基于虛擬儀器技術的校準軟件研制開發

自主研制的激光跟蹤測量系統通過激光測距和精密測角實現對空間目標的坐標測量。作為一個精密測角測距儀器，激光跟蹤測量系統在出廠之前需要進行相應的校準，以獲得儀器內部光學系統、機械結構、伺服系統的相關參數，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工具，為熟悉C語言的技術開發人員在測控領域建立計算機儀器系統-虛擬儀器，提供了一個理想的軟件開發環境。該軟件的應用領域極其廣泛，涵蓋了軍工、電訊、工業生產和航天等各種行業［1-2］。本文應用虛擬儀器技術，為自主研制的激光跟蹤測量系統開發了基于LabWindows/CVI的校準軟件。

1 系統組成與校準內容

激光跟蹤測量系統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）和光電經緯儀于一體，可同時實現測距、測角和跟蹤功能。激光跟蹤測量系統校準的目的是對影響系統測距、測角精度的誤差項進行辨識，以便進行軟件修正。按照系統內部參數周期內變化程度大小可將分為實驗室校準和現場自校準。其中實驗室校準主要是對IFM激光器、大氣參數傳感裝置、測角光柵碼盤進行校準；現場自校準主要是對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精度檢測（Bundle test）也將一并放入校準軟件。

2 校準軟件設計

2.1校準軟件整體設計

校準軟件與激光跟蹤測量系統之間通過以太網實現TCP/IP連接。軟件運行時，首先進行設備連接，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文件生成與發送，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校準軟件模塊化設計

2.2.1主界面設計

校準主界面設計以簡潔實用為原則，主要功能是實現設備連通、校準項目選擇、參數文件生成、連接狀態顯示、實時測量數據顯示，如圖3所示。在未實現設備連接時，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燈變成綠色時，其他按鈕可用。測量系統有數據輸出時，數據顯示區的方位角、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。

（1） TCP/IP連接

校準軟件與設備之間的通信是通過以太網實現的。LabWindow/CVI提供有用于實現設備間TCP/IP通信的函數，按照服務對象不同，大致可以分為三類：服務器函數、客戶函數和支持函數［3］。校準軟件在激光跟蹤測量系統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數據采集處理單元（服務器端）發送過來的數據，還要進行響應，向服務器端發送數據。TCP/IP連接按鈕完成的功能是啟動連接程序后，根據設定好的服務器端口號和IP地址進行連接，接收服務器端發送的數據并解算顯示。連接成功后，電控箱和客戶機指示燈會變成綠色，如果服務器端有數據，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）與數據采集處理單元（服務器）的連接過程如圖4所示。

（2） 校準項目選擇

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系統精度檢測。校準項目按鈕之間是互鎖關系，即點擊任何一個按鈕，其他項目按鈕將處于不可用狀態直到退出當前校準項目。

（3） 參數文件生成

在執行某些校準項目后，點擊參數文件生成按鈕會進入新參數文件生成流程：載入原始參數文件-根據校準項目的執行情況計算相應校準參數-生成新的參數文件-發送新的參數文件至數據采集處理單元-保存原始測量數據-退出參數文件生成程序。

2.2.2 校準項目子界面設計

由于校準項目較多，僅以ADM測距校準為例說明子界面的設計。在用戶測量現場，激光跟蹤測量系統啟動后，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自帶的IFM測距進行比對，使用三次樣條函數進行誤差曲線擬合。為保證測量精度，要求測量點數不低于6點，全長最多36點，測量點間隔以1 m為宜。當角度、距離數據符合設定測量點要求時，測量數據變成綠色，提示操作人員該點可以采集，點擊采集按鈕，當前數據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計與ADM校準子界面相似。

2.2.3 校準軟件參數文件設計

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

3 校準軟件聯調實驗

在現有激光跟蹤測量系統已研制設備的基礎上，開展校準軟件和數據采集處理單元的聯調實驗。所需設備有：計算機兩臺，數據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），通過網線和數據采集與處理單元連接，另外一臺作為數據采集與處理單元的程序刷新設備。實驗內容為數據連通實驗，指令傳輸實驗和參數文件刷新實驗。數據連通實驗是指設備間的TCP/IP連通和測量數據解算顯示實驗；指令傳輸實驗是指校準軟件中的控制指令傳輸與執行成功回傳實驗；參數文件刷新實驗是指校準軟件對數據采集與處理單元參數文件區的刷新操作實驗。

設備連通后，電控箱和客戶機狀態燈變成綠色，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。用戶執行所需要的校準項目后，即可點擊參數文件生成按鈕進行新參數文件的生成、存儲和發送。圖9為點擊參數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的校準需求，設計了基于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項目的校準。本軟件以人性化的設計為原則，在校準過程中自動指導用戶完成相應項目的校準，并可對原始測量數據、校準參數進行顯示、存儲等操作，實現了整個校準過程的自動化和虛擬化。