全面剖析TCA2003全站仪ATR功能原理及其应用

文道平

摘要：利用全站仪的ATR （Automatic Target Recognition）功能，能使测量工作自动化，从而提高测量效率。本文简单地介绍了全站仪自动目标识别功能ATR的原理与测量精度，结合生产实际情况讨论了ATR在工程应用中注意的一些问题，并根据实际经验提出了解决方法。

关键词：全站仪；ATR；精度；校准；应用

0 引言

徕卡TCA2003全站仪作为95年生产的一种现代化测量仪器，不仅测量精度高（标称测角精度±0.5″，边长1mm+1ppm×D），而且具有自动目标识别与跟踪功能即ATR功能（Automatic Target Recognition），可按照内置机载程序进行自动观测与记录，实现无人值守不间断观测，已在水电站大坝安全监测、岩土工程围岩变形测量等方面得到了广泛应用，使监控工作向三维、快速和高度自动化方向发展，成为安全分析和施工控制的最可靠依据之一，在测绘行业得到了普遍认可。但是人们在分享它那特殊功能时，可能对其工作原理、使用方法以及注意事项不甚完全了解，本文结合作者在实际工作中遇到的一些问题，并针对这些问题提出了相应的解决办法，旨在提高TCA2003全站仪或类似仪器的应用水平。

1 ATR工作原理

ATR功能部件被安装TCA2003全站仪的望远镜上。在打开ATR功能进行测量时，全站仪的CCD光源发射一束红外激光，经过仪器的光学部件多次反射处理后，与望远镜的视准轴同轴地发射出去，由目标棱镜反射回来并引导ATR光束至CCD阵列上，形成光点。光点位置以CCD相机的中心作为参考点来精确确定。如果望远镜的视准轴和CCD相机的中心是一致的，则使用ATR功能测得的角度值，可直接从CCD相机上光点的位置计算出来（如图1所示）。

在人工粗略照准目标棱镜使用内置机载程序开始ATR精密测量之后， ATR首先检查目标棱镜是否位于望远镜的视场内，如果在视场内找不到目标棱镜，它将在仪器设定的范围内进行螺旋式搜索，一旦探测到棱镜，搜索动作即刻停止，由马达驱动望远镜重复多次、最大限度地靠近棱镜中心，并测量棱镜中心与十字丝中心的偏离值，修正输出最终的水平角和垂直角测量值（如图1所示）。

图1 TCA2003全站仪ATR望远镜系统

ATR精密测量过程包括搜索过程、照准过程和测量过程。在人工对目标棱镜进行粗略照准之后， ATR首先检查粗略照准的棱镜是否位于望远镜的视场内，如果它探测不到棱镜，它将进行螺旋式的搜索过程，一旦探测到棱镜，望远镜马上停止搜索，由马达驱动望远镜去接近棱镜的中心，并计算出十字丝中心与棱镜中心的偏移值，偏移值控制马达又一次驱使望远镜转动，使其更加接近正确的角度值位置。全站仪再次测量棱镜中心与十字丝中心的偏离值，并输出最终的水平角和垂直角测量值（如图2所示）。

2 ATR的测量精度

TCA2003全站仪ATR功能的测量精度分为内部精度和外部精度。内部精度与CCD阵列的分辨力、棱镜的位置、测量条件和测量时机等因素有关；而外部精度就是目标棱镜定位精度，它受棱镜型号和外部环境条件的影响较大。使用ATR自动目标识别功能进行水平角和垂直角测量时，其测量精度中包含有内部精度和外部精度。一般情况下，ATR的内部精度用户是无法测试的，厂家标定的精度指标主要是指外部精度。许多文献资料所检测的ATR精度主要是指外部精度，其结果基本能够达到仪器所标定的精度。

ATR的外部精度又分为两方面：

（1）测量距离在200m内，目标定位精度是一个固定值，如TCA2003全站仪，目标采用Leica圆棱镜，精密定位精度是±1mm；目标采用Leica360°棱镜，精密定位精度是±5mm。

（2）测量距离在200m外，目标定位精度与仪器标称测角精度是一致的，即TCA2003全站仪的测角精度±0.5″。

图2 ATR测量过程

3 ATR的校准

一般来说，所有的测量仪器都存在由于机械加工或安装问题而引起的误差，如垂直编码度盘指标差、水平视准差、水平轴倾斜误差及ATR准直差。这些误差可随时间和温度的改变而变化，因此在仪器第一次使用、精密测量前、长途运输后、长期工作后、温度变化大于20℃等情况下都需重新确定这些误差。

ATR的准直差指的是由于CCD阵列中心与望远镜视准轴不完全同轴所引起的误差，或者说是视准轴偏离CCD阵列轴在水平和垂直方向的分量。假如存在ATR准直差，则ATR方式判定的目标点就与视准轴瞄准的目标点有差异.也就是说十字丝可能较大地偏离棱镜中心，产生测角误差。

全站仪是高技术产品，特别像ATR这类仪器，既存在传统意义上的指标差、视准差，又存在着ATR方式的准直差。即使是有经验的测量员，也不可能通过调整分划板来协调仪器所有轴系的一致性了，因此目前解决此类机械误差的最佳办法是电子补偿，即测出相应的机械误差，改变误差符号并将其作为改正数对角度值进行修正，这就是校准。ATR校准的具体步骤可参见仪器使用手册。

ATR准直差的校准是提高测量精度的重要环节，在以下几种情况下都需要对仪器进行校准：

（1）在精密工程测量前，必须检测ATR准直差，特别是需要开展三角高程测量时。

（2）在测量过程中当环境温度条件变化较大时，亦应进行该项检测及其他误差检验。

（3）如果在测角时既使用ATR方式，又使用人工照准方式，必须先进行ATR校准。只有这样，两种方法观测结果才是正确的。

（4）人工精确照准100m处的棱镜，记下此时的角度值。转动望远镜偏离棱镜，然后使用ATR功能（按下DIST），检查此时的角度值，应与记下的一样，其差别如果大于2.1″（这里为 ，其中0.001m为标称定位精度），则需进行校准。endprint

在ATR的校准过程中，应分清下列两种情况：

（1）当盘左对准目标，利用SHIFT F4将仪器转到盘右时，如果十字丝偏离目标较大，这并不是ATR的问题，可通过校准仪器的2C差和指标差来解决。

（2）实际测量时，望远镜十字丝与棱镜中心存在一定的ATR偏移，正确的视准轴读数使用该偏移值来改正，但这种偏移值不能超过ATR棱镜定位精度。

4 对比实验

在水平角测量过程中，由于受共同的零方向观测值的差分计算，各个水平角观测值受ATR准直差的影响不大（在ATR准直差不影响棱镜定位误差的条件），不容易被发现。但在三角高程测量过程中，如不进行ATR准直差校准，其观测结果就有可能发生错误。

本工程事例是使用TCA2003按照内置机载程序进行三等三角高程测量，生产作业前工作人员未进行ATR准直差检测，其观测高差结果如表一（折光系数k取0.12，），对向观测高差均超出±0.035 的限差要求。

重新返工按照以下三种方式进行测量（仪器在使用前，均进行了三轴误差检验，检验合格后打开相应补偿器开关）：

（1）人工观测；

（2）按照仪器说明书的方法进行ATR准直性校准，接受校准值进行自动测量；

（3）每个测站均进行单方向校准，即每个方向都进行ATR准直性校准，棱镜置于控制点上，并接受校准值分别进行各方向的自动测量。

三种观测方式其计算结果如表二～表四（k取值同前），从表中可以看出，人工观测和进行ATR校准后的自动观测结果对向观测高差较差均满足±0.035 的限差要求，且对向观测高差平均值（见表五）可有效消除ATR准直差这种系统误差的影响，但单向观测三角高差则包含这种仪器系统误差，在边坡监测、前方交会等工程单向观测三角高差时必须特别注意这点。

5 结束语

（1）ATR准直差的校准是提高测量精度的重要环节，特别是在进行三角高程单向测量时。如事先未进行ATR准直差的校准，其观测结果可能不正确，对向观测高差亦不能满足规范要求。

（2）由于ATR外部测量精度容易受棱镜型号和环境条件的影响，因此在进行高精度变形监测时应尽量使用徕卡圆棱镜，且TCA2003测量边长不宜小于200m。

参考文献

[1] 徕卡测量系统有限公司.Leica TPS-System1000操作手册.

[2] 朱顺平，薛英. ATR的工作原理、校准及检测[J].北京测绘， 2005， （3）.endprint