针对大空间、大尺寸对象的现场、自动、精密测量需求,课题组在借鉴传统经纬仪三轴结构模式的基础上,突破传统经纬仪三轴正交的结构要求,并用一准直激光器替代传统的望远镜,提出并研究了一种新的非正交轴系激光“经纬仪”架构及其测量原理与方法。该激光“经纬仪”不同于传统经纬仪,一方面其水平轴、竖直轴和视准轴不要求严格正交,大大降低了其设计、加工、装配、校准和维护的难度及成本;另一方面采用准直激光器替代了传统瞄准望远镜,视准轴由准直激光光束标识,实现了视准轴的可视化,为基于视觉测量技术对激光“经纬仪”的自动跟踪引导提供了条件。激光光束标识了可视化的视准轴,其在测量目标处指向性及准直质量直接影响到基于视觉测量技术的识别、跟踪和引导定位,进而影响系统的测量精度,因此对于大尺度空间测量应用,系统中激光器的自适应准直调节显得尤其重要。本论文中,激光器的准直调节基于电控液体变焦镜头来实现。通过一定的控制策略,改变镜头中液体腔的形状和尺寸,从而改变其焦距。与传统通过调节光学镜组间相互位置的变焦方式相比,基于电控液体镜头的变焦方式具有结构简单,变焦速度快等明显优势。但在激光“经纬仪”组建时,液体镜头和激光器无法保证严格对中,即无法保证激光束与液体镜头光轴的理想共轴关系,此时经液体镜头的出射光束会发生偏折,而且随着测量距离的变化,进行激光准直焦距调节时,其准直光束也会进一步发生偏折。本文在对液体镜头光学理论进行分析的基础上,推导了当激光器和液体镜头位置关系固定,但存在一定偏差时,焦点位置随液体镜头焦距变化的数学模型,并进行了实验验证。为在构建非正交轴系激光“经纬仪”中,基于电控液体变焦镜头实现激光器的准直调节和高精度测量提供了理论依据。激光准直调节的自适应性是实现高精度大尺度空间自动测量的基础,本文研究了基于图像处理的液体镜头自动调焦技术,并构建了由激光器、电控液体变焦镜头和相机组成的闭环自适应调焦系统。该系统能根据目标点位置处准直光斑的质量和尺寸信息,实现激光器的自适应准直调节,适应了大尺度空间目标点的高精度测量,提高了测量效率,满足了测量自动化的需求。