激光跟蹤測量系統（Laser Tracker System）是工業測量系統中一種高精度的大尺寸測量儀器。它集合了激光干涉測距技術、光電探測技術、精密機械技術、計算機及控制技術、現代數值計算理論等各種先進技術，對空間運動目標進行跟蹤并實時測量目標的空間三維坐標。它具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點，適合于大尺寸工件配裝測量。SMART310是Leica公司在1990年生產的第一臺激光跟蹤儀，1993年Leica公司 又推出了SMART310的第二代產品，其后，Leica公司還推出了LT/LTD系列的激光跟蹤儀，以滿足不同的工業生產需要。LTD系列的激光跟蹤儀采用了Leica公司專利的絕對測距儀，測量速度快，精度高，配套的軟件則在Leica統一的工業測量系統平臺Axyz下進行開發，包括經緯儀測量模塊、全站儀測量模塊、激光跟蹤儀測量模塊和數字攝影測量模塊等[8]。
激光跟蹤系統在我國的應用始于1996年，上飛、沈飛集團在我國第一次引進了SMART310激光跟蹤系統；2005年上海盾構公司引進了Leica公司的一套LTD600跟蹤測量系統，應用于三維管模的檢測。
1.2 激光跟蹤測量系統的基本原理[52]
近年來，激光跟蹤測量系統的應用領域在不斷擴大，很多公司都相繼推出了各自品牌的激光跟蹤儀，但所有的激光跟蹤測量系統基本都是由激光跟蹤頭（跟蹤儀）、控制器、用戶計算機、反射器（靶鏡）及測量附件等組成的。在本文中，實驗采用的是LTD600激光跟蹤測量系統（圖2.1），因此具體討論的基本原理是基于LTD600型的激光跟蹤測量系統。
圖2.1 LTD600激光跟蹤測量系統
1.2.1系統的組成
激光跟蹤儀的實質是一臺能激光干涉測距和自動跟蹤測角測距的全站儀，區別之處在于它沒有望遠鏡，跟蹤頭的激光束、旋轉鏡和旋轉軸構成了激光跟蹤儀的三個軸，三軸相交的中心是測量坐標系的原點。它的結構原理如圖2.2所示。系統的硬件主要組成部分包括：傳感器頭、控制器、電動機和傳感器電纜、帶LAN電纜的應用計算機以及反射器。
(1) 傳感器頭：讀取角度和距離測量值。激光跟蹤器頭圍繞著兩根正交軸旋轉。每根軸具有一個編碼器用于角度測量和一只直接供電的DC電動機來進行遙控移動。傳感器頭的油缸包含了一個測量距離差的單頻激光干涉測距儀（IFM），還有一個絕對距離測量裝置（ADM）。激光束通過安裝在傾斜軸和旋轉軸交叉處的一面鏡子直指反射器。激光束也用作為儀器的平行瞄正軸。挨著激光干涉儀的光電探測器（PSD）接收部分反射光束，使跟蹤器跟隨反射器。
圖2.2 激光跟蹤儀結構原理圖
(2) 控制器: 包含電源、編碼器和干涉儀用計數器、電動機放大器、跟蹤處理器和網卡（圖2.3）。跟蹤處理器將跟蹤器內的信號轉化成角度和距離觀測值，通過局域網卡將數據傳送到應用計算機上，同理從計算機中發出的指令也可以通過跟蹤處理器進行轉換再傳送給跟蹤器，完成測量操作。
圖2.3 控制器
(3) 電纜：傳感器電纜和電動機電纜分別用來完成傳感器和電動機與控制器之間的連接。LAN#p#分頁標題#e#電纜則用于跟蹤處理器和應用計算機之間的連接。
(4) 應用計算機：經過專業人員的配置后，加載了工業用的專業配套軟件，用來發出測量指令和接收測量數據。
(5) 反射器：采用球形結構，因此測量點到測量面的距離是固定的。本系統中采用三面正交鏡的三重鏡反射器。
(6) 氣象站：記錄空氣壓力和溫度。這些數據需要用來在計算激光反射時是必需的，并通過串行接口被傳送給聯機的計算機應用程序,如圖2.4。
圖2.4 氣象站
(7) 測量附件：包括三角支架、手推服務小車等。支架用來固定激光跟蹤儀，調整高度，保證各種測量模式的穩定性，且三角支架底座帶輪子，可方便地移動激光跟蹤儀。手推服務小車則可裝載控制器等設備，運送方便快捷。
1.2.2系統的基本原理[7]
激光跟蹤測量系統的工作基本原理是在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時，返回光束為檢測系統所接收，用來測算目標的空間位置。簡單的說，激光跟蹤測量系統的所要解決的問題是靜態或動態地跟蹤一個在空間中運動的點，同時確定目標點的空間坐標。
激光跟蹤儀的坐標測量是基于極坐標測量原理的（圖2.5）。測量點的坐標由跟蹤頭輸出的兩個角度，即水平角H和垂直角V，以及反射器到跟蹤頭的距離D計算出來的。本系統在實際應用中采用的一站法激光跟蹤測量系統。
圖2.5 一站法激光跟蹤儀坐標測量原理
計算公式為：
（2.1）
系統的工作原理從以下幾個部分進行討論：
（1） 角度測量部分：其工作原理類似于電子經緯儀、馬達驅動式全站儀的角度測量裝置，包括水平度盤、垂直度盤、步進馬達及讀數系統，由于具有跟蹤測量技術，它的動態性能較好。
（2） 距離測量部分：由IFM裝置和ADM裝置分別進行相對距離測量和絕對距離測量。IFM是基于光學干涉法的原理，通過測量干涉條紋的變化來測量距離的變化量，因此只能測量相對距離。而跟蹤頭中心到鳥池（圖2.6）的距離是已知固定的，稱為基準距離。ADM裝置的功能就是自動重新初始化IFM，獲取基準距離。ADM通過測定反射光的光強最小來判斷光所經過路徑的時間，來計算出絕對距離。當反射器從鳥池內開始移動，IFM測量出移動的相對距離，再加上ADM測出的基準距離，就能計算出跟蹤頭中心到空間點的絕對距離。
圖2.6 鳥池
（3） 激光跟蹤控制部分：由光電探測器（PSD）來完成。反射器反射回的光經過分光鏡，有一部分光直接進入光電探測器，當反射器移動時，這部分光將會在光電探測器上產生一個偏移值，光電探測器根據偏移值會自動控制馬達轉動直到偏移值為零，實現跟蹤反射器的目的。
1.2.3激光跟蹤儀的測量精度和系統誤差校準方法
激光跟蹤儀的測量精度主要取決于測角和測距的精度以及測量環境的影響。以#p#分頁標題#e#Leica公司的LTD600型激光跟蹤儀為例，它的角度分辨率為0.14″，角度測量精度達2.0″；單頻光外差干涉法測量距離的分辨率為，距離的測量精度達，其精度主要受到溫度和氣壓測量精度和變化及大氣條件均勻性的影響，同時，干涉法距離測量的精度還受到基準距離校準精度的影響，因為基準距離校準誤差將會成為干涉測距的系統誤差；ADM絕對測距儀采用光偏振的工作原理，它的距離測量分辨率達，在全量程范圍內的距離測量精度為；跟蹤儀最大量測距離為，水平方向的量測范圍達，垂直方向的量測范圍為。
在測量范圍內，IFM相對坐標測量精度達到 (即)；ADM絕對坐標測量精度達到 (即)。當然系統精度還取決于工作場地和環境的穩定性，一般要求在室內較穩定的工作條件下。
之前提過激光跟蹤儀的三軸，理論上，三軸之間是要保持正交關系，但由于實際的機械加工，安裝調整誤差和電子零點誤差等影響，軸系間不可能到達理想的正交狀態，這也是系統誤差存在的原因。
在李廣云教授的論文[8]中指出，按物理意義激光跟蹤儀角度測量的系統誤差分為15類，即有15個校準參數，分別是：水平軸傾斜誤差i、旋轉鏡傾斜誤差c、激光束傾斜誤差lx和ly、水平軸偏移誤差e、旋轉鏡偏移誤差f、激光束偏移誤差Ox和Oy、平行玻璃板偏移誤差O2x和O2y、垂直度盤指標差j、水平度盤偏心差Ex和Ey、垂直度盤偏心差Kx和Ky。這些系統誤差的檢驗類似于經緯儀或全站儀的檢驗，并且在配套的系統軟件中已經添置了專門的儀器校準程序，操作人員只要將測定的誤差參數存于應用計算機中，在實際作業中這些參數會被自動傳送到跟蹤儀控制器中，用來補償修正各類測角測距觀測值。為了簡化操作過程，在激光跟蹤儀出廠前廠家同時給出了一組校準后的參數供用戶參考，但考慮到重新安裝、環境變化、長途運輸等因素的影響，用戶也應自行檢測。校準方法可參考經緯儀等的校準，具體的方法可參考儀器出廠的使用說明書。
不同于經緯儀或全站儀，跟蹤儀中有個基準距離，即跟蹤頭中心到鳥池的距離，基準距離的測定誤差稱為基距誤差C，它屬于測距系統誤差。基距誤差的測定方法在文獻[7]中提出，選取兩個穩定點1、2，兩點相距3～4m，確保兩點基本與跟蹤頭處于同一高度，在A，B兩點分別設站，分別觀測1、2點的水平角、垂直角、距離三類共12個觀測值，根據余弦定理可以計算出C值。
具體計算公式為：
（2.2）
兩式并整理得：
（2.3）
式中，
（2.4）
在實際計算基距誤差中，根據圖#p#分頁標題#e#2.7所示，在A、B兩站分別觀測1、2兩點，按式(2.3)可以計算得出基距誤差C。
圖2.7 基準距離校準方法
實際上，C的值是基準距離的變化部分與反射器常數之和，所以對于不同類型的反射器，C的值也會發生變化，對于不同的反射器需要分別進行校準。
1.2.4系統的應用
激光跟蹤儀配備了高精度的水平和垂直角度編碼器，實現精確的角度測量；專利的徠卡激光干涉儀實現精確的相對距離測量；高精度的絕對測距儀則實現快速檢測。這些特點彌補了對大型構件的傳統測量方法——經緯儀法的不足之處，例如人工測量的效率相對較低、觀測精度差等缺點。激光跟蹤測量系統測量范圍大、攜帶方便、對環境要求不高、適合現場作業等優點，使它的應用領域逐漸擴大。
在重型機械制造業中，大尺寸部件的檢測和逆向工程常采用激光跟蹤測量系統。在零部件生產中，該系統可以快速精確地檢驗每個成品零部件的尺寸是否與設計尺寸完全一致，同時迅速地數字化零部件的物理模型，得到的數字化文件可以用各種方法處理從而得出測量結果。在機械領域中，逆向工程(Reverse Engineering)是在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現有零件的模型（稱為零件原形），利用各種數字化技術及CAD技術重新構造原形CAD模型的過程。CMM是逆向工程中的接觸式測量方法，由于激光跟蹤測量系統的原理也是基于三維坐標測量的方法，所以這套系統也在逆向工程中應用。激光跟蹤測量系統對工件模型進行掃描測量后建立數據模型，由數據模型生成可以被加工中心識別的加工程序，從而加工出模具[9]。
三維管片和模具測量系統就是激光跟蹤測量系統的一個工程實踐應用（圖2.8），通過跟蹤測量已經制成成品的管片各面上的空間點的坐標，經過坐標系轉換糾正，將各面上的數據點擬合成平面或曲面，檢驗管片的尺寸與設計尺寸的偏差，以便判斷成品的質量是否合格。比起傳統的檢測測量方法，此套系統測量速度快，能在短時間內采集大量空間數據點信息，同時可以直接處理數據，給出成果報表，工作效率高，也大大節省了人力物力，一般只需要一個計算機操控人員及一個手持反射器移動的作業人員。該套系統同樣也適用于制造管片的模具的測量檢測。
圖2.8 三維管片和模具測量系統
在汽車工業領域中，激光跟蹤測量系統常用來在線檢測車身、測量汽車外形、汽車工裝檢具的檢測與調整。在文獻[10]中舉出了汽車外形測量的實例，通過激光跟蹤儀采集汽車不同部位的點云數據，再進行拼接得到完整的汽車曲面點云數據，利用三維造型軟件得到汽車三維模型，在測量過程中，應調整好激光跟蹤儀與汽車的相對位置，盡量減小角向測量長度，提高汽車點云數據精度。如果激光跟蹤儀能配合輕便型三坐標測量機等精密測量設備連接測量，則能對汽車輪廓等大型零件表面不易測量的凹槽等部位進行測量，得到較高精度的汽車點云數據，提高汽車車身曲面擬合的精度。
另外，汽車的生產線都需要以最高級別的自動化程度和準確性進行定期檢測，以進行重復性和適產性的測試。激光跟蹤測量系統這種移動坐標測量設備，適合工業現場使用，在檢測工程中使汽車生產的停工期大幅縮短，在生產線上的工裝、夾具和檢具也能進行精密的現場檢測。Leica的LTD800激光跟蹤測量系統已經在萊比錫工廠的BMW新車試生產階段運用于生產線工具裝備的檢測中（圖2.9）[55]。
圖2.9 LTD800在萊比錫工廠的BMW新車試生產階段的應用
在航天航空制造業領域，飛行器具有外形尺寸及重量大、外部結構特殊、部件之間相互位置關系要求嚴格等特點。飛行器的裝配通常是在各部件分別安裝后再進行總體裝配，在部裝的某些環節和總裝的整個過程中都需要進行嚴格的檢測。在飛行器裝配過程中的測量誤差可能會導致很嚴重的后果，因此必須要確保航天航空領域測量的精確性。激光跟蹤測量系統的現場性和實時性以及它的高精度性都滿足了飛機行架的定位安裝，飛機外形尺寸的檢測，零部件的檢測，飛機的維修等工程項目的需要。#p#分頁標題#e#
測量一架大型飛機的內外形尺寸，首先要確定整架飛機的空間坐標，保證所要測量到的外形尺寸空間點都在一個坐標系中，要求布置足夠的測站，這些測站就保證了飛機上、下、左、右、前、后等整個外形都在激光跟蹤儀測量范圍內。其次要保證飛機處于靜止狀態，測量過程中不能產生移動。激光跟蹤儀在每一個測站測量某一個區域的飛機外形坐標點，將各個測站的飛機外形坐標連接起來就構成整架飛機的外形尺寸坐標，將這些點處理后就形成了飛機外形的數字模型。激光跟蹤測量系統掃描范圍大，采集數據速度快，數據采集量大，精度高，大大提高了工作效率（圖2.10）。
圖2.10 飛機外形尺寸的測繪
在造船工業領域中，激光跟蹤測量系統常用于輪船外形尺寸的檢測，重要部件安裝位置的檢測，逆向工程等。激光跟蹤測量系統的高精度，激光束射程遠，在制造業、機械業、質量控制業領域對于大型部件、機械零件的測量檢測能更有效地實現。
圖2.11 輪船外形尺寸的檢測 圖2.12 輪船外形
在科研領域中，激光跟蹤測量系統已在機器人的制造校準過程使用。機器人在工廠機械安裝、馬達驅動安裝、夾具重組等整個生產周期過程中如果能維持它的精確度，那么它才是一個成功的工業機器人。機器人的設計尺寸與實際生產尺寸的偏差往往在8-15mm之間，主要是由于機械公差和部件安裝時所產生的誤差所引起的。在校準機器人的實際應用中，有兩個相鄰的工作測量組，一組負責裝配機器人，一組則負責檢測校準安裝部件，激光跟蹤測量系統則安置在這兩個測量組之間。操作人員通過計算機控制定位，激光跟蹤測量系統可以檢測兩個工作小組的測量工作。在一組操作人員利用激光跟蹤儀檢測機器人配件的同時，另一組工作人員則負責裝配已經經過檢測的工件，裝配完后再利用激光跟蹤儀進行校準。依此類推，大幅提高了機器人生產安裝的工作效率，也節省人力物力
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