粒子加速器多系统位移监测与全局坐标系统一问题研究

随着粒子加速器规模的不断扩大和技术要求的不断提升，对磁铁等关键元部件的点位精度要求越来越严格，需要采用各种可行的点位监测系统对部件各个方向的位移进行实时监测。目前，国际上最普遍使用的点位监测系统包括静力水准传感器、线位置监测传感器、倾斜仪等。但是，这些传感器往往基于不同的测量基准，测量范围也不尽相同，测量数据容易出现互相干扰和无法检核的情况。本课题立足于不同点位监测系统的特点，将它们的监测数据归化到统一的坐标体系中进行评价，从而实现对关键元部件的点位精度进行多维实时监测。首先，根据系统设定的精度预期，对不同的监测系统进行深入调研分析和选型，进行系统结构设计并建模仿真；其次，对采购和自研的各类传感器进行精度标定并搭建系统测试平台；再次，对系统中多级空间坐标系建立及转换方法进行深入研究；最后，根据实际搭建的测试平台并结合坐标转换方法的研究，将各传感器在其自身坐标系下的实际测量数据转换到基板坐标系和系统坐标系，最终将不同系统的坐标系转换到全局坐标系下表达。 2100433B

粒子加速器的发展对关键部件（如磁铁）准直精度要求越来越高，为了保证加速器正常运行，须采用各种监测系统对这些部件的横向和纵向位置进行实时监测。本项目试图通过理论研究和实验验证的方法，将不同位移监测系统统一到加速器的全局坐标系下，方便对不同位置在不同方向上的位置变化进行诊断，便于及时进行必要的位置调整。国际上最普遍使用的位移监测系统包括静力水准系统（纵向）、引张线位置监测系统（横向和纵向）以及倾斜仪系统（俯仰角和摆动角）等，为了将它们的监测结果在全局坐标系上反映出来，在硬件上必须精密地建立它们的共同基准，将监测数据通过该基准统一在一个局部坐标系下，同时要考虑不同监测方法受到的环境影响而产生的偏差，并能得到有效修正；随后要进行数学上分析与计算，将各个局部坐标系统一到全局坐标系下，并根据误差传递理论有效评估转换的精度，使其在加速器准直允许误差范内。将基于国际上最新相关研究进展，开展本项目研究。

粒子加速器（英语：particle accelerator）是利用电场来推动带电粒子使之获得高能量。日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。只有当被加速的粒子置于抽真空的管中时，才不会被空气中的分子所撞击而溃散。在高能加速器里的粒子由四极磁铁（quadrupole magnet）聚焦成束，使粒子不会因为彼此间产生的排斥力而散开。

粒子加速器有两种基本型式，环形加速器和直线加速器。

游戏和图形开发中常用的坐标系有：世界坐标系、物体坐标系、摄像机坐标系、惯性坐标系。 世界坐标系是描述其它坐标系所需要的参考框架，只能用世界坐标系描述其他坐标系的位置，不能用更大的，外部的坐标系来描述世界坐标系。

关于世界坐标系的的典型问题都是关于初始位置和环境的，如：

1、 每个物体的位置和方向。 2、摄像机的位置和方向。 3、世界的每一点的地形是什么。 4。各物体从哪里来，到哪里去。 物体坐标系是和特定物体相关的坐标系。每个物体都有它们独立的坐标系。 在物体坐标系中可能会遇到的问题： 1、周围有需要互相作用的物体吗？（我要攻击它吗？） 2、哪个方向，在我前面吗？我左边一点？（我应该射击还是转身就跑） 摄像机坐标系是和观察者密切相关的坐标系。是一种特殊的“物体”坐标系。 典型问题： 1、3D空间中的给定点在摄像机前方吗？ 2、3D空间中的给定点在屏幕上还是超出了边界？ 3、某个物体是否在屏幕上？部分还是全部在？ 4、两个物体谁在前面？（可见性检测，深度排序） 惯性坐标系是为了简化世界坐标系到物体坐标系的转换。从物体坐标系到惯性坐标系只需旋转，从惯性坐标系到世界坐标系只需平移。 嵌套坐标系同样为了简化物体在世界坐标系中位置，如一个物体坐标系嵌套一个头部坐标系，则头部坐标系可以只与物体坐标系联系，简化操作。

坐标系转换，应用矩阵表示，一切操作如物体的旋转、平移过程等都可以用矩阵(4*4齐次空间矩阵)来表示2100433B