王亞偉 ，周維虎 ， 王中宇 ，丁 蕾

（1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191；2.中國科學(xué)院 光電研究院，北京100094）

自主研制的激光跟蹤測量系統(tǒng)通過激光測距和精密測角實現(xiàn)對空間目標的坐標測量。作為一個精密測角測距儀器，激光跟蹤測量系統(tǒng)在出廠之前需要進行相應(yīng)的校準，以獲得儀器內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)、伺服系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并對儀器測量精度進行評估。為了使儀器校準過程簡捷有效，開發(fā)通用型的校準軟件很有必要。LabWindows/CVI是由美國NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開發(fā)工具，為熟悉C語言的技術(shù)開發(fā)人員在測控領(lǐng)域建立計算機儀器系統(tǒng)-虛擬儀器，提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。該軟件的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，涵蓋了軍工、電訊、工業(yè)生產(chǎn)和航天等各種行業(yè)[1-2]。本文應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，為自主研制的激光跟蹤測量系統(tǒng)開發(fā)了基于LabWindows/CVI的校準軟件。

1 系統(tǒng)組成與校準內(nèi)容

激光跟蹤測量系統(tǒng)的硬件主要包括跟蹤測量單元（包括跟蹤頭、支架等）、電控單元（包括電控箱、環(huán)境傳感器等）、主控計算機和測量附件（包括角反射器、標準桿、磁性基座等），如圖1所示。其中，跟蹤頭是激光跟蹤測量系統(tǒng)的核心單元，其集激光測距儀（干涉測距與絕對測距）和光電經(jīng)緯儀于一體，可同時實現(xiàn)測距、測角和跟蹤功能。激光跟蹤測量系統(tǒng)校準的目的是對影響系統(tǒng)測距、測角精度的誤差項進行辨識，以便進行軟件修正。按照系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)周期內(nèi)變化程度大小可將分為實驗室校準和現(xiàn)場自校準。其中實驗室校準主要是對IFM激光器、大氣參數(shù)傳感裝置、測角光柵碼盤進行校準；現(xiàn)場自校準主要是對Home基準距離、幾何誤差、ADM測距進行校準。由于上述某些校準項目對實驗環(huán)境要求較高，故校準軟件中只涉及Home基準距離、幾何誤差、ADM測距、測角光柵碼盤等項目的校準，另測角精度檢查和系統(tǒng)精度檢測 （Bundle test）也將一并放入校準軟件。

2 校準軟件設(shè)計

2.1 校準軟件整體設(shè)計

校準軟件與激光跟蹤測量系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)TCP/IP連接。軟件運行時，首先進行設(shè)備連接，之后進行校準項目選擇，校準子界面彈出后，按照提示進行操作，校準完成后退回主界面進行參數(shù)文件生成與發(fā)送，成功后退出主界面，從而完成用戶自校準。校準軟件的操作流程如圖2所示。

2.2 校準軟件模塊化設(shè)計

2.2.1 主界面設(shè)計

校準主界面設(shè)計以簡潔實用為原則，主要功能是實現(xiàn)設(shè)備連通、校準項目選擇、參數(shù)文件生成、連接狀態(tài)顯示、實時測量數(shù)據(jù)顯示，如圖3所示。在未實現(xiàn)設(shè)備連接時，主界面上除了連接和退出按鈕，其他按鈕是鎖定的，只有點擊了連接按鈕并且電控箱和客戶機的狀態(tài)燈變成綠色時，其他按鈕可用。測量系統(tǒng)有數(shù)據(jù)輸出時，數(shù)據(jù)顯示區(qū)的方位角、俯仰角和距離顯示將同步變化。點擊某個校準項目按鈕時，將彈出校準項目子界面，用戶只需按照子界面上的提示進行操作即可，整個過程中其他校準項目按鈕將鎖定直到用戶退出當前校準項目。

圖2 校準軟件操作流程

(1)TCP/IP連接

校準軟件與設(shè)備之間的通信是通過以太網(wǎng)實現(xiàn)的。LabWindow/CVI提供有用于實現(xiàn)設(shè)備間TCP/IP通信的函數(shù)，按照服務(wù)對象不同，大致可以分為三類：服務(wù)器函數(shù)、客戶函數(shù)和支持函數(shù)[3]。校準軟件在激光跟蹤測量系統(tǒng)中扮演的是客戶端的角色，它不但要接收來自跟蹤測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理單元（服務(wù)器端）發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，還要進行響應(yīng)，向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。TCP/IP連接按鈕完成的功能是啟動連接程序后，根據(jù)設(shè)定好的服務(wù)器端口號和IP地址進行連接，接收服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)并解算顯示。連接成功后，電控箱和客戶機指示燈會變成綠色，如果服務(wù)器端有數(shù)據(jù)，則方位、俯仰、距離值將不間斷的刷新顯示，刷新頻率≤1 000 Hz。TCP/IP校準軟件（客戶機）與數(shù)據(jù)采集處理單元（服務(wù)器）的連接過程如圖4所示。

(2)校準項目選擇

圖4 客戶機與數(shù)據(jù)采集處理單元連接過程

校準軟件有6個項目,分別是ADM測距校準、HOME距離校準、測角誤差檢查、GEC幾何誤差校準、測角碼盤校準和Bundle test系統(tǒng)精度檢測。校準項目按鈕之間是互鎖關(guān)系，即點擊任何一個按鈕，其他項目按鈕將處于不可用狀態(tài)直到退出當前校準項目。

(3)參數(shù)文件生成

在執(zhí)行某些校準項目后，點擊參數(shù)文件生成按鈕會進入新參數(shù)文件生成流程：載入原始參數(shù)文件-根據(jù)校準項目的執(zhí)行情況計算相應(yīng)校準參數(shù)-生成新的參數(shù)文件-發(fā)送新的參數(shù)文件至數(shù)據(jù)采集處理單元-保存原始測量數(shù)據(jù)-退出參數(shù)文件生成程序。

2.2.2 校準項目子界面設(shè)計

由于校準項目較多，僅以ADM測距校準為例說明子界面的設(shè)計。在用戶測量現(xiàn)場，激光跟蹤測量系統(tǒng)啟動后，將靶標放置在合適位置，觀察ADM與IFM測距值，如果兩者相差較多且變化不穩(wěn)定，則需進行ADM測距校準。采用的方法是與激光跟蹤測量系統(tǒng)自帶的IFM測距進行比對，使用三次樣條函數(shù)進行誤差曲線擬合。為保證測量精度，要求測量點數(shù)不低于6點，全長最多36點，測量點間隔以1 m為宜。當角度、距離數(shù)據(jù)符合設(shè)定測量點要求時，測量數(shù)據(jù)變成綠色，提示操作人員該點可以采集，點擊采集按鈕，當前數(shù)據(jù)被保存并彈出下一步的操作提示。圖5是ADM測距校準子界面和彈出操作提示，其他校準項目子界面設(shè)計與ADM校準子界面相似。

2.2.3 校準軟件參數(shù)文件設(shè)計

參數(shù)文件是激光跟蹤測量系統(tǒng)中用來保存伺服控制參數(shù)、誤差修正與校準參數(shù)和其他重要參數(shù)（如激光器校準波長等）的文件。系統(tǒng)在出廠前會給出一個默認的參數(shù)文件，用于誤差修正。在系統(tǒng)使用過程中，為了保證系統(tǒng)在現(xiàn)場工作時適應(yīng)環(huán)境的穩(wěn)定性和可靠性，參數(shù)文件中的某些數(shù)據(jù)允許用戶根據(jù)需要通過校準軟件進行校準后刷新。參數(shù)文件按照內(nèi)容分為三部分：參數(shù)區(qū)、參數(shù)說明區(qū)和校準歷史記錄區(qū)。用戶進行校準后，參數(shù)文件被改動的部分是參數(shù)區(qū)和校準歷史區(qū)。參數(shù)文件的保存格式為文本文件（*.txt）。圖6為參數(shù)文件示意圖。

3 校準軟件聯(lián)調(diào)實驗

在現(xiàn)有激光跟蹤測量系統(tǒng)已研制設(shè)備的基礎(chǔ)上，開展校準軟件和數(shù)據(jù)采集處理單元的聯(lián)調(diào)實驗。所需設(shè)備有：計算機兩臺，數(shù)據(jù)采集與處理單元和連接線若干，其中一臺作為上位機（校準軟件），通過網(wǎng)線和數(shù)據(jù)采集與處理單元連接，另外一臺作為數(shù)據(jù)采集與處理單元的程序刷新設(shè)備。實驗內(nèi)容為數(shù)據(jù)連通實驗，指令傳輸實驗和參數(shù)文件刷新實驗。數(shù)據(jù)連通實驗是指設(shè)備間的TCP/IP連通和測量數(shù)據(jù)解算顯示實驗；指令傳輸實驗是指校準軟件中的控制指令傳輸與執(zhí)行成功回傳實驗；參數(shù)文件刷新實驗是指校準軟件對數(shù)據(jù)采集與處理單元參數(shù)文件區(qū)的刷新操作實驗。

設(shè)備連通后，電控箱和客戶機狀態(tài)燈變成綠色，校準軟件主界面上除了連接按鈕不可用外，其他按鈕均可進行操作，如圖7所示。當選擇其中某一項校準項目后，彈出該項目的操作子界面，此時主界面上其他按鈕不可用 （退出按鈕除外），直到退出當前子界面，如圖8所示。用戶執(zhí)行所需要的校準項目后，即可點擊參數(shù)文件生成按鈕進行新參數(shù)文件的生成、存儲和發(fā)送。圖9為點擊參數(shù)文件生成后軟件操作過程。

針對自主研制激光跟蹤測量系統(tǒng)的校準需求，設(shè)計了基于LabWindows/CVI的面向測量用戶的校準軟件。測量用戶在激光跟蹤測量系統(tǒng)啟動后，通過校準軟件自動檢查測距測角誤差，以確定是否需要進行相關(guān)項目的校準。本軟件以人性化的設(shè)計為原則，在校準過程中自動指導(dǎo)用戶完成相應(yīng)項目的校準，并可對原始測量數(shù)據(jù)、校準參數(shù)進行顯示、存儲等操作，實現(xiàn)了整個校準過程的自動化和虛擬化。

[1]張毅剛,喬立巖.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002.

[2]王浩,齊建宇.基于Labwindows/CVI的捷聯(lián)慣導(dǎo)測試軟件設(shè)計[J].航天控制,2011,29(2):56-60.

[3]王建新,楊世鳳,隋美麗.LabWindows/CVI測試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2006.