一种基于重力定向的垂线夹角测量装置及方法

本发明属于精密测量，具体涉及一种基于重力定向的垂线夹角测量装置及方法，尤其适用于粒子加速器准直隧道控制网等长距离地下、隧道及室内遮蔽环境下，对相邻测站之间垂线方向（即重力方向）夹角的纵向分量和横向分量进行快速、直接、高精度的测量。

背景技术：

1、粒子加速器准直隧道控制网是加速器设备安装定位的基准参考，其精度直接关系到加速器设备的准直精度。目前，加速器隧道控制网主要采用激光跟踪仪进行三维测量，经平差计算得到各控制点在装置坐标系中的三维坐标。在三维平差中，各测站坐标系的高程轴需以当地垂线方向（即重力方向）为基准定向。然而，由于地球是一个表面起伏、质量分布不均的近似椭球体，地面上各点的垂线方向并不平行，因此使用激光跟踪仪测量时以当地垂线方向为基准建立的各测站坐标系，其高程轴指向并不一致且没有规律。若在三维平差中将地球简化为标准球体或椭球体对各测站高程轴定向，将引入系统性的垂线偏差误差，该误差随测量范围的扩大和测站数量的增加而沿控制网累积放大，严重制约准直精度的进一步提升。特别地，对于周长接近百公里的下一代对撞机（如cepc、fcc等），垂线偏差的影响可达厘米甚至分米量级，成为超大尺度地下装置建设必须突破的关键测量难题。

技术实现思路

1、为解决以上技术问题，本发明提供一种基于重力定向的垂线夹角测量装置及方法，以解决现有垂线偏差测量手段依赖天文观测或gnss信号、无法在隧道及地下遮蔽环境下直接施测等技术问题，实现在无外部空间基准条件下，对相邻测站之间垂线夹角的纵向分量和横向分量的直接、同步、快速、高精度测量。具体技术方案为：

2、一种基于重力定向的垂线夹角测量装置，包括固定测头、移动靶标和反射部件；

3、所述固定测头用于发射基准偏振激光、接收返回激光并进行数据分析处理。包括激光器、偏振片、第1分束镜、第2分束镜、沃拉斯顿棱镜、光电探测器、相机以及数据处理单元；

4、所述移动靶标用于在测站上进行水平调整，并基于重力方向对基准偏振激光进行调制；包括安装在同一基准安装面上的二分之一波片、平行平板以及电子水平仪；所述二分之一波片、平行平板均安装在电子水平仪上，形成一个整体，使重力方向基准与光学测量基准物理统一；

5、所述反射部件用于将基准激光返回至固定测头；包括四分之一波片和角反射镜；

6、激光器发出的激光，通过偏振片变为线偏振光，再经过第1分束镜和扩束镜出射；出射光传播到远处经过四分之一波片再经过角反射镜返回；返回光反向经过扩束镜进行缩束，经过第1分束镜反射后经过第2分束镜，经过第2分束镜反射的光进入相机，进行激光位置测量，透射光经过沃拉斯顿棱镜，沃拉斯顿棱镜将激光分成两个偏振方向的光束，使用光电探测器对返回激光两个偏振方向的激光功率进行测量。

7、一种基于重力定向的垂线夹角测量方法，包括以下步骤：

8、步骤一：建立激光直线基准；由固定测头发射基准激光束，调整固定测头位置，使固定测头水平；

9、步骤二：在靠近固定测头处放置移动靶标，此处移动靶标的位置即为s1测站，s1测站处建立测站水平基准，在s1测站处架设移动靶标，通过移动靶标内置的电子水平仪将移动靶标在s1测站处调水平，使电子水平仪的方向平行于s1测站处的水平面法线方向，即该测站的实际重力方向；

10、步骤三：s1测站处垂线方向测量；固定测头接收通过移动靶标和反射部件反射回来的激光束；通过分析激光束的功率变化计算滚动角，通过分析激光束的位置变化计算俯仰角；

11、步骤四：将移动靶标从s1测站沿着激光移动到靠近反射部件附近，此处移动靶标的位置即为s2测站；s2测站处建立测站水平基准，将移动靶标架设在s2测站处，通过移动靶标内置的高灵敏度电子水平仪将移动靶标在s2测站处调水平，使电子水平仪的方向平行于s2测站处的水平面法线方向，即该测站的实际重力方向；

12、步骤五：s2测站处垂线方向测量；固定测头接收通过移动靶标和反射部件反射回来的激光束；通过分析激光束的功率变化计算滚动角，通过分析激光束的位置变化计算俯仰角；

13、步骤六：计算s1和s2测站之间的垂线夹角。

14、本发明具有以下有益效果：本发明能够进行隧道内或者室内的两个位置垂线夹角（也就是重力方向夹角）的测量，不用借助天文观测。将使用激光测量滚动角和俯仰角与水平仪结合，实现垂线夹角的测量，之前没有相应的研究。利用偏振方法进行滚动角测量时，在光路中的四分之一波片之前增加二分之一波片，将滚动角的测量精度提高了一倍。

1.一种基于重力定向的垂线夹角测量装置，其特征在于，包括固定测头、移动靶标和反射部件；

2.根据权利要求1所述的一种基于重力定向的垂线夹角测量装置，其特征在于，调整角反射镜的姿态以及四分之一波片的旋转角度，使相机采集到的激光束的位置在相机中心。

3.根据权利要求1所述的一种基于重力定向的垂线夹角测量装置，其特征在于，两个光电探测器测量到的激光功率相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于重力定向的垂线夹角测量装置，其特征在于，两个分束镜的分束比都为1：1。

5.根据权利要求1所述的一种基于重力定向的垂线夹角测量装置，其特征在于，固定测头和反射部件之间的距离应包含被测的两个测站。

6.一种基于重力定向的垂线夹角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述一种基于重力定向的垂线夹角测量方法，其特征在于，步骤一包括：在不放置移动靶标的情况下，调整反射部件，使基准激光束原路返回固定测头，形成测量所需的激光直线基准。

8.根据权利要求6所述一种基于重力定向的垂线夹角测量方法，其特征在于，滚动角的计算方法为：

9.根据权利要求6所述一种基于重力定向的垂线夹角测量方法，其特征在于，俯仰角的计算方法为：二分之一波片和平行平板都固定在电子水平仪上，成为移动靶标，当移动靶标产生俯仰角时，由于光的折射，经过二分之一波片和平行平板后光束将会产生偏移；再经过角反射镜反射之后，光束将会产生的偏移量；再反向经过扩束镜之后，偏移量变为；

10.根据权利要求6所述一种基于重力定向的垂线夹角测量方法，其特征在于，步骤六中，两测站测量得到的滚动角和俯仰角差值便是相应两站之间的垂线夹角。