激光测量

激光测量（共12篇）

激光测量 篇1

关于物体的微小振动和微小位移精确测量的相关研究是随着精细加工工艺和微机械技术的飞速发展及大量应用而得到人们的广泛重视的。光学测量技术所具有的优点是结构简单、精度高、耐高压、耐腐蚀、能在易燃易爆的环境下可靠运行、抗电磁干扰、动态范围大,并且光学测量技术是一种重要的非接触式无损测量技术,基于其上述优点,光学测量技术占据了计量测试技术领域的主导地位。

目前振动测量在材料探伤、机械系统的故障诊断、噪声消除、结构件的动态特性分析及振动的有限元计算结果验证等方面都得到了广泛的应用,所以激光振动测量技术有着广阔的应用与发展前景。

1 激光振动测量技术的测量原理及现状

目前,常用的激光振动测量方法有激光三角法、散斑法、全息法、激光多普勒效应法、光纤与微机电(MEMS)法和干涉法等。由于这些技术的使用,使得激光振动测量的分辨率或精度在很大程度上得到了提高。下面分别介绍几种常用的光学振动测量方法:

1.1 激光三角测振法

激光三角法[1,2]是利用几何光学成像原理,将激光器发出的光经发射透镜汇聚于被测物体表面形成入射光点,该光点通过接收透镜汇聚于光电探测器上,形成像点,使用对位置敏感的传感器就可接收到这一信息。当入射光点与该光学结构产生相对入射光轴方向的振动或位移时,引起像光点在感光面上发生位移,从而引起光电探测器输出电信号的变化,根据电信号的变化量可求出像点唯一的变化量,通过信号处理可得到被测目标位移或振动信号。

该方法对于振动的测量是非接触形式的。激光三角测振法具有结构简单,发展比较成熟等优点,适用于工业现场安装使用。但是该方法的不利之处一方面是光电探测器的灵敏度和尺寸限制了该方法的分辨率和测量范围,另一方面是发射透镜的焦距限制了该方法的工作距离,不适于远距离处的微小振动测量。

1.2 光强测振法

光强测振法[1,2]是利用被测目标相对投射光束,或反射光束相对探测光路的位置变化导致探测光强的变化来探测振动。

该方法对于振动的测量既可以是接触式的,也可以是非接触式的。光强测振法具有信号处理方便、结构简单、成本较低等优点,可以广泛应用于各种场合。而且光强法与光纤的紧密结合,使得光强测振法的应用领域得到进一步拓展。该方法的不利之处在于光强易受外界环境和光源干扰的影响,使得测量结果精度不高,所以一般采用多波长、多光束等方法来改进光强测振法的不利之处,提高光强测振法的抗干扰能力。

1.3 全息测振法

全息法[1,2]是将相干光束的一部分作为参考光波,其余部分投射到物体上并被其反射作为物光波,两光波相遇产生干涉,所形成的干涉场反映了被测物体的振动情况,该干涉场由照相底片记录经过适当显影形成全息图。全息干涉测振可以对整个振动面上的点位置进行测量,通过比较不同时刻的全息干涉图,就能够描绘出被测振动面上各点的振动情况。

该方法对于振动的测量是非接触形式的全场同时测量。全息测振法具有可以进行面测量,同时获得多点数据的优点。该方法的不利之处在于须用银盐干板作记录介质,全息图需要进行照相及冲洗等处理,操作过程复杂,处理条纹图极其费时,无法实现实时测量,实际应用较困难。

1.4 激光多普勒效应测振法

多普勒测量[4,5,6,7]中的多普勒信号通常都是从被测物体的散射光中获得的,信噪比低,且包含有运动速度、光源、接收器之间的角度因素,由于这些因素会引入较大的测量误差。对振动特性的计算方法为信号中的每一个差拍波对应一个位移当量值,被测振幅的获得是经过对相邻两个翻转点之间的差拍波的个数进行计数而得到的。

该方法的测量不需要干涉仪组件,可精密装配。激光多普勒效应测振法具有被测速度矢量与多普勒频移呈线性关系,对于任何复杂的物体运动都适合研究的优点。因此,激光多普勒技术是一种高精度动态测量方法。该方法的不利之处在于得不到小于当量值的位移,测量分辨率很低。激光光栅多普勒效应的微振动测量系统的提出改变了以上不足。

1.5 光纤与MEMS测振法

光纤与MEMS技术相结合的振动传感器[1,2,8]在振动传感领域中一军突起。在微光机电传感器中,光纤可作为传光介质,为传感器提供光连接,传感器内部的电信号经由发光二极管转变为光信号,再输送到外部设备,这样可以使测量结果大大免受外界电磁干扰。光纤也可用来构造光路,成为集成传感器的一部分,作为悬臂梁感受外界振动,通过测量经过光纤的光强变化来实现振动传感。

光纤与MEMS技术相结合的振动传感器的优点是可免疫外界电磁干扰,可应用于避免使用电信号的场合,结构布置灵活,适合应用于复杂结构环境和复杂结构空间下的振动传感测量,适用于微型化和集成化产品。

1.6 干涉测振法

干涉测振法是将光束正入射于物体表面,其反射回来的检测光与参考光相遇形成干涉场,此后再对干涉场进行处理便得到所要测量的振动信息。

该方法对于振动的测量是非接触精密测量。干涉测振法具有应用范围广、重复性极高、可以对微小振动进行高精度测量的优点。但是该方法的不利之处一方面是由于干涉测振法具有高灵敏性,环境扰动对其影响非常突出,当光程质量不理想时,测量将无法进行。另一方面是在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面,以及目标物体表面的不平整性,使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合,尤其当两束光偏差太大就不能形成干涉,这将使测量无法进行。因此,人们先后发明了光波频率调制补偿法、机械式位相调制补偿法以及将机械补偿和光调制相结合的方法来解决这一问题。

1.7 激光散斑测振法

激光散斑振动测量技术[1,2,3]是利用激光的高相干性,当激光照射到物体粗糙光学表面时将产生散斑场,该散斑场是被测物体表面信息的载体,记录下该散斑场并利用数字图像处理技术,就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线,通过条纹判断便能得出振动物体的位移。

该方法一般采用多帧干涉图取平均的方法来减少环境扰动的影响,但并不能从根本上解决扰动问题。散斑干涉法适用于对频率已知的振动信号进行测量,从而实现对物体振动特性的分析,该方法的不利之处是精度和测量应用范围有限。

2 激光振动测量的展望

激光振动测量技术发展前景非常广阔,对于激光振动测量技术的研究工作也是研究人员为之做出不懈努力的工作方向。关于激光振动测量的展望有如下几个方面:

2.1 改善测量环境

随着我国科技水平的不断发展与提高,人类对于振动测量精度的需求已经达到了纳米量级。目前的分辨率已经不能实现人们对于某些研究领域项目的精度要求,对于纳米精度目标的实现是人类在科研领域的新突破。环境是影响系统实现纳米精度的一方面问题,像空气温湿度的变化、环境的振动和声学扰动等都会影响测量精度。因此,可以采用隔离措施和建立确保稳定环境温度的恒温室的方法来实现纳米测量精度。

2.2 结合多技术于测量

现代的激光振动测量系统广泛采用的是光、机、电与计算机技术相结合的方式来进行高精度、实时动态测量,大系统的概念、模糊理论、人机工程学的概念、自适应原则、调频技术、调制技术、反馈原理这一系列相关理论都广泛的应用在现代测量仪器的设计中,促使测量与控制技术成为一个完整的有机整体。鉴于以上广博知识,更需要多知识、高技术人才团结、协作完成由知识理论到仪器设计的实现。

2.3 进行科研创新

新的测量原理和方法是指导创新研究成果的理论依据,传统的振动测量方法已经不适用于纳米级振动测量的研究,要解决纳米级振动测量需要寻求新的测量原理和方法。将微观物理和量子物理的最新研究成果应用于测量系统中以及对现有技术进行创新性应用是可行的。

2.4 多领域应用

随着科技的发展以及性价比高、质量优良的激光振动测量仪问世,激光振动测量技术不仅可以应用于机械制造的检测中,还可以应用于生物医学、材料检测、航空航天等领域。

3 结束语

当今社会激光振动测量技术与人类的生产、生活是息息相关的,此项技术促使人类的生产、生活质量向着更好、更完善的方向发展。随着激光振动测量方法的成熟与完善,高精度、高效率、低成本的测量方案必将实现并走向成熟。

参考文献

[1]张书练,张毅.光电振动传感技术新进展[J].激光技术,2001,25(3):161-165.

[2]王小芳.四波耦合微振动光学测量的研究[D].南京:南京师范大学,2006:1-4.

[3]Tan Yushan,Jia shuhai,Le Kaiduan.The development of ESPI for vibration measurement[J].Appl.Opt,1999,120(14):41-45.

[4]李淑清,杜振辉,蒋诚志.激光光栅多普勒效应微小振动测量[J].光学学报,2004,24(6):835-837.

[5]Emilia G D.Evaluation of measurement characteristics of a laser Doppler vibrometer with fiber optic components[C].Proc.SPIE,1994,2358:240-247.

[6]Jiang Chengzhi,He Shunzhong,Liu Yanyu,et al.Study on signal of Inplane displacement measurement utilizing laser Doppler effect[J].Acta Optica Sinica,2003,23(1):71-74(in Chinese).

[7]蒋弘,殷纯永,林德教.光栅多普勒纳米干涉仪[J].中国激光,2000,27(12):1080-1084.

激光测量 篇2

激光跟踪仪是近年来得到广泛应用的精密测量仪器,其精度受环境、仪器自身及操作三种因素的影响非常大.但在实际工作中,经常出现对某个因素考虑不周的情况,使得测量成果受到较大影响.本文在对各种因素分析的`基础上,给出了提高测量精度应该采取的措施,以期对广大仪器操作者有所裨益,取得更好的测量成果.

作 者：于成浩 柯明 赵振堂 YU Cheng-hao KE Ming ZHAO Zhen-tang 作者单位：中科院上海应用物理研究所,上海,00刊 名：测绘科学 ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING年，卷(期)：32(2)分类号：P24关键词：激光跟踪仪 精度 校准 操作指南

激光对位技术在测量中应用分析 篇3

关键词：激光对位；施工测量

一、激光对位技术的种类及应用

（一）激光水准仪

所谓激光水准仪是水准仪的望远境筒接收到半导体激光器所发出的激光，从而视准轴方向会射出一束肉眼可见的红色激光。在使用仪器的过程中，激光水准仪的测量读数通常是由持尺人负责读尺，并将测量结果做记录。例如FJ系列激光器可以将激光电源装设在光学水准仪中，使其技术性能和观测操作可与DS3型微倾水准仪达到同等水平。激光水准仪通常应用于隧道施工、建筑施工以及室内的装修工程中，比如掘进机自动化隧道工程施工时，其动态导向就可以利用激光水准仪来实现，对掘进机的前进向方做出全程监控。

（二）激光电子经纬仪

随着电子科学技术的进一步发展，测量仪器越来越朝着自动化及数字化的方向发展。与普通的光学经纬仪相比而言，电子经纬仪所采用的是光电读数装置作为其读数系统，其角值自动显示。例如进口的LT激光电子经纬仪，就是以DT系列电子经纬仪为基础的，再添设激光发射系统进行改制。激光是经过望远镜发射出来的，并且和望远镜的照准轴保持同轴同焦水平，所以该激光电子经纬仪不仅具备电子经纬仪的相关功能，而且还有一条可见激光束，在施工过程中使用非常方便，而且其测角精度也可以达到与电子经纬仪的同等水平。此外，还可以作为一台激光垂准仪向天顶方向发射垂直激光束；而望远镜的照准轴精细调成水平后，还可以作为激光扫平仪和激光水准仪使用。激光电子经纬仪主要应用于测量对向准直或者高精度角度坐标，比如铺设管道、安装重型机械或者水坝工程的施工以及桥梁及建筑施工等等。

（三）激光垂准仪

激光垂准仪也可以叫做铅垂仪，它的工作原理是通过一条可见的激光和视准轴相重合，从而产生一条向上的铅垂线。其主要作用是用来进行竖向照直，一些铅垂线偏差较小或者定位传递铅垂线时会采用该仪器。在高层建筑、高塔以及烟囱或者电梯及大型的机械设备安装工程中，采用激光垂准仪进行施工安装、工程监理以及变形的测量。例如DZJ2激光垂准仪就被广泛的应用于高层建筑工程的施工中，利用该垂准仪向上投测出地面的控测点。

（四）激光扫平仪

激光扫平仪也被叫做激光平面仪，它是一种全新的光电一体化的仪器。其工作原理为旋转可见的激光速会形成一个平面，它就利用该平面得到一个基准水平线或者铅垂线。使用过程中，一旦将仪器的各项参数调整好，就不需要人工操作，可以在设定的范围内进行水平及垂直的扫描，从而提供一个可见的激光水平面或者竖直面，在施工过程中以此为基准参照，就不用再进行复杂的标桩设置。激光扫平仪常用于建筑室内的装饰工程中。例如在室内装饰工程中，可以将SJ4激光扫平仪安装在地板附近或者天花板处，从而使得地板或者天花板的平整度有所提高。在施工过程中，每个作业人员都可以随时随地的利用测尺来测量光迹与测尺中所设计的划线辊否重合，如果不重合则参照光迹做出及时的调整，从而保证施工对象可以處于同一个水平面。

（五）激光全站仪

全站仪全称为全站型电子速测仪，它将自动测角、测距以及测高的功能集于一身，可以自动的获取、显示以及存储及传输和处理测量数据，其为三维坐标测量系统。现在在控制测量、工程放样以及变形监测、安装测量和地形测绘、地籍测量等各领域均得到了广泛的应用，从而成为实现测量工程一体化、自动化以及智能化的关键性的硬件系统。例如R300系列电子全站仪，其所采用的是可见激光束，可调红色激光对中，其可视的激光红点提高了测量工作的效率及方便性。

二、激光对位技术在实际工程中的应用

某工程建筑总层数为28层，地下5层，总高度为102.1米，平面外围的轴线尺寸为4.8m*3.6m。在进行施工测量时，先定位基础轴线，并将其投测到附近固定的建筑物中。再按照施工现场和周围建筑物的实际分布，按照如图1所示的投测C轴及1轴为参照，采用平行线法将各基础轴线进行排列，要保证纵横轴正交为90°，正负10´´，各轴线的误差要按制在5mm以内。一到六层以C轴及1轴为参照，采用激光经纬仪投测出所有的轴线；而七到二十八层则利用激光沿垂仪来测量。要在第六层楼面中进行重新控制，建立起一个内部矩形的控制网。仍以C轴以及1轴为参照，提高精度标准，将轴线的正交度控制在90°，正负5´´，各轴线的位移则控是在3mm以内。再按照整理好的轴线，在室内选择一个恰当的位置，避开六层以上的柱子、主梁及次梁，埋设四个激光观测标板，该标板可以将主体建筑的大部分控制在内。观测标板要固定在楼面上，固定方式可以采用200*200*10的有脚埋件来完成，且要保证四个激光观测点要和原轴线为平行且严密的坐标关系，点位差则要小于2mm。四个点要构成角度精度满足90°正负5´´精度要求的矩形。并以此为原则，将各激光观测点在各埋件上确定出，并刻相应的标识，以此为永久性的激光观测点。采用该方法测量建筑物的垂直度，其误差控制在10mm以内，层间误差值也小于规范要求。

参考文献：

［1］张正禄.工程测量学的发展评述[J].测绘通报，2007(1).

［2］过静珺.土木工程测量[M].武汉：武汉理工大学出版社，2008.

激光测量 篇4

关键词：车载三维激光测量系统,激光点云,道路竣工测量

0引言

现代城市测量的特点表现为 “快、广、精”, 要求信息获取与处理速度快速、服务领域广、产品质量和精度高。由于城市测量的复杂性,即使全站仪、超站仪、测量机器人等一系列先进地面测量仪器不断的涌现,城市测量仍然存在作业模式单一、 重测频率高、工作效率低、劳动强度大等长期困扰地面测量的技术问题［1，2］。因此,非接触测量和高效率测量必然成为城市空间数据获取的重要手段, 而海量空间数据的快速、可靠、自动化处理必然成为研究的核心问题［3］。

随着GPS技术、惯性导航技术、CCD成像及激光扫描技术的发展和成熟,车载移动测量技术已成为城市空间信息获取的一种趋势［4 ～ 7］。本文在深入研究车载三维激光测量系统扫描成像机理的基础上,提出了完善的基于激光扫描和全景成像的车载三维激光测量系统设计方案,系统介绍车载系统的构成、工作原理及其在道路竣工测量中的应用,并通过工程实践证明,该技术用于城市道路竣工测量满足城市测量精度要求,从而为城市道路竣工测量提供了高效、全新的技术手段。

1车载三维激光测量系统的工作原理

本文的车载三维激光测量系统是由宁波市测绘设计研究院和武汉大学共同开发研制完成。如图1所示,该系统是一个多传感器集成系统,主要由定位定姿传感器、遥感传感器和同步控制单元组成。 其中,定位定姿传感器包括惯性测量单元IMU、 GPS和车轮编码器ODO三个部分,它们组成位置姿态测量系统( POS系统) ,用于获取车载系统时间、平台位置和姿态; 遥感传感器包括激光扫描仪和全景相机两个部分,本文的车载系统集成RIEGL公司两台不同型号的激光扫描仪VZ-400和LMS- Q120i,其中VZ-400安装在车体的右后侧,用于获取车辆两侧的目标点云信息; LMS-Q120i则主要用于获取地表面点云,从而实现全方位场景下的三维空间信息和反射强度信息获取。

如图1所示,车载系统的所有传感器被固定在移动平台上,并受控于车载计算机系统,通过系统标定可建立各传感器之间的严格几何关系,同时采用GPS时钟和IMU使各传感器数据在起始时的时间保持一致,即对采样频率各异的多传感器目标观测数据进行时间定位,并通过同步控制系统触发脉冲,保证所有传感器与平台的运动和姿态同步进行。当车辆以一定速度匀速行驶时,POS系统观测并记录各传感器的位置和姿态数据,地面激光雷达和全景相机以一定采样频率开始扫描和获取全景影像,从而实现全方位场景下的三维点云信息和纹理信息的快速获取［1］。

2基于车载三维激光测量系统的道路竣工测量

道路规划竣工与验收是目前城市测绘单位主要的作业领域,目前道路竣工测量主要采用全站仪观测的单点测量方式,劳动强度较大,作业效率低, 同时缺乏精确的细部特征和高密度的DEM支持, 无法为后续的三维规划提供依据［8］。车载三维激光测量系统采用非接触主动测量的方式,可高效安全地获取地物三维信息,从而为道路竣工测量提供了完善的解决方案。

2. 1外业数据采集

利用车载移动测量系统进行道路竣工数据采集前,应进行测区作业合理规划,具体包括提前进行卫星星历预报,绘制卫星环视图,选择星历预报卫星信号较好的时段采集数据; 根据已有的地形资料合理规划移动测量系统的扫描路线,并检查各仪器设备的运行状态是否良好。车载系统进入测区工作前,首先应进行POS系统的初始化,以完成IMU和GPS信号的对齐,然后开启扫描仪和全景相机, 设置扫描仪分辨率、水平及垂直方向的扫描范围、 影像采样间隔等,其中VZ-400固定在车辆一侧保持在一个角度上进行线状条带扫描,LMS-Q120i固定在车辆后侧对车辆后方进行线状条带扫描,在数据采集过程中,可实时查看GPS卫星信号、点云和影像数据的采集状态。当外业采集完毕后,仍需要将车辆停止一段时间,从而保证POS数据的精度。

2. 2 POS数据解算

车载POS数据包括GPS数据和惯导IMU数据两部分,利用Waypoint软件进行解算以获取车载系统的位置和姿态信息。具体实施如下: 首先将车载POS数据中的GPS分量与基站GPS数据进行差分处理,解算得到基于GPS的移动测量车轨迹,然后将GPS差分处理结果与惯导IMU数据进行紧耦合处理,并将紧耦合结果进行RTS平滑,从而得到高精度的位置和姿态数据。

2. 3多传感器数据融合处理

车载三维激光测量系统在车辆行进过程中对地物进行高速扫描,每秒钟的有效扫描记录高达120000个点,并同时记录扫描时刻的时间、扫描角度、扫描仪到地物的距离,通过测角和测距可解算地物目标在扫描仪坐标系下的坐标。然而,由于原始点云数据是基于瞬时扫描仪坐标系下的,而瞬时扫描仪坐标系的坐标原点和坐标轴指向随着车辆载体的不断运动瞬时发生变化,因此必须通过多传感器数据融合处理将点云和影像转换到统一的绝对坐标系下。

如图2所示,首先利用Waypoint软件对POS数据联合处理以获取车载系统的位置和姿态信息,然后根据车载系统的外参数标定结果,即激光扫描仪的外参数,进行激光点云的定位定姿处理,从而获得WGS-84系下的点云信息; 同时利用全景影像数据、相机检校参数和惯导数据,对全景影像进行定位定姿处理,将影像纠正到WGS-84坐标系下,从而实现激光点云与全景影像的高精度配准; 最后基于WGS-84系下的激光点云和全景影像进行道路竣工图的制作。

2. 4道路竣工图制作及精度检验

当车载点云与全景影像实现高精度配准后,可利用我院和武汉大学联合开发的点云处理软件Cit Scene进行道路特征边线、路灯、电线杆、信号灯等特征地物的半自动化提取,同时可将提取出的地物要素实时导入CAD中,然后利用阿拉图数据采集系统进行竣工图制作。对于路面变化较为复杂的道路,可以采用在变化处截取纵断面的方式获取准确的变化点,也可以将点云按高程裁切后直接批量进行高程点获取,并注记高程。精度检验则采用全站仪测量的外业点和基于点云提取的地物点进行精度检核。

3工程应用案例

针对宁波市环城西路( 新星路—启运路) 约6. 8km的城市道路进行了道路竣工测量。相对于传统全站仪—棱镜杆的测量模式,车载方式没有控制测量阶段,参与人数仅3人,外业时间2h,外业工作时间较传统道路竣工测量提高了近80% ,其总体工作时间节省25% ,同时避免了大多数遮挡情形, 并检查了路面裂痕和坑洞情况,获得了良好效果。

采用车载激光扫描与全景成像城市测量系统采集道路及两侧地物的激光数据与影像数据,采集的激光点云数据如图3所示。

采用采集的点云与影像配准,在此基础上制作道路竣工图,制作完成的道路竣工图如图4所示。为了验证本文方法的正确性和可靠性,采用徕卡0. 5″的TM30全站仪进行极坐标法实地检测竣工图的平面和高程精度,其中平面坐标检测的道路长度为1. 5km,占比22% ,共计159个三类地物点; 高程检测的道路长度约1. 5km,共计78个高程点, 平面和高程精度检查结果如表1和表2所示。由表1和表2可以看出,基于车载三维激光测量系统进行道路竣工图制作,平面精度可达11cm,高程精度为6. 6cm,同时,无地物要素遗漏,从而满足城市道路竣工测量的精度要求。

4结论

本文提出基于车载三维激光测量系统的城市道路竣工测量技术,全面系统地研究了车载三维激光测量系统的构成、工作原理及其在道路竣工测量中的应用。通过生产实践证明了利用车载三维激光测量进行城市竣工测量满足城市道路竣工测量的精度要求,并能显著地减少工作人数、外业工作量,提高工作效率,减少总体工作时间。

参考文献

[1]陈为民.基于全景成像与激光扫描的城市快速三维测量与重建技术研究[D].武汉:武汉大学,2012.

[2]徐进军,张民伟.地面3维激光扫描仪:现状与发展[J].测绘通报,2007,(1):47~50.

[3]张毅.地面三维激光扫描点云数据处理方法研究[D].武汉:武汉大学,2008.

[4]韩友美.车载移动测量系统激光扫描仪和线阵相机的检校技术研究[D].青岛:山东科技大学,2011.

[5]王留召,韩友美,钟若飞.车载激光扫描仪距离测量参数标定[J].测绘通报,2010,(1):19~20.

[6]张卡,盛业华,叶春等.车载三维数据采集系统的绝对标定及精度分析[J].武汉大学学报(信息科学版),2008,33(1):55~59.

[7]杨长强,叶泽田,钟若飞.基于时空匹配的车载激光点云与CCD线阵图像的融合[J].测绘科学,2010,35(2):32~33.

激光测量 篇5

激光技术在车辆直线电机气隙测量中的应用

介绍了激光测距的原理及激光测距技术在城市轨道交通直线电机气隙测量中的应用,并提出了实际测量中相关问题的解决方法.

作 者：王保坚 Wang Baojian  作者单位：广州市地下铁道总公司,广东,广州,510310 刊 名：电气化铁道 英文刊名：ELECTRIC RAILWAY 年，卷(期)： “”(3) 分类号：U239.5 关键词：城市轨道交通   直线电机   激光   气隙   测量  

激光测量 篇6

关键词：激光扫描；汽车测量；数据采集；CPLD

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2015）07-187-001

随着汽车的普及和维修业的不断发展，人们对汽车车身在维修中的检测系统提出了越来越高的要求。利用激光扫描技术可实现对车身三维尺寸的测量，满足了现代汽车维修业对检测技术的新要求。

1.测量系统结构

检测系统由特征靶标、连接头、电机扫描装置、激光器及其驱动电路、光路转折系统、霍尔传感器、光电转换及信号预处理模块、数据采集与AVR处理及上位机组成。每个电机扫描装置由电机及其驱动电路、反射镜、反射镜固定托盘和安装于反射镜固定盘侧面的小磁铁组成。工作时，电机带动平面镜旋转，当扫描激光束经由旋转的平面镜反射到特征靶标上时，由于特征靶标上面贴有原向回归反射膜，投射光束经过反射膜反射后按原光路返回，激光束经过靶标反射后经由平面镜反射至激光转折光路中；经两个平行的45°角平面镜反射后，光信号经过光电转换及预处理进入数据采集系统，和霍尔传感器产生的电机旋转同步脉冲信号一起控制数据采集电路，经过数据处理得到初步的测量点在传感器系统内的三维坐标后，送入上位机。计算机把送来的数据进行计算及坐标变换得出车身三维坐标测量结果，并进行显示或打印输出。

2. CPLD信号逻辑处理

数据采集与处理电路包括逻辑控制电路、缓存器电路、单片机接口电路等。逻辑控制电路采集各个传感器的信号，然后将信号经4个缓存器缓存后传送给单片机；单片机结合软件实现对靶标的识别、三维坐标计算，通过串行通信与上位机连接。其中传感器的信号总共有6路，包括4路由光电模块采集进来的光电信号和2路霍尔信号。

2.1 PIN数字脉冲信号预处理

首先以霍尔传感器输出波形为粗定位，从PIN输出的数字脉冲信号中提取出采样周期定位波形，然后以此定位波形为基础定位出数据采样周期，在整个数据采样周期内对数字脉冲信号进行计数填充。采样周期定位脉冲的下降沿是以PIN输出信号的定位脉冲的下降沿来定位的，其上升沿是以霍尔传感器输出脉冲的上升沿来定位的。

2.2 采样数据周期产生电路

由于扫描器在不停地旋转，为了保证AVR获得正确的扫描数据，采样数据应该是一个完整周期内的数据，因此必须严格控制采样周期的完整性。为此设计了由AVR输出信号控制的采样周期产生电路。此电路以采样周期定位脉冲和AVR控制信号为输入，采样周期信号和采样周期终止信号为输出。

2.3 CPLD对FIFO芯片的直接控制

CPLD的主要作用是将数字脉冲信号计数填充后，在控制信号使能控制下将数据写入FIFO芯片中，因而CPLD中设计了对FIFO进行直接控制的功能模块，包括FIFO清空和写入。

2.3.1 FIFO数据清空

当FIFO中数据满时或AVR启动数据采集周期时，都要先将FIFO中的数据清零，以防止FIFO溢出造成数据丢失或采集到错误的数据。由于AVR单片机的时钟脉冲为8 MHz，因而这一过程必定能够满足清零脉冲的持续时间要求，FIFO即被清空。

2.3.2 单路FIFO数据写入

光电二极管接收的信号经前置放大及整形后频率比较高，由于系统一共有4路信号，AVR来不及直接去读取每个跳变沿的计数值，因而通过FIFO暂时缓存，待采样周期过后，AVR再从FIFO中读出计数值。要把计数值写入FIFO中，必须有正确的写信号，CY7C433对读写信号的时序有要求，写信号脉宽tPW≥15 ns，数据建立时间tSD≥8 ns，数据保持时间tHD无最小值要求。

2.3.3 4路FIFO数据处理

在整个系统中共有4个激光扫描传感器，即会产生4路信号，且每路信号都会生成独立的FIFO写信号，因而共产生4路写信号。当4路写信号中有2路或多路信号同时到来时，写入FIFO中的数据会产生紊乱，而造成数据写入错误或数据丢失。因此，设计了一个多路写信号处理电路，当只有某一路信号中有写信号产生时，写信号处理电路中产生一个与之对应的写信号脉冲；当某两路或多路信号中有写信号产生时，只产生一个与之对应的写信号脉冲。

3. AVR数据采集

3.1 FIFO地址译码电路

CY7C433芯片的数据宽度为9 bit，因而本系统中采用了4片FIFO芯片进行扩展。AVR的数据总线位宽为8 bit，为了降低外围电路的复杂性，每个FIFO芯片只用其中的8位，在读取时按照从高8位到低8位的顺序进行数据读取。因此，共需要4个读信号才能将一个数据完整地读入AVR中。数据的读取方式为给每个FIFO芯片配置一个唯一的数据地址，数据按址读取。为此本文设计了相应的FIFO读信号地址译码电路，输出信号控制FIFO芯片的读信号使能端。首先地址信号通过一个2-4译码器进行译码，译码结果与写信号同步后输出即得到4个FIFO芯片的读使能信号。

3.2 数据采集程序流程图

综合前文所有的分析说明，编写了AVR+CPLD+FIFO信号的C语言程序，该程序中包含了FIFO清零、采集周期启停控制、FIFO状态判断、数据来源分析、数据有效性判断等多个子项，最终采集得到一个扫描周期的准确、有效的数据以供后续电路进行处理。

本文对激光扫描车身坐标测量系统的数据采集部分进行了深入研究，设计了基于“AVR+FIFO+CPLD”的数据采集及处理模块；解决了当多路信号有数据同时传输时，如何将数据完整地写入FIFO的问题，实现了数据的有效采集；编写了完整的CPLD控制程序和AVR数据采集程序，为准确测量待测点的坐标提供了可靠的数据来源。

参考文献：

[1] 戴耀辉，臧杰.车身损伤测量在车身修理中的重要性及其方法[J]汽车技术，2003（12）：43-47.

[2]李家汉，刘文辉.白车身三坐标检测点的布置及优化[J]华东交通大学学报，2003，20（5）：107-110.

在线式激光极板厚度测量系统 篇7

本系统主要由扫描机构、测量激光传感器、参考激光传感器、扫描驱动电机、控制器、管理显示计算机及接口、相应的辅助电器系统等组成。

该技术与现有的GAMA射线测量方法相比, 具有环保、无核辐射污染的特点, 同时还可消除长期漂移和极片褶皱对测量精度的影响。

为了消除薄板运动过程中产生的波动给测量结果带来的影响, 本方案采用两个传感器双面测量, 即在薄板上下两侧各安装一个激光测量头, 分别测出上下两个传感器到薄板表面的距离, 由于两个激光传感器间的距离是固定的, 所以通过对测量值的计算就可得出薄板的厚度。

单位:哈尔滨工业大学

地址:黑龙江哈尔滨南岗区92号

激光隧道表面测量仪的研制 篇8

隧道表面尺寸、形状的测量是隧道工程施工及检测经常进行的工作。传统的人工表面测量方式是在隧道中确定一个基点后,用手工方式测量此基点与表面若干被测点之间的距离,再对测量数据进行后处理。在这种测量方式中,整个测量过程均由操作者手工操作完成,劳动强度大,测量周期长,且由于操作人员技术水平高低不同,会造成不同程度的测量误差[1]。

数字化的表面形状测量常常借助于各种测距元件进行,常见的测距元件有红外线测距元件、雷达测距元件和激光测距元件等。数字化的测量方式具有精度高、效率高、劳动强度低等特点,以上几种测距元件中,使用最广、测量精度比较高的是激光测距元件[2]。借助测距元件进行测量时所依据的原理与手工用尺子测量的方式基本一致,只是确定基点与表面若干被测点之间距离的方式用测距元件来完成,对测量数据的后处理,诸如计算和绘图等,通过电脑完成[1]。

传统的隧道断面激光测量仪在使用时,固定好仪器后,激光测距元件只能绕一个轴转动,仅能测量该表面上的一条曲线,不能自动连续测量整个表面。若需要测量整个表面,便需要移动仪器,重新定位进行测量,然后综合几次测量的结果,才可生成表面形状,这样便使测量变得繁琐,且重新定位会影响测量精度。本文所设计的隧道表面激光测量仪,在一次固定后,激光测距元件可同时绕两个相互垂直的轴转动,实现对某个表面的自动连续测量,同时,该仪器还具有扫描测量物体外形的功能。

1 激光隧道表面测量仪系统的原理

激光隧道表面测量仪工作时,测距元件依靠激光测量距离。测距元件在工作时向目标射出一束激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到返回被接收的时间,经过计算得出所测距离[3,4]。

测量隧道表面时,有两个特点:一是表面顶部的位置较高,人员不易触及;二是需要逐点测距,数据量大。对测距仪的基本要求是:①无合作目标测距功能(即不需棱镜或其他反射物体来反射测距光束);②测距速度快,一般1～2s就能测距一次;③测距仪有标准数据输出接口,如RS232或USB接口,以方便与计算机等设备连接;④测距仪误差应能控制在一定范围之内,一般是±5mm;⑤测距头体积和重量应较小,便于移动、系统集成和操作[5]。本文中所采用的激光测距元件DISTO OEM module3.0 WH30可以满足上述要求。

1.1 激光隧道表面测量仪的测量原理

如何控制激光测距元件发出的激光在隧道表面上自动连续扫描测量曲面轮廓,是本文所设计的仪器的关键所在。图1所示的断面测量仪只能绕一个轴转动,在工作时,一次安装仅能测量一条曲线(一个断面),不能连续测量曲面,若要实现对曲面的测量,需移动仪器,重新定位测量,这样就增加了测量工作量,降低了测试效率,且重新定位后,测量精度会受到影响。要使仪器在工作时能实现对曲面的自动连续扫描测量,需要使仪器的机械运动部件满足以下要求:①测距仪具有两个旋转自由度,即可以分别绕两个坐标轴旋转;②激光测距元件测量一个点大约需1～2s,因此,每转过一定角度,需等待激光测距元件测量完成后,方可转向下一角度测量,需要控制步进电机的启停和旋转速度。综合以上两点,本文设计的测量仪机械运动部分原理图如图2所示。

图2中,激光测距元件与安装在上箱座中的步进电机2连接在一起,在步进电机2的带动下,激光测距元件可以绕X轴旋转;上箱座又与安装在底座中的步进电机1连接在一起,这样,在步进电机1的带动下,激光测距元件与步进电机2可以同时绕Y轴转动。由此本文设计的测量仪实现了激光测距元件在两个自由度下的运动,可以实现对曲面的自动连续测量。测量仪工作时,两个方向的转动由控制系统控制,并记录下转动信息。

1.2 激光隧道表面测量仪系统的控制原理

图2所示的机械部分在工作时,激光测距元件绕X轴旋转一周后(或按照用户需要测完某个范围),即可完成一个断面的测量,然后,上箱体在步进电机1的带动下旋转一个角度,激光测距元件再次绕X轴旋转便可以对下一个断面进行测量。

在测量过程中,测量得到的数据需及时显示出来,以方便操作者及时掌控。因此,显示器是必不可少的,且显示器具有实时监测测量进程以及显示测量后生成的表面图形的作用。

在测量完成后,数据除了可以立刻被CPU处理生成表面形状图以外,还可以将数据储存下来,以方便对数据做进一步的处理和后续使用,因此,数据存储也是该系统必备的部分。为了使用方便,设计了打印机来打印测量数据。

数据可能会需要后续处理,单靠仪器的CPU可能无法完成。因此,仪器需要与PC机之间保持通信关系,能在测量的同时将数据送入PC中进行处理和保存。

综合以上分析,图3为所设计的测量仪的系统控制原理图。该系统可根据操作者的控制指令,控制两个步进电机运动,同时向激光测距元件发送测量命令,测量结果返回CPU后,进行数据的处理,显示器显示测量进程和数据处理结果,打印机可将数据打印出来,便于保存。

2 硬件结构

2.1 CPU的选择

CPU需控制激光测距元件、步进电机和实现对数据的简单处理,更复杂的处理可以通过功能更强的PC机来实现。考虑仪器控制相对比较简单和成本问题,CPU采用单片机即可实现所需控制功能,本文选用STC89C516单片机作为CPU,它具有63KB的Flash程序存储器和1280B的RAM数据存储器,可以满足程序及数据存储的需要,且不需外接存储器,其价格相对较低[6]。

2.2 PC机、激光测距元件的连接

激光测距元件DISTO OEM module3.0 WH30,采用RS232串口来接收测量命令并返回测量结果。单片机的串行接口通过MAX232转换电平后,与激光测距元件的RS232串口连接,便可向激光测距元件发送测量指令并接收测量结果。

单片机的串行接口通过MAX232转换电平后也可与PC机进行通信。但单片机只有一个串口,为了能同时连接激光测距元件和PC机,需对单片机串口进行扩展,以实现单片机与PC机和激光测距元件通信。

2.3 步进电机的连接

步进电机的控制采用步进电机驱动器来实现,单片机需向步进电机驱动器发送走步和方向脉冲,实现对步进电机走步和方向的控制。单片机的P1.0、P1.1和P1.2、P1.3分别接两个步进电机驱动器的走步和方向脉冲输入端。其中,接步进电机1驱动器的P1.0为正反转控制端,P1.1为走步控制端;接步进电机2驱动器的P1.2为正反转控制端,P1.3为走步控制端。通过以上连接,步进电机便可以按照单片机发出的控制信号运动,实现对激光测距元件转向和速度的控制。

2.4 键盘、显示、打印和存储

由于单片的I/O口有限,若同时连接VGA显示器、打印机和键盘会出现I/O口不够用的情况,因此,需对单片的I/O口进行扩展,将P0口通过扩展后分别连接键盘、VGA显示器和打印机。

键盘是用户控制该仪器的设备,键盘需对激光测距元件、步进电机、打印机等的工作过程进行控制,这里采用单片机系统常用的4×4矩阵式键盘,共16个按键。

VGA显示器可以显示彩色图形和文字,在本仪器中主要用来显示测量的进程、结果和生成的图形。

数据在打印时,考虑到仪器需便于移动、打印方便等特点,因此,打印机采用μp-A面板式微型打印机。该打印机可以打印ASCII字符,英文字符、少量的汉字和各种图形符号,可直接用单片机进行控制,编程简单,且这种打印机体积小,可以镶嵌在仪器内,采用针式打印,打印成本低。

数据存储采用SD卡,SD卡具有存储容量大、掉电数据不丢失等优点,是现在各种电子产品中广泛使用的存储设备,造价不高。单片机在读写SD卡时,需要用四个端口模拟SPI模式来实现与SD卡的通信,四个端口分别连接SD卡的片选(CS)、数据0(D0)、数据1(D1)和时钟信号(SCL)[7]。因此,用P1.4～P1.7四个引脚接SD卡进行数据存储。这里要注意的是,SD卡的逻辑电平相当于3.3VTTL电平标准,而单片机的逻辑电平为5V,高于SD卡工作时的电压,若直接相连,会烧毁SD卡。因此,需要解决电平匹配问题。本文采用74HC244作为电平转换芯片。单片机与SD卡通过一片74HC244连接,当对74HC244输入3.3V电压时,不论输入高电平是5V还是3.3V,其输出高电平均为3.3V,可以满足电平匹配问题。

综合以上部分,所设计仪器的硬件电路原理如图4所示。

3 软件设计

本文设计的测量仪软件包括两部分:一部分为硬件控制程序,另一部分为数据后处理程序。

硬件控制程序主要有系统主程序、初始化程序、中断服务程序、键盘扫描子程序、键盘处理及数据处理子程序、打印子程序、串行通信子程序、步进电机控制子程序、数据采集及处理子程序、报警子程序等。数据进一步详细的处理需在PC机上进行,本文还编制了测量仪与PC机之间的通信程序,用来实现二者的通信。测量数据的后处理是所设计的测量仪的另一个重点部分。数据的后处理一般要完成以下工作:实测表面图数据的预处理、坐标系的确定、坐标值的计算、设计表面的绘制、实测表面与设计表面的比较等。所设计的测量仪的软件系统流程如图5所示。

开始测量时,首先设定需要测量的表面范围,然后CPU向激光测距元件发送测量命令,对一个点进行测量,测量完成后将当前点的测量数据和关系数据存入到SD卡中,同时传输该数据至PC机,然后判断所设定的测量范围是否测量完成,若测量完成,则判断一行是否测完,若一行测量完毕,则步进电机1转过一个步距角,进行下一行的测量,若一行没有测完,步进电机2转动一个步距角,进行该行下一个点的测量。因为激光测距元件在步进电机2的带动下绕X轴转动时,假设测量第一行是顺时针从0°旋转到180°,那么第一行测量完成后,第二行的测量就要使激光测距元件逆时针从180°旋转到0°。因此,程序在运行时,需要判断所测量的是奇数行还是偶数行,以确定步进电机2的转向。当测完整个表面后,操作者可以选择是否打印测量数据。最后,相关数据清零,为下一次测量做好准备。

软件的硬件控制程序采用C语言编写,并通过Keil C51软件编译成HEX文件,下载到单片机中。考虑到MATLAB具有较强的数据处理功能,PC机中的数据后处理软件采用MATLAB与VC++混合编程的方法,在VC++中调用MATLAB程序,完成对数据的后处理[8]。整个仪器的程序较为繁琐,因此,以下仅给出几个关键部分的程序代码。

(1)激光测距元件测量命令关键代码:

(2)步进电机控制关键代码(步进电机1正转代码):

(3)数据存储关键代码:

(4)数据发送至PC机关键代码:

4 测量实例

为了验证仪器的使用情况,选择某塑料棚的局部进行了试验测量,并绘制了所测表面的三维图形。

按照图5给出的测量流程,使用隧道表面激光测量仪对所选表面进行测量,测量完成后,将所测得的距离值按照球面坐标系转换为OXYZ三维直角坐标系,测量及转换后的部分数据如表1所示。其中,测量位置(i,j)中的i表示测量的是第i个断面,j表示测量的是第i个断面的第j个点。通过数据后处理软件将所测点的数据进行处理,生成所测表面的网格图,如图6所示,图中X轴平行于(或重合于)隧道中线,Y轴与隧道中线垂直,因此,XOY坐标平面为水平面,Z轴为垂直于XOY坐标平面(水平面)的轴。

5 结束语

本文采用激光测距元件作为测量传感器,设计研制了激光隧道表面测量仪,并对该仪器的硬件组成、控制软件和数据处理软件进行了分析和设计。该仪器可以实现绕相互垂直的X轴和Y轴转动,能对隧道表面的形状进行测量,并生成被测量表面的三维图。使用该仪器对实际墙面进行了测量,测量数据和生成的墙面图形符合被测表面的实际形状。该测量仪除了可以测量隧道表面形状外,还可以用于一般物体的外形测量,如煤堆、土堆等外形的扫描测量,以此来推算其体积和重量。仪器测量速度快、测量准确、便于携带、用途较为广泛。

参考文献

[1]张清富,杨武装.简易型激光断面仪的研制和使用[J].隧道建设,2003,23(5):55-56

[2]刘坤,陈芳.激光测距方法及激光器的发展[J].科技资讯,2008,30:387-388.

[3]刘宏,姜力.仿人多指灵巧手及其操作控制[M].北京:科学出版社,2010.

[4]常凤筠,崔旭东.基于激光测距传感器的汽车防撞报警器的设计[J].应用激光,2007,27(1):45-46.

[5]熊维海.隧道断面测量技术[J].中国测试技术,2004(2):41-43.

[6]刘换成.工程背景下的单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2008.

[7]尚怡君,葛明涛.SPI模式下对SD卡的读写控制[J].光盘技术,2009(14):195-199.

激光测量 篇9

关键词：激光雷达散射界面,伪装,测量精度,补偿

激光雷达散射截面 (LRCS) 是目标激光散射特性的一个重要参数, 它能够全面反映激光波长、目标材料及粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对目标激光散射特性的影响。研究LRCS测量对目标特征提取、目标识别、激光雷达作用距离估算, 以及建立目标激光雷达散射特性数据库等具有重要意义[1]。对外场目标的LRCS测量通常采用比对测量法, 而目前还较难客观准确的检测这种方法的LRCS测量精度。本文在LRCS测量原理及方法、影响LRCS测量精度的主要因素、后续数据处理分析的基础上, 针对飞机的外形特征, 提出了一种对发射激光束整形的方法, 并提出对不规则目标的LRCS参数测量数据进行补偿。

1 LRCS测量原理与方法

本测试采用比较测量法[2], 利用已知激光雷达散射截面的标准板作为参考与目标进行激光散射截面的比较测量。首先, 将激光测量装置对准标准板, 测得标准板的激光散射信号电压幅值σd。然后, 保持相同的条件, 用被测目标代替标准板, 测得目标反射电压信号幅值σs, 由式 (1) 计算目标激光散射截面。

其中:

σs——被测目标激光散射截面, 单位m2;Us——被测目标激光散射强度电压信号V;

Ud——标准板激光散射强度电压信号V;σd——标准板激光散射截面, 单位m2。

测量参数主要包括:被测目标激光散射强度电压信号、标准板的激光散射强度电压信号和标准板的激光散射截面测量, 以及其它辅助测量参数, 如大气条件、飞机状态等。依据目标激光雷达截面测试的要求, 并结合现有条件, 将飞机停放在机场跑道, 在设计好的位置安装激光测量系统。在测量过程中, 通过改变飞机的方位角, 测量飞机后向散射光能量。

2 测试系统及测试流程

2.1 测试系统

激光测量系统一般由激光发射系统、散射光探测系统以及测量控制与信息采集处理系统组成。通过探测来自目标散射的激光功率, 获得目标的有关特征信息。测试系统的结构框图如图1所示。

本实验采用比对法测试飞机的LRCS, 首先在目标位置处放置一块标准板, 标准板的中心高度与飞机机头的高度一致, 测量“标准板”的回波光功率, 接着再测量目标的回波光功率, 然后计算出目标的实际LRCS。使用的“标准板”是一块2.4m×1.8m的漫反射屏, 没有标定它的LRCS值, 因此测量所得结果是相对于这块“标准板”的相对LRCS。

依据LRCS测量原理, 比对测量需要保证相同的入射和探测条件, 其中包括相同的激光束散角。在大多数目标LRCS的实际测量中, 待测目标与标准板尺寸并不相同。当测量尺寸较小的标准板时由于照射光斑面积较大, 光束不仅完全覆盖了标准板, 而且还照射到标准板周围的背景上, 经散射后进入探测系统, 造成对标准板散射回波信号的干扰[3]。本文进行的试验是在平坦、开阔、无遮挡物的机场进行的, 场区中无激光干扰物。这种情况下影响LRCS测量结果的因素主要来自于目标附近的地面发射、散射及测量背景和系统噪声的变化。

为了消除地面反射、散射造成的误差, 减少二次散射, 提高了激光器光源的利用率, 使激光器发出的光束尽可能多的照射到飞机上, 对光束进行修形。

2.2 测试流程

首先选定试验作业区域 (要求开阔、无遮挡) , 标定区域中心位置, 并以目标中心和测量系统连线为基准。测量时以机头对准发射系统为0°, 顺时针旋转飞机至机尾对准测量系统时为180°。在中心位置放置标准板, 并使其法线在0°方向, 测量回波信号。将飞机拖至中心位置分别在各方位角测量回波信号。

试验步骤和过程如下:

(1) 按规定准备好测量设备;

(2) 探测系统对准目标方向, 测量背景信号, 并记录;

(3) 在目标位置放置标准板, 使标准板的法线指向发射测量系统方向;

(4) 调整发射激光束偏转镜, 使得绿色指示器光斑落在标准板中心;

(5) 调整接收探测系统方位, 使其指示光斑指向标准板中心;

(6) 记录标准板回波信号电压Vd; (7) 撤离标准板, 拖飞机至预定地点, 摆好方位;

(8) 调整发射系统激光束偏转镜, 使绿色指示光斑落在飞机投影中心;

(9) 记录飞机回波信号电压Vs;

(10) 关断激光输出, 调整飞机至另一角度;

(11) 重复 (8) ～ (9) , 测量另一角度的飞机回波信号电压; (12) 整个实验结束前, 再做一次2) 步骤, 监测背景变化。

3 数据修正方法

数据修正主要包括原始信号的背景扣除[4]和对光束的高斯补偿两个方面。

3.1 背景扣除

由于要测量飞机不同角度的LRCS, 需要转动飞机, 导致整个测量时间较长, 在测量过程中阳光照射的情况变化比较大。因此为了消除背景光及系统噪声对测量结果的影响, 在试验开始前和结束后, 测量背景信号, 中间时段的背景信号利用线性拟合给出。

利用两次测量结果做线性拟合, 给出各测量点的背景数据, 拟合多项式为式 (2) 。

σs按Us/Ud得出, 单位是标准板的截面σd, 标准板信号由测量数据扣除背景得到Ud=23.83, 处理后的数据。

3.2 高斯补偿

在测试原理中LRCS计算公式的前提是均匀照射目标, 但在实际测量时照射光斑并不是均匀分布, 因此需对结果进行修正。

对于基模运行的激光器, 其输出光斑为高斯分布。假设经过整形的激光光斑为高斯分布, 首先考虑一维情况。设高斯分布为式 (3) 。

其中, ω——光斑半径。

如果目标尺寸d=kω, 则均匀照射的光功率为:

而高斯光斑照射的功率为:

其中Φ (x) 是正态分布函数。高斯光斑照射与均匀照射相差的比例因子为:

比例因子A随k的变化如图2所示。当k=1时, A=1.08;当k=1.5时, A=1.19;当k=2时, A=1.37。

4 试验结果分析

对于二维的实际目标, A因子应取平方。在本次测量中, k大约为2, 此时A=1.37, 因此需对测量数据加以补偿。由于标准板尺寸不大, 可以认为均匀照射, 无需补偿。因此应对测量结果乘以1.372。

本文根据外场试验和被测飞机的外形布局特点, 制定了详细的测试方案。试验结果表明: (1) 目标的LRCS特性受目标的表面材料、粗糙程度以及轮廓形状而发生变化; (2) 在不同角度对飞机照射时, 由于飞机轮廓形状起伏的变化, 导致测试的结果随飞机方位的变化而发生变化, 从0°向180°旋转时, 表现出由小变大, 再由大变小的过程; (3) 在90°时, 由于飞机有大面积的光滑曲面, 导致该角度下的激光回波并不是最大。

5 结词

LRCS对于评估战机设计、制造水平, 对于研制预警、激光跟踪雷达系统, 对于主动制导武器系统的设计制造都是重要的基础数据。本文设计的新的测试系统采用非对称光束整形技术对发射激光束整形, 使照射目标的光斑呈椭圆状, 不仅提高了激光功率的利用率, 而且大大降低了地面散射对测量结果造成的不利干扰。在后期数据处理分析时提出对非均匀光斑照射目标的补偿方法, 对不规则目标的LRCS参数测量数据进行补偿。通过外场对某型飞机的实测试验, 本文提出的测量方法对外场目标的LRCS测量效果非常好, 为后续的外场目标LRCS测量提供了新的方法和思路。

参考文献

[1]曲卫东, 薛建国, 薛挺, 王娟锋.激光雷达散射截面的比对测量法及其精度检测[J].电子信息靶场, 2010.

[2]桑振夏, 李钟敏, 杨晓杰.大气衰减对LRCS测量精度的影响研究[J].光学仪器, 2011.

[3]包学志, 高卫, 贾养育, 吕鸿鹏.背景散射对LRCS测量精度的影响分析[J].应用光学, 2008.

地面三维激光扫描检校测量 篇10

三维激光扫描技术是20世纪90年代中期激光应用研究的一项重大突破, 它对测绘领域的又一次技术革命, 与传统的单点测量方法相比, 它具有精确、快速、高精度、无接触、全数字化、测量方式灵活等特点。目前, 它主要应用于三维立体建模、变形监测、地形测绘、虚拟现实、竣工验收测量、管线测量等方面[1]。本文在介绍三维激光扫描技术检校测量的方法及步骤基础上, 并结合Leica P20为例进行说明。

2 地面三维激光扫描的原理和方法

地面三维激光扫描测量系统由地面三维激光扫描测量仪集成内置数码相机、标靶、后处理软件、电源以及附属设备构成。地面三维激光扫描特种精密工程测绘的主要作业流程包括仪器的检校测量、外业数据采集、数据处理、三维建模、基于地面三维激光扫描的数据模型计算分析与绘制、测绘成果技术报告等几个步骤。目前中国国内还没有一整套完整的地面三维激光扫描检校测量作业规范来规定实施地面三维激光扫描检校测量, 而是使用制造商提供的地面三维激光扫描检校测量证明书来证明仪器达到的精度指标。由于地面三维激光扫描对精度的要求非常高, 从而使得测绘单位对作业前地面三维激光扫描检校测量是非常有必要的。

3 地面三维激光扫描检校测量作业流程

3.1 标靶测量检校测量

首先架设对中整平全站仪, 量取仪器高, 使用钢卷尺量取与仪器一样高的高度设置靶标, 严格缜密的张贴塑料线划圈于标靶上。接下来当对标靶0度时全站仪十字丝瞄准标靶中心, 再每一次顺时针90度旋转进行测量, 对比原位时靶心读出偏移距离并记录 (见图1和2) 。标靶的限差是1.5毫米, 利用Excel表格结合标靶测量结果制作出标靶检校测量报告。标靶检校测量通常是每半年进行一次, 也对新买的标靶、长途运输后、对标靶精度有怀疑时进行测量。

3.2 地面三维激光扫描仪检校测量

首先每次检校测量固定环境, 确定扫描仪和标靶的位置, 通常将标靶均匀的设置在各个方向并建立两个控制点, 本次测量将6个标靶从T1到T6标注, 每一个标靶尽可能要垂直正面对向扫描仪。测站扫描完后, 还必须对每一个标靶进行精细扫描 (见图3) 。

接下来还需用无反射全站仪架设在扫描仪测量的控制点上, 精确测出每一个标靶中心的三维坐标, 此外标靶与扫描仪的距离要适中, 太近或太远会降低精度。

3.3 数据处理

使用地面三维激光扫描的后处理软件生成的点云图, 得出每一个标靶的三维坐标, 与全站仪测得的标靶三维坐标进行计算比较, 分析和书写地面三维激光扫描仪检校测量报告, 限差要求在1.5毫米, 如果数据对比超过1.5毫米, 需要重新观测或者生产厂家来做进一步的检校测量和仪器检查等工作。

4 实地检核测量

六段解析法:

由H.R.Schwendener在1971年提出了六段解析法, 也称之为六段全组合法, 是一种不需要知道测线的精确长度, 而采用全站仪本身的测量成果, 然后通过间接平差计算求定加常数K的方法。它不受对中误差及乘常数的影响[2]。

a.检定方法。其基本做法是设置一条直线, 将其分为d1, d2…, dn等n线段, 如下 (图4) :

经观测得到D及各分分段d.的长度以后, 则可算出加常数K。因为:

由此可得:

将式 (2) 微分, 转换成中误差表达式, 并假定测距中误差均为md, 则计算加常数的测定精度公式为:

从估算公式 (3) 可见, 分段数n的多少, 取决于测定K的精度要求。一般要求加常数的测定中误差mk应不大于该仪器测距中误差md的0.5, 即mk≤0.5, 现取mk=0.5md代入 (2- 8) 式, 计算得n=6.5, 所以要求分成6~7段, 一般取6段, 这就是六段解析法的理论依据。

b.测试场。为提高观测精度, 须增加多余观测, 故采用全组合观测法, 此时共需观测16个距离值。在六段法中, 点号一般取6, 7, 8, 9, 10, 11, 12。在6, 7, 8, 9, 10, 11, 12各点上分别设站 (见图5) 。

测实场选择在Curtin大学的EDM基线测量场, 实行强制归中测量的观测墩柱, 并采用全组合观测法测距, 得21个距离观测值, 每段距离观测时多次读数, 最后取其平均数[3]。则须测定的距离如表1。

为了全面考查仪器的性能, 最好将21个被测量的长度大致均匀分布仪器的最佳测程以内。本次测试采用国际上先进的地面三维激光扫描仪器Leica HDS P20。首先用Trimble S8全站仪对6个控制点的16段距离进行精确测定, 每段距离上进行五个测回, TrimbleS8全站仪的标称测距精度为± (1mm+1ppm) [4]。全站仪测得的距离数据值经过改正后可作为标准参考值, 将三维激光扫描仪的实验结果和仪器供应商仪器检定表进行对比 (见图6, 7, 8) 。

5 结论和展望

本文对地面三维激光扫描的原理简要的概述, 通过全面而系统的实际操作对地面三维激光扫描系统的检校测量和流程进行了叙述, 为后期的工程开展提供了精度的依据和质量的保障, 也为地面三维激光扫描系统的检校测量提供了方法[6]。

通过检校测量, 可以得到如下的结论:a.对地面三维激光扫描的标靶检校测量时非常有必要的, 在完成了标靶的检校测量合格后, 才也可以在测量过程中放心的使用标靶;b.地面三维激光扫描仪器的检校测量可采用固定的环境和标靶, 利用坐标对比, 进行分析地面三维激光扫描仪器的误差。c.地面三维激光扫描仪器的检校测量也可采取已知的测量基线, 测量距离, 水平角和垂直角进行对比。总之, 地面三维激光扫描仪器精度高, 对测试的工作环境, 仪器设备和人员的要求比较高。仪器在工程开展之前检校测量是必须和有效的。

6 结论

地面三维激光扫描技术应用处于相对新兴和研究应用阶段, 需要不断的完善和研究它, 同时还面临有些问题需要解决:

6.1目前还没有一套完整成熟的检核测量和测量规范。地面三维激光扫描测量往往用于精密测量, 目前还没有具体的测量精度要求。

6.2 地面三维激光扫描测量受到测量距离的限制, 以 Leica P20为例测量范围从0.4米到120米[5], 对于某些远距离的物体进行地面三维激光扫描其精度和作业范围受到限制。

6.3地面三维激光扫描测量受到天气, 温度, 气压, 湿度和粉尘等的影响。地面三维激光扫描测量仪器还没有做到这些方面的测量改正。在雨雪大雾等天气下, 野外作业受到限制。本次测试没有考虑到在不同的扫描环境下的差异。

6.4目前仪器成本过高对于国内测绘单位, 地面三维激光扫描测量市场目前还不大, 使得地面三维激光扫描测量推广与应用受到局限, 从而使得地面三维激光扫描测量技术不能较快的普及。

参考文献

[1]杨伟, 刘春, 刘大杰.激光扫描数据三维坐标转换的精度分析[J].工程勘察, 2004 (3) :61-63.

[2]黄伟明.光电测距仪实用检测新方法[M].北京:测绘出版社, 1993.

[3]Lichti.D.D, M.P.Stewart, Tsakiri.M and A.J.Snow.Benchmark Tests on a Three-dimensional Laser Scanning System.http://spatial.curtin.edu.au

[4]Trimble S8 Total Station User Guide.2008.Vesion 1.0.http://www.trimble.com/

[5]Leica Scan Station P20 User Manual.2012.Version1.1.http://www.leica-geosystems.com/en/

激光测量 篇11

收稿日期： 20140116

基金项目： 国家高技术发展计划863项目(2007AA030112、2009AA032708)

作者简介： 孙长俐(1989),女,硕士研究生,主要从事显示技术方面的研究。

通迅作者： 王蔚生(1967),男,副研究员,博士,主要从事显示技术方面的研究。

摘要： 鉴于激光波长相对固定的特性,采用一种新的测量激光光色性能测量方法,设计出基于单片机的手持式高精度激光光色性能测量系统。该系统可实现不同波长激光光色性能测量,通过系统初始化时波长输入来提取相应光谱三刺激值,而后进行参数计算。对测量系统进行了实验误差分析,由系统验证结果及误差分析表明,该系统可实现低成本制作,所述测量原理能完成对色空间坐标、光照度、色温等光色性能参数的高精度测量。

关键词： 激光; 单片机; 高精度测量系统; 光色性能参数; 误差分析

中图分类号： TN 247文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.001

Realization and error analysis of handheld laser measurement system

SUN Changli1, LIU Hong2, WANG Weisheng1

Abstract： Relying on the relatively fixed wavelength character of laser, a high precision measurement system is implemented to obtain the luminosity & chromaticity performance in a new method on the basis of Mega128 chip. The luminosity & chromaticity performances of different wavelengths of laser can be measured by entering the wavelengths during initialization. The results and error analysis demonstrate that the low cost system is capable of accurately measuring laser luminosity & chromaticity performances, including color coordinates, illuminance, color temperature and so on.

Key words： laser; microcontroller unit; high precision measurement system; luminosity & chromaticity performances; error analysis

引言激光具有高亮度、高方向性以及高相干性的特性,相比于传统光源,具有亮度高、器件小、功耗低和寿命长等优点而得到广泛应用,与此同时,激光光色性能测量系统也在不断发展,但是现有的各类检测系统,如各类色度照度计等其测量目标都主要针对非相干光源［13］,需要在整个可见光谱范围内对颜色匹配函数进行校正,这在很大程度上对测量仪器的测量精度造成了影响。激光光源的波长相对固定,不需要用光电传感器在整个可见光谱范围内进行拟合,而且激光波长漂移量一般小于1 nm,因而可以对激光显示的光色性能做出精确的测量。本文通过不同波长输入来提取相应的光谱三刺激值进行参数计算,进而得到精确的光照度、色坐标、色温等光色性能参数,研究开发了一种手持式激光投影显示光色性能高精度测量系统,并对该测量系统进行了理论误差分析,进一步提高了系统的可靠性和精确性。1测量原理激光投影显示系统的性能参数［3］可分为光度参数、色度参数、亮度参数以及图像清晰度参数等,本测量装置主要针对激光投影的光度参数以及色度参数进行度量。本测量装置采用的光电转换装置为S9706型数字颜色传感器,通过该传感器对激光光源进行光电能量转换,得到由被测特定波长的激光光源照射而产生的光电流值,由光电流值光功率分布转换公式可得到被测激光光源对应的RGB三基色的光谱功率分布。光电流值光功率分布转换公式为:IB=kB•PB+k(R)B•PR+k(G)B•PG

IG=kG•PG+k(R)G•PR+k(B)G•PB

IR=kR•PR+k(G)R•PG+k(B)R•PB(1)其中,IB,IG,IR分别代表由光电转换装置输出的蓝、绿和红三色激光对应的光电流值;kR,kG,kB,k(R)G,k(R)B,k(G)R,k(G)B,k(B)R,k(B)G为光电转换装置的光电转换系数,kR表示被测试光中红色激光分量光功率对应光电转换装置输出的红色光电流信号的光电转换系数,k(R)G表示被测光为红色激光的光功率对应的光电转换装置输出的绿色光电流分量的光电转换系数,其他光电转换系数的意义同理。PR,PG,PB分别表示R、G、B三基色光谱功率能量P。光学仪器第36卷

第3期孙长俐，等：手持式激光光色性能测量系统实现及误差分析

R、G、B三基色各分量所对应的颜色匹配值由下式来确定:Xi=k•Pi•x—(i)

Yi=k•Pi•y—(i)

Zi=k•Pi•z—(i)(2)式(2)角标i对应R、G、B三基色之一;k为光功当量常数;Xi,Yi,Zi分别表示R、G、B三基色中某一个分量的颜色匹配值,x—(i),y—(i),z—(i)为三基色分量R、G、B中某一分量在颜色匹配曲线上的颜色匹配函数数值。由式(2)计算出的R、G、B三基色分量各自对应的颜色匹配值Xi,Yi,Zi,即可得到被测激光光源的颜色匹配数值X,Y,Z如下:X=XR+XG+XB

Y=YR+YG+YB

Z=ZR+ZG+ZB(3)CIE1931色度系统x、y坐标及CIE1976均匀色坐标u′、v′可表示为:x=XX+Y+Z

y=YX+Y+Z

u′=4x－2x+12y+3

v′=9y－2x+12y+3(4)2测量系统结构设计的测量装置由U1中央处理单元、U2 ISP下载接口、U3 PC数据传输单元、U4显示单元、图1系统结构图

Fig.1System structure diagramU5操作界面按键输入部分、U6光电转换装置、U7外部时钟晶振以及U8系统供电单元等组成,如图1所示。其中U1使用Atmel mega128A芯片,可实现低电压编程操作［4］。U2单元采用ISP串口下载接口进行数据下载传输,U3将待存储数据进行传输并存储于电脑中。U4采用Nokia 3510i LCD彩色显示屏。U5为按键输入人机交互操作界面,使用者选择按键即可进入相应的参数显示界面。U6选择色彩传感器S9706,该色彩传感器的可感应范围宽,工作时钟周期短至500 ns,感应面积为9 μm×110 μm［5］。U7使用8 MHz晶振,作为系统时钟源。由于该装置的器件都可采用低电压供电,所以U8使用一节3.7 V磷酸铁锂电池进行供电,这样占用体积小,方便携带与使用。3测量系统误差分析本文所进行的误差分析主要针对测量装置的函数系统误差以及激光投影仪投影激光波长漂移所产生的误差进行分析。

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3.1测量装置的函数系统误差式(1)为该测量系统直接测得的光电转换装置输出光电流值IR,IG,IB与间接测得三基色分量光谱功率PR,PG,PB之间的转换函数关系。函数系统误差［6］如下:Δy=fx1Δx1+fx2Δx2+…+fxnΔxn(5)其中,Δy为系统间接测量值的系统误差,Δx1,Δx2,…,Δxn为各个直接测量值的系统误差,f/xi(i=1,2,…,n)为各个直接测量值的误差传递系数。若已知该系统直接测量值的系统误差分别为ΔIR,ΔIG,ΔIB,则由函数系统误差式(5)可得到PR,PG,PB所对应的系统误差分量ΔPR,ΔPG,ΔPB分别为:ΔPR=(－k(B)G•k(G)R+kG•k(B)R)•ΔIB+(kB•k(G)R－k(G)B•k(B)R)•ΔIG+(－kB•kG+k(G)B•k(B)G)•ΔIRkB•k(R)G•k(G)R+k(R)B•kG•k(B)R+k(B)G•kR•k(G)B－k(G)B•k(R)G•k(B)R－k(R)B•k(B)G•k(G)R－kG•kR•kB(6)

ΔPG=(k(B)G•kR－k(R)G•k(B)R)•ΔIB+(－kB•kR+k(R)B•k(B)R)•ΔIG+(kB•k(R)G－k(R)B•k(B)G)•ΔIRkB•k(R)G•k(G)R+k(R)B•kG•k(B)R+k(B)G•kR•k(G)B－k(G)B•k(R)G•k(B)R－k(R)B•k(B)G•k(G)R－kG•kR•kB (7)

ΔPB=(k(R)G•k(G)R－kG•kR)•ΔIB+(－k(R)B•k(G)R+k(G)B•kR)•ΔIG+(k(R)B•kG－k(G)B•k(R)G)•ΔIRkB•k(R)G•k(G)R+k(R)B•kG•k(B)R+k(B)G•kR•k(G)B－k(G)B•k(R)G•k(B)R－k(R)B•k(B)G•k(G)R－kG•kR•kB(8)若以ΔX,ΔY,ΔZ分别代表被测激光光源三基色颜色匹配函数值所对应的系统误差量,则由式(2)和式(3)可求得使用ΔPR,ΔPG,ΔPB所表示的系统误差公式:ΔX=k•x—(R)•ΔPR+k•x—(G)•ΔPG+k•x—(B)•ΔPB

ΔY=k•y—(R)•ΔPR+k•y—(G)•ΔPG+k•y—(B)•ΔPB

ΔZ=k•z—(R)•ΔPR+k•z—(G)•ΔPG+k•z—(B)•ΔPB(9)其中,ΔY即为激光光源的光照度参数的系统误差量,x—(R),x—(G),x—(B),y—(R),y—(G),y—(B),z—(R),z—(G),z—(B)为激光光源三基色分量在颜色匹配曲线上的颜色匹配函数数值。误差项ΔIR,ΔIG,ΔIB所产生的ΔPR,ΔPG,ΔPB对X,Y,Z的数值产生一定的偏移量,其偏移量大小可由式(9)计算获得。对于该测量装置所能测得的光色性能参数所对应的系统误差量,本文再对CIE1931色度系统x,y坐标进行系统误差量分析。由色坐标推导式(4)及函数系统误差式(5)可得到CIE1964色度系统x,y坐标系统误差分量Δx,Δy及CIE1976均匀色坐标u′,v′系统误差分量Δu′,Δv′如下:Δx=Y+Z(X+Y+Z)2•ΔX－X(X+Y+Z)2•ΔY－X(X+Y+Z)2•ΔZ

Δy=X+Z(X+Y+Z)2•ΔY－Y(X+Y+Z)2•ΔX－Y(X+Y+Z)2•ΔZ

Δu′=12y+3(－2x+12y+3)2•Δx－48x(－2x+12y+3)2•Δy

Δv′=18y(－2x+12y+3)2•Δx+－18x+27(－2x+12y+3)2•Δy(10)其中,Δu′,Δv′为CIE1976均匀色坐标u′,v′系统误差分量,Δx,Δy为CIE1964色度系统x,y坐标系统误差分量,ΔX,ΔY,ΔZ分别为被测激光光源三基色颜色匹配函数值所对应的系统误差量,它们的存在进一步产生x,y坐标系统误差分量Δx,Δy;X,Y,Z为系统测量所得激光光源三基色颜色匹配函数值。假设系统测量的激光显示系统激光光源三基色R、G、B波长分别为635 nm、532 nm、457 nm,三色激光功率依旧分别为PR=0.6 W,PG=0.6 W,PB=0.6 W,采用光电转换系数分别为kR=50.1,kG=51.6,kB=48.7,k(R)G=1.5,k(R)B=1.8,k(G)R=5.3,k(G)B=2.9,k(B)R=1.1,k(B)G=2.3的光电转换装置进行感光。将IR数值的1%作为直接测量值的系统误差量,即取系统误差量ΔIR=0.3,ΔIG=0,ΔIB=0,通过式(6)~式(8)可计算得到ΔPR,ΔPG,ΔPB值分别为0.006 0,-1.652 5×10-4,-2.123 0×10-4,被测激光光源三基色颜色匹配函数值所对应的系统误差量ΔX,ΔY,ΔZ取值分别为2.119 3,0.819 4,-0.270 5。x,y坐标系统误差Δx,Δy分别为8.122 6×10-4,2.288 0×10-5。u,v坐标系统误差Δu′,Δv′分别为1.398 8×10-4,1.339 3×10-4。

3.2投影仪激光波长漂移引起的误差激光器［7］在工作较长时间后,会发生激光器发出激光波长漂移的现象。现以激光波长漂移1 nm为例来计算激光波长漂移所导致的测量误差。同3.1节,相同实验情况下,依据CIE1964标准色度观察者的光谱三刺激值表［8］,该三色激光的三刺激值分别为R(635 nm):0.535 1,0.228 3,0.000 0;G(532 nm):0.263 0,0.895 4,0.025 9;B(457 nm):0.328 3,0.113 8,1.845 1。光色性能理论输出如表1所示。

表1RGB光色性能输出值

Tab.1RGB photochromic performance parameters output

三基色波长/nmXYZEv/lxCIE1964

x,yCIE1976

u′,v′Tcp/KR:635

G:532

B:457X=461.584 8

Y=507.110 7

Z=766.720 2507.110 7x=0.266 0

y=0.292 2u′=0.178 1

v′=0.400 711 261R:634

G:532

B:457X=470.706 9

Y=511.221 0

Z=766.720 2511.221 0x=0.269 2

y=0.292 4u′=0.180 4

v′=0.405 810 900R:636

G:532

B:457X=452.622 5

Y=502.848 4

Z=766.720 2502.848 4x=0.262 8

y=0.292 0u′=0.175 9

v′=0.395 711 634

若红色激光波长向短波方向漂移1 nm,依据CIE1964标准色度观察者的光谱三刺激值表,该三色激光的三刺激值分别为R(634 nm):0.557 4,0.238 9,0.000 0;G(532 nm):0.263 0,0.895 4,0.025 9;B(457 nm):0.328 3,0.113 8,1.845 1。同理,可得红色激光波长向长波方向漂移1 nm后三色激光的三刺激值。红色激光波长向短波方向漂移1 nm以及向长波方向漂移1 nm的情况下的各光色性能输出值如表1所示。通过表1中数据计算可得,红色激光波长向短波方向漂移1 nm后,照度值Ev增加4.11,CIE1964色度系统x坐标右移0.003 2,y坐标上移0.000 2,CIE1976系统u′坐标增加0.002 3,v′坐标增加0.005 1,色温Tcp减小361 K,红色激光波长向长波方向漂移1 nm后,照度值Ev减小4.26,CIE1964色度系统x坐标左移0.003 2,y坐标下移0.000 2,CIE1976系统u′坐标减小0.002 2,v′坐标减小0.005 0,色温Tcp增加373 K。4实验结果该测量系统所占体积小,为手持式测量装置,故可实现光色性能的快速可移动测量。测量系统实物图如图2所示。实验采用已知精度为0.1%的功率计作为光电转换装置中各系数确定的标准。在相同实验条件下,分别使用该测量装置以及美能达CL200同时对输出图像进行光色性能参数测量,采用激光投影机进行图像投影,取同一位置进行测试记录,测量比较结果如表2所示。

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图2实物图

Fig.2Physical map

表2实验光色性能输出值

Tab.2Luminosity & chromaticity performance parameters output

测试装置XYZEv/lxCIE1964

x,yCIE1976

u′,v′手持式

测量系统X=214.620 6

Y=228.410 7

Z=246.030 8228.410 7x=0.311 5

y=0.331 5u′=0.196 1

v′=0.469 5美能达

CL200X=212.7

Y=223.7

Z=239.0223.7x=0.314 9

y=0.331 2u′=0.198 5

v′=0.469 8

5结论本文采用波长相对固定的激光光源,设计出一种基于单片机的手持式高精度激光光色性能测量系统,并对该系统的函数系统误差及激光波长漂移误差进行了系统的分析。通过对其理论误差的分析可看出,在光电流产生1%误差情况下,系统的测量输出仅产生微小的误差偏移,如色坐标误差在10-4数量级,在发生波长漂移的情况下,其偏移量也远小于现有光色性能测量原理所产生的误差。因此,本系统所采用的测量原理能够实现对激光光色性能的低误差测量,能很好地利用激光波长固定的特性,实现不同波长激光光色性能的高精度测量。参考文献：

［1］刘红,孙传伟,那柏林,等.三片式硅基液晶激光投影显示中光学引擎的设计［J］.强激光与粒子束,2011,23(10):26212624.

［2］NA B L,LIU H,WANG W S.Design of optical engine for laserLCOS projector［J］.High Power Laser and Particle Beams,2013,25(2):363366.

［3］刘旭,李海峰.现代投影显示技术［M］.杭州:浙江大学出版社,2009:324.

［4］马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2007:191197.

［5］HAMAMATSU.Digital color sensor S9706［EB/OL］.(20130614)［20131226］.http:∥www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/S9706_kpic1060e11.pdf.

［6］费业泰.误差理论与数据处理［M］.6版.北京:机械工业出版社,2010:5780.

［7］刘万发,桑凤亭.激光输出功率随耦合率及放大率的变化规律［J］.强激光与粒子束,2013,25(4):832840.

［8］胡威捷,汤顺青,朱正芳.现代颜色技术原理及应用［M］.北京:北京理工大学出版社,2007:436452.

三维旋转激光扫描测量系统的设计 篇12

自然对象和大部分的人造对象都具有复杂的三维形状,如何在计算机中建立三维对象的计算机模型就是三维形状的数字化问题,该项研究源于20世纪六七十年代。三维形状复杂多变、形状繁多,而且其外观、材质、颜色、用途等各不相同,这就使得三维形状数字化的问题非常复杂,至今,该项技术尚未成熟,仍是数字化技术研究的难点。目前,三维形状数字化技术种类很多,包括机械、声学、光学、电磁等类型,其中运用得最广泛、效果最好的是光学测量技术。光学测量是光电技术、机械测量、计算机技术相结合的产物,可以实现快速,准确的测量。该项技术具有速度快、精度高、非接触、易于自动化的特点,主要适用于自由曲面的测量。目前,光学测量技术得到了越来越广泛的应用,其中最典型的应用是三维激光扫描仪[1]。

1 三维激光扫描仪的工作原理

三维激光扫描仪是基于激光扫描测量的原理而设计的,主要作用是对三维形状进行数字化,基本工作原理是:线激光器发出的光平面扫描物体表面,面阵CCD采集被测物面上激光扫描线的漫反射图像,在计算机中对激光扫描线图像进行处理,依据空间物点与CCD面阵像素的对应关系计算物体的景深信息,得到物体表面的三维坐标数据,快速建立原型样件的三维模型[2],如图1所示。

2 三维旋转激光扫描测量系统

目前,普通的三维激光扫描仪存在的主要问题是难以实现复杂三维图像的扫描数字化问题,如圆柱形状的石雕、木雕等。如图2所示。

如果设计出能够旋转扫描测量的系统,则可以有效地解决数字化设计与制造之间的衔接。这样的系统,企业投入少,见效快,而且能够将激光扫描测头安装在数控雕刻机上,设计出能够旋转扫描测量的系统,可以有效地解决数字化设计与制造之间的衔接,充分利用现有数控设备,节省硬件成本[3]。

为了解决复杂物体的数字化问题,同时降低企业的投入成本,我的设计方案是,在普通三维激光扫描仪的基础上,开发出能够实现360°旋转的旋转扫描测量系统,改进已有平面浮雕扫描软件,使之适用于改进后的系统。

3 系统构成

图3是三维旋转激光扫描系统的测量平台,x轴左右运动,向左为正向;y轴前后运动,向前为正向;z轴上下运动,向上为正;三轴之间互相垂直;数控转台安装在沿y轴运动的花岗岩工作台面上。激光测头随x轴的拖板一起运动。

在该平台上有两种测量方式,一种是边测量边旋转,被测物体旋转360°就能测量物体全部外表面的形状,该种方法适合测量回转体或近似回转体;另一种方法是一次测量全部朝向光线的外表面,然后再转到下一个需要测量的方位,全部外表面从几个方位就可以测量完毕,这种方法适合形状较为规则的多面体。

在该系统中,数控转台可以获得被测物体的旋转角度,测量的数据点绕转台中心轴线可以自动拼合,其拼合精度取决于转台中心轴线的精确标定。

系统分为硬件、软件两大部分,硬件部分除机械测量平台、激光测头外,还包括步进电机与步进电机驱动器、工控机以及插在工控机主板上的图像采集卡和运功控制卡。图像采集卡将CCD摄像机拍摄的视频信号转换为计算机能够处理的数字图像。步进电机驱动器可以设置脉冲的细分数,并从运动控制卡获取脉冲与运动方向信息,驱动步进电机运动[4]。

软件部分包括测量与数据处理两部分,测量部分的软件功能主要是控制运动、图像获取、图像处理以及坐标换算,完成表面形状的数字化过程。数据处理主要包括测量数据的平滑、光顺、网格建模、显示、缩放等功能,完成表面形状的重构过程。

在系统设计过程中,转台中心轴线标定和多视拼合及重叠数据区域的处理是影响测量结果的2个重要因素,下面简单介绍这两部分的设计思路[5]。

4 转台中心轴线标定

在对三维物体进行旋转扫描测量的过程当中,通过数控转台可以实现从不同的方位对物体进行进行测量,这样才能获得被测物体全方位的外表面数据信息。然后,还需要将物体不同旋转角度的多视数据拼合在同一坐标系中。在拼合的过程当中,转台的中心轴线标定是否精确对结果有着非常重要的影响。

如图4所示,由于安装误差,转台中心轴线R与平行于z轴的z′方向难以一致,若不同角度的测量数据点绕z′旋转会产生间隙,如图5所示。

为精确标定转台中心轴线,提出如下方案:在图4的转台上固定一个标定球。通过数控系统控制转台旋转,控制球的球心绕转轴R形成一个圆,该圆的圆心O″是R上的点,该圆所在平面的法矢即为R的方向[6]。

基于该思路,在xyz三轴测量系统中测量并计算标定球三个不同位置的球心P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),P3(x3,y3,z3),P1,P2,P3所在平面的法矢量N即为转台中心轴线的方向。

$\mathit{{\rm N}}=\left[\begin{array}{ccc}i& j& k\\ x{}_3-x{}_1& y{}_3-y{}_1& z{}_3-z{}_1\\ x{}_2-x{}_1& y{}_2-y{}_1& z{}_2-z{}_1\end{array}\right]$

有了转台中心轴线的方向,还需要确定空间三点P1,P2,P3绕转轴R形成圆的圆心O″(x0,y0,z0)才能使转台中心轴线定位。如图6,为了求O″,首先计算转轴R在xOy面上的投影与y轴夹角α、R与z轴的夹角β,然后P1,P2,P3依次绕z轴、x轴旋转到与xOy平行的平面上,旋转矩阵分别为:

${\rm T}{}_{z^{\prime }}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]{\rm T}{}_{x^{\prime }}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \beta & -\sin \beta \\ 0& \sin \beta & \cos \beta \end{array}\right]$

式中:P1,P2,P3旋转到与xOy平行的平面上就可以很容易求出圆心,然后将圆心再依次绕x轴、z轴反向旋转β和α,即得到O″, 转台中心轴线的方向和位置得到确定[7]。

5 多视拼合及重叠数据区域的处理

逆向工程中,对实物样件进行数字化时,因为测量范围的限制或遮挡的关系,往往不能在同一坐标系下一次测量产品全部的几何数据,需要在不同的方位(即不同的坐标系)测量产品的各个部分,其中每个方位测量的数据片称为视,多个方位测量的数据称为多视数据,将不同坐标系下的多视数据统一到同一坐标系下的处理过程,称为多视数据拼合[8]。

多视数据拼合包括两个部分,第一步是将不同坐标系的数据变换到同一个坐标系中,数据片通过旋转和平移来调整方位达到形位匹配;多视数据变换到同一坐标系后,数据片之间存在重叠区域,由于测量和变换存在误差,重叠区域内的多重数据需要做合理的运算使其融合为单层数据。第一步是方位调整,可称为“拼”(Registration),亦称数据对齐,第二步是多层数据融合为单层数据,可称为“合”(Intergration)。将数据点集看作一个刚体,两个数据点集的对齐属于空间刚体移动,因此多视数据对齐问题可看作空间两个刚体的坐标转换,问题归结为求解相应的转换矩阵,移动矩阵T和旋转矩阵R。如图7所示是2个数据片截面上两行数据融合的示意图。最简单的融合方法是中值平均,这样会在重叠区域边缘出现台阶。改进的方法是加权,使得融合后的数据片在重叠区域边缘光滑过渡,但这种方法未考虑重叠区域边缘外一定邻域内的数据点也存在误差。

6 结 语

通过激光旋转扫描测量的方式获取样件的三维信息,可方便快捷地进行雕刻制品的加工,快速实现雕刻艺术品的数字化以及复制或批量生产。从而节省硬件平台及人力成本,在木雕、石雕、玉雕等各类雕刻行业中获得极其广泛的应用,掀起了一场革新的浪潮。

摘要：为了实现三维激光扫描仪的旋转扫描测量问题,用于实现形状复杂的三维柱形物体的数字化测量,在普通三维激光扫描仪的基础上,增加了一个可以自动旋转的数控转台,从而实现了旋转测量的目的。通过在转台上安装标定球的方法来实现转台中心轴线的精确标定,获得了新的转台中心轴线的标定方法和后期的拼合和处理方案。

关键词：旋转扫描,转台标定,多视拼合,激光扫描仪

参考文献

[1]徐永安,杨钦,怀进鹏.激光旋转扫描测量系统中转轴标定及多视拼合[J].中国激光,2005,32(5):659-662.

[2]徐永安,杨钦,怀进鹏.转台中心轴线标定误差分析与修正[J].北京航空航天大学学报,2005,31(8):899-903.

[3]高晓辉.三维数字化测量系统研究[M].北京:中国机械工程出版社,2000.

[4]吴敏,周来水,王占东,等.测量点云数据的多视拼合技术研究[J].南京航空航天大学学报,2003,35(5):552-557.

[5]王学军,刘平方,施发进,等.三维曲面激光快速自动测量系统[J].激光杂志,1998,19(2):46-50.

[6]张舜德,卢秉恒,丁玉成.光学三维形面分区域测量数据的拼接研究[J].中国激光,2001,28(6):533-536.

[7]周会成,陈洁红,阳道善.一种新型三维视觉测头的结构与原理[J].电子测量与仪器学报,2000,14(2):21-25.

[8]李晶,吴章江.基于图像处理的激光双三角法测量三维曲面[J].激光与红外,2001,31(2):87-89.

[9]徐玉春,解则晓,冯国馨,等.被测表面特征对激光测头特性的影响[J].天津大学学报,2001,34(6):796-799.