（核技术及应用专业论文）nsrl储存环基于激光跟踪仪准直方案与测量平差.pdf

摘要摘要本论文首先对加速器准直测量理论和技术进行了系统的论述，然后根据当代加速器精密准直测适技术的发展现状，通过借峪困家同步辐射实验室( n s r i ，) 安装控：b 0 刚和变形监测网，立足于储存环宅间分佰现状，结合安装公差，分析建立测过控制网的难点和必要性，基于激光跟踪仪及n s r ，现有仪器，比较可采用的准直方案的优劣和可行性，确定一个基j ：激光跟踪仪的高精度、高效率的可持续的测最控制l 叫的准直方案，同时辅以基于高精度的n 3 光学水准仪建立的高程控制网。测量控制网的建立主要是结合准直测量方案和所使用的主要测量仪器，有针对地作建网准备工作和具体实施步骤安排，合理布设所需增加的磁铁基准点，使其能有效反应磁铁位置变化，正确布设地标点和测量过渡点以满足多站测最所需，并对所有网点有序命名，通过建立水平坐标系和多站测量从而获得二极磁铁和四极磁铁的坐标，达到准直方案目的。依据准直方案选取仪器进行实地测量，分析仪器测是精度和影响仪器测量精度的各种因素，针对仪器测量精度和实际测量过程分析实测的精度，结合多站测量就如何提高测量精度做出分析总结，并以此为基础展开实际测量，获得可靠的数据。针对实测数据，结合平差理论，依据各部件基准点的理沦位置，利用多种有效的甲差方法处理数据，获取二极磁铁点位误差及误差参数，建立所有测量网点的数据库，结合实际分析误差来源，针对误差做出总结，并针对实测过程中出现的不足进行修正。关键词：激光跟踪仪控制网n s r i 。储存环准直测量平差分析a b s t r a c ta b s t r a c tt h i sp a p e rf u l l yd i s c u s s e st h ea c c e l e r a t o ra l i g n m e n tp r i n c i p l ea n dt e c h n i q u e t h e na c c o r d i n gt ot h es t a t u so fa c c e l e r a t o ra l i g n m e n tt e c h n i q u ea n dt h er e q u i r e m e n t ，a n dd r a w i n gl e s s o n sf r o mt h ec o n t r o ln e t w o r ko fi n s t a l l a t i o na n dt h em o n i t o r i n gn e t w o r kt h er i n go ft h en s r l a n a l y z e st h ed i 伍c u l t ya n dn e c e s s i t yt oe s t a b l i s han e ws u r v e yc o n t r o ln e t w o r k 1 1 1 es u r v e yc o n t r o ln e t w o r ke s t a b l i s h e dm u s tb eh i g hp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c yw h i c hb a s e do nl a s e rt r a c k e r ，w h i c ha l s ob a s e do nt h es t a t u so fs t o r a g er i n g i ti sb a s e do nt h ei n s t a l l a t i o nt o l e r a n c e sa n dt h ee q u i p m e n to fn s r l w h i c ha l s oc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ea l i g n m e n t sa n di t sf e a s i b i l i t y t h ea l i g n m e n ti n c l u d e sah i g hp r e c i s i o nv e r t i c a lc o n t r o ln e t w o r kb a s e do nt h en 3o p t i c a ll e v e l b e f o r et h ee s t a b l i s h m e n to ft h es u r v e yc o n t r o ln e t w o r k t h ep r e p a r a t o r yw o r ka n dr e q u i r e di m p l e m e n t a t i o ns t e p sm u s tb ea c h i e v e do nt h eb a s i so ft h ea l i g n m e n t t h em a g n e t s b e n c h m a r kf i x e dc a l le f f e c t i v e l yr e s p o n dt h ec h a n g e so ft h em a g n e t s 。p o s i t i o n t h et r a n s i t i o np o i n t sm u s tb ef i x e dc o r r e c t l yt om e e tt h er e q u i r e df o rt h em e a s u r e m e n t a f t e ra l lp o i n t sb en a m e di na no r d e r l ym a n n e r , t h es u r v e yc o n t r o ln e t w o r kw o u l db ee s t a b l i s h e dt h r o u g ho b t a i n i n gt h ec o o r d i n a t e so ft h em a g n e t s b e f o r et h es u r v e y , t h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ta n dt h ei m p a c to fi t sv a r i o u sf a c t o r sm u s tb ea n a l y z e d h o wt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n tb a s e do nt h ep r o c e s s o fm e a s u r e m e n ts h o u l db es u m m a r i z e d ，t h es a m et ot h em u l t i s t a t i o nm e a s u r e m e n t b a s e do nt h er e l i a b l ed a t aa n du s e dt h et h e o r yo fe r r o rc o m p e n s a t i o na n de f f c c t i v em e t h o d sw h i c ht oc a l c u l a t et h ee r r o r c o m p a r i n gw i t h 也ed e f i n e dv a l u e sw ec a no b t a i nt h ee r r o r so fm a g n e t sa n di t sp a r a m e t e r s ad a t a b a s eo fa l lp o i n t si se s t a b l i s h e da sar e f e r e n c ef o rt h ea l i g n m e n ti nt h ef u t u r e i nt h ee n d ，w es h o u l dt a k et h es u m m a r ya n dc o r r e c t i o no ft h es u r v e yb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee r r o r k e yw o r d s ：l a s e rt r a c k e rc o n t r o ln e t w o r ks t o r a g ei u n go fn s r ls u r v e ya n da l i g n m e n ta d j u s t m e n ta n da n a l y s i s中国科学技术大学学位论文相关声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究j ：作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含f e何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同上作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。本人授权中困科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校自权按有关规定向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名：簋墓丝罗年月p 日第1 章绪论第1 章绪论随着现代科学技术的不断发展进步，尤其是微电子技术、激光技术、计算机技术、空问技术、网络和通信技术的飞速发展和应用，极大地推动了整个测绘科学技术的发展，从理论体系到应用范围都发生了巨大的变化，亦为工程测昔学科的理论和技术的发展提供了坚实的基础。伴随着新的更高精度的精密工程测量硬件设备及软件桐继面世，并迅速应用于精密工程测量的各个领域，使现代精密工程测量的手段和方法发生了突破性的发展。目前，精密测量和工业测量技术已向自动化、智能化、实时化和系统化方向发展。科学技术的新发展促使数字化、自动化的电子经纬仪、光电测距仪、电子水准仪不断地推陈出新，和自动化、实时化、系统化的全站仪和激光跟踪仪技术的逐渐成熟。这些现代化的测量仪器不仅使用方便，自动化程度高，而且具有很高的测量精度。在角度测量方面，测量精度可以达到亚秒级；距离测量精度已经提高到了微米级。这些测量设备在工程测量各个领域的快速普及和广泛应用，给工程测量技术带来了巨大的变革。激光跟踪仪已经广泛应用f 高能粒子加速器工程的准直测量中，为加速器程部件测量、控制网测量及其设备高精度定位测晕提供了先进的测量手段。激光跟踪仪的高精度、自动化、实时化、系统化的测量特性使其在加速器工程准直测量从引进开始，便作为加速器工程准直测晕的主要仪器，从而改变加速器工程准直测鼍传统的测量方法和技术手段。国家同步辐射实验室( n s r i 。) 在二期工程改进完成后购置了l t d 8 4 0 激光跟踪仪及t d a 5 0 0 5 全站仪等一系列仪器。由于n s r l 安装控制网和变形监测网的相继失效，有必要建立一个基于激光跟踪仪的n s r 。储存环测量控制网。本文基于激光跟踪仪，立足于储存环空间分布现状，衔接n s r l安装控制网和变形监测网，确定一个高精度、高效率的可持续的测量控制网的准直方案，并布设需要增加的磁铁基准点，由此建立测量控制网；同时根据准直测量方案对储存环进行多次的实测，通过对测量数据的平差计算，总结可靠的分析结果，并针对实测过程中出现的不足进行修正。1 1 现代加速器准直测量概述在现代工程建设中，由于工程的各项技术指标要求越来越高，相应地对i ：程测量也提出更高的要求，为适应工程建设要求，在继承传统精密工程测蛩技术及仪器设备的基础上，2 0 世纪后期相继出现了大餐新的高精度的测量仪器设备及相第1 章绪论应技术，为精密工程测量提供了更新的技术手段，这主要指用于进行精密定位的三维坐标测量系统。根据采用的仪器设备，可分为三坐标测量机( c m m ) 、经纬仪交会系统、全站仪极坐标系统、激光跟踪仪系统、近景摄影测量系统、三维激光于1 描系统、局域g p s 系统等n 二1 ，其测昔原理综述如下：1 1 1 三坐标测量机( cmm )c m m 是传统、通用的三维测量仪器，大部分采用的都是正交直角坐标测量系统，在三个互相垂直的轴向上分别装有导向机构、测k 元件和数显装置等，测量时通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。7 根据三轴的安置结构可分为桥式、龙门式、立柱式、悬臂式等多种形式的坐标测量机。c m m 具有固定的工作台或工作空间，精度较高，可达几个微米，但是其缺点是对测量环境要求较高、不便携带1 3 j 。1 1 2 经纬仪交会系统( m t s )经纬仪交会系统，多台精密经纬仪利用空问前方交会原理进行测量，由电子经纬仪、基准尺、通讯接 1 和联机电缆及微机等组成。系统定向软件采用基于大地测量控制网平差的互瞄法或基于摄影测量的光束法平差技术。完成系统定向之后就可以对目标进行观测，联机测量数据处理可实时地在计算机屏幕上显示出被测点的雀标值，这特别适用于大型设备安装和测试。整个系统在十几米范围内可以达到1 0p p m ( g m m ) 的精度，可实现非接触式测量。其主要缺点是需要人工瞄准，系统定向比较麻烦，速度慢，效率低f 4 】。1 1 3 全站仪极坐标系统全站仪极坐标系统，可建立以测站为中心的极坐标系。系统只需由一台高精度的测角、测距全站仪构成的单台仪器三维坐标测量系统( s t s ) ，因此仪器设站非常方便和灵活，测程较远，特别适合于测量范围大的情况( 几十米几百米) 。就测量精度而言，由于全站仪测距精度一般为毫米量级，所以系统精度较低。l e i c a 的t d a s 0 0 5 构成的系统在1 2 0 米范围内使用精密角偶棱镜( 1 5 英寸的c c r ) 的测距精度能达n o 2 7 ，角度测量精度可以达n o 5 ”。一般而言，本系统的效率要比经纬仪交会系统高，但是精度略低。极坐标测量系统的发展是自动极坐标测量系统( a p s ) 。该系统是一台t m 3 0 0 0 d 马达驱动电子经纬仪和一台l e i c a 测距仪构成的，所， j 的测距仪可根据实际需求来选择某一型号哺1 。2第1 章绪沦1 1 4 激光跟踪仪系统激光跟踪仪系统( l a s e rt r a c k e r ) 一种快速的极雀标三维测茸系统，和全站仪不同的是，其距离采 j 双频激光j 二涉原理测造，精度为微米级，利用伺服马达动态跟踪 j 标，测最范围几十米，坐标重复测量精度可达5 p p m ，绝对坐标测鼍精度达到1 0 p p m 。干涉测距为相对测距，需要保持在跟踪过程中激光束不能丢欠，通过绝对距离测量( a d m ) 可实现断光续接的功能，提高使用方便性。目前生产激光跟踪仪的厂商i i 要有l e i c a 、a p i 、f a r o 三家，其设计、使用方便性都在不断改进。由于干涉测量的精度高、速度快，激光跟踪仪系统的整体测量性能和精度要优f 全站仪极坐标系统和经纬仪交会系统，在加速器准直测量领域广泛应用。1 1 5 近景摄影测量系统近景摄影测量系统，是通过在不同的位置和方向获取同一物体的2 幅以e 的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标。一般分为单台像机的脱机测量系统、多台像机的联机测量系统。此类系统具有精度高、非接触测量和便携等特点。国外的生产厂家和产品很多，已形成较成熟系统的公司包括l e i c a ( 瑞士) 及m e t r o n o r ( 挪威) 等。此外，利用多个( 1 0 2 0 个) c c d 组成系统，可以实现快速检测，在汽车检测流水线应用较多。该系统测量精度类似于经纬仪交会系统，其测量速度更快，适合于动态、快速测量，可以在有毒、有害环境下操作，这是上述几个测量系统无法比拟的。1 1 6 三维激光扫描系统三维激光扫描系统( l a s e rs c a n n e r ) ，是指不采用干涉原理，不需要合作目标进行测量的系统称为激光于i j 描测量系统。其测距原理分为三种：一是脉冲法激光测距，二是激光栩位法测距，三是激光三角法测距。基于脉冲法测距的激光扫描仪精度较低，一般为毫米级，但其测程较长，如l e i c a 公司的h d s 3 d d d l j 激光扫描仪( 最大测程1 0 0 肠测距精度为4 f f ，曲面建模精度优于2 册) ，适合于建筑、工程维护、体积餐测、犯罪现场鉴证、历史遗迹记录等。相位法测距的精度和调制频率有关，激光雷达手_ 描仪( 1 a s e rr a d a rs c a n n e r ) l r 2 0 0 融合雷达、激光及三维计算机技术，频率可达到1 0 0g h z ，在1 0 0 嬲距离上绝对距离测最精度可以达到0 1 嬲测量范嗣从2m - - , 6 0m 。基于激光三角法测距原理的扫描测量系统又称结构光扫描仪，以半导体激光器作光源，使其产生的光束照射被测表面，经表面散射( 或反射) 后，用面阵c c d 摄像机接收，光点在c c d 像平面上的位置将反第1 章绪论映出表面在法线方向上的变化，即点结构光测量原理。目前，世界上生产各种型号结构光扫描仪的厂家很多，法 竭m e n s i 公司的s t 0 1 描仪于- 1 描距离从0 8 胪1 09 1 ，扫描精度优于0 2m m ，三维建模精度优于0 0 5 脚o1 1 7 室内gp s 系统室内g p s ( i n d o o rg p s ) 系统是由美国a r cs e c o n d 公司推出的，利用室内的激光发射装置不停地向外发射单向的带有位置信息的红外激光，接收器接受到信号后，从中得到发射器与接受器问的两个角度值( 类似于经纬仪的水平角和垂直角)接收器和发射器的组合就像是自动经纬仪，在已知基站酌位置和方位信息后，只要有两个以上的基站就可以通过角度交会的方法计算出接收器的三维坐标。发射器的位置和方向需要用建立测母网的方法来确定，需要一个基准尺度，其精度将对系统精度有较大影响。若使用激光干涉仪作为标尺建立的坐标系系统精度高于用铟瓦尺建立的坐标系系统。若激光干涉仪的精度为1 4p p m ，则系统的测量不确定度优于8p p m o 与g p s 不同的是，室内g p s 采用室内激光发射器来模拟卫星：它不是通过距离交会，而是用角度交会的方法。与经纬仪系统不同的是，它不是通过度盘来直接测量角度，而是通过接收红外激光来间接得到角度值，因而就不再需要人眼去瞄准待测点。系统的优点是：无论在工件外部还是在工件内部，都可以不受限制的完成测量，测量范围大( 可达上百米) ，适用于大型结构的整体精密测量。其测量速度达到了2 0h z , 测量空间范围从几米到几百米，该系统在近距离内精度不如激光跟踪仪，在十几米时精度要比激光跟踪仪高4 i 。上述准直测量系统各有优缺点，c m m 不便携带，三维激光扫描系统和近景摄影测量系统精度较低，是较早被排除的测量系统。在选择仪器型号时，室p q g p s 刚刚问世，还不太成熟。1 2 现代加速器准直技术现状为适应科技发展及科学实验研究的需要，世界上已经建造完成和正在运行的众多不同功用、不同能量的各类粒子加速器。随着加速器能量和性能的提高，加速器周长或长度变得越来越大，而束流有效孔径却逐渐缩小，加速器关键元件的定位精度要求从约3 0 年前的0 5 册艉高到如今的0 1 e f t 以下，加速器物理始终挑战着当时的精密测量技术。目前，国内外加速器准直测量技术已经不断向超高精度前进。当前最普遍应用于加速器准直的测量技术还是以激光跟踪仪、全站仪等三维测量仪器为主，主要是因为此类测量仪器具有高自动化程度、高测量精度、高测量效率、系统化测4第】章绪论量、技术应用相剐简单等特点。下面列举两台加速器控制网测量的基本，j 法。l 上海光源控制网测量”j ：海光源由长度2 0m 的直线加述器( 电r 能量1 5 0 枷”、坷长分别为1 8 0m 的增强器、4 3 2m 的储存环( 电子能量3 5 曲力投多条光束线站组成，其安装控制l 埘由整体控制网和局部控制网构成，萁局部控制l 叫x 分成直线加速器网、增强器刚、储存环嘲和实验大厅州，总共包括7 0 0 个控制l 叫点。土爱测量仪器为棣# l t d s 0 0激光j ! i 踪仪、伞站仪、关节测帚臂$ 1 1 n 3 光学水准仪。其隧道环形控制嘲的测量法是，i j t d s 0 0 激光跟踪仪自由设站分别测量各控制叫点，j 用以全站仪辅助测角j j n 3 水准仪测量备控制网点的水准高。经平差后得到边k 中误差0 0 7 册，方向巾误花5 秒，绝对点何精度05 1 2 册 纵向帽邻点捕肘点位精度0 1 5 5 册。图i 1t 海光源控制阿2 、西班牙同步辐射光源实验室( a l b a ) 控制网测量”1a i b 由直线加速器( 粒子能罱1 0 0 帕订，输运线环长2 4 9 椭增强器，环长2 6 8 的储存环( 电子能量3 5 曲d 组成，增强器与储存环同心并位f 同一隧道中，其安装控制网由直线网、隧道环形网和地面网构成，总共包括大约1 0 0 0 个控制网点。主要测量仪器为激光跟踪仪、全站仪、关节测量臂和n 3 光学水准仪。其隧道环形控制阿的测量方法是激光跟踪仪自由设站( 共设6 4 站) 分别测量各控制网点用光束法平茬和拟合平差获取所有点的空间三维坐标( 坐标系为第一次设站的仪器坐标系) 用n 3 水准仪测量各控制嘲点的水准高再用最小二乘转换将前述三维坐标转换到水平面上。如此测量所得到的点位标准偏差为o 0 9 脚最大点位标准偏差为01 2 。第1 章绪论图1 2a l 吐控制网1 3 本文的研究内容及主要成果在我国加速器工程测量中，以往一直沿用传统的测量仪器和测量方法，其测量程序复杂，工作量大，效率低下。为了改善这种现状，国内加速器的研究院所巾先_ l 舌有三家相继购买激光跟踪仪及全站仪测量系统。该类仪器尤其是激光跟踪仪在加速器工程测量的应用中不可或缺，其优越的综合测量性能大大提高了加速器准直手段和方法。本文针对n s r l 购置的一系列新仪器，参考国内外加速器准直测量方案，基于激光跟踪仪，立足于储存环空间分布现状，衔接关联n s r l 安装控制网和变形监测网，建立一个高精度、高效率的可持续的测量控制网，其着重进行以下内容的研究和工作：l 、借鉴n s r l 安装控制网和变形监测网立足于储存环空间分布现状，分析建立测量控制网的难点和必要性，基于激光跟踪仪，结合n s r l 现有仪器，比较可采用的准直方案的优劣和可行性确定一个基于激光跟踪仪的高精度、高效率的可持续的测量控制网的准直方案。2 、结合准直测量方案和所使用的主要测量仪器，有针对地作建网准备工作和具体实施步骤安排，合理布设所需增加的磁铁基准点，使其能有效反应磁铁位置变化，正确布设地标点和测量过渡点以满足多站测量所需，并对所有网点有序命名，通过建立水平坐标系和多站测量从而获得二极磁铁和四极磁铁的坐标，由此建立测量控制网。第1 章绪论3 、依据准直方案选取仪器进行实地测量，分析仪器测量精度和影响仪器测量精度的各种因素，针对仪器测量精度和实际测量过程分析实测的精度，多站测量结合就如何提高测最精度做出分析总结，并以此为基础展开实际测量，获得可靠性数据。4 、针对实测数据，结合平差理论，依据各部件基准点的理论位置，利用多种有效的平差方法处理数据，获取二极磁铁点位误差及误差参数，建泣所有测遣网点( 包括第，一次测量点) 的数据库，结合实际分析误差来源，针对误差做出总结，并针对实测过程中出现的不足进行修正。7第2 章基于激光跟踪仪的准直测量方案国家同步辐射实验室( n s r l ) 一期工程1 9 8 4 年1 1 月2 0 日破上动工，1 9 8 9年建成出光，1 9 9 1 年1 2 月通过国家验收，总投资8 ，0 4 0 万元人民币。1 9 8 9 年4月建成出光，是一台专用真空紫外和软x 射线、特征波长2 4 a 的i j 步辐射光源。其主要设备包括2 0 0 m e v 直线加速器和一个8 0 0m e v 电子储存环。直线加速器总长3 5 米，由电子枪、予聚焦器、聚束器和四个六米加速区段组成。总功率为7 0兆瓦的五只速调管向直线加速器提供微波功率。被加速的电子经8 8 米长输运线注入到储存环里。储存环周长6 6 米，由弯转磁铁、四极磁铁、六极磁铁、注入系统、高频系统、超高真空系统、束流测量及控制系统等组成。1 9 9 9 年国家又投资l l ，8 0 0 万元人民币进行国家同步辐射实验室二期工程建设，2 0 0 4 年1 2 月二期工程通过国家验收。伴随着n s r l 的一期建成和二期改进，n s r l 的准直测量工作为了确保加速器部件依据物理设计精确定位，一期工程布设了n s r l 安装控制网，二期工程建立n s r l 变形监测网。二期工程通过国家验收后，随着储存环光束线和插入元件的增加及储存环内部的电源设备等诸多原因，无论n s r l 安装控制网还是变形监测网的测量已经不可实现。基于客观现实，所以本文立足于储存环现实状况，基于激光跟踪仪及全站仪测量系统，通过增加磁铁基准点，建立一个高精度、高效率的可持续的测量控制网，实现储存环高精度测量和后续的变形监测，保证加速器的高性能运行。2 1n s r l 储存环控制网概述n s r l 的准直方案和手段经历了三个阶段。第一个阶段是加速器安装过程中采取铟瓦钢丝测边建立安装控制网，进行图鉴和安装；第二个阶段是在安装控制网的基准上优化改造后的变形j l f 测网来实施加速器的变形监测；目前进行的是第三个阶段的改造，这个阶段得益于加速器准直技术的最新发展，就是运用激光跟踪仪作为主要的测量工具，增加磁铁基准点，建立一个高精度、高效率的可持续的测量控制网。n s r l 从最初土建到建成正常运行，其准直方案是基于平面测边网建立土建工程的施工控制网和加速器部件安装过程中的安装控制网，以采取铟瓦钢丝测边的手段达到加速器所要求的准直定位精度。受限于当时准直测量手段和测量仪器的精度，n s r l 安装控制网以铟瓦钢丝测边为依据，由2 8 个控制点组成( 见图2 1 ) 。这2 8 个控制点由储存环4 个圆弧段的圆点( 见图2 1 中的2 5 、2 6 、2 7 、2 8 点) 和2 48第2 章基于激光跟踪仪的准直测盈疗案个分别固定于1 2 块二极磁铁上端面( 见图2 1 中的1 - 2 4 点) 构成。由此，n s r l 的安装控制| 叫是个由8 6 条边长观测值构成同精度测边嘲，其边长由经双频激光1涉仪标定的铟瓦钢丝丈量测距精度为q ，2 【) u ) 删。之所以采用测边网是出 二测角受门心误差、调焦误差、轴承误差和承平折光等因素影响，不易达到控制网所要求的鞘度。在这8 6 条测边中，有4 8 条边是保l i e - - 极磁铁沿径向和切曲定礼的必测边，而另外3 8 条边为提高整个环刚度和磁铁相对位置精度的多余观测变量图2in s r l 安装控制网当时安装控制网的目的是定出二极磁铁的位置，进而时四极磁铁及其直线节t 的部件精确定位。以加速器常用的磁铁坐标系来定义，磁铁中心点为原点，z轴为束流方向，y 轴为高度方向，按左手法则确定x 轴( 见图2 2 ) 。准直误差可分解为6 个因素；磁铁中心点位置的三维偏差( 中心点向3 个坐标轴方向的平移)和分别绕x ，y ，z 轴的3 个旋转偏角任何误差都可看作其中若干项的叠加。对f不同的磁铁来说，不同误差因素对加速器的影响情况不大一样，因此加速器物理对各个磁铁在不同方向所提出的公差要求也不一样”。根据物理设计，定出二极磁铁的爿方向和z 方向的准直安装公差见表2l 。表2 1 储存环破铁安装准直要求公差类型极磁铁f ! ：q 极碰铁六极磁铁注入磁铁经向公差( x )1 0mm士0 1 5m m0l5m ml0m m垂直公差( y )士05mm土0 j 5m m01 5m mi 0m m纵向公差( az )1 5m m05m m0 5i o m2 0g i m旋转公差( oz )0 5m r a d0 2m r a d4 - 0 2m r a d0 5m r a d第2 章基丁激光跟踪仪的准直测鼍方案兰一?，7 ”l r 2 ”图2 2 磁铁世标系定义安装控制网在储存环的不同安装阶段，其控制的重点是不同的。因为其控制网的设计思想是既是储存环安装过程中各点绝对位置的控制网，又是在精调中作控制磁铁相互间位置的控制网，这两个阶段的侧重点不同。在磁铁的精调阶段，为了保证磁铁间的相对位置精度，这时就位精度是属于相对精度的范畴，这是因为带电粒子的运动对于一条甲滑而缓慢改变的参考轨道是不会发生畸变的；而磁铁部件的相对位置精度是可以保证粒子运动轨道的光滑连续性，这时磁铁部件间的相对位置精度远比其绝对位置精度来得重要暗! 。n s r l 从正常运行到二期工程的结束，其准直方案是基于平面测边网和安装控制网建立和优化的变形监测网，以采取铟瓦钢丝测边的手段达到加速器所要求的准直定位精度。n s r l 从正常运行到二期工程启动之前，由于储存环上安装u n d u l a t o r 及超导w i g g l e r 等插入元件，安装控制网的通视情况遭到破坏，故无法实现后续的变形监测。有鉴于此，同时为了能够对环上的磁铁位置进行变形监测，考虑到当时的仪器设备，n s r l 于1 9 9 7 年基于安装控制网以铟瓦钢丝测边为依据建立了一个变形监测网。此变形监测网仍以2 8 个控制点组成，这样由于2 8 个点的设计坐标已知，若以设计坐标作为近似值，则每次复测，平差后即可得到坐标改正f值q ，即为各点的位移向量d 。当时通过储存环现场勘察，以2 8 个控制点为基准并能够用钢瓦钢丝测边的有1 7 4 条，综合考虑了精度要求、经济效益和工作效率了之后，变形监测网基于安装控制网采取了最优的测量方案，共测边9 9 条( 见图2 3 ) 1 引。l o第2 章按r 触光跟踪仪的准直删地方案图23n s r i ，变彤监测脚2 2 建立测量控制网的必要性由十n s r l 经历。期工程的建设和二期工科的改建，相较r 最初的加速器吐与安装布局，随着储存环实验线站和插入元件的小断增加，而其相应的电游设缶和真空系统布簧干储存环内部，这些不合理的设备布设致使针对控制l 叫的测量无法实现。经过多次实地现场勘查，发现储存环内部四个乒型的电源设备，母个电源柜岛 8 0 m m 、长6 0 0 m m l l 宽2 0 0 m m ，如此形状的电源柜是无法实现备基准点的通税，另外二期工程加入的波荡器的电源更是高达2 l o m m ，萁乖随放置十波荡 ： 棚端令其周围的基准点完全被孤立于控制嘲之外，不仪如此，由于当时二期上程时真窀系统的改进，真空电源的布设缺乏全稚考虑到准直测遁的要求，高1 。控制网平面，其支架和真空湖4 控装置1 5 0 m m 高度使拉网测疑的一r 能变得更不i 实现。另外磁铁紧邻的辐射防护墙和储存坪附带的电缆无法采取隧道式多站测昂联酬。i 体有关f 1 前幅队储存环的现状布局情m ，如图24 所，i ”。第2 章基于激光跟踪仪的准直测壁方案瞬24n s r l 储存环内部现状正如上所述，自2 0 0 4 年通过国家验收以来，由于加速器部件的插入与储存环内部电源设备的放置，以锢瓦钢丝测边的先决条件已经被破坏。以铟瓦钢丝测边为依据建立的安装控制网和变形监测网己然无法完成测量工作而且以上世纪传统的测量方法和技术手段建立的控制网无论是测量精度还是测量效率都已经无法有效地适应插八元件测量安装的要求。另一方面，i ! i n s r l 建成出光后一直缺乏有设的测量控制网来观测随n s r l 储存环的偏差情况，仅有的变形监测网由于二期工程的改进而只有效工作了一段时间。而且一直以来，针对精度要求相对较高的四极磁铁的偏差情况都是通过二极磁铁拉直线测量，无法直接在四极磁铁上赢接置基准点建网测量。可以说无法直接测量四极磁铁的相对位置一直是n s r l 准直测量所遗憾的。n s r l 于2 0 0 7 年购置t l t d 8 4 0 激光跟踪仪及t d 5 0 0 5 垒站仪等一系列仪器，这些高精度、自动化的测量仪器为建立一个高精度、高效率的可持续的测量控制网完各了硬件条件。测量控制网的建立能及时发现二极磁铁及环上部件的偏移情况并在必要时予以调整：同时通过长期的周期性观测，能够研究二极磁铁等部件的偏移情况。并对这个变化提出几何的和物理的解释：更为重要的是可以利用这些先进的测量仪器直接测量四极磁铁及其他部件的具体相对位置：还可以以基准为准安装后续插入件。测量控制同以测量各个基准点而无需拉网测边的特点既直接方便又全面可控，无需受后续插入件的影响。故此测量控制网既能可靠地反馈实际磁铁偏差，又可作为后续的变形监测的控制网。长期的观测可以验证磁铁位置的变化与光源稳定性和束流质量的关系，为调机提供依据和准确性并为及时排除故障提供方便保证加速器的高性能运行。第2 章基f 激光跟踪仪的准直测量方案2 3n s r l 储存环测量控制网测量方案n s r l 储存环控制网分为一级乎面控制网和二级平面控制网。一级平面控制网主要是建立加速器的平面坐标年u n s r i 整个平面坐标系的联系，确定加速器的绝对位置关系，决定加速器整体地理位置，建立永久标志。n s r i 。已建成2 0 来年，其地理位置亦已完全定位。二级平面控制网在一级平面控制网的基础上通过加密建成用r 确定各个安装元件的平阱位置关系，指导各元件安装精确到位，并可持续监测位置变化情况。二级平面控制网为准直工作的重心所在，安装控制网、变形监测网和测龄控制网均为二级平面控制网。依据n s r l 现有的l e i c a - l t d 8 4 0 激光跟踪仪和f d a s 0 0 5 全站仪，测嚣控制网测景方案可选择以下四种川：1 、l t d 8 4 0 f i i j 接测边、t d a s 0 0 5 测角方案该测量方案是采用l t d 8 4 0 激光跟踪仪测餐所有相邻三个网点构成三角形的三斜距边，并用水准仪测量各网点的相对高程，以改正斜距边为平距边，再用t d a s 0 0 5 钡o 量角度。通过平面网平差得到各网点在水平面上的二维坐标。该测量方案网形结构较差，多余观测数少，测角工作量很大，垂直角测量误差对间接测边精度影响较大，仪器偏离两点间连线时，水平角测量误差会影响测距边的精度，最主要的是仪器设站次数较多，每测量一条边需搬动一次仪器，显然n s r l储存环内部空间无法进行自由多次设站测量。2 、l t d 8 4 0 直接测边、t d a s 0 0 5 测角方案该测量方案是在l t d 8 4 0 激光跟踪仪基本整平的条件下，直接测量设站点到各网点问的斜距，用垂直角改正为平距，再用t d a 5 0 0 5 测量角度。平差时，把设站点及控制网点平面坐标同时作为未知参数进行平差n 引。该测量方案涉及的平距改正，垂直角测量误差对其精度有一定影响。同时考虑到储存环内部空间，该方案双仪器测量占地交大可能无法测量所有点。3 、l t d 8 4 0 光束法平差测量方案光束法平差测量方案，是采用l t d 8 4 0 激光跟踪仪依 欠设站测量控制网中的控制点，并在相邻两站间加入公共点，对所有测站的数据进行光束法平差得到各控制l 叫点的三维坐标。用高精度水准仪测量所有控制网点的相对高程。由于光束法平差所得到的三维坐标之坐标系的x o y 平面不是水平面，而各网点高程的基准是水平面，因此采用水准高程，通过最小二乘转换，可以将上述三维坐标之坐标系x o y 平面旋转到水平面上。从而得到水平面基准上各控制网点的三维缆标h 引。该测量方案所得测量数据需要进行多次世标转换才能得到需要的坐标系下各控制网点的坐标；平差时不便于加入外来的观测量，不便于进行各项误差指标的解算分析，而控制网的平差常常需要了解控制网点的切向、径向误差及误差椭圆等第2 章基丁- 激光跟踪仪的准直测量方案项误差指标。重要的测量为了网形结构，需要设置较多的临时公共点。而储存环内部的测晕障碍物和空旷无物的机器上空，无法保证由公共点来解算仪器姿态，其图形结构很差，解算精度不高。4 、l t d 8 4 0 直接测边、测角方案该测量方案要求在l t d 8 4 0 上安装l e v e ln i v e l 2 3 0 倾斜传感器，l t i ) 8 4 0 直接测量设站点到各网点间的斜距，l e v e ln i v e i 。2 3 0 同时测量仪器的二维倾斜分量，用倾斜分量分别将水平角及垂直角改正为水平面上的角度，再用改正后的垂直角将斜距改正为平距。平差时，把设站点及控制网点平面坐标同时作为未知参数进行平差。该测量方案相比较而言，网形结构坚强，测最点数较少，测量工作量小。而且充分利用 l t d 8 4 0 的各种观测量，多余观测数较多，同时便于分析各项误差指标。其不足之处在于测量中需要同时测量倾斜量来对角度观测值进行水平改正，l t d 8 4 0 的水平角测量精度相对较低。总结以上四种可供选择的测量方案，参照n s r l 可补充测量的l e v e ln t v e i 。2 3 0和n 3 水准仪等，测量控制网采取l t d 8 4 0 直接测边、测角方案，辅以高程控制网采取n 3 水准仪测量所有控制网点的相对高程，以确保水平角测量精度。这种测量方案即满足高精度测量要求，又实现高效率测量，而且现场测量空间要求相对较小，对于n s r l 储存环而言是最为恰当的准直测量方案。2 4 高程控制网测量方案由于激光跟踪仪本身属于三维坐标测量仪器，只是其垂直方面角度测量精度相对较差，所以针对高程测量采用n 3 水准仪辅助测量。当时其在高程测量数据也是可以作为高程控制网的参考数据。上文提到高程控制网采取n 3 水准仪测量所有控制网点的相对高程，以确保水平角测量精度。水准测量受现场条件的限制较小，以储存环中心控制点高程为绝对基点，往返测量各磁铁基准点的水准路线。测量视线较短( 不超过1 5 砌，仪器的架设保证前后视距基本相等，采用基、辅读数进行核检。和常规水准测量不同的是，由于标志是固定的，每次设站测得的两点高羌都是可以复测的，因此整条水准路线的闭合差可以很容易摔制。水准测量采用n 3 光学水准仪，分别在每一网点上设站，设站方式如图2 5 所示( 以a 点上绝对高度为基准) ，由于各控制网点间距离基本相等且对称分布，因此该设站方式可以保证前后视距离相等，不需要每次设站量取视距每次设站分别读取前后各两点的标尺读数，但计算高差时只计算视距相等点问的高差，如在1 4第2 章基于馓光跟踪倥的准直测量方案中距离点上设站，分别计算p p 1 问、p 一p 2 问和p 一p 3 问的高差，水准仪的精度为每公里往返测高差中数的中误差为o2 呻，如粜缚公里按1 0 0 站计算则每站往返测高中数的中误差月忙02 4 y 面o = o0 2 r a m ，町以作为测一站的单位权中误差协。2 5 本章小结图25 高程控制网测量图通过借鉴n s r l 安装控制网和变形监测网，立足于储存环空间分布现状，考虑安装公差，分析建立新型测量控制网的难点和必要性，基于激光跟踪仪，结合n s r l现有仪器，比较可采用的准直方案的优劣和可行性，确定一个基于激光跟踪仪的高精度、高效率的可持续的测量控制网的准直方案，同时辅以基于高精度的3光学水准仪建立的高程控制网。；羹乜。嚣一。亨心第3 章n s r i ，储存环控制网的建立第3 章n s r l 储存环控制网的建立3 1 建网准备与步骤n s r l 储存环测量控制网就是利用激光跟踪仪多站测最实现高精度地对各基准点进行测量，通过测罱各基准点的三维坐标构成控制网，并采用多余观测及计算机拟合等平差方法处理。有基于此，方案设计过程中，主要考虑以下几个因素：( 1 ) 合理布点和有序测点，考虑至i j n s r l 储存环的布局：合理地布设磁铁基准点、地标测量点、过度测量点；测量时，选择有利的多站测量点，减少多站测量次数。( 2 ) 仪器的合理使用，应充分发挥所选用仪器的优点，限制其缺点，有序操作，保证精度。( 3 ) 方案的可持续性，方案不仅要保证测量的顺利进行，还应能够在运行期间进行定期或实时复测、调整u 刚。安装控制网和变形监测网基于2 8 个基准点而建，之前的准直工作也是围绕这2 8 个基准点，目前n s r i 。已经保存有这2 8 个基准点的理论数据。故此，测量控制网必须包含这2 8 个基准点，其具体方案分为下述几步：( 1 ) 二极磁铁上布点，由于每块二极磁铁上只有2 个基准点，无法确定二极磁铁的测量面的平面倾斜情况。为了有效地监测每块二极磁铁的位置偏差，故在每块二极磁铁测量面上增 j 1 2 个基准测量点，将其作为测量控制网的基准点，便于今后的变形监测。而原先的基准点的测量靶点直径与t l d 8 4 0 的反射镜直径不相符，需要设计加工件便于利用原先二极磁铁上2 4 个基准点。( 2 ) 四极磁铁上布点，由于无论安装控制网还是变形监测网都没有在四极磁铁上布设基准点，四极磁铁的准直一直采用与二极磁铁的磁中心共线原则单个对中，这种方法不仅工作量大，而且误差传递叠加，测量的可靠性降低。所以在每块四极磁铁上增加6 个新的基准点( 其中2 个位于四极磁铁中缝位置) ，合理分布基准点相对位置。( 3 ) 空间布点，为了实现多站测量，经多次现场勘查，需要布设大约1 5 个地标点，储存环空间周边布设大约2 0 个过渡测量点。布设点的具体位置以多站可测和空间多角度分布为准则确定。布设前预先在布点位置做标记，利用t d a s 0 0 5全站仪进行实地测量，检查各点的光路通视情况，调整不合理的布点位置，保证以尽可能少的多站测量获得全部磁铁基准点可测。( 4 ) 实地测景，根据一定的命名规则，对目标网点命名，对测量工件上的目标利用激光跟踪仪和水准仪依次进行实地测量，通过安装l e v e ln i v e l 2 3 0 倾斜传感器，首先建立水平坐标系，合理选择多站测量点，获取所有基准点的三维坐标。1 6塑! 童! ! 些堕堑堡堡型塑堕堡皇( 5 ) 平差总结，利h j 多种方法对所得的数据平差处理，与论理坐标值比对，获取点位误差及误差参数，建立所有测量网点( 包括第次测量点) 的数据库结合实际分析误差来源，针对误差做出总结。3 2 测量点的设计与布设n s r l 储存环测量控制阿由_ 极磁铁基准点( 4 8 个) 、四极磁铁基准点( 1 9 2个) 、地标基准点( 1 5 个) 、过渡测量点( 2 0 个) 组成，共大约2 7 5 个可测量点其中除原先2 8 个基准点外，均为需要新布设刚点。3 2 1 量点靶座的设计无论是l e i c a - l t d 8 4 0 激光跟踪仪还是