一种跨区域高精度空间坐标基准体系的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种跨区域高精度空间坐标基准体系，其包括零级基准、一级基准和二级基准，其中零级基准包括零级基准面、零级基准线和区域坐标体系，区域坐标体系包括区域体系、坐标体系，其中所述区域体系包括均呈立方体轮廓的激光实验区、编组站区和物理实验区，其中所述物理实验区中心设有一球形的靶室；所述坐标体系包括整体坐标系，以及通过该整体坐标系建立的物理区坐标系、激光实验区坐标系和编组站坐标系。本发明通过相互关联的空间坐标系组来搭建基准体系，为实现“跨区域并行作业”和“离线-在线”精确复位等高效率、高精度的集成安装技术提供了可靠的保障，极大的提高了大型装置的建设效率。
【专利说明】一种跨区域高精度空间坐标基准体系
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间坐标测量领域涉及，尤其涉及一种跨区域高精度空间坐标基准体系及其建立方法。
【背景技术】
[0002]随着国内外对ICF研究的不断深入，大型高功率固体激光器建设的竞争日益激烈。国外典型的大型高功率固体激光器有美国的NIF (国家点火计划)和法国的LMJ (兆焦耳激光器)。与单程放大、圆形通光口径、单光束的一代固体激光装置相比，这些以多程放大、方口径光束、甚多束集成为代表的二代固体激光装置的规模更大，集成度、技术复杂性、精度要求也更高。外加集成建设周期的限制，集成建设阶段要求实现“跨区并行作业”以及LRUs模块的“离线-在线”精确复位等技术。这些技术的实现都依赖于高精度空间基准体系的建立以及对个光机模块空间坐标的精确定位，即建立集成安装的“标尺”。该方法针对现有集成安装技术中安装效率低，调试时间长，整体安装精度难以保证以及无法实现LRUs模块的“离线-在线”精确复位等问题，建立大跨度高精度空间坐标基准体系，为实现“跨区并行作业”以及LRUs模块的“离线-在线”精确复位等技术提供可靠的基准保障。
[0003]国内已有的大型高功率固体激光器的安装集成均采用基于准直光源的方法，该方法首先根据设计的光轴，在待调整的光机系统两端各放置一个小孔，并用激光跟踪仪测量两个小孔，对两个小孔的位置进行调整，使得由两个小孔确定的直线与设计的光轴重合。准直光源置于五维精密调整台上，调整五维精密调整台，使得准直光源的出射光通过待调整光机系统前后两端的小孔，即使得准直光源的光轴与设计光轴重合。根据光路上光学元件的排序，将第一个光机模块放入到待调整的光机系统中，并调整使得准直光源的出射光仍能通过小孔。调整完之后放入下一个光学元件进行调整，直至完成光路上所有光学元件的装调。该方法的优点是结构简单，能够快速搭建单束光的基准。首先由于准直光源不可避免地存在较大的漂移等误差，该方式建立的基准需要经常调整。如果应用在甚多束的二代固体激光装置中，每一束组都需要一个准直光源，结构显得复杂，而且准直光源的调试时间也会因此变得很长，严重影响安装效率。其次是这种集成方式一般情况下只能沿着光路顺次安装，很难实现跨区域并行作业。最后是以准直光源为基准的集成方式无法实现LRUs模块的离线-在线精确复位，也就无法使用LRUs离线-在线这种高效模块化的集成方式。
【发明内容】
[0004]本发明要解决针对现有集成安装技术存在安装效率低，调试时间长，整体安装精度难以保证以及无法实现LRUs模块的“离线-在线”精确复位等问题的问题，克服现有技术的上述缺陷，提供一种跨区域高精度空间坐标基准体系及其建立方法。
[0005]为解决上述技术问题，本跨区域闻精度空间坐标基准体系包括零级基准、一级基准和二级基准，其中零级基准包括零级基准面、零级基准线和区域坐标体系，区域坐标体系包括区域体系、坐标体系，其中所述区域体系包括均呈长方体轮廓的激光实验区、编组站区和物理实验区，其中所述物理实验区中心设有一球形的靶室；所述坐标体系包括整体坐标系，以及通过该整体坐标系建立的物理区坐标系、激光实验区坐标系和编组站坐标系。
[0006]所述零级基准面包括六个基准平面一Plane (_2)、Plane (_l)、Plane (0)、Plane
(1)、Plane(2)、Plane (3),其中 Plane (-2)、Plane (-1)、Plane (0)、Plane (I)、Plane
(2)为物理实验区(3)和编组站区(2)所组成五层建筑中每层内的安装基准水平面，每个基准平面间距4m，Plane (3)为激光实验区的安装基准面，距离地面7m，所述零级基准线包括 Line (Al)>Line (A2)>Line (A3)>Line (A4)>Line (A5)>Line (A6)>Line (BI)>Line(BI)，其中Line (Al)至Line (A6)位于安装基准水平面Plane (3)上，且相互平行，间距
3.5m，分别为6个束组，每束组含8束平行光箱体的安装基准，安装基准线Line (BI),Line(B2)位于安装基准水平面Plane (3)上，且与Line (Al)垂直，间距65m，其中Line (BI)到激光实验区原点距离为20m，是束组上关键系统在X轴方向上的安装基准。
[0007]所述一级基准包括一级控制点和一级水准点，由零级基准细化，得到每一束组内每束光线的光轴。
[0008]所述二级基准由一级基准细化，以光束的光轴和轴向的安装基准建立每束光上每一个模块的安装基准。
[0009]本跨区域高精度空间坐标基准体系的建立方法包括以下步骤，
[0010]步骤1:首先将激光跟踪仪架设在理论靶室球心附近，对靶室进行测量，拟合得到实际的靶室球心位置，并将激光跟踪仪架设到实际的靶室球心位置，对靶室进行再次测量，重新拟合靶室球心位置，直到靶室球心位置与跟踪仪原点位置重合，将此重合点定为原点，以所述原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系，该笛卡尔坐标系即为所述整体坐标系；
[0011]步骤2:以所述整体坐标系为基础，即以整体坐标系原点为原点、以整体坐标系X轴为极轴、Y轴为方位角方向、Z轴为方位角方向建立球面坐标系，该球面坐标系即为物理区坐标系；
[0012]步骤3:用跟踪仪完成对激光实验区和编组站区的原点的定位，并通过整体坐标系分别平移至激光实验区原点和编组站区原点，形成两个笛卡尔坐标系，即激光实验区坐标系和编组站区坐标系；
[0013]各区域坐标系建立完成之后可以得到整体坐标系与物理实验区坐标系、激光实验区坐标系、编组站区坐标系之间的转换关系，并形成区域体系；
[0014]步骤4:在区域体系内依靠坐标体系建立零级基准面Plane (_2)、Plane (_1)、Plane (0)> Plane (I)> Plane (2)、Plane (3),其中 Plane (~2)> Plane (-1 )> Plane (0)、Plane (l)、Plane (2)为物理实验区和编组站区所组成五层建筑中每层内的安装基准水平面，每个基准平面间距4m，Plane (3)为激光实验区的安装基准面，距离地面7m ；
[0015]步骤5:在零级基准面内设置零级基准线Line (Al)、Line (A2)、Line (A3)、Line(A4)>Line (A5)>Line (A6)>Line (BI)>Line (BI),其中 Line (Al)至 Line (A6)位于安装基准水平面Plane (3)上，且相互平行，间距3.5m,分别为6个束组，每束组含8束平行光箱体的安装基准，安装基准线Line (BI),Line (B2)位于安装基准水平面Plane (3)上，且与Line (Al)垂直，间距65m，其中Line (BI)到激光实验区原点距离为20m，是束组上关键系统在X轴方向上的安装基准；
[0016]整体坐标系、物理区坐标系、激光实验区坐标系和编组站坐标系构成区域坐标体系，区域坐标体系与零级基准面、零级基准线构成零级基准；
[0017]步骤6:将零级基准细化，建立一级控制点和一级水准点得到每一束组内每束光线的光轴，建立一级基准；
[0018]步骤7:将一级基准细化，以光束的光轴和轴向的安装基准建立每束光上每一个模块的安装基准，建立二级基准；
[0019]零级基准、一级基准和二级基准构成本跨区域闻精度空间坐标基准体系体系。
[0020]作为优化，为了减小零级基准建立过程中的误差，工程中还采用了一系列的控制措施:
[0021]1、在通视条件好、测量范围大的位置设置站点，减少移站次数。并采用光束平差法进行处理，减少测量过程中激光跟踪仪(或者全站仪等)的移站误差；
[0022]2、移站时使用的参考点(激光跟踪仪或者全站仪等)移站后的位姿与移站前的位姿之间的关系可以通过移站前后对某些移站前后均可观察到的参考点的测量确定)空间分布均匀，参考点通常为一个正四面体(根据移站前后均可观察到的区域的大小和放置参考点的空间大小选择合适的尺寸)的四个顶点，从而避免参考点出现三点共线，四点共面的情况；
[0023]3、整体测量中尽量减少误差来源，用尽量大的区域建立坐标系。例如在激光实验区建立坐标轴时选用长度最长(约125m)的方向，选取距离较远(约120m)的两个点建立X轴，而不是选用宽度方向(约20m)建立Y轴。
[0024]对于基准体系精度校验方法:
[0025]由于基准体系的精度是整台装置安装调试的唯一参考，而大跨度的精密测量易受到环境的影响，仪器的测量精度受限，因此需要采取各种措施对基准体系的精度进行校验。
[0026]1、区域连接点多区域多路径重复测量，减小误差:由于该基准体系是建立在各个不直接相通的区域之间的，在各个区域相连接点要求从不同区域、不同的路径对同一点进行多次测量，拟合球心的方法得到该点在区域整体坐标系中的坐标，从而避免各区域连接点的坐标存在较大误差。
[0027]2、多种精密仪器指标分解复核:基准建立后，用不同的仪器针对不同的控制变量进行复核。例如用可见光源建立可视化光路复核关键的水平线基准，用精密水准仪复核关键的水平面复核。
[0028]3、激光准直光轴校核:根据基准体系安装器件后在需要较高精度的位置搭建准直光源，直观地分析器件的相对位置是否安装到位，从而实现基准的精度进行复核。
[0029]4、区域性重复测量:器件安装后，通过对一些局部尺寸进行测量并与设计值进行比较，分析基准的建立是否满足精度要求。例如根据各系统安装基准建立剪力墙后，可以对剪力墙之间的距离，剪力墙的尺寸等测量，分析剪力墙的空间位置精度，从而分析与其相关的基准线/面的精度。
[0030]本发明一种跨区域高精度空间坐标基准体系通过建立一可以充分满足需要的相互关联的空间坐标系组作为基础来搭建的精细准确的基准体系，为实现“跨区域并行作业”和“尚线_在线”精确复位等闻效率、闻精度的集成安装技术提供了可罪的保障，极大的提高了大型装置的建设效率。【专利附图】
【附图说明】
[0031]下面结合附图对本发明一种跨区域高精度空间坐标基准体系作进一步说明:
[0032]图1是本跨区域闻精度空间坐标基准体系的区域坐标体系不意图；
[0033]图2是本跨区域高精度空间坐标基准体系的零级基准组成示意图；
[0034]图3是本跨区域高精度空间坐标基准体系的零级基准细化示意图。
[0035]图中:1-激光实验区、2-编组站区、3-物理实验区、4-靶室。
【具体实施方式】
[0036]本跨区域闻精度空间坐标基准体系包括零级基准、一级基准和二级基准，其中零级基准包括零级基准面、零级基准线和区域坐标体系，区域坐标体系包括区域体系、坐标体系，其中所述区域体系包括均呈长方体轮廓的激光实验区1、编组站区2和物理实验区3，其中所述物理实验区3中心设有一球形的靶室(4);所述坐标体系包括整体坐标系，以及通过该整体坐标系建立的物理区坐标系、激光实验区坐标系和编组站坐标系。所述零级基准面包括六个基准平面一Plane (_2)、Plane (_1)、Plane (O)、Plane (I)、Plane (2)、Plane
(3)，其中 Plane (-2)、Plane (-1)、Plane (0)、Plane (I)、Plane (2)为物理实验区(3)和编组站区(2)所组成五层建筑中每层内的安装基准水平面，每个基准平面间距4m，Plane
(3)为激光实验区(I)的安装基准面，距离地面7m，所述零级基准线包括Line (Al)、Line(A2)、Line (A3)、Line ( A4)、Line (A5)、Line (A6)、Line (BI)>Line (BI),其中 Line (Al)至Line (A6)位于安装基准水平面Plane (3)上，且相互平行，间距3.5m，分贝为6个束组，每束组含8束平行光箱体的安装基准，安装基准线Line (BI)、Line (B2)位于安装基准水平面Plane (3)上,且与Line (Al)垂直，间距65m,其中Line (BI)到激光实验区原点距离为20m，是束组上关键系统在X轴方向上的安装基准。所述一级基准包括一级控制点和一级水准点，由零级基准细化，得到每一束组内每束光线的光轴。所述二级基准由一级基准细化，以光束的光轴和轴向的安装基准建立每束光上每一个模块的安装基准。
[0037]本跨区域高精度空间坐标基准体系的建立方法包括以下步骤，
[0038]步骤1:首先将激光跟踪仪架设在理论靶室4球心附近，对靶室4进行测量，拟合得到实际的靶室4球心位置，并将激光跟踪仪架设到实际的靶室4球心位置，对靶室4进行再次测量，重新拟合靶室4球心位置，直到靶室4球心位置与跟踪仪原点位置重合，将此重合点定为原点，以所述原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系，该笛卡尔坐标系即为所述整体坐标系；
[0039]步骤2:以所述整体坐标系为基础，即以整体坐标系原点为原点、以整体坐标系X轴为极轴、Y轴为方位角方向、Z轴为方位角方向建立球面坐标系，该球面坐标系即为物理区坐标系；
[0040]步骤3:用跟踪仪完成对激光实验区I和编组站区2的原点的定位，并通过整体坐标系分别平移至激光实验区原点和编组站区原点，形成两个笛卡尔坐标系，即激光实验区坐标系和编组站区坐标系；
[0041]各区域坐标系建立完成之后可以得到整体坐标系与物理实验区坐标系、激光实验区坐标系、编组站区坐标系之间的转换关系，并形成区域体系；
[0042]步骤4:在区域体系内依靠坐标体系建立零级基准面Plane (_2)、Plane (_1)、Plane (0)> Plane (I)> Plane (2)> Plane (3),其中 Plane (~2)> Plane (-1 )> Plane (0)、Plane (l)、Plane (2)为物理实验区3和编组站区2所组成五层建筑中每层内的安装基准水平面，每个基准平面间距4m，Plane (3)为激光实验区I的安装基准面，距离地面7m ；
[0043]步骤5:在零级基准面内设置零级基准线Line (Al)、Line (A2)、Line (A3)、Line(A4)>Line (A5)>Line (A6)>Line (BI)>Line (BI),其中 Line (Al)至 Line (A6)位于安装基准水平面Plane (3)上，且相互平行，间距3.5m，分贝为6个束组，每束组含8束平行光箱体的安装基准，安装基准线Line (BI),Line (B2)位于安装基准水平面Plane (3)上，且与Line (Al)垂直，间距65m，其中Line (BI)到激光实验区原点距离为20m，是束组上关键系统在X轴方向上的安装基准；
[0044]整体坐标系、物理区坐标系、激光实验区坐标系和编组站坐标系构成区域坐标体系，区域坐标体系与零级基准面、零级基准线构成零级基准；
[0045]步骤6:将零级基准细化，建立一级控制点和一级水准点得到每一束组内每束光线的光轴，建立一级基准；
[0046]步骤7:将一级基准细化，以光束的光轴和轴向的安装基准建立每束光上每一个模块的安装基准，建立二级基准；
[0047]零级基准、一级基准和二级基准构成本跨区域闻精度空间坐标基准体系体系。
[0048]上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种跨区域闻精度空间坐标基准体系，其特征是:所述跨区域闻精度空间坐标基准体系体系包括零级基准、一级基准和二级基准，其中零级基准包括零级基准面、零级基准线和区域坐标体系，区域坐标体系包括区域体系、坐标体系，其中所述区域体系包括均呈长方体轮廓的激光实验区(I)、编组站区(2)和物理实验区(3)，其中所述物理实验区(3)中心设有一球形的靶室(4);所述坐标体系包括整体坐标系，以及通过该整体坐标系建立的物理区坐标系、激光实验区坐标系和编组站坐标系。
2.根据权利要求1所述的跨区域高精度空间坐标基准体系，其特征是:所述零级基准面包括六个基准平面一Plane (_2)、Plane (_l)、Plane (0)、Plane (l)、Plane (2)、Plane(3)，其中 Plane (-2)、Plane (-1)、Plane (0)、Plane (I)、Plane (2)为物理实验区(3)和编组站区(2)所组成五层建筑中每层内的安装基准水平面，每个基准平面间距4m，Plane(3)为激光实验区(I)的安装基准面，距离地面7m，所述零级基准线包括Line (Al)、Line(A2)、Line (A3)、Line (A4)、Line (A5)、Line (A6)、Line (BI)>Line (BI),其中 Line (Al)至Line (A6)位于安装基准水平面Plane (3)上，且相互平行，间距3.5m，分别为6个束组，每束组含8束平行光箱体的安装基准，安装基准线Line (BI)、Line (B2)位于安装基准水平面Plane (3)上,且与Line (Al)垂直，间距65m,其中Line (BI)到激光实验区原点距离为20m，是束组上关键系统在X轴方向上的安装基准。
3.根据权利要求1所述的跨区域高精度空间坐标基准体系，其特征是:所述一级基准包括一级控制点和一级水准点，由零级基准细化，得到每一束组内每束光线的光轴。
4.根据权利要求1所述的跨区域高精度空间坐标基准体系，其特征是:所述二级基准由一级基准细化，以光束的光轴和轴向的安装基准建立每束光上每一个模块的安装基准。
5.根据权利要求1所述的跨区域高精度空间坐标基准体系，其特征是:所述跨区域高精度空间坐标基准体系的建立方法包括以下步骤， 步骤1:首先将激光跟踪仪架设在理论靶室(4)球心附近，对靶室(4)进行测量，拟合得到实际的靶室(4)球心位置，并将激光跟踪仪架设到实际的靶室(4)球心位置，对靶室(4)进行再次测量，重新拟合靶室(4)球心位置，直到靶室(4)球心位置与跟踪仪原点位置重合，将此重合点定为原点，以所述原点为坐标原点建立笛卡尔坐标系，该笛卡尔坐标系即为所述整体坐标系； 步骤2:以所述整体坐标系为基础，即以整体坐标系原点为原点、以整体坐标系X轴为极轴、Y轴为方位角方向、Z轴为方位角方向建立球面坐标系，该球面坐标系即为物理区坐标系; 步骤3:用跟踪仪完成对激光实验区(I)和编组站区(2)的原点的定位，并通过整体坐标系分别平移至激光实验区原点和编组站区原点，形成两个笛卡尔坐标系，即激光实验区坐标系和编组站区坐标系； 各区域坐标系建立完成之后可以得到整体坐标系与物理实验区坐标系、激光实验区坐标系、编组站区坐标系之间的转换关系，并形成区域体系； 步骤4:在区域体系内依靠坐标体系建立零级基准面Plane (_2)、Plane (_1)、Plane(0)、Plane(I)、Plane (2)、Plane (3),其中 Plane (-2)、Plane (-1)、Plane (0)、Plane(1)、Plane(2)为物理实验区(3)和编组站区(2)所组成五层建筑中每层内的安装基准水平面，每个基准平面间距4m，Plane (3)为激光实验区(I)的安装基准面，距离地面7m ；步骤5:在零级基准面内设置零级基准线Line (Al),Line (A2)、Line (A3),Line (A4)、Line (A5)、Line (A6)、Line (B1)、Line (B1),其中 Line (Al)至 Line (A6)位于安装基准水平面Plane (3)上，且相互平行，间距3.5m,分别为6个束组，每束组含8束平行光箱体的安装基准，安装基准线Line (B1),Line (B2)位于安装基准水平面Plane (3)上，且与Line (Al)垂直，间距65m，其中Line (B1)到激光实验区原点距离为20m，是束组上关键系统在X轴方向上的安装基准； 整体坐标系、物理区坐标系、激光实验区坐标系和编组站坐标系构成区域坐标体系，区域坐标体系与零级基准面、零级基准线构成零级基准； 步骤6:将零级基准细化，建立一级控制点和一级水准点得到每一束组内每束光线的光轴，建立一级基； 步骤7:将一级基准细化，以光束的光轴和轴向的安装基准建立每束光上每一个模块的安装基准，建立二级基准； 零级基准、一级基准和二级基准构成本跨区域闻精度空间坐标基准体系体系。
【文档编号】G01B11/00GK103791837SQ201410053662
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】周海, 熊召, 郑万国, 魏晓峰, 袁晓东, 陈海平, 张军伟, 刘长春, 罗欢, 曹庭分, 叶海仙, 易聪之 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心