驱动第一可动支撑72和第二可动支撑73的高度，实现底座平板75的高度变化和姿态调整。

本实施方式在实际应用时，如图2所示，底座及支撑7用于支撑所述自准直装置，且底座及支撑7包含固定支撑71、第一可动支撑72、第二可动支撑73、和底座平板75；所述固定支撑71和第一可动支撑72、第二可动支撑73呈三角分布，自准直装置重心落在三角几何中心位置；

如图3所示，角度发生装置74固定在底座平板75上，具有驱动第一可动支撑72、第二可动支撑73，使自准直仪发生固定角度偏转的功能；使得角度发生模块74用于接受指令并根据指令驱动第一可动支撑72和第二可动支撑73，实现自准直装置自身在偏航和俯仰两个方向上发生设定好的角度变化α与β，进而实现自准直装置的高度变化和姿态调整。

本实施方式提供一种带有自动校准功能的高精度自准直装置。通过在装置内部设置机械结构，即角度发生模块，使得通过机械结构驱动自准直装置主动产生高精度的标准角度变化，并与自准直装置测量姿态变化前后的固定反射镜的角度变化进行对比分析，生成校准函数实现自校准功能，解决现有自准直装置无法独立实现校准问题，从而解决因长期使用、外界冲击等因素导致原始补偿函数失效，精度丢失的问题。

实施方式六、参见图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置中的第一可动支撑72和第二可动支撑73作举例说明；

所述第一可动支撑72和第二可动支撑73均为双层圆柱结构，且所述第一可动支撑72和第二可动支撑73的底部均为半球形。

本实施方式在实际应用时，如图4所示，第一可动支撑72、第二可动支撑73为双层圆柱结构，具有一定承载能力，底面为半球形；通过角度发生模块74驱动调节高度，带动底座平板75实现高度变化和姿态调整。

实施方式七、参见图2说明本实施方式，本实施方式是在实施方式一所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置的基础上增加外壳6；

所述外壳6设置在所述底座及支撑7上。

实施方式八、参见图5说明本实施方式，本实施方式是在实施方式六所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置的基础上增加扇形轨道76；

所述第一可动支撑72和第二可动支撑73设置在所述扇形轨道76内。

本实施方式在实际应用时，如图5所示，添加扇形轨道76后，第一可动支撑72和第二可动支撑73的两支脚能够在接收到角度发生模块74发送的信号后，在扇形轨道76范围内进行偏转方向上的调整以及俯仰方向上的角度变化，从而实现了自准直仪在偏航方向和俯仰方向上的自动校准。

实施方式九、参见图6说明本实施方式，本实施方式是在实施方式六所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置的基础上增加第一偏振分光镜8、二维偏转镜架9、第二偏振分光镜10和第二光电探测器11，且所述第一可动支撑72和第二可动支撑73均替换为普通支撑；

所述光源1发出的光，经过分光棱镜4、准直物镜2透射准直成平行光束后，经过第一偏振分光镜8反射的光束为参考光束，所述参考光束经二维偏转镜架9反射、第一偏振分光镜8反射、准直物镜2透射、分光棱镜4反射和第二偏振分光镜10反射后，汇聚成像在第二光电传感器11的感光平面上；

所述第二光电传感器11用于采集参考光束会聚成像光斑的位置；

所述角度发生模块74用于控制二维偏转镜架9发生指定的偏航角与俯仰角角度变化α、β。

本实施方式在实际应用时，如图6所示，将第一可动支撑72和第二可动支撑73均替换为普通支撑，且增加第一偏振分光镜8，二维偏转镜架9，第二偏振分光镜10，第二光电探测器11；

使得光源1发出的光，经过分光棱镜4、准直物镜2透射准直成平行光束后，经过第一偏振分光镜8反射的光束为参考光束，经二维偏转镜架9反射、第一偏振分光镜8反射、准直物镜2透射、分光棱镜4反射、第二偏振分光镜10反射，汇聚成像在第二光电传感器11的感光平面上；第二光电传感器11采集参考光束会聚成像光斑的位置(x₂,y₂)，根据自准直原理得到当前自准直仪光轴相对于二维偏转镜架9水平面基准法向量的偏航角α2与俯仰角β2。

在校准过程中，利用角度发生模块74控制二维偏转镜架9发生指定的偏航角与俯仰角角度变化α、β，并将该角度与自准直仪的测量角度α2、β2比较并相减，即可得到自准直仪自身角度测量的误差。

该方法改变了标准角度的发生机构，并将装置转移到了仪器内部。相比于可动支撑结构，该装置的校准精度依托于二维偏转镜架的偏转精度。二维偏转镜架可以利用市面上已有的产品进行改装，减少了手动调试过程中的误差，提高了校准装置的精度。

本实施方式提供的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，通过在自准直装置内放置高精度的二维偏转镜架，自准直参考光束实现全量程范围内的标准角度测量并计算角度测量误差，通过生成的误差补偿函数实现自准直角度测量误差的补偿，增加了自准直的自校准功能，使自准直装置定期校准与检查更方便，解决现有自准直装置安装后不便拆卸，自身测量基准变化无法进行监测与校准的问题。

实施方式是十、本实施方式提供一种带有自动校准功能的高精度自准直测量方法，所述方法是基于实施方式一至实施方式九任意一项所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置实现的，所述方法为：

S1、完成自准直装置的准备工作；

S2、测量光束经固定反射镜反射后，会聚成像在第一光电传感器上的光斑偏离感光区域中心的距离为Δx1，Δy1，计算得到固定反射镜相对于自准直光轴的偏航角α1与俯仰角β1；

S3、向角度发生模块发送信号驱动第一可动支撑和第二可动支撑，使自准直装置在偏航和俯仰两个方向上变化设定好的角度α和β；

S4、自准直装置姿态发生变化后，测量光束重新会聚成像在第一光电传感器上的光斑偏离感光区域中心的距离Δx2，Δy2，计算得到固定反射相对于自准直光轴的偏航角α2与俯仰角β2；

S5、得到自准直装置姿态变化前后，由自准直测量得到的固定反射镜相对于自准直装置光轴的偏航角变化α3＝α2-α1和俯仰角变化β3＝β2-β1；

S6、根据自准直原理，α3和β3为自准直装置测量得到的自身偏航角和俯仰角的角度变化，得到自准直装置自身角度测量的误差为Δα＝α3-α、Δβ＝β3-β；

S7、根据所述Δα和Δβ，得到自准直装置的修正函数f3和f4；

S8、根据所述修正函数f3和f4，将自准直装置测量的角度修正为实际发生的标准角度变化并进行测量结果的输出。

本实施方式在实际应用时，具体测量方法为：

步骤a、将固定反射镜3设置合适的位置和偏转角度，将自准直装置对准固定反射镜3反射面；

步骤b、开机，自准直装置工作，如果：

(1)自准直装置不显示固定反射镜3的角度测量结果，则光束成像在光电传感器感光区域外，手动调节自准直装置位置及姿态，使自准直装置显示角度测量结果，进入步骤c；

(2)自准直装置显示被测反射镜3的角度测量结果，则光束成像在光电传感器感光区域内，固定反射镜3角度变化均在自准直装置量程内，进入步骤c；

步骤c、自准直装置静置一段时间并进行充分预热，测量光束经固定反射镜3反射后，会聚成像在光电传感器5，成像光斑偏离感光区域中心的距离Δx1，Δy1，计算得到此时得到固定反射镜3相对于自准直光轴的偏航角α1与俯仰角β1，α1＝f1(Δx1)，β1＝f2(Δy1)，其中f1、f2表示两个函数；

步骤d、对角度发生模块74发送信号，驱动第一可动支撑72、第二可动支撑73，使自准直仪姿态变化，在偏航和俯仰两个方向上变化设定好的角度α和β。

步骤e、当自准直仪的姿态发生变化后，固定反射镜3相对于自准直仪光轴的偏航角与俯仰角发生变化，测量光束重新会聚成像在光电传感器5，得到成像光斑偏离感光区域中心的距离Δx2，Δy2，计算得到此时得到固定反射镜3相对于自准直光轴的偏航角α2与俯仰角β2，α2＝f1(Δx2)、β2＝f2(Δy2)，其中f1、f2为步骤c中定义的两个函数。

步骤f、得到自准直仪姿态变化前后，由自准直测量得到的固定反射镜3相对于自准直仪光轴的偏航角与俯仰角变化角度为α3和β3，α3＝α2-α1、β3＝β2-β1。

步骤g、根据自准直原理，α3和β3即为自准直仪测量得到的自身偏航角和俯仰角的角度变化，自准直仪自身角度测量的误差为Δα和Δβ，Δα＝α3-α、Δβ＝β3-β。

步骤h、得到自准直装置的修正函数f3、f4，有α＝f3(Δα)、β＝f4(Δβ)，可以将自准直装置测量的角度修正为实际发生的标准角度变化并进行测量结果的输出与显示。

针对传统结构光电自准直装置自身基准容易受到外部因素影响而引入测量误差，缺少有效实时自身校准功能的问题，本实施方式提供一种带有自动校准功能的高精度自准直测量方法，首先得到姿态变化前反射镜相对于自准直光轴的偏航角和仰俯角，然后通过角度发生模块驱动自准直装置主动产生高精度的标准角度变化，并与自准直装置测量姿态变化前后的固定反射镜的角度变化进行对比分析，生成校准函数实现对自准直装置测量的角度修正，将自准直装置测量的角度修正为实际发生的标准角度变化并进行测量结果的输出。解决现有自准直装置测量方法存在无法独立实现校准问题，从而解决因长期使用、外界冲击等因素导致原始补偿函数失效，精度丢失的问题。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述装置包括光源(1)、准直物镜(2)、固定反射镜(3)、分光棱镜(4)、第一光电传感器(5)和底座及支撑(7)；

所述光源(1)发出的光，经过分光棱镜(4)和准直物镜(2)透射准直成平行光束，所述平行光束为测量光束；

所述测量光束经固定反射镜(3)反射、准直物镜(2)透射、分光棱镜(4)反射后，汇聚成像在第一光电传感器(5)的感光平面上；

所述第一光电传感器(5)用于采集光斑光强数据并获得光斑的位置信息；

所述底座及支撑(7)用于支撑所述自准直装置；

所述底座及支撑(7)上设置有角度发生模块(74)；

所述角度发生模块(74)用于接受指令并根据指令驱动底座及支撑(7)底部的可动支撑，实现自准直装置自身在偏航和俯仰两个方向上发生设定好的标准角度变化α与β。

2.根据权利要求1所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述光源(1)、分光棱镜(4)、准直物镜(2)和固定反射镜(3)依次摆放在同一轴线上。

3.根据权利要求2所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述轴线为自准直装置光学系统的光轴；

所述光源(1)位于所述准直物镜(2)的焦平面上；

所述分光棱镜(4)的反射面与所述光轴呈45°角摆放。

4.根据权利要求3所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述第一光电传感器(5)位于所述准直物镜(2)的焦平面上，且第一光电传感器(5)的中心与所述光轴重合。

5.根据权利要求1所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述底座及支撑(7)还包括固定支撑(71)、第一可动支撑(72)、第二可动支撑(73)和底座平板(75)；

所述固定支撑(71)、第一可动支撑(72)和第二可动支撑(73)均设置在所述底座平板(75)的底部，且固定支撑(71)与第一可动支撑(72)和第二可动支撑(73)呈三角分布；

所述角度发生模块(74)用于接受指令并根据指令分别驱动第一可动支撑(72)和第二可动支撑(73)的高度，实现底座平板(75)的高度变化和姿态调整。

6.根据权利要求5所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述第一可动支撑(72)和第二可动支撑(73)均为双层圆柱结构，且所述第一可动支撑(72)和第二可动支撑(73)的底部均为半球形。

7.根据权利要求1所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述装置还包括外壳(6)；

所述外壳(6)设置在所述底座及支撑(7)上。

8.根据权利要求6所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述装置还包括扇形轨道(76)；

所述第一可动支撑(72)和第二可动支撑(73)设置在所述扇形轨道(76)内。

9.根据权利要求6所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置，其特征在于，所述装置还包括第一偏振分光镜(8)、二维偏转镜架(9)、第二偏振分光镜(10)和第二光电探测器(11)，且所述第一可动支撑(72)和第二可动支撑(73)均替换为普通支撑；

所述光源(1)发出的光，经过分光棱镜(4)、准直物镜(2)透射准直成平行光束后，经过第一偏振分光镜(8)反射的光束为参考光束，所述参考光束经二维偏转镜架(9)反射、第一偏振分光镜(8)反射、准直物镜(2)透射、分光棱镜(4)反射和第二偏振分光镜(10)反射后，汇聚成像在第二光电传感器(11)的感光平面上；

所述第二光电传感器(11)用于采集参考光束会聚成像光斑的位置；

所述角度发生模块(74)用于控制二维偏转镜架(9)发生指定的偏航角角度变化α与俯仰角角度变化β。

10.一种带有自动校准功能的高精度自准直测量方法，其特征在于，所述方法是基于权利要求1-9任意一项所述的一种带有自动校准功能的高精度自准直装置实现的，所述方法为：

S1、完成自准直装置的准备工作；

S2、测量光束经固定反射镜反射后，会聚成像在第一光电传感器上的光斑偏离感光区域中心的距离为Δx1，Δy1，计算得到固定反射镜相对于自准直光轴的偏航角α1与俯仰角β1；

S3、向角度发生模块发送信号驱动第一可动支撑和第二可动支撑，使自准直装置在偏航和俯仰两个方向上变化设定好的角度α和β；

S4、自准直装置姿态发生变化后，测量光束重新会聚成像在第一光电传感器上的光斑偏离感光区域中心的距离Δx2，Δy2，计算得到固定反射相对于自准直光轴的偏航角α2与俯仰角β2；

S5、得到自准直装置姿态变化前后，由自准直测量得到的固定反射镜相对于自准直装置光轴的偏航角变化α3＝α2-α1和俯仰角变化β3＝β2-β1；

S6、根据自准直原理，α3和β3为自准直装置测量得到的自身偏航角和俯仰角的角度变化，得到自准直装置自身角度测量的误差为Δα＝α3-α、Δβ＝β3-β；

S7、根据所述Δα和Δβ，得到自准直装置的修正函数f3和f4；

S8、根据所述修正函数f3和f4，将自准直装置测量的角度修正为实际发生的标准角度变化并进行测量结果的输出。