相位编码型铟瓦水准标尺视觉检测方法研究

    1　条码铟瓦尺的编码原则和测量原理分析

    条码尺的编码原则确定了标尺上分划线纹的尺寸和位置,Topcon水准标尺采用有参考条码的相位法编码,图1所示为Topcon型铟瓦水准尺上的部分条码图案。

    采用相位编码方法的Topcon标尺上有A、B、R三种不同的条码。R为由三条2 mm宽的条和两条1 mm宽的空组成的复合码,在标尺上以30 mm间隔重复出现,是参考条码;A、B两条码的宽度是1～9 mm变量,是信息码,A、B条码的宽度组合包含了测量中的高程信息。

　　信息条码A、B的宽度沿标尺长度方向分别以不同的周期按正弦规律变化,如图2所示。当标尺长度小于两信号周期的最小公倍数表示的长度时,A、B之间的相位差与标尺上高程h具有一一对应的关系。由于编码型水准标尺上A、B尺寸为空间离散值,因此仅根据条码宽度A、B还不能直接测得标尺上的任意位置的高程h。由分析可知:

h=k×30 +s　(mm) (1)

    式中,k表示R条码的序号,由相邻A、B条码宽度组合唯一确定。在标尺长度范围内,A、B组合之间差异具有显著性,因此无须对A、B宽度精确测量即可准确确定k值。s表示被测位置距离第k个参考条码中心的距离,在R右侧取“+”号,否则取“-”号。

    因此在水准测量中,瞄准水准标尺上任意30 mm长度,根据式(1)即可唯一确定水准标尺上瞄准位置的高程。码中心位置的分划精度是影响视线高程测量准确度的主要因素,是Topcon型水准尺分划检测的重要指标,对标尺上R码的中心进行瞄准测量是水准标尺检测的关键。在水准标尺上,需要根据2 mm的信息条纹与相邻条纹中心的间距特征判断确定R码的中心,本文所提出的采用计算机视觉瞄准方法实现线纹中心的检测,不需要瞄准分划线纹的中心,即可准确确定R条纹中心的位置。

    2　图像法标尺分划线纹的瞄准检测及系统组成

    选用波长为0.632 8Lm稳频的氦-氖激光器构成的双频激光干涉仪检测水准标尺的分划精度。条码型水准标尺分划误差检测系统主要由承载铟瓦水准标尺水平平稳移动的测量工作台、双频激光干涉仪、图像采集系统和计算机系统等几部分组成,原理如图3所示。

    根据阿贝误差原则,将水准标尺固定在移动测量工作台上,双频激光干涉仪的测量反射棱镜固定在标尺架上,其光轴与标尺轴线相重合。测量工作台携带标尺移动过程中,双频激光干涉仪进行实时位移D的测量。图像采集系统用于采集所瞄准铟瓦标尺的条纹图像并向计算机传送,由计算机软件处理获取被测R条纹的中心位置与视场中瞄准标志位置(设以视场左边界作为瞄准标志)间的距离L,结合双频激光干涉测长结果,则被测量R条纹的中心在标尺上的位置P表示为: