可变长度光电基准尺与测试方法技术领域
本发明涉及精密测量仪器，特别涉及用于激光经纬仪系统定向校准的一种“可变长度”
光电基准尺。
背景技术
随着航空航天、船舶工程、轨道交通、电力、汽车等装备制造业水平的提高，在大尺寸
范围内对单点坐标、几何尺寸及曲面特征等的现场、快速、精密测量已成为工业测量的研究
热点和难点。随着具备伺服驱动和激光瞄准等功能的激光经纬仪的出现，为实现现场、自动、
大空间坐标尺寸测量提供了新的途径。
无论是传统经纬仪还是激光经纬仪，单台设备只能实现角度测量，为实现空间坐标测量，
至少需要两台或两台以上的设备组成坐标测量系统。在系统组建过程中，基准尺是一个关键
的定向校准部件，提供长度基准，以确定系统定向参数解算中平移向量的比例因子。传统基
准尺是在一基准杆的两端刻画“十”字或其它形状的标志，两标志间的距离为基准长度，该
长度值可利用双频激光干涉仪等设备预先测定。系统定向时，通过经纬仪的望远目镜人工瞄
准基准尺的两端标志。但激光经纬仪与传统经纬仪不同，其视准轴为一与望远镜光轴同轴的
准直激光光束，或望远镜直接被准直激光器所取代。因此，无法通过人工瞄准传统基准尺的
方式进行系统定向校准。但可以利用激光经纬仪视准轴为一准直激光光束的特点，构建一种
“可变长度”光电基准尺，以满足激光经纬仪系统定向的需要。
发明内容
为克服现有技术的不足，满足激光经纬仪系统定向校准的需要，本发明的目的在于：提
供一种“可变长度”光电基准尺，当激光经纬仪的激光视准轴交会于基准尺两端的面型光电
接收器上时，该基准尺可为激光经纬仪系统定向提供“可变”的基准长度。为此，本发明采
用的技术方案是，“可变长度”光电基准尺,结构为:由热膨胀系数小的材料制作基准杆，在
基准杆的两端固定安装位置光电接收器PSD(PositionSensitiveDetector)；基准尺数据处理模
块，用于向PSD供电、数据存储、数据处理及无线数据传输；位置光电接收器PSD与基准
尺数据处理模块相连接。
制作基准杆的材料为热膨胀系数小的碳纤维或殷钢。
“可变长度”光电基准尺测量方法，利用热膨胀系数小的材料制作成基准杆，在基准杆
的两端固定安装位置光电接收器PSD(PositionSensitiveDetector)；控制激光经纬仪的激光视
准轴光束交会于PSD感光靶面上，产生光电效应，位置光电接收器PSD输出光束照射位置
信息给基准尺数据处理模块；设基准杆两端各安装一个位置光电接收器为PSD1和PSD2，激
光经纬仪在PSD1上的交会点为左交会点，在PSD2上的交会点为右交会点，左交会点在PSD1
中的位置信息可由PSD1和基准尺硬件数据处理模块提供，右交会点在PSD2中的位置信息
可由PSD2和基准尺数据处理模块提供，若已知PSD1和PSD2之间的位姿关系，则通过计算
得到左、右交会点间的空间距离，即为此刻光电基准尺所提供的长度。
设外部标定仪器设备的坐标系为ow-xwywzw，PSD1坐标系为o1-x1y1z1，PSD2坐标系为
o2-x2y2z2，以外部标定仪器设备坐标系ow-xwywzw为中介，建立PSD1与PSD2之间的位姿
关系；
若PSD1坐标系o1-x1y1z1到中介坐标系ow-xwywzw的转换关系为M1，PSD2坐标系
o2-x2y2z2到中介坐标系ow-xwywzw的转换关系为M2，则PSD1与PSD2之间的位姿关系为
M r = M 1 - 1 · M 2 ]]>
若右交会点P2在o2-x2y2z2坐标系下的坐标为则根据两PSD间的位姿关系，求得
P2在o1-x1y1z1坐标系下的坐标：
P 2 l = M r · P 2 r ]]>
若左交会点P1在o1-x1y1z1坐标系下的坐标为则左、右交会点的空间距离为：
l = | | P 1 l - P 2 l | | ]]>
此空间距离l即为此刻基准尺的长度。
本发明的特点及有益效果是：
本发明在传统基准尺无法满足激光经纬仪系统定向校准需要的情况下，利用激光经纬仪
视准轴为一准直激光光束的特点，基于位置光电接收器构建了一种“可变长度”光电基准尺。
该基准尺适用于激光经纬仪的系统定向校准，具备“可变”长度的解算和无线传输等功能。
附图说明：
图1为“可变长度”光电基准尺结构示意图。
图2为两PSD位姿关系示意图。
具体实施方式
本发明采用的技术方案是：
基于面型光电接收器构建“可变长度”光电基准尺，并进一步包括下列步骤：
以碳纤维或殷钢等热膨胀系数小的材料制作基准杆；
在基准杆的两端固定安装位置光电接收器PSD(PositionSensitiveDetector，位置敏感器
件)；
连接PSD与基准尺数据处理模块，该模块具备PSD供电、数据存储、数据处理及无线
数据传输等功能；
标定两PSD之间的位姿关系，并将位姿关系参数存储在基准尺数据处理模块中；
激光经纬仪的激光视准轴光束交会于PSD感光靶面上时，产生光电效应，输出光束照射
位置信息给基准尺数据处理模块；
根据交会光束在两端PSD上的位置信息和预先存储的两PSD之间的位姿关系参数，计
算两交会点的空间距离，即为此刻基准尺的长度；
长度信息通过基准尺数据处理模块无线传输给计算机进行系统定向参数解算。
每次基准尺测量时，激光经纬仪光束交会的位置都不尽相同，因此，该光电基准尺提供
的长度信息是可变的，但与此刻交会位置是对应的。满足了激光经纬仪系统定向校准中基准
尺测量的需要。
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明提供一种全新的“可变长度”光电基准尺。两台或两台以上的激光经纬仪通过系统
定向校准可以组建空间坐标测量系统，系统定向校准时基准长度的测量是一个必须的环节，
通常基于对基准尺的测量来完成。但对于激光经纬仪来说，无法通过人工瞄准传统基准尺的
方式来实现。本发明基于位置光电接收器构建了一种可用于激光经纬仪系统定向校准的“可
变长度”光电基准尺。
如图1所示为“可变长度”光电基准尺的结构示意图。中间部分为基准杆，由碳纤维或
殷钢等热膨胀系数小的材料制作。基准杆两端各安装一个位置光电接收器PSD1和PSD2。若
激光经纬仪在PSD1上的交会点为左交会点，在PSD2上的交会点为右交会点，则左、右交
会点间的空间距离即为此刻光电基准尺的长度。由于每次基准尺测量时，激光经纬仪光束交
会的位置都不尽相同，因此，该光电基准尺提供的长度信息是可变的，但与此刻的交会位置
是相对应的。左交会点在PSD1中的位置信息可由PSD1和基准尺硬件数据处理模块提供，
右交会点在PSD2中的位置信息可由PSD2和基准尺数据处理模块提供，若已知PSD1和PSD2
之间的位姿关系，则可计算得到左、右交会点间的空间距离，即为此刻光电基准尺所提供的
长度。
如图2所示，为PSD1和PSD2间的位姿关系示意图。PSD为二维光电位置传感器，可
以提供照射到靶面上光斑的二维位置坐标。但基准尺的长度信息来源于相互独立的PSD1和
PSD2上两个光斑的位置信息，因此，必须利用两PSD之间的位姿关系对两光斑位置信息进
行坐标系的统一，从而得到两点间的空间距离。PSD1和PSD2之间的位姿关系可通过坐标测
量机等仪器设备标定完成。设外部标定仪器设备的坐标系为ow-xwywzw，PSD1坐标系为
o1-x1y1z1，PSD2坐标系为o2-x2y2z2，以外部标定仪器设备坐标系ow-xwywzw为中介，可建
立PSD1与PSD2之间的位姿关系。
若PSD1坐标系o1-x1y1z1到中介坐标系ow-xwywzw的转换关系为M1，PSD2坐标系
o2-x2y2z2到中介坐标系ow-xwywzw的转换关系为M2，则PSD1与PSD2之间的位姿关系为
M r = M 1 - 1 · M 2 ]]>
若右交会点P2在o2-x2y2z2坐标系下的坐标为则根据两PSD间的位姿关系，可求
得P2在o1-x1y1z1坐标系下的坐标
P 2 l = M r · P 2 r ]]>
若左交会点P1在o1-x1y1z1坐标系下的坐标为则左、右交会点的空间距离为
l = | | P 1 l - P 2 l | | ]]>
此空间距离l即为此刻基准尺的长度。