粒子加速器中高精度丝线绝对位置测量技术研究

In order to meet the requirements of the high accuracy installation for the particle accelerator equipments, the alignment technology develops toward the diversified direction, and the alignment object also gradually extends to the high accuracy absolute position measurement for the wire or the slice. For example, vibration wire technology has a huge advantage in the magnets alignment, but how to transfer the line of vibration wire which represents the magnetic center to the benchmark outside the magnet used for the alignment between the supports in the tunnel, this problem needs to be solved. Due to the non-contact property, wire cannot be directly measured by laser tracker, etc. This project proposes a method based on computer graphics and photogrammetry, imaging from different directions by sensors to obtain the position of wire. The three-dimensional absolute position measurement technology are studied, including the high accuracy linear feature extraction algorithm, high accuracy camera parameter calibration, wire reconstruction modeling and datum transformation method; Also a high accuracy calibration and verification platform is established by coordinate measuring machine, the position of the wire obtained by this method is verified. The accuracy of the wire position will achieve μ level from the research, this has a great significance in high accuracy magnet alignment for Advanced Light Source, etc. Moreover, it also can be widely used in dam safety monitoring and other fields.

为了满足粒子加速器设备高精度安装要求，准直技术向着多元化的方向发展，准直对象也逐渐扩展到对丝线、薄片等绝对位置的高精度测量。例如，振动线技术对磁铁预准直具有巨大优势，但是如何将代表磁中心位置的振动线精确引出到磁铁的外基准上用于不同支架间磁铁的隧道准直，这是需要解决的问题。由于丝线的非接触测量特性，无法采用激光跟踪仪等进行直接测量，提出采用计算机图形学与摄影测量学相结合的方法，通过图像传感器从不同位置进行近景成像获取丝线的绝对位置。本项目对丝线的三维绝对位置测量技术进行了研究，包括高精度线型特征提取算法、高精度相机参数标定、丝线空间位置重建以及基准转换统一等；通过三坐标机搭建高精度的标定场及校验平台，对本方法所获取的丝线空间位置精度进行验证。通过本项目研究最终使丝线定位精度达到μ级，这对未来先进光源等大科学装置中高精度的磁铁准直安装具有重要意义，同时，也可以广泛应用于大坝安全监测等其它领域。

为了满足粒子加速器设备高精度安装要求，准直技术向着多元化的方向发展，准直对象也逐渐扩展到对丝线、薄片等绝对位置的高精度测量。例如，在磁铁预准直中采用振动线技术进行共架单元上多块磁铁的高精度预准直，但是需要将振动线所表示的磁中心引出进行共架单元之间的相对准直。由于丝线的非接触测量特性，无法采用激光跟踪仪等进行直接测量，因此，如何获取以振动线为代表的丝线的高精度空间绝对位置，这是需要解决的问题。.本项目提出采用近景摄影测量的方法来确定丝线的绝对位置，利用单相机多站位的方法对丝线进行拍摄，通过高精度标定板形成高精度控制场，采用光束法平差对相机进行自标定，并提出将空间直线采用空间两点式表达进行直线整体平差，从而实现对丝线空间位置的精确获取。主要研究内容包括：（1）圆和线特征定位：采用轮廓查找进行圆的特征提取，采用Canny边缘检测以及Hough变换进行直线的特征提取；采用椭圆轮廓拟合算法以及Steger算法分别进行圆及直线中心的特征定位，特征定位精度优于0.2像素。（2）同名像点匹配：利用交比不变性进行标定板上圆点的编号，实现了不同图像间的同名像点匹配。（3）相机参数标定：建立10参数相机畸变模型，采用光束法平差对相机进行自标定，像点重投影误差优于0.1像素。（4）丝线空间位置重建：提出将空间直线采用空间2点式表达，实现了多张图像重建丝线的整体平差。（5）测量程序开发：利用Visual Studio及OpenCV对上述算法进行了实现，编写了丝线测量程序。（6）测量验证平台搭建：搭建由标定板、基准座、丝线组成的测量验证平台，采用标定板提供高精度控制点坐标供相机参数标定以及丝线位置获取，采用基准座便于坐标转换使得影像及三坐标测量机也能够对丝线的横向和垂直位置进行测量统一。.采用影像及三坐标测量机对本项目方法测量获得的丝线位置结果进行验证，结果表明本项目方法的空间直线位置获取精度优于10μm，测量重复性优于4μm，能够满足振动线位置测量的精度要求。通过本项目研究最终使丝线定位精度达到μ级，这对未来先进光源等大科学装置中高精度的磁铁准直安装具有重要意义，同时，也可以广泛应用于大坝安全监测等其它领域。