激光在技术

激光在技术（共12篇）

激光在技术 篇1

摘要：文章首先介绍了激光的发展及其在各个领域的应用,其次分析了激光照明系统的工作原理、软件设计以及硬件设计方法,最后在微光和强光的成像条件下,通过有无激光照明所成图像质量的对比表明了在有激光照明情况下所成的图像质量更清晰。

关键词：激光照明,硬件设计,软件设计

近年来激光技术的不断发展及广泛应用,推动了其它行业产品的发展。例如:卫星激光通信、大气检测、医学成像、材料加工、跟踪侦查、微光夜视和图像处理等。该文主要介绍激光照明技术在成像中的应用。

热成像系统在遇到强光、微光或者无光的情况下,系统成像不清晰,只能看到物体的轮廓,甚至看不到图像,而且很容易受到温度等外界环境的影响。而激光可以穿透树叶、大雾、暴风、雷电、玻璃等介质,所以它能应用于全天候的成像,并且效果比传统的成像效果好。激光照明成像应用范围很广,比如安防、侦查、监控、航天航空、制导引信等领域。因此,研究激光照明技术具有重要的意义和实用价值。

1 系统的工作原理

半导体激光发光是基于电光效应,通过电子空穴对复合而产生激光的。在加电压时,电子空穴对的反转使得粒子数反转分布,从而激光高能级的部分粒子自发跃迁到低能级,产生光子,产生的光子一部分发射出去,而另一部分被反射回激光介质,诱发新的光子,产生新的辐射,进行循环正反馈的过程,当光腔内的光子达到稳定状态时,产生稳定的激光输出。

其中光子简并度nˉ>1,定义为一个光子态中平均光子数;W21受激跃迁概率,A21为自发跃迁概率。必须使得nˉ>1,才能产生粒子数反转、光子数增多,进而使系统发出稳定的光,给系统进行照明。

系统是通过滤光把不需要波段的光滤掉,避免对成像造成干扰,从而使激光单位面积内的光能量要大于相应太阳光光谱段的能量才能清晰成像。

2 激光照明系统的软硬件设计

激光照明系统要保证在微光夜视或天气恶劣的情况下能清晰成像,就必须保证照明系统的质量。因此,系统可以根据被测目标物体的大小、远近进行光斑大小、焦距及其光强度的调制。激光脉冲越窄,能量越集中,照射的距离越远,激光光斑的均匀性对系统性能的影响也很大。因此,系统整体设计时,应考虑到焦距的调整、脉冲宽度的调整、激光强度的调整。系统主要分为以下几个部分:I.供电电源部分,主要包括AC-DC和DC-DC的变换模块。II.激光信号调制部分,包括FPGA,DDS输出信号的VA转换,驱动芯片和激光器。III.温度控制部分,激光器发光工作过程中可能会产生过高热量,因此,要对整个系统的温度进行控制。系统硬件设计框架图如图1。

系统的工作原理:

在供电电路正常稳定工作的情况下,系统通过串口输入调制激光的光强、激光光斑的大小,激光的焦距等,并根据串口写入的数据要求,FPGA输出所需的DDS调制信号,调制信号输出后,经过VA转换,放大之后,驱动激光器发光。由于光纤具有方向性灵活的特点,使激光器发出激光耦合到光纤中传输,通过物镜输出给目标物体照明。激光发光过程中发热,使得整个照明系统发热而不能正常工作,因此,需要通过散热片和风扇共同工作进行散热。

2.1 各模块功能描述及其设计

2.1.1 电源模块

电源是整个系统的心脏,它的性能好坏决定着整个系统的好坏,系统要求供电系统纹波小,能够使系统长时间工作而不发生故障。在本文中,照明系统的供电是通过电源进行电压变换、滤波之后输入给系统供电。整个系统中,有些模块是需要12V供电的,有些模块是需要5DC供电的。因此,需要12DC的模块供电是通过AC-DC变换转换为12DC而成,而需要5DC的模块供电是通过DC-DC变换转换为5DC而成。系统采用电网单相供电,经过变压器把电压降低,再经过桥式整流电路后,由LM7812的输出端输出12DC。LM2596降压电源管理单片集成电路将12DC转换输出为5DC的直流电压,且此芯片具有很好的线性和负载调节特性,可以固定输出3.3DC、5DC、12DC的电压。

2.1.2 信号产生模块

系统的核心部分是激光器的驱动控制部分。最常见的用法是将DDS和计算机技术结合在一起,这是一种很有前景的频率合成技术。和传统的频率合成技术相比,它具有电路简单、设备体积小、成本低的优点。DDS技术的应用范围很广,例如接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等。数字频率合成器作为一种信号产生装置,它可以根据用户的要求产生相应的波形,具有重复性好、实时性强等优点。因此,可以利用它的信号发生功能,产生驱动激光器的信号源,对信号源进行放大、滤波等处理,继而驱动激光器发光。

DDS调制方法是通过控制DDS信号产生的芯片和存储器的共同协作产生我们所需要的信号波形。该文的目的是设计开发出一个能产生正弦波波形的信号源,直接数字频率合成技术是研制该系统的关键技术。但是由于集成电路的飞速发展,为了进一步缩小体积和节约成本,我们可以通过使用FPGA的资源产生与DDS同样的信号,用驱动放大芯片放大对FPGA输出的信号后驱动激光器发出激光。

FPGA不仅要产生DDS波形信号,也要产生温控芯片和激光参数的控制信号,从而使系统在FPGA的控制下正常运行。该文采用cyclone II系列的FPGA芯片,FPGA通过串口与电脑相连来传输数据,调节激光器的光强、光斑大小、功率、脉宽,信号输出后通过驱动芯片和模拟电路驱动激光器发光。这样虽不如直接用按键的方式调节方便,但是节约了系统的成本和体积。

2.1.3 温度控制模块

由于激光发热,需要将系统温度控制在一定的范围之内,此系统选用LM56作为系统的温控模块。系统通过控制LM56输出端,使输出端的信号控制电源的继电器线圈的通断,从而控制继电器常开触点的通断,以此来控制风扇的运行,使系统工作在所要求的温度范围内。

2.1.4 激光器

系统选用中心波长为808nm半导体激光器,通过系统的设计,设计输出激光器的参数如下:工作中心波长808.0nm,脉冲峰值功率为10w,脉冲宽度为10ns,重复频率为10KHz。

2.2 系统的软件设计

系统通过verilog HDL硬件描述语言进行软件设计。系统软件模块主要分为DDS信号产生模块和温度控制模块。从理论上说,只要满足奈奎斯特定律,系统便可以产生我们需要的任意波形。系统LM56里面的温度传感器检测到温度超过我们所设定的值之后,便启动风扇对系统散热处理,如果工作在正常温度范围内,就不做处理。

其软件设计流程图如图2。

3 测试结果

实验环境:第一组是在漆黑的夜晚,激光强度约为0.5J/m2,中心波长为808nm,成像系统与目标距离为100m;第二组是在强日照的中午,激光强度约为0.5J/m2,中心波长为808nm的激光器,成像系统与目标距离为100m。

在能见度低的夜晚环境条件下,为有激光照明成像图如图3,没有激光照明时成像图如图4;强日照的中午环境条件下,有激光照明成像图如图5,没有激光照明成像图如图6。

4 结论

实验结果表明,有激光照明情况下,拍摄的图像更清晰。由于激光光斑太小、均匀性不好以及大气后向散射对系统的影响,成像效果不理想。因此,我们还需改进系统,进一步提高成像质量。采用距离选通的办法可以有效避免大气散射对系统的影响,提高系统的性噪比,进而提高成像质量。

参考文献

[1]徐效文.应用激光主动成像探测小暗目标的技术研究[D].长春:中国科学院长春光学精密机械物理研究所博士学位论文,2004.

[2]梅遂生,王戎瑞.光电子技术[M].北京:国防工业出版社,2008.(下转第4349页)

[3]罗泉,刘芝,刘桂英.基于FPGA的DDS信号源设计[J].广西师范学院学报:自然科学版,2009,26(2):41-43.

[4]Kim H H.Airborne bathymetric charting using pulsed blue-green lasers[J].Appl Opt,1977,16(1):46-56.

[5]Schwartz S A,Beach M.Automatic target recognition system for detection and classification of objects in water.United States Patent[Z].US7916933B2.2011.

激光在技术 篇2

综述了国内外激光技术在石油工业中的应用,并对其未来的发展做了展望.

作 者：高长贵 GAO Changgui  作者单位：中国石油辽河石油勘探局经济技术开发中心,辽宁,124010 刊 名：激光与光电子学进展  ISTIC PKU英文刊名：LASER & OPTOELECTRONICS PROGRESS 年，卷(期)： 43(1) 分类号：V261.8 关键词：激光加工   石油工业   应用   展望  

激光技术在医学美容领域的应用 篇3

1色素痣生长在面部或身体暴露部位的色素痣，从美容和防止其恶变等方面考虑，应予激光去除，目前通常采用CO2激光汽化的方法。激光汽化应以色素完全去除为度，一般汽化至真皮浅层，特殊情况需汽化至真皮中层，若超过此深度，创面愈合后会留下疤痕。

激光治疗色素痣可能会出现：①色素残留这主要是痣细胞残留所致，操作不熟练，激光光斑不合适均可引起，一般经第二次激光治疗即可除去；②疤痕由激光汽化过深引起，一般三个月后未见改善者，可考虑用激光方法进行整复；③创面感染可用抗感染类软膏外涂。但须注意疤痕体质患者不宜用激光汽化去除色素痣。

2血管瘤血管瘤临床上可分为鲜红斑痣、单纯性血管瘤、海绵状血管瘤、混合性血管瘤、血管角皮瘤、老年性血管瘤、血管球瘤、其它类型血管瘤等。血管瘤的激光治疗常采用Ar＋激光、CO2激光和Nd:YAG激光，Ar＋激光易为血红蛋白吸收，可以选择性地破坏色素性皮肤损害，故能在真皮内产生热固效应，使真皮浅面约1mm深度范围内扩张的毛细血管闭塞，而为一弥漫性的胶原性沉积物所取代；Nd:YAG激光机理与Ar＋激光相似，但Nd:YAG激光在组织表面产生的热效应较小，而在组织深部引起的升温较大，故Ar＋激光常应用于浅表血管瘤，而Nd:YAG激光应用于深部血管瘤；CO2激光是气体激光器中连续输出功率最高的激光之一，CO2激光器的输出功率可以在几十瓦到数千瓦，它的热效应好、血管封闭好、止血效果显著，广泛应用于治疗各类血管瘤。

3外源性皮肤色素性疾病外源性皮肤色素性疾病，指患者主动或被动对某一部位进行有颜色文刺、加工但效果不满意而欲复原者，常见于面部及四肢易暴露部位。包括刺青、洗眉、洗眼线、洗唇线、洗文身等，传统方法采用烧灼、腐蚀、皮肤磨削或手术切除，常留有疤痕，采用激光治疗可取得满意疗效。因色素性疾病的颜色不同，往往应采取特异的治疗方案，如用532mm波长治疗红色病区，用1064mm波长治疗黑色病区等。

操作过程：先麻醉，小面积如洗眉基本不用麻醉，洗眼线用2.5％利多卡因2ml局麻，面积较大的刺青，术前30分钟可口服撒利痛片2片，并用自制冰袋外敷；患者术前应清洗面部化妆物及油脂；双方均须戴激光防护眼镜；激光机预热20钟后打开启动开关，根据不同色素性疾病调节特定波长，根据深浅设定能量、频率及光斑直径；激光手柄应垂直于治疗部位，手柄头距治疗部位约1.5mm,一般以不出血时的最小剂量为最佳剂量，洗眉、洗眼线时可用针头将眉、睫毛拔开，以免全部变白。

治疗后处理及护理要点：术毕外涂抗菌素软膏，嘱保持创面干燥、清洁，小面积不必包扎，创面较大或不易暴露部位可适当包扎，3个月内避免紫外线照射，可同时口服抗生素预防感染，一般2-3天结痂，7-10天痂皮自行脱落。

激光全息技术在测量中的应用 篇4

全息的英文单词为"holography", 意思是将全部信息记录下来。全息技术是能够记录和再现物体全部信息的技术, 它首先由丹尼斯盖博在1948年发明的能同再现光波场的振幅及位相的光学方法[1], 自此以后, 曾在相当长的一段时间里是光学中最热门的研究领域之一。随着时间的推移, 在全息的原理和实验技术相对成熟以后, 人们很自然地将目光转移到了它的实际应用研究方面。从目前情况看, 经过人们的努力, 激光全息在检测、诊断、分析领域, 医学领域、交叉和边缘科学领域, 防伪、印刷及包装领域等都有不裴的成绩, 但相对于它自身的特点:由于全息可以记录光的相位和强度, 理论上讲, 它是一种非常优越的光测量方法。全息在光学测量中其优越性还远未得到发挥。到目前为止, 其实际应用还非常少见, 大部分工作仍然停留在实验室的研究阶段。我们知道, 全息技术的核心内容为记录技术和再现技术。记录技术中主要是记录介质的光学敏感性、记录介质记录干涉条纹的失真性以及记录介质随时间变化特性等。人们相继开发了湿式记录材料和干式记录材料, 湿式记录材料是需要用化学方式处理的材料如卤化银记录干板等;干式记录材料是不需用化学方式处理的材料, 如光致聚合物, 光析变晶体等。近来由于计算机技术和CCD技术的发展, 人们用电子器件来作为全息的记录介质, 用计算机储存, 处理电子器件记录的信息, 这就是现在称作的数字全息。数字全息的出现, 被认为是全息技术近年来的又一重大进步。全息技术的再现其关键技术在于再现的失真度, 现有两种方式, 一种是用原记录全息的参考光照射记录介质, 其关键在于怎样能减小或消除背景噪声, 另一种是数字全息方法, 即是由计算机对采集的数据进行处理, 还原到信息的原始状态。其关键是去除包裹的方法。

二、激光全息的原理

传统的光学全息技术可以分为两个过程。第一个过程是波前记录, 如图 (1) 所示。波前记录是通过干涉方法把物光的相位分布转换成照相底板能够记录的光强分布来实现。因为两个干涉光波的振幅比和相位差决定着干涉条纹的强度分布, 所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和相位信息。在照相底板平面上, 物光波和参考光波叠加发生干涉, 将记录干涉图样的照相底板适当曝光后冲洗, 就得到一张全息图 (全息照片) , 所以全息图正是参考光波和物光波干涉图样的记录, 显然, 全息照片本身和原始物体没有任何相像之处。全息术的第二个过程是利用衍射原理进行物光波的再现, 如图 (2) 所示。用一个光波 (大多数情况不是与记录全息图时用的参考光波完全相同) 再照明全息图, 光波在全息图上就好像在一块复杂光栅上一样发生衍射, 在衍射光波中将包含有原来的物光波, 因此当观察者迎接物光波方向观察时, 便可看到物体的再现像, 整个过程就好像无线电的加载和解调过程。

与传统的光学全息相对的是数字全息, 数字全息较之传统的光学全息最大不同是, 在数字全息中, 由于全息图由CCD器件直接获得而不需要光敏记录介质, 所以, CCD采集到的物光波信息能够直接传递到计算机中, 参数的计算可以立即进行, 正因为数字全息有如此的特点, 它在测量中的应用十分广泛, 因为测量都是数据检测, 记录、处理过程组成。这些用计算机特别方便实用, 也正是因为数字全息产生的时间较短, 全息在测量中的应用相对滞后, 下面就一些激光全息在测量中的应用实例作一些介绍, 以给我们有一些启迪, 开拓激光在测量中的应用。

三、激光全息在测量中的应用

1、激光全息在位移、振动、速度等方面的应用

由于激光全息的自身特点, 能够记录和再现物体的全部信息, 能够重现物体的三维图像, 所以用它来测量位移, 振动、速度不仅能够单点, 单方向测量, 而且还能多方向多点的测量。测量采用双曝光的方式, 物体变化前和变化后的三维图象同时再现出来, 经过层析的方法实现位移、振动、速度的多点多方向的测量[2]。

2、激光全息在温度场测量方面的应用

激光全息在温度场测量的原理为:在一定的介质中, 温度的高低与介质的密度有关, 也即是与介质的折射率有关, 如果通过激光全息的方法计算出介质的折射率, 那么就根据格拉德斯通-戴尔公式计算出温度值。文献[3]中采用了全息两次曝光的方式, 实现了温度场的三维测量, 并进行了实验验证, 结果和理论值非常吻合。

参考文献

[1]Gabor D.A New microscopic principle Nature, 1984, 161:T77-778.

[2]闫灿林.数字全息干涉技术测量悬臂梁铝板位移场的研究.《无损检测》2004年11月, 第26卷第11期.

激光在技术 篇5

时间：2013-01-12 11:30:03文章来源：http://

【机械设备网】钣金加工是钣金技术人员需要掌握的关键技术，也是钣金制品成形的重要工序。它既包括传统的切割下料、冲裁加工、弯压成形等方法及工艺参数，又包括各种冷冲压模具结构及工艺参数、各种设备工作原理及操作方法，还包括新冲压技术及新工艺。

农机产品的钣金加工件一般采用4-6mm钢板，钣金件种类多，并且更新快，传统的农机产品钣金加工件通常采用冲床方式，模具损耗大，通常一个大型的农机生产厂家用于模具存放的库房就近300平米，由此可见，部件的加工如果仍然停留在传统的方式，将严重制约产品的快速更新换代与技术开发，而激光的柔性加工优势就体现出来了。

激光在技术 篇6

【关键词】激光；雷达；测绘；技术

激光雷达测绘技术，即Lidar，是一种高配置高原理集成系统，是当前数码测绘技术的典型代表。激光雷达技术主要由记载GPS提供空间位置，这种技术的激光方向建立在惯性测量技术的基础上。此外，激光系统主要供给激光脉冲，由计算机系统提供高速和大规模的数据存储空间与处理能力。运用激光雷达技术可以同时快速的获得空间三维坐标。实地拍摄的数码摄影像片，在计算机的处理后，可以重现大型实体及场景目标的3D数据模型，呈现设计生活中的事物的真实存在形态，确保快速获取空间信息的效果。

1.激光雷达测绘技术的原理

激光雷达测绘技术是结合了全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）的系统，可以用来获取数据来源，并呈现清晰的DEM。通过密切配合，能精确的区分和重现指定激光速在物体上留下的击打痕迹。这种技术被普遍运用在地面数字高程模型的获取（DEM）、水下DEM的水文LIDAR系统等领域。激光具有精确的测量效果，测距精确度可以达到4cm之内的效果。Lidar系统的高精度不但包括单纯激光作用，还需惯性测量单元（IMU）三者共同发挥作用。

Lidar系统含有单束窄带激光器（1个）和接收系统（1个）。激光器工作的过程主要是：在脉冲的产生和发射后，迅速击打物体表面，发射到原处，最后由接收器处理。光脉冲发射出之后直到发射原地时所用时间均有接收器进行精确的测量和统计。因为光脉冲凭借光速传播，所以，接听器可以准确记录下一个光脉冲发射之前的上一次光脉冲所用时间。因为光速是已知的，传播时间可转换成测量距离。

2.激光雷達测绘技术在工程测绘中的应用

2.1快速获取数字高程模型

激光点云数据是激光雷达技术中特点相当明显的数据产品，它产生的数据产物密度和精度都比较高，且能快速清晰的显示点位的三维坐标构架。经人工交替操作或自动运行，将人放射到地面植物中或建筑物之类的地形之外目标上的点云统一分类、滤波或清除，之后构建二角网TIN，就能及时得到DEM。因为激光点密度非常大，数目比较繁多，DEM的生成也成为了现实。

2.2实现基础测绘

基础测绘的产品主要有数字高程模型，还包括数字正射影像（DOM）、数字线划地图（DLG）和数字栅格地图（DRG）。无论是上述哪种产品的运行，都需要高精度三维信息的协助和引导。数字摄影测量操作起来很复杂，设备的前期准备及技术规划方案都相当严格，要求技术工作人员有熟练的操作水平；在机载激光雷达技术处理下得到的数据和三维坐标，均能达到高精度影像微分纠正的需要，但是DOM的生产变得越来越简易化，不再依靠数字摄影测量，在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。

2.3森林工业的应用

机载激光雷达系统最早应用的商业领域即森林工业，由于森林业发展与国土管理都需要森林及其树冠下端地形的准确数据，而传统技术中很难获得树高及树的密度的精确信息。机载激光雷达与卫星成像不同，当利用这种技术勘测树冠下的地形时，还可同时获得树的高度。

2.4精密工程测量

很多精密工程测量，都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息，甚至需要建立精确的三维物体模型，比如：电力选线、矿山和隧道测量、水文测量、沉降测量、建筑测量、变形测量、文物考古等等行业。地面和机载LIDAR就是解决这种实际问题的最有效手段。通过数码像片获取的纹理信息与构筑物模型进行叠加构建三维模型，是进行景观分析、规划决策、形变量测、物体保护的重要依据。

例如LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。在进行电力线路设计时，通过LIDAR的成果数据可以了解整个线路设公共区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。

2.5进行城市数字化建设

很多地方在21世纪都在力争构建信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台，是构建数字城市的重要研究课题。LlDAR系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，为城市提供了最宝贵的空间信息资源，是数字城市建设的重要技术力量。数字城市还需要构建高精度、真三维、可量测，具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术，进行城市三维建模是精雕细琢的工艺，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用LIDAR技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描，可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射，多方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态史新，为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障。

2.6水下地形测量

一些激光雷达技术采用了两种不同波长的激光束对水底进行测量。比如，SHOALS系统在采用红光（或红外光）测量水面的同时，用蓝绿光穿透水面测量水底，通过这两个光束的接收时间差计算水的深度，因此可以进行大面积的水下地形测量。通常情况下，海道测量Lidar所能测量的海水深度为50m，此一深度随水质清晰度的不同而变化，为航道、近海海洋、水文等行业的人士所推崇。

2.7数字矿山的构建

当前矿山以及依附矿山发展的城市遇到了很大的麻烦，环境由于过度的开采直接导致了环境问题的出现，再者过度的开采面临着严峻的资源枯竭，此外还要考虑市场的近期状况，考虑矿山的内部环节以及人、机、料、法、环方面的影响。当前的有效方式就是加强数字矿山的建设，从多方位多角度去看待问题，以达到根治的目的。数字矿山就是通过运用激光雷达技术快速采集整个矿山的数据，与此同时构建三维模型更好的表现其形式，因为每一部分的构成不同，建模时所考虑的侧重点也不同。一般情况下，应分层构建，同时进行多方位的评价，一般情况主要是进行环境、经济型、自然灾害等方面的评价。如此一来，可以实现高效的反馈数据，连续二十四小时不间断的提供数据，对于整体的模型构建的清晰合理，此外可以预测评估未来可能发生的事故，能帮助我们防患于未然。

2.8电力传输与管道布图

在直升机平台上工作的激光雷达系统，最适用于测量传输线路。由于直升机可以沿着电力线或者管道传输的走廊飞行，比固定翼飞机节约成本，并且直升机可以随时根据需要调整高度和速度，以获得更为精准的数据。如果在激光雷达应用平台中同时使用录像机、数字相机及其他传感设备，既可实现激光雷达测量，也可同步进行线路检查及制图工作。■

【参考文献】

[1]杜恩祥，常雷，李文珍.基于阵列法检测的激光驾束制导信息场特征提取技术[J].装甲兵工程学院学报，2011（4）.

[2]沈蔚，王林，王崇倡，等.基于LIDAR数据的建筑三维重建[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2011（3）.

激光技术在食品加工中的应用 篇7

激光是20世纪人类的四大发明之一, 现在已经广泛应用于工业、军事、科学研究和日常生活中。到21世纪, 人类已经进入光电子时代, 作为能量光电子的激光技术的进一步广泛应用, 将极大地改变人类的生产和生活。在国内, 激光技术在近20年中, 在食品加工中的应用得到迅速的发展, 如:激光在酿造食品中用于新酒和新醋的人工老熟, 利用高频激光近红外线对啤酒进行杀菌;激光用于食品加工的检测和监控;激光切削技术用于食品加工;激光技术在食品包装中的应用[1,2,3,4,5]。

1 激光技术应用于酿造业

1.1 新酒和新醋的老熟

刚生产出来的新酒和新醋, 通常具有刺激性大、不够醇和、不够绵柔等缺点。因此, 生产工艺中都规定了一定时间的陈酿贮存期, 即是人们俗称的对酒和醋的老熟。一般来讲, 酒和醋的自然老熟时间较长。为了缩短贮存周期, 国内外竞相采用多种人工老熟的方法, 而激光催陈酒或醋是其中的一种方法。它的主要优点: (1) 催熟速度特别快, 几秒钟就见效; (2) 在激光辐照中, 能够保持酒体或醋体的本身温度不变, 有利于保证酒或醋的风味; (3) 操作简便, 一次投入可长期使用。

1.1.1 催陈新酒

在国内, 激光对酒的人工催陈始于1982年。激光用于催陈的酒主要有白酒和黄酒两种。

据报道, 采用波长为337.1 nm的氮分子激光作为辐照源, 对绍兴加饭酒进行辐射, 处理后的酒, 总酸量和SO2的含量下降, 总酯含量由2.6 g/L增加到3.9 g/L, 游离氨基酸含量普遍增加。氨基酸是人体必需的营养成分, 氨基酸含量的增加是非常有价值的。通过检测表明, 激光催陈后的黄酒, 相当自然老熟1~2年的水平。

1.1.2 催陈新醋

将He-Ne激光器产生的激光对食醋进行激光辐照处理, 食醋的香气成分会发生变化, 尤其是对食醋具有刺激性气味和异味的乙醛、乙醇和异丁醇趋于降低, 而对食醋具有柔和香气的乙缩醛含量增加, 18种氨基酸均有不同程度的减少, 而总酸、总酯和色度均有不同程度的增加, 其含量的变化符合自然老熟的规律[2]。

1.2 对啤酒的杀菌

利用高频激光近红外线对啤酒进行杀菌, 由于不会影响分子的离子化, 因此对啤酒质量不会产生不利影响。研究显示, 啤酒短期受激光红外线照射, 可有效抑制酵母繁殖, 并杀死细菌。经红外线照射过的啤酒, 其酵母细胞的平均含量减少3倍, 细菌量减少17倍[3]。而且红外线光波穿透力强, 可用于处理瓶装啤酒。

2 激光用于食品的检测

2.1 食品质量检测

作为一种无需样品前处理、灵敏度相对较高、分析测试快速便捷的绿色光谱技术, 激光喇曼光谱技术能够测量分子的振动及其化学结构, 可以有效地反映单一或混合体系的结构特征, 在物质的分析和鉴别中一直起着十分重要的作用。因此, 随着这方面研究的深入, 激光喇曼光谱技术在食品质量检测中的优势便日益突显出来。

2.2 果蔬农药残留检测

目前, 激光喇曼光谱技术已经成功地用于测试和鉴别多种类型的农药样品, 并且无论在农药浓度测定的精确度和灵敏度方面都达到了较高的水平。加之, 用它鉴定农药残留不受湿润环境的限制, 对样品无损坏, 而且分析测试快速便捷, 这使喇曼光谱技术成为现代市场农药检测新技术开发中很有应用前景的光谱技术。

国外报道称, 利用表面增强喇曼光谱可对水果中几种常见农药的残留进行鉴定。利用喇曼光谱对农药测试具有较高的灵敏度, 不仅可以检测出单种农药残留, 而且还能显示出两种农药混合的残留状况。此外, 对于果肉果汁内部的农药残留检测, 灵敏度也很高。

2.3 肉类产品质量检测

利用喇曼光谱技术可以获取与肉类质量相关的信息如动物蛋白、脂肪等重要成分的相对浓度和分布情况。采用红外吸收和喇曼散射相结合的技术, 可以反映屠宰后短期内猪肉水分含量的情况。在光谱900~1 800 cm-1区域内包含了猪肉水分含量的最为丰富的光谱信息围。而对于喇曼光谱, 同样能够显示相关的振动信息。将光纤探测器引进到喇曼光谱中去, 并结合其他方面的技术实现新鲜畜肉质量检测, 同时根据水分含量可以给待售畜肉划分质量等级。

2.4 伪劣食品鉴定

应用激光喇曼光谱技术能够实现伪劣食品的快速、灵敏和无损鉴定。目前这方面的应用主要包括酒类的鉴定 (如以次充好、勾兑工业酒精、甲醇等) 、食用油的检测、蜂蜜掺杂的鉴定以及变质食品的鉴定等方面。

目前用于对酒类的鉴定技术: (1) 通过分析市售酒的喇曼光谱, 与同一品牌的标准酒进行喇曼光谱对比分析, 可以确定市售酒的真伪; (2) 通过分析市售酿造酒的喇曼光谱, 可以发现这些酿造酒的谱带范围。各种类型的酿造酒因所含酒曲成分的差异表现出不同的光谱特征。此外, 喇曼光谱技术在蜂蜜掺杂的鉴定和变质食品的鉴定方面也得到了应用。

2.5 农产品检测

激光荧光法技术应用于农产品加工大致有以下几个方面:①可以分析种子成熟度, 由于种子的成熟与否可以用叶绿素来反映, 而通过激光荧光法测量叶绿素含量和光谱就能知道种子成熟度;②通过激光荧光法测量香蕉等水果的褐变和损伤, 测量苹果、箩卜等在储存过程中的胡箩卜素、叶绿素和多酚类物质含量的变化, 从而判断苹果、箩卜等在储存过程中的质量变化;③应用激光荧光图像研究苹果等农产品表面污染物的检测;④检测水果的内部品质;⑤检测鲜牛奶的品质。

3 激光技术用于食品和农产品加工

利用激光束高功率和高定向的特点, 采用适当的光学聚焦装置, 可形成极细的光束, 用来对物体进行切削, 这便是激光刀。激光刀切削是一种非接触式加工, 因而很清洁卫生。此外, 它的加工速度快, 加工量大, 所切的断面光滑整齐, 而且可以将被加工物切削成任何所需的形状。激光刀切削的这些优点, 在食品加工中很有实用价值。例如:用激光刀切面条、面包、鱼、肉、骨、蔬菜和水果等, 其断面光滑, 而且形状规整。也可以切出特殊的形状, 作为新的产品造型。用激光刀切食物, 是任何刀工超凡的厨师都难以媲美的, 在大批量切削方面尤其实用。

笔者从2006年开始, 研究将高能激光技术应用于坚果的划口加工。根据激光刀切削的原理, 用聚焦激光束辐照坚果表面使其加热至熔化或汽化温度, 使壳层发生瞬间烧蚀、蒸发, 从而达到划口、甚至破壳取果仁[4], 先后研制开发板栗和夏果激光划口机。其中板栗划口机采用波长为10 640 nm的CO2激光管, 输出功率120 W, 目前已在板栗加工企业用于板栗划口加工, 用户反映良好。

4 激光技术在食品包装中的应用

食品包装在包装行业中的要求是最高的, 也是受到人们特别关注的一个重要方面。采用激光技术可以在食品包装中进行包装划线、激光全息防伪等。

4.1 激光划线技术

采用先进的激光技术能够做到选择软食品包装中某个单独薄膜层进行划线, 这样可以实现软包装的完美易撕开的效果, 并且能够保持薄膜的完整性, 使得外层薄膜完好无损, 从而能够有效避免包装内商品的见光和受潮等问题的出现。

其次, 利用激光技术能够随意的按自由组合方式划线, 例如按零食包装上印刷图案的轮廓来划线, 这样的划线方式正是激光划线系统的优势所在。

4.2 激光防伪技术

激光全息防伪技术已广泛应用于食品及其他产品包装中, 主要是模压彩虹全息图和激光点阵全息图。

4.2.1 模压彩虹全息图

目前国内市面上常见的防伪标识, 主要是模压彩虹全息图。此项技术涉及光学、机械、电气、化学、电子计算机应用等多学科。其主要系统及设备有:计算机图形处理系统及照相制版系统、全息照相系统、精细化学镀及电铸系统、模压机、涂布复合机、模切机等。属于难度大、综合性强的高技术、因而成为当前最为流行的食品防伪手段[5]。

4.2.2 激光点阵全息图

它是用激光全息技术与计算机控制技术结合制作而成全息图。点阵全息图具有很高的衍射效率, 并且色彩丰富, 有360°可视和动态视觉效果的特点。采用该技术制作成的全息标识具有背景渐变、旋转闪变及扩缩闪变等动感视觉效果。目前这一技术已应用于食品的全息防伪包装中。

5 结语

激光技术在食品加工的应用还很多, 本文仅结合笔者研究中接触到的领域, 介绍了激光技术在食品加工中应用的几个方面, 随着新技术的不断出现, 将激光技术与其他新技术的结合, 相信激光技术在食品中的应用会得到更大的发展。

摘要：近20年, 激光技术在食品和农产品加工中得到迅速的发展, 主要应用在食品和农产品加工中。本文综述常见的四个方面的应用, 即激光在酿造食品中的应用、激光应用在食品加工和农产品加工的检测和监控、激光切削技术用于食品和农产品加工、激光技术在食品包装中的应用。

关键词：激光,食品加工,应用

参考文献

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[4]肖红伟, 林海, 高振江, 等.板栗激光划口机设计[J].农业机械学报, 2010 (11) :138-141.

激光在技术 篇8

三维激光扫描技术的产生, 为上述问题的解决提供了最为有效、实用和先进的技术手段。通过应用地面型三维激光扫描技术, 可通过地形、地貌三维数据采集在斜坡稳定性研究及大变形监测等方面进行大量工作。

1 三维激光扫描的优点

与传统的仪器相比, 三维激光扫描仪在使用上具有非常显著的优点, 主要体现在以下几个方面:1可以全天候作业。由于采用的是激光, 无需太阳光, 因此, 三维激光扫描仪在黑暗的环境中照样可以正常工作, 例如隧道中或地下矿井中。2扫描的数据密度可以调节, 根据不同距离, 点间距可设小于1 mm或大于1 000 mm。3高精度。三维激光扫描仪的精度可以工作的范围内可达到1 cm, 模型化后的精度更可达3 mm, 可以充分满足大部分的测量需求。

2 三维激光扫描与传统测量的区别

与全站仪等单点采集三维数据的方法相比, 三维激光扫描仪无需设置反射棱镜, 无接触测量, 在人员难以企及的危险地段使用优势明显;突破了单点测量方式, 以高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据, 对目标描述细致、采样速率高。这都是传统方法难以实现的。但缺点是比全站仪的测量精度低。

三维激光扫描仪与以光学摄影测量为原理的近景摄影测量及航空摄影测量的获取结果不同:摄影测量获取的是影像照片, 而激光扫描获取的是三维点云数据;获取的数据格式不同:摄影测量数据拼接采用相对或绝对定向方式, 三维激光扫描采用数据的坐标匹配方式。另外, 两者拼接各测站间数据的方式、解析方法、测量精度、测量环境要求 (摄影测量对环境光线、温度要求高) 和数据处理方式也不同。

3 三维激光扫描方法及数据处理

三维激光扫描技术在工程测量应用中需要将点云数据反映到工程实际当中去, 因此将扫描的点云数据坐标转换到与工程实际相符的大地坐标中具有重要的现实意义。

要把点云数据在一个坐标系中的坐标转换到另外一个坐标系中去, 就需要知道这两个坐标系之间的转换关系。为了求出这种转换关系, 就需要几个特征点 (同名点) , 即已知在两个坐标系中同名点的坐标。

一般而言, 特征点的选择可以有两种方法:1在扫描过程中, 扫描目标表面选择3个或更多的特征点, 这些点一般选择位置明显、易于识别的点;2将扫描机位点作为坐标转换特征点。边坡全貌如图1所示。

地质体表面所蕴育的地质信息被抽象为数以百万记的三维点坐标, 有着与其原型相一致或相近的一切外部几何特征, 但又有别于原型体, 需要对点云数据所构造成的地质体进行分析、解译, 得出与其对应的客观原型的真实数据信息。

边坡点云数据的局部细节如图2所示。

边坡点云数据解译图如图3所示。

边坡岩体结构面平面分布图如图4所示。

4 结束语

激光在技术 篇9

矿山测绘技术历史悠久, 经过数十年的发展, 矿山测绘及时已经具有一定的机械化水平, 但矿山传统测绘技术无法满足目前测绘技术的需求, 越来越多的新型测绘技术成为矿山测绘技术发展的前提, 三位激光扫描技术成为众多测绘技术中非常重要的一种;数字化矿山建设是实现企业高效高产和安全开采的有效途径, 三位激光扫描技术不仅可以建立完成的三维立体模型, 还可以真实立体的展现矿山地质地形, 是一种全新的技术手段, 有利于推进矿山的发展。

1 三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描仪主要是地面性的扫描仪, 通过激光脉冲发射周期驱动, 由接收透镜目标接收后向反射信号产生接收信号, 最后通过电脑软件按照计算方法进行原始数据处理, 从计算中对物体进行全方位扫描后进行整理。该仪器包括软件和硬件, 软件主要是数据处理系统, 硬件主要分为三维激光扫描仪、电源和支架, 整个工程系统流程是方案的拟定和选择后通过行业数据处理再进行成果输出。

2 矿山测绘的分析

三维激光扫描技术通过扫描实物获取该物体的三维空间数据, 在重建该物体的三维模型后成为三维激光扫描技术;该技术通过无接触被测目标标准, 可以快速动态、实时自动化的获取目标的三维空间信息数据, 比传统测绘技术在精准度和高分辨率方面有很大的提升;三维激光扫描技术主要通过获取测点信息, 将散点的坐标组合成三维信息, 不需要对实物表面进行处理, 得到的数据真实可靠。三位激光扫描技术的使用不仅实现了矿山的精准化管理, 工作人员还可以通过网络对矿山的实时信息进行查询, 特别是对矿山三位模型进行实时的数据查询, 对不同时段的数据模型进行分析, 及时发展目标的结构变化和位置移动等情况, 为矿山安全有指导作用。

矿山测量工作开展前期需要进行前期控制测量, 准确控制测绘技术的精度和设置, 三维激光扫描技术作为GPS技术的一种, 是目前矿山测绘技术中高精度的新型测绘技术, 矿山测量在控制测量中还包括矿山手机控制测量, 要求在测量中从整体到局部、分级进行布网的原则, 测量控制点采用水准测量和三角高程测量的方法, 使用导线测量方法进行全球定位系统定位。建立完善的矿山信息系统是测绘技术开展的重要工作之一, 矿山信息系统是根据计算机信息技术设立地理信息系统的存储、维护、统计和管理, 在传统测绘技术中因为信息技术不完善, 使用技术方法, 对测量周期和工作量的增加有很大的挑战。因此需要建立完善的数据库, 有助于矿山企业日后的参考使用。

3 矿山测绘中三维激光扫描技术的应用

三位激光扫描仪技术在使用中快捷方便、动态、数字化, 测量数据有高精度的优点, 一起可以通过架设三脚架采集数据, 行业数据处理可以快速进行数据传输, 并可以快速获取物体的三维数据, 减少外部设站需要的时间, 建立立体模型;与传统测量手段相比, 三维激光扫描技术完善了测绘信息的表现形式, 真实反映现实环境, 对提高工作效率和降低劳动力强度有很大的帮助, 因此被企业广泛应用。

在矿区测量中, 建立矿区地表的三维模型可以全面扫描整个矿区的地形地貌, 并将扫描得到的三维点云数据通过软件处理后方可得到该区域的三维实时立体模型, 在对建立后的三维模型数据进行信息编辑后, 实现矿山的数字化管理;三维激光扫描技术获取的云点信息较为完整, 包括对巷道内详细信息内容的描述, 矿山地理信息及其他附属设置的描述, 通过软件处理后详细的反应出巷道内部的三维立体场景, 方便井下作业人员了解巷道具体情况, 了解人员活动轨迹。

在进行扫描前对巷道周边环境进行勘探, 根据巷道特点确定三维激光测量仪一起的架设位置, 并安放在合理的位置;在扫描过程中针对不同扫描目标要求, 合理选择扫描的密度参数, 三维激光扫描仪获取的数据可以与软件兼容, 进行开采场地体积、断面等信息数据的采集和检核。在建立三维巷道模型的整个矿井下, 可以配合井下人员的定位系统, 实时掌握井下人员分布, 对灾难应急救援有一定的帮助。三维激光扫描技术作为高速测量全站仪系统, 具有稷山小和受周边环境营销较小的特点, 主要采用主动式激光扫描原理完成测量, 没完成驿站扫描仪速度非常快, 每个点云数据的处理方式不同, 三维激光扫描系统可以自动识别实物, 在矿山测量中发挥重要的作用。

4 结束语

矿山空间三维信息的获得与传统测量技术相比有较强的实用性, 由于三维激光技术采用非接触即可测量技术, 特别是在地形复杂的山区可以全天候作业, 更加实用于井下作业;三维激光测绘技术获取的是三维信息, 可以直观立体的表现矿山的真是形态, 用该技术测量的三维云点数据丰富全面, 为数字矿山提供优质的数据基础。矿山测绘技术中采用三维激光测绘技术可以充分发挥该技术的优势, 随着三维激光技术的发展, 成为测绘领域普遍使用的新型测绘技术, 有很广阔的未来发展空间。

参考文献

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激光在技术 篇10

随着三维激光扫描仪的成熟与发展及其成本的逐渐降低,人们已经可以快速高效地获取客观世界高精度的三维数据,使其广泛应用于数字文物、数字考古、虚拟现实、城市规划、数字娱乐、影视特技制作等领域。三维激光扫描技术在考古中主要用来记录考古发掘中的三维数据,通过对遗址的三维重建,利用网络实现对数字遗址的漫游和展示。国内外,已经开启了三维激光扫描技术在考古领域的研究和应用工作。Robson Brown等人建立了法国西南部卡普布朗遗址的旧石器时代雕刻的岩石表面的三维模型[1];Entwistle等提出了将高分辨率废弃的聚落遗址与土壤的化学数据整合的理论,使虚拟考古成为可能[2];刘江涛等采用Riegl LMS-Z420i获取了三星堆遗址的点云数据,实现了三星堆一号祭坑的三维重建[3];西安四维航测遥感中心的技术人员对兵马俑二号坑进行扫描,构建出二号坑的三维模型,实现了二号坑遗址信息的数字化存储,使遗址的再现和重建成为可能[4]。本文利用三维激光扫描技术,实现了对陶寺遗址的数字化,并利用手持三维激光扫描仪对部分出土文物进行了三维重建。

1 数据采集

1.1 遗址介绍

陶寺遗址是黄河中游地区以龙山文化为主的遗址,总面积约300万平方米。位于中国北部山西省的襄汾县。遗址内发现有房址、墓葬、陶窑、水井等遗迹和大批陶、石、铜、木等各种质料的遗物。遗址还包括庙底沟二期文化和少量的战国、汉代及金、元时期的遗存。陶寺遗址的发现,对于探索中国古代文明的起源和尧舜时代的社会历史具有重要意义。

1.2 数据采集方案及实施

通常数据采集方案采用全站仪和扫描仪相配合的方法,数据采集可以分为几个步骤:踏勘场地与布设控制点、控制测量、靶标布设、扫描、靶标测量与提取。考虑到陶寺遗址的几个主坑比较分散,采用全站仪和扫描仪配合方案统一到全局坐标系下比较困难,故直接利用球靶标对各个坑进行独立扫描。1号坑的球靶标布设方案如图1所示。

图1 1号坑球靶标的布设方案Fig.1 The layout plan of the target ball in 1stsite

本文所采用的激光扫描仪为FARO Foucs 3D,采用不同的分辨率扫描遗址和靶标,遗址的采集采用较低分辨率,为了能够准确地提取靶标中心点,对靶标采取较高分辨率专门扫描,以提高后期点云配准的精度。扫描时,首先以低分辨率进行整体扫描,然后选择欲采集区域,按照正常分辨率扫描该区域,对于比较重要的遗迹也可进行专门扫描,最后专门针对靶标以最高分辨率扫描,一站扫描结束后分别保存区域点云文件和靶标的点云文件,扫描得到1号坑的初始点云如图2所示。

2 点云数据处理

点云数据处理分以下两个步骤:点云数据的预处理和空间三维建模;点云数据的预处理包括对点云数据的点云配准、去噪、压缩、修补,预处理后点云数据的质量直接决定着模型的质量,空间三维建模包括表面重建和纹理映射,如图3所示。对遗址点云数据进行预处理时,应根据模型精度和处理效率选择适当的方法。

图2 1号坑初始点云数据Fig.2 The poine cloud data of 1stsite

图3 点云数据处理过程Fig.3 The point cloud data processing

2.1 数据配准

点云配准是指给定两组有重复区域的点云数据(通过三维激光扫描仪采样获得),通过某种变换将两组数据对齐,使之转换到相同的坐标系下,以便进行下一步的操作。目前配准的方法有许多样,本文采用基于同名控制点的点云配准方法[5],如图4所示,即使所有来自两个点云集合中代表物体表面同一点的点对(Pi,Qi)满足同一刚体变换(R,T),即:

图4 同名点配准示意图Fig.4 Schematic diagram of the same point registration

然后提取球靶标的靶心作为同名点,根据配准算法,计算R和T,然后通过R和T变换所有点云到一个坐标系下。本文利用FARO SCENE根据公共球靶标实现了1号坑四站扫描数据的配准。配准结果如图5所示。

图5 1号坑点云配准结果Fig.5 The point cloud registration results of 1stsite

2.2 数据去噪

获取的遗址原始点云数据,由于灌木丛遮挡、自身遮挡等原因造成了大量的空洞和噪音,使得原始点云质量很差,需要进行去噪处理。本文采用人工与软件结合的方式进行去噪,首先对于数据偏差较大的噪音先在Faro Scene内手工选择删除,而后利用Geomagic Studio中“减少噪音”功能,设置一定敏感系数剔除体外点,减少噪音点。去噪效果如图6所示。

图6 点云的去噪效果Fig.6 The point cloud denoising results of 1stsite

2.3 数据压缩

要实现遗址三维模型的有效建立,对海量点云数据进行有效压缩是关键环节之一。目前,点云压缩算法可以分为两类,基于构网的点云压缩和直接对点云的压缩。基于构网的压缩方法首先要对点云构建网格,可以是三角网格或其他多边形网格,然后根据网格求得顶点或三角面片的法矢信息,通过与阈值的比较实现点云网格模型的压缩。

直接对点云的压缩方法无需对点云构建网格,通过给定的准则实现点云的精简,因此大大提高了点云压缩的效率。传统的压缩方法包括均匀采样和弦偏差法等,已经被广泛地运用于各种商业软件之中。但均匀采样不能有效地保证遗址中重要遗物的特征,故本文采用基于切片技术的点云压缩,使压缩后的数据能最大限度的保持特征。步骤如下:

(1)点云分割,首先对散乱点云进行分层分割,分割的目的是将空间三维点云转化至二维平面上以便于后续的压缩处理。分割方向是用户自定义方向,最常用的是沿x轴、y轴或z轴去分割,对不同对象的点云,根据其形状和结构特征去定义分层分割方向。本文沿着y轴分割使得分层点云更加规则和均匀。1号坑点云分割后的效果如图7所示。

图7 1号坑点云数据的分割Fig.7 The point cloud segmentation of 1stsite

(2)切片生成,本文采用投影平面法将分层后的点云投影到相应的参考平面上形成轮廓式的切片点云,如图8所示。分层后的点云数据如图9所示。

图8 投影平面法Fig.8 The method of projection plane

图9 1号坑点云数据的分层Fig.9 The hierarchical point cloud data of 1stsite

(3)特征点判断,生成切片点云后,空间散乱分布的三维点云已经转化成为以每层切片形式存在的呈轮廓形状的平面点集,对每层的切片点云,使用弦高差法来保留含有大曲率信息的点,即特征点。弦高差法就是计算点集中的点到其相邻两点连线的垂直距离并与给定的阈值比较大小,如图10所示,以此来决定该点是否被视为冗余点删除,或者被视为特征点保留。

图1 0 弦高差法示意图Fig.10 Schematic diagram of the chord method

经过上述步骤,1号坑点云数量由293398个压缩至146699个,压缩率为50%,运行时间为0.0470 s,并很好的保持点云数据的特征,压缩效果如图11所示。

2.4 表面重建

在得到完整的三维数据之后,需要进行表面重建。表面重建是遗址数字化中的至关重要的一步,本文通过Geomagic Studio软件进行表面重建得到遗址的表面网格模型。但建立的网格模型会出现诸多的缺陷,如部分三角形法矢反转、肿块、自相交等,如图12深色区域所示,需对这些多边形进行修复,利用Geomagic Studio自动探测并修复多边形网格的缺陷,对于不能自动修复的予以手动修复,修复效果如图13所示。

图1 1 基于切片技术的点云压缩效果Fig.11 The point cloud compression effect based on slicing technique

图1 2 网格模型缺陷Fig.12 The mesh model defects

图1 3 网格模型缺陷修复Fig.13 The mesh model defects repairing

2.5 空洞填补

由图13可知,由于扫描的点云数据不完整,使得模型存在大量的孔洞,需对其修补,但由于遗址本身形状复杂多样,所以目前网格的修补难以自动化,一般需要人工干预。本文利用Geomagic Studio填充孔功能实现对孔洞的填充,如图14所示。

图1 4 模型的空洞填充Fig.14 The hole of model filling

3 模型优化

对点云经过上述处理后,实现了遗址模型的初步建立,为了让遗址模型具有逼真的效果,需对其进行优化,优化过程主要包括Geomagic优化和3ds Max优化两个步骤,首先,在Geomagic中对模型创建边界,将遗址模型转入到3ds Max进行点线面的调整以及视觉效果的完善,图15为对陶寺遗址进行了优化,赋予材质渲染后的总体效果。

4 文物建模

在对出土的文物进行数字化时,本文采用Creaform公司生产的VIUSCAN手持式三维激光扫描仪建立文物的高精度模型,相对于传统的地面激光扫描仪,在文物逆向重建中,手持式三维激光扫描仪在色彩信息采集、细节表达、模型精度方面具有较大的优势。本文以色彩信息较为丰富的瓷瓶为例,采集好数据后,利用VIUSCAN自带的扫描软件VXelements可以对扫描数据进行初步处理,包括去除孤点和噪声,建立初步模型,如图16(a)、16(b)所示,补洞及模型的细化在商业软件Geomagic studio12内进行,由于VIUSCAN能够采集的点的色彩信息不够完整(如图16(a)、16(b)所示),同样需在Geomagic studio12对其纹理色彩进行编辑,生成纹理贴图,最终建立的完整模型如图16(c)、16(d)所示。

5 结语

采用三维激光扫描技术进行考古遗址、文物的数字化,有利于考古遗址及文物的数字保护和虚拟展示,本文利用三维激光扫描技术,实现了对陶寺遗址的数字化,准确、直观地再现考古发掘现场遗迹、遗物的三维空间分布状态,为考古人员提供一个虚拟的现场环境,同时,通过对数字遗址、数字文物的网络发布,使得更多的人了解考古及历史文化,从而推动考古工作和旅游业的发展。

图1 5 陶寺遗址模型的优化效果Fig.15 The optimization model of Taosi site

图1 6 手持式三维激光扫描仪的文物建模Fig.16 Cultural relics modeling used 3D handyscan laser scanner

摘要：三维激光扫描技术是近年来发展迅速的一项高新技术,它通过快速、精确地获得扫描物体表面的三维点云数据,建立高精度、高分辨率的数字模型。三维激光扫描技术应用于考古发掘中,可以准确、直观地再现考古发掘现场遗迹、遗物的三维空间分布状态,为考古人员提供一个虚拟的现场环境,给考古研究提供强有力的支持。本文利用三维激光扫描技术,对山西陶寺遗址进行了数据采集、数据处理,实现了对陶寺遗址的三维重建,并利用手持三维激光扫描仪对部分出土文物进行了三维重建。

关键词：三维激光扫描,考古,点云数据处理,三维模型

参考文献

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激光在技术 篇11

【关键词】激光雷达；工程测绘；应用 随着上世纪80年代激光机技术的突破，推进了激光技术的进一步发展。激光雷达采取与激光测距器类似的原理和构造进行研制，其工作在由红外到紫外光谱段的探测系统中。由于激光雷达的不断改进，其重复频率快、峰值功率高、体积小、波长范围广，目前已在工程测绘的多个领域得以应用。

1.激光雷达测绘技术概述

激光雷达是在光频波段工作的雷达，且与微波雷达的工作原理相近，利用光频波段的电磁波向目标地点发射探测信号，然后再将接收到的同波信号和发射信号进行比较，进而得知目标的方位、距离、高度等具体位置，以及其运动状态信息，以实现对目标的跟踪、探测和识别。激光测距机是简化的激光雷达形式，在激光测距技术的基础上，实现方位配置、测量俯仰状态、自动跟踪激光目标等，以此构成完整的目标探测与跟踪激光雷达。一般情况下，激光雷达由激光接收机、激光发射机、伺服控制系统、信息处理系统、操控显示终端组成，且激光雷达可根据不同方法进行分类：如果按照发射波形与数据处理的方式，可分为连续波激光雷达、脉冲激光雷达、脉冲压缩激光雷达、脉冲多普激光雷达、动目标显示激光雷达及成像激光雷达等；如果按照安装的平台划分，则分为机载激光雷达、地面激光雷达、航大激光雷达以及舰载激光雷达等；根据完成的不同任务，分为靶场测量激光雷达、火控激光雷达、障碍物回避激光雷达、导弹制导激光雷达、飞机着舰引导激光雷达。

在实际应用中，激光雷达可以单独使用，也可与微波雷达、红外电视、可见光电视、微光电视等组合使用，让系统既能搜索到远距离目标，也可实现目标精密跟踪，在当前工程测绘中应用广泛。

2.激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

2.1础测绘

在基础测绘中，包含数字正射影像、数字线划地图以及数字栅格地图。对于数字正射影像与数字线划地图来说，其生产离不开高精度三维信息的技术支持。例如，数字正射影像就是在精确的地形信息基础上，实现数字微分纠正而获得。由于数字摄影测量工作的程序较复杂，对设计要求与技术路线也非常严格，同时对生产人员提出更高的技能要求。而机载激光雷达技术所提供的地面三维坐标，则可以满足高精度影像微分纠正的要求，让数字正射影像生产更加容易，并不需要数字摄影测量平台，极大降低成本，在一般遥感图像处理系统中就可以实现规模化生产。另外，高精度的激光点云数据，可直观反映地物、植被等三维信息，充分利用这些资源，实现更加精准的判读与测量，提高数据的采集效率与质量。

2.2精密工程的测量

很多精密工程的测量，都涉及到测量目标的采集，并获得三维坐标信息或者三维物体模型，例如在水文测量、建筑测量、沉降测量、电力选线、文物考古、变形测量等行业中。地面激光雷达和机载激光雷达就是解决这类问题的有效方法。利用数码相片获得纹理信息，并与构筑物模型实现叠加，以构建三维模型，可有效实现对景观的规划分析、物体保护、形变测量、规划决策等。例如激光雷达技术在铁路设计、公路设计中提供的高精度地面高程模型，可便于线路的设计与施工方法精确计算。在电力线路设计过程中，利用激光雷达技术的成果数据可以对整个线路有所了解，包括公共区域内的地物、地形等要素；在电路线维护或抢修时，根据电力线路中的激光雷达数据点，以及对应地面裸露点的高程，计算出任意位置线路距离地面的高度，方便维护与抢修；另外，在树木的密集区内，也可利用激光雷达估算出需要砍伐树木的面积与木材量。

2.3数字矿山的构建

数字矿山的建立既满足环境友好型、经济节约型社会需要，也对促进矿山可持续发展具有重要作用。近年来，我国矿业及矿业城市遇到了生存与发展的困境，而矿山生态环境、资源枯竭等问题严重，矿山系统内的功能受到局限，矿山的人力、物力、财力都有所影响。

若想解决这些问题，必须加强对数字矿山的重视。利用激光雷达数据滤波迅速提取矿区内的相关数据，建立起三维虚拟地面模型，并确定建筑物的合理区域，提取建筑物的顶面信息，以重建建筑物模型。建筑物的模型和地面的分层组合建模、匹配融合等，实现塌陷区的生态环境与经济评价，对由于沉陷造成的土地侵蚀与裂缝进行分析，调查沉陷区的建筑物破坏情况，以及检测滑坡地质灾害等。

2.4电力传输与管道布图

在直升机平台上工作的激光雷达系统，最适用于测量传输线路。由于直升机可以沿着电力线或者管道传输的走廊飞行，比固定翼飞机节约成本，并且直升机可以随时根据需要调整高度和速度，以获得更为精准的数据。如果在激光雷达应用平台中同时使用录像机、数字相机及其他传感设备，既可实现激光雷达测量，也可同步进行线路检查及制图工作。

2.5森林工业的应用

机载激光雷达系统最早应用的商业领域即森林工业，由于森林业发展与国土管理都需要森林及其树冠下端地形的准确数据，而传统技术中很难获得树高及树的密度的精确信息。机载激光雷达与卫星成像不同，当利用这种技术勘测树冠下的地形时，还可同时获得树的高度。在对数据的后处理中，独立的激光返回值可分为地面返回值与植被返回值两部分，并以此计算出更多林业相关信息，如树高、材质、树冠覆盖以及生态环境等，这些都是传统摄影测量或者地面测量无法获得的信息内容。

2.6规划城市建设

自从进入21世纪，数字电视已成为各地力争构建的信息化目标。空间信息则成为数字城市的基础平台与框架，也是规划城市建设的重要内容。通过激光雷达测绘技术的应用，可以获得高精度、高分辨率的数字正射影像与数字地面模型，为城市规划与发展提供宝贵的空间信息资源，也是构建数字城市的重要技术支持。

另外，若想构建数字城市，还需要满足可测量、真三维、高精度等要求，具有真实效果的城市三维模型是管理城市的虚拟平台。如果应用传统技术，若想实现城市三维建模，工艺比较复杂，且工作量大、工作效率低，最终效果不理想，对数字城市的服务深度与宽度有所影响。如果利用激光雷达测绘技术，对地面建筑物进行空中激光扫描或者地面多角度激光扫描，则可迅速获得高精度、高密度的三维点坐标，再加上软件的后期处理，即实现点云数据的模型构建与纹理映射，全方位构建城市三维模型，对数字城市建设的基础数据持续性、历史性提供保障。

由上可见，激光雷达测绘技术将成为未来工程测绘的发展方向，具备更多的优势。通过激光雷达测绘技术与其他测量技术的配合使用，将提高工程测绘的效率与质量。但是目前我国在激光雷达的数据处理方面技术尚不成熟，仍需进一步深入研究。

【参考文献】

[1]朱筱茵.基于激光雷达的数字化精密测量技术研究[J].长春理工大学：光学工程，2010.

激光在技术 篇12

关键词：激光水平仪,正交编码,光栅,计数

0 引言

随着激光水平仪在建筑基础施工、工程设备安装等领域的广泛使用, 传统单一水平放样功能已不能满足施工放样要求, SCAN功能的出现进一步拓展了激光水平仪的应用。本文介绍了激光水平仪中SCAN功能的技术实现原理, 尤其是正交编码技术在SCAN功能上的应用。

1 激光水平仪工作原理

激光水平仪的主要部件:安平系统、人机操作系统和激光扫描系统。

1.1 安平系统

激光水平仪的安平方式主要有两种:重力安平和水平传感器安平。

重力安平是一种用万向架将激光扫描系统整体悬挂起来, 以自动保持测量基准精度的技术。当万向架轴系摩擦力很小, 且被悬挂体重心与激光扫描系统轴向重合时, 作为基准使用的水平激光束, 即具有自动保持工作精度的能力, 这时系统即使受外力扰动而作两个自由度的摆动, 最终也会静止在原来的位置上, 恢复工作精度, 从而实现了重力自动安平。为使被悬挂体受扰动后迅速静止, 还需要设置阻尼器。

水平传感器安平是通过微控制电路采集水平传感器信号, 而后根据传感器信号控制X方向和Y方向电机, 使激光扫描系统轴向Z与重力铅垂方向重合, 以此作为基准使用水平激光束的技术。当水平传感器检测到超出预设精度范围的信号时, 微控制电路将根据信号控制X/Y方向电机, 使激光束保持在水平基准范围之内。

水平传感器安平方式较重力安平方式结构复杂, 但使用场合广泛。

1.2 人机操作系统

人机操作系统主要由操作按键和LCD显示两部分构成;LCD显示仪器的当前状态信息, 如电池电量、转速、SCAN功能的角度等。

1.3 激光扫描系统

激光扫描系统主要由激光射线、直流伺服马达和计数光栅组成;激光扫描系统主要功能包括匀速旋转功能 (如120rpm、300rmp、600rpm等) 和SCAN功能 (如10°、30°、60°、90°、180°等) , 其中在匀速旋转功能下, 激光水平仪将投射出一个360度的水平面, 而在SCAN功能下, 激光水平仪将投射出一个扇形水平面。

2 SCAN功能工作原理

2.1 组成

检测机构由光栅齿盘一块、960nm红外检测部件 (1个发射管、2个接收管) 一套和后续电信号处理部分组成。

光栅齿盘的边缘有n个凸齿组成, 本文中n=90, 如图1所示。

材料:用厚度为0.5mm的不锈钢片冲压而成, 需氧化发黑处理, 以保证光电信号的检出。

直经在75 mm, 中心孔位固定在激光扫描系统的旋转轴系上。

2.2 结构布局

如图2所示, 发光管位于光栅齿盘的下边缘, 两个接收管位于光栅齿盘的上边缘 (接收发光管穿过光栅齿盘的光线) 。光栅齿盘固定在激光扫描系统的旋转轴系上, 由固定在旋转轴托架上的伺服电机通过同步带和带轮带动旋转;960nm红外检测部件固定在激光扫描系统所在的托架上静止不动;当伺服电机带动激光扫描系统的旋转轴和光栅齿盘旋转时, 接收管将接收到强弱变化的光电信号。

2.3 光电信号分析及处理

960nm红外检测部件的输出信号:

由图3所示, 接收信号是两个成90度相位差的弦波。

对于接收信号1和接收信号2的弦波进行整形, 将弦波整形成方波如图4所示。

当伺服电机带动激光扫描系统的旋转轴顺时针旋转, 则可得到接收信号1和接收信号2正向转动时的波形, 如图5所示。

由图5可知, 正向转动时接收波形2的方波上升沿在接收波形1的高电平区;

当伺服电机带动激光扫描系统的旋转轴逆时针旋转, 则可得到接收信号1和接收信号2 (取反) 反向转动时的波形, 如图6所示。

由图6可知, 反向转动时接收信号2 (取反) 的方波上升沿在接收波形1的高电平区。

由图5和图6分析而得, 正向和反向转动时的波形符合正交编码技术的波形特征;由此, 可依据正交编码技术检测控制激光扫描系统的旋转部件, 以使SCAN功能稳定可靠的运行。

2.4 正交编码技术中的控制与算法

依据正交编码技术, 设置两路计数器, 一路读取正向转动数值A1, 另一路读取反向转动数值A2。在启动SCAN功能后, 默认激光扫描系统正向转动, 此时A1和A2的初始值设定应满足:A1-A2=n/2, 其中n为光栅齿盘的凸齿数;SCAN功能角度设定值I、正向转动界限设定值C1和反向转动界限设定值C2应满足以下要求:

1) 当C1>C2时, C2+I/2=n/2, 或当C2>C1时, C1+I/2=n/2;

2) |C1-C2|=I;

在SCAN功能运行过程中, 控制伺服电机使激光扫描系统反向转动的条件是计数器计数值满足以下条件中的任意一个:

1) A1<n, A2<n, A1>A2, 且A1-A2≥C1;

2) A1<n, A2<n, A2>A1, 且A1+n-A2≥C1;

控制伺服电机使激光扫描系统正向转动的条件是计数器计数值满足以下条件中的任意一个:

1) A1<n, A2<n, A1>A2, 且A1-A2<C2;

2) A1<n, A2<n, A2>A1, 且A1+n-A2<C2;

如此, 即可控制伺服电机带动激光扫描系统在设定值为I的圆周角内往复运动, 从而在激光水平仪的工作面上投射出一个稳定的扇形水平面。

另外, 在实际应用中, 实验发现不同的扇面角度采用不动的伺服电机驱动电压更加有利于SCAN功能的运行。

3 结语