自动目标识别与照准原理简介.doc

在全站仪目标方向观察中，主要有目标照准，度盘读数两大步骤。
下面以徕卡自动化全站仪的ATR技术为例，介绍自动目标识别与照准的基本原理
一 原理简介
自动目标识别部件被安装在全站仪的望远镜上，红外光束通过光学部件被同轴地投影在望远镜上，从物镜发射出去，反射回来的光束，形成光点由内置CCD传感器接收，其位置以CCD传感器中心作为参考点来精确的确定。假如CCD传感器中心与望远镜光轴调整正确，则可从CCD传感器的光点的位置直接计算并输出以ATR方式测得的水平方向和垂直角。

图 带ATR望远镜结构示意图
与人工照准目标存在视准差一样，ATR同样存在视准差。ATR视准差的校正是提高其测量精度的重要环节。测定ATR视准差时，必须人工将望远镜对准棱镜中心，望远镜十字丝提供的视准线与CCD传感器中心之间的水平和垂直方向上的偏差由仪器计算并储存下来，用于ATR方式测量时角度改正。
如果在测角中既用ATR方式，又用人工方式，检查并校准ATR视准是十分必要。因为只有这样，两种方法才能达到最佳匹配。
二 目标精准照准
ATR自动识别并照准目标主要有三个过程：目标搜索过程，目标照准过程和测量过程。
在人工粗略找准棱镜后，启动ATR，首先进行目标搜索过程。在现场内如果无发现棱镜，望远镜在马达的驱动下按螺旋式或矩形式连续搜索目标，如图所示。ATR一旦探测到棱镜，望远镜马上停止搜索，即刻进入目标照准过程。
ATR的CCD传感器接收到经棱镜反射过来的照准光点，如果该光点偏离棱镜中心，CCD传感器则计算出该偏移量，并按该偏移量驱动望远镜直接移向棱镜中心，如图所示。当望远镜十字丝中心偏离棱镜中心在预定的限差之内后，望远镜停止运动，ATR测量十字丝中心和棱镜中心间的水平和垂直剩余偏差，并对水平角和垂直角进行校正。所以，虽然在望远镜视场内看到十字丝中心没有精准地照准棱镜中心，但仪器显示的水平角和垂直角实际是以棱镜中心为准。之所以采用这种目标照准方式，主要是为了优化测量速度，因为要望远镜十字丝中心准确定位于棱镜中心是比较困难的。

图 ATR角度修正与照准
ATR需要一块棱镜配合进行目标识别，因为ATR的角度测量和距离测量同时进行。在每一次ATR测量过程中，十字丝中心相对棱镜中心的角度偏移量都要重新测定，并相应改正水平方向和垂直角，进而精确地测量出距离或计算出目标点坐标。图给出了ATR的目标识别，照准与测量的流程图。
当使用ATR方式进行测量时，由于其望远镜不需要对目标调焦或人工照准，因此，不但加快了测量速度，并且测量精度与观察员的水平无关，测量结果更加可靠。

图 ATR目标自动识别与照准流程图

三 目标锁定跟踪
目标跟踪基本是一种自动反馈过程（见图）。测角经纬仪的驱动和控制包括两个轴系（垂直轴，水平轴），每一个轴系均有伺候马达，传动和电子度盘系统组成。ATR实际上是一个测量控制系统，它不仅提供实际值，而且也提供实际值与所需值之间的偏差，以及相对电子或光学视准线在水平和垂直方向上的改正量，因此在ATR的基础上，可实现对运动目标的锁定跟踪。当目标移动时，ATR控制系统试图使测量值偏差最小，则通过控制电路来确定马达转动的电流，驱动轴系让望远镜锁定跟踪目标。
目标跟踪在整个出测量过程中是连续进行的。如果目标联系丢失，如棱镜员走到了障碍物的后面，跟踪就会中断。此时代替上述偏差值得为一个估计值，该值基于一个运动模型，这个模型假定棱镜员在水平和垂直方向的运动速度是不变的。这个假定的速度源自对失去目标前几秒钟内运动的数据处理，即滤波。滤波的作用是为了消除重叠的抖动（如行走时棱镜垂直方向的运动）。
当棱镜员走到一些小障碍物后，如树，小建筑或者卡车等，ATR将中断一小会儿，在这种情况下，仪器将保持在它所预测的棱镜轨迹上移动3秒钟，这种预测的根据是对失去目标前几秒钟里棱镜的移动情况计算出来的平均速度和方向。一旦棱镜重新进入望远镜视场，仪器将重新锁定并跟踪目标。然而，如果在3秒钟内没有找到棱镜，仪器将会自动开始对失去棱镜前后的区域进行搜索，此时搜索窗口的大小依赖于它预测的路径长度和方向。