合肥光源升级改造测量准直及测量精度的研究

摘要

自2010年起，为了向实验用户提供亮度更高、束流稳定性更好的同步辐射光，在中国科学院和中国科大的共同支持下，国家同步辐射实验室(NSRL)在现有建筑基础上，对合肥光源(HLS)储存环进行重大升级改造(HLSⅡ)。测量准直工作贯穿着整个升级改造工程的建设周期，关键元件的高精度安装定位是保证整个升级改造工程顺利实施的前提。
　　本论文课题承担了此次升级改造工程测量准直的所有工作，从工程控制网的设计布设到主要元件的预准直测量，再到每一个元件的安装调节准直。为了提高工作效率，在所有元件调节完毕后，对储存环磁铁中心轨道平滑方法进行了研究。为了提高测量精度，搭建实验平台对激光跟踪仪的测量精度进行了研究。本论文工作主要包括以下几个方面:
　　根据合肥光源的实际结构特点，结合原有控制网点的布设情况，对测量准直工程控制网进行了重新设计，并对一级平面控制网进行优化分析。通过实际测量和数据处理，分别对一级平面控制网、高程控制网、二级三维控制网进行平差计算和精度评定。
　　结合合肥光源升级改造工程的实际工作，对三维控制网平差方法进行了深入分析，阐述了三维平差、基于赫尔默特方差分量估计的三维平差、联合空间三维平差(USMN)的算法流程;并以合肥光源测量准直控制网实测数据分别进行不同方法的平差处理，通过对平差结果的分析比较，进一步揭示了三种平差方法的异同。
　　对主要元件如加速管、磁铁、波荡器等进行了预准直工作，并对预准直过程进行误差分析。对基于全局坐标系的元件安装方法和基于元件坐标系的元件安装方法进行了分析比较，在实际安装过程中，结合合肥光源的建筑结构特点，合理使用这两种不同的安装准直方法，保证了安装准直精度，提高了工作效率。
　　在粒子加速器的安装调节过程中，相对于绝对定位精度而言，相邻元件的相对定位精度更为重要。为了进一步提高安装准直工作的效率，通过分析借鉴世界上几种主流磁铁中心轨道平滑方法的优点和劣势，提出一种新的轨道平滑方法，这种方法基于最小二乘法拟合和迭代分析，不需要复杂的预定义函数和公式推导，具有跟低通滤波法和样条曲线拟合等平滑方法相似的工作效率。整个分析过程可以用MATLAB程序进行计算，极大提高了准直调节效率。
　　在升级改造工程试运行一年半、正式运行半年后，对合肥光源的准直工程控制网和主要元件进行复测，并结合安装准直结束后的测量结果对合肥光源整体进行变形分析。
　　在准直测量工作前、工作过程中以及现场实际测量环节，需要经常性的对测量仪器的精度进行检测、校准。结合国家同步辐射实验室的现有软硬件条件，搭建仪器标定实验平台，对激光跟踪仪的测距和测角精度进行检定。研究了激光跟踪仪现场测量不确定度检测方法。通过高精度温湿度传感器，研究了环境因素对激光跟踪仪测量结果的影响。
　　综合上述工作内容，本文的主要贡献和创新点包括:(1)具体阐述了联合空间三维平差方法的细节流程，从多仪器测站测点数据融合到从优化结果中提取不确定度，再到解算空间测量不确定度，并基于合肥光源控制网实测数据进行不同方法平差计算，比较了不同平差方法的差异;(2)结合合肥光源的结构特点，提出一种新的磁铁轨道平滑方法，这种平滑方法可以根据粒子加速器的实际结构形状，推广到别的粒子加速器轨道平滑分析中;(3)搭建实验平台对激光跟踪仪进行精度检定，对现场不确定度检定方法进行研究，研究了环境因素对跟踪仪测量结果的影响，基本实现在实验室内部对激光跟踪仪等高精度测量仪器进行精度标定分析。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 合肥光源及升级改造工程简介

1．2 加速器准直测量概述

1．2．1 加速器准直测量工程

1．2．2 准直测量工作的主要内容

1．2．3 准直测量技术的国内外发展现状

1．3 台肥光源升级改造准直测量概述

1．3．1 升级改造准直测量工程的特点及难点

1．3．2 升级改造准直测量工程的主要内容及技术的应用

1．4 仪器检定与测量精度的研究

1．4．1 对仪器测量精度研究的意义

1．4．2 测量精度研究的背景

1．4．3 测量精度研究的主要内容

1．4．4 国内外研究现状

1．5 本论文的主要研究内容及创新点

第二章 加速器准直测量相关理论、技术及工程准备

2．1 加速器物理对准直测量精度的要求

2．1．1 基本公式

2．1．2 二极磁铁的安装误差

2．1．3 四极磁铁的安装误差

2．1．4 实际定位公差要求

2．2 准直测量相关仪器及软件

2．3 工程准备工作

2．4 本章小结

第三章 合肥光源升级改造准直测量工程控制网布设与实测

3．1 合肥光源升级改造工程控制网布设

3．1．1 准直测量控制网概述

3．1．2 各级控制网的作用

3．1．3 控制网布设原则

3．1．4 布设形式与要求

3．1．5 工程控制测量的技术设计

3．1．6 控制网的优化设计

3．1．7 控制网点的选埋

3．2 一级控制网测量与精度评定

3．2．1 一级控制网实测

3．2．2 实测数据整理与分析

3．2．3 一级控制网平差计算与精度评定

3．2．4 本节小结

3．3 高程控制网的测量及精度评定

3．3．1 高程控制网的实测

3．3．2 高程控制网的数据整理与分析

3．3．3 高程控制网平差计算与精度评定

3．3．4 本节小结

3．4 二级控制网的测量及精度评定

3．4．1 二级控制网实测

3．4．2 实测数据整理与分析

3．4．3 二级控制网平差计算与精度评定

3．4．4 本节小结

3．5 基于合肥光源的三维控制网平差方法分析

3．5．1 三维平差

3．5．2 基于赫尔模特方差分量估计的三维平差

3．5．3 联合空间三维平差(USMN)

3．5．4 不同数据处理方法的比对研究

3．5．5 本节小结

3．6 本章小结

第四章 元件预准直与准直安装

4．1 主要元件预准直

4．1．1 加速管预准直

4．1．2 二极磁铁预准直

4．1．3 四极磁铁与六极磁铁预准直

4．1．4 波荡器预准直

4．1．5 预准直过程中的误差分析

4．2 准直安装

4．2．1 基于全局坐标系的安装方法

4．2．2 基于元件坐标系的安装方法

4．2．3 现场安装调节

4．3 本章小结

第五章 储存环磁铁的平滑分析

5．1 磁铁轨道平滑的意义

5．2 国内外平滑方案浅析

5．3 基于最小二乘拟合与迭代的平滑方案研究

5．3．1 方案设计与分析

5．3．2 获取磁铁中心坐标

5．3．3 平滑规则

5．3．4 基于最小二乘法拟合平滑曲线

5．3．5 迭代平滑

5．4 平滑处理结果分析

5．5 储存环轨道周长检核

5．6 本章小结

第六章 复测与变形分析

6．1 合肥光源复测

6．1．1 变形监测的定义及作用

6．1．2 合肥光源复测具体实施

6．2 合肥光源复测数据分析

6．3 本章小结

第七章 仪器检定与测量精度的研究

7．1 使用激光干涉仪对跟踪仪的测角测距精度进行检定

7．1．1 研究的意义

7．1．2 研究背景

7．1．3 国内外研究现状

7．1．4 主要研究内容

7．1．5 测试平台搭建

7．1．6 实际测量与数据预处理

7．1．7 数据处理与分析

7．1．8 本节小结

7．2 激光跟踪仪的现场不确定度检测

7．2．1 研究意义

7．2．2 现场不确定度检测方法

7．2．3 实验及数据处理

7．2．4 结论分析

7．3 环境因素对跟踪仪测量结果的影响分析

7．3．1 研究意义及内容

7．3．2 实验及现场测量

7．3．3 对实验数据处理与分析

7．4 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 论文研究工作总结

8．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术文章与取得的其它研究成果