激光测量设备（共8篇）
激光测量设备 篇1
摘要：激光扫描技术是近年发展起来的一门新技术, 被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”。目前生产激光扫描测量设备的厂家众多, 激光扫描系统产品的种类繁多, 不同产品在不同的工程领域的使用各有优势。通过在实际工程的应用, 对比了不同设备的性能。重点介绍了Riegl激光扫描在水电地形测量中应用。
关键词：激光扫描测量设备,产品现状,设备性能,地形测量
测绘是一项关系国计民生的重要工作, 工作任务繁重且工作环境艰苦。随着近年来高学历的专业技术人才的加入, 在一定程度上缓解了因人员缺少带来的生产压力。伴随着测绘科学技术的飞速发展, 测绘设备落后成为制约专业队伍发展的主因。据调查, 目前生产激光扫描仪的公司众多, 典型的有瑞士的Leica公司、美国的3D Digital公司和Polhemus公司, 加拿大的Op Tech公司、瑞典的Top Eye公司、奥地利的Riegl公司等, 在实践中得到广泛应用。
1 产品现状
激光扫描系统产品的种类繁多, 不同产品在不同的工程领域的使用各有优势。按照不同的行业使用要求、工作原理等进行分类。
1) 按照扫描运行平台划分:机载型激光扫描系统;地面型激光扫描系统 (移动式扫描系统和固定式扫描系统) ;手持型激光扫描系统。机载型激光扫描系统是在小型飞机或直升机上搭载, 由激光扫描仪、成相装置、定位系统、飞行惯导系统、计算机及数据采集器、记录器、处理软件和电源组成。适用于大面积区域测量和国家框架基础大地测量工作。地面型激光扫描系统是一种利用激光脉冲对被测物体进行扫描, 可以大面积、快速度、高精度、高密度的取得地物的三维形态及坐标的一种测量设备。一般在工程建设、考古等行业使用较多, 尤其适合高陡峡谷的测量工作。手持型激光扫描系统多用于采集小型物体的三维数据, 一般配以柔性机械臂使用。适合于机械制造与开发、产品误差检测、影视动画制作与医学等领域。
2) 按照激光光束的发射方式划分:灯泡式扫描仪 (图1) ;三角法扫描仪 (图2) ;扇形扫描仪 (图3) 。
3) 按照扫描仪测距原理划分:基于时间漂移原理 (Time-of-flight) ;基于相位原理 (phase measurement) ;基于激光雷达或光学的三角测量原理 (Optical triangulation, Laser Radar) 。
2 设备性能对比
瑞士徕卡Scan Station2、加拿大Optech ILRIS 36D和奥地利Riegl LMS 3个公司的激光扫描设备目前是行业中使用较多的, 尤其在硬件性能和设计上各具特色, 以其测程远、点精度高和扫描速度快而受关注。在软件方面, 因设备测量技术不同, 均自带的适用软件, 设计理念不同, 对不同行业数据处理要求各异。三款激光扫描设备主要性能和指标对比见表2。
在数据后处理软件方面, 因其硬件设施的不同在软件设置中有很大的不同, 但其均可以导出适宜绘图的通用格式文件, 便于后续完美编辑处理。徕卡Scan Station2采用随机Cyclone软件, 该软件对点云数据库管理强大, 速度快, 管理点云数据量大, 硬件要求相对较低, 兼容其它扫描数据性能差。Optech ILRIS 36D采用的是第三方Polyworks 8.0软件, 该软件功能强大, 数据兼容性好, 数据处理通畅, 但基于文件管理, 数据调入速度慢, 管理点云数据量相对要小, 硬件设置要求高。
Riegl采用随机Riscan Pro控制软件, 本软件在数据点云管理上、速度等方面具有明显优势, 内业处理短时间内就能够完成多站点、同步拼接激光扫描数据和数码影像数据, 并计算出拼接的误差。快速将3D激光点云进行数码影像着色, 生成3D彩色激光实景。若借助于第三方的Phidias、Geomagic、Poly Works等软件配合使用, 其可应对海量点云数据的繁琐处理, 并根据不同的要求, 提供多种通用数据格式的包括点云模型、表面模型、纹理模型、CAD模型等成果在内的多种数据成果。并生成三角测量网 (TIN) 和数字等高图 (DEM) , 正射影像图 (DOM) , 进行各种体积、面积、长度等计算。
3 行业应用
在水利水电行业中, 成勘院、华东院、长江水利委员会、四川水利水电设计院等生产单位和高校科研单位已经拥有地面或航空使用的激光扫描测量设备, 在水利水电建设和科研中发挥了巨大作用, 取得了大量的地形测量、变形监测等测绘成果资料, 积累了丰富的工作经验。很多成功的工程实例应用了该技术, 如江西长江棉船洲崩岸治理段地形扫描;溪洛渡水电站左岸缆机平台变形测量 (一期) ;甘肃小海子水库溃坝现场测量;北京废旧矿山地形测量 (100处) ;怀柔、昌平、海淀、密云、平谷等地废弃矿山地形测量 (300处) ;河北迁西潘家口水库脖子梁副坝地形测量;河北涞源某尾矿坝地形测量;山西朔州平朔煤矿1厂地形测量;堰塞湖堰塞坝地形测量;某坝溃坝过程监测及三维模型建立鸭绿江部分河段地形测量;北京永定河河道地形测量;力求河部分河段地形测量和裂隙统计分析等。可为设计部门提供三维点云模型及三维等高线, 并在软件基础上开发小模块程序, 为地质专业在点云模型上进行地质产状面的计算及解译一些地质要素提供便利。
4 Riegl激光扫描在水电地形测量中应用
Riegl激光扫描系统采用全回波数字化技术, 可以穿透稀疏树林中树木阻挡, 扫描速度快, 10秒钟粗略扫描360度全景, 精度与距离完美结合, 优于2mm (100m的距离) 的距离精度, 便携计算机操作控制。
依托黄河拉西瓦水电站果卜地形测量项目, 借助奥地利Riegl公司生产的型号分别为LMS-Z620 (测程2公里) 和LMS-Z420i (测程1公里) 的激光扫描设备, 采用Riegl不同型号的激光扫描设备分别对拉西瓦生活区南面山体和果卜地形进行激光扫描测量。
对本次测量的检查数据差异按照地形图1/3、2/3等高距进行分类统计, 统计情况见表3。
通过地形检验的统计, 发现本次测试并不理想, 果卜岸坡部分高程差异较大, 究其因可能是由于以下原因造成的:扫描期果卜山下没有输入实地的气压、温度值;标靶归心点未能与控制点重合, 且标靶距离太近;由于工地风大, 仪器在扫描测量过程中可能存在摆动情况。由于测试指导的技术人员未能完全掌握该设备的测量技术。经过本次测试应用, 并对Riegl两种型号的测量性能对比如表4, Riegl的各样性能基本能达到厂方标称的性能。但设备装箱体积大, 重量大, 在高山陡坡地区搬运比较困难。
指标评价是在面积及难度等同的前提下, 按时间效率、经济效益、劳动程度等进行衡量。以果卜地形测量为例, 传统测量与激光扫描测量两种模式所投入人员产生的工作时长对比如表5。
激光扫描测量技术在地形测量中发挥了巨大作用, 降低了工作人员的劳动强度, 大大缩减外业作业时间, 提高了工作效率, 保证了测量的高精度。利用此设备其效率是传统测量工作的数倍, 缩短测量周期, 降低外业生产成本, 取得了显著的经济效益。
5 结语
激光扫描设备已经成为众多测绘单位选择的对象, 今天的激光扫描仪就如同过去的GPS一样, 必将成为测量行业发展的必需品。
实践是检验真理的唯一标准。目前市场上流行的主流激光扫描设备众多, 但因使用行业不同而有差异。就目前工程建设测量使用情况来看, 奥地利公司的Riegl长距离地面扫描产品使用较多。结合本次对Riegl扫描设备的测试, 认为该设备在测量速度、远距离等性能方面的确优势明显, 但在纹理等方面不如加拿大的Optech, 软件性能各有所长。
参考文献
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激光测量设备 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
浅析激光振动测量技术 篇3
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
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激光雷达散射截面测量误差分析 篇4
关键词：LRCS,测量数学模型,测量误差分析,测量记录要求
激光雷达目标散射特性信息对激光探测系统设计、鉴定及应用具有重要作用。激光探测系统基于激光雷达目标散射特性获得区别于背景的目标强度、距离和速度等信息[1]。激光雷达散射截面(LRCS)是激光雷达目标散射特性的量度。LRCS的测量结果与激光波长、目标材质与结构、辐射测量与标定原理、激光照射与探测系统、背景与大气环境等因素相关。对激光雷达散射截面测量误差进行理论分析与研究,是提高测量精度与测量结果可信性、可用性和可交换性的前提。文中依据辐射传输和光电探测原理,推导LRCS测量数学模型,对测量误差进行多角度分析,绘制误差树和编制数据记录表,提出误差修正与提高方法。
1 LRCS测量数学模型
当以无损耗各向同性球作标定标准时,LRCS的定义与雷达散射截面的定义相同。雷达散射截面(RCS)定义为4π乘以单位立体角内目标朝接收方向远区散射功率和从给定方向入射到该目标单位面积平面波功率密度之比,常用符号σ,以平方米为度量单位。可见,LRCS是一个对比测量结果,对比的标准是无损耗各向同性球;是一个主动测量结果,激光照射系统和激光探测系统配套工作;是一个远场测量结果,要求入射到目标上的波为平面波;是一个与入射与散射方向相关的量,定义为4π乘以目标朝接收方向远区散射的激光辐射强度Jr和给定方向入射到该目标的激光辐射照度Ei之比,即
由于被测目标截面积与照射激光光斑相比有大目标、小目标、线目标的不同情况,对激光光斑的拦截与散射作用有不同的影响,采用目标系数δ表示。设激光光束中心瞄准目标几何中心,瞄准误差ϕ。当目标截面积大于等于πR2 sin2(ω+ϕ)时,为大目标,δ=1;当目标截面积小于πR2 sin2(ω-ϕ)时,为小目标,δ为目标面积与光斑面积之比;当目标某一方向尺度大于等于R sin(ω+ϕ),另一方向尺度小于R sin(ω-ϕ),为线目标,δ1,为实际被照射到的目标面积与光斑面积之比。
设测量系统双站位工作,满足远场照射与测量条件。试验参数设定与记录如表1。根据辐射及传输原理[2,3]、光电探测原理及LRCS定义可得
将式(2)和式(3)代入式(1)得
根据辐射探测原理,探测器响应的是辐射照度值,输出响应电压值。当采用标准球标定测量时,在假定标准球为点目标时有
将式(5)代入式(4)得LRCS测量数学模型为
2 LRCS测量误差分析
由式(6)可见,比对测量在保证相同的入射与探测条件时,LRCS仅与目标表面材料及其粗糙度、目标几何结构及大小、标定标准及光电探测系统影响等因素相关。然而,实际测量中很难保证相同条件,必然引入多种测量误差,且采用标准球标定时散射辐射强度的计算也引入测量误差。由测量数学模型推导过程绘制测量误差树,如图1所示。图1中大气环境参数与标定和测量过程中的大气透过率直接相关,为了图的清晰没有给出全部连线。
2.1 标定标准引入的误差
LRCS测量结构是通过激光功率/能量信息的间接测量获得的。激光功率/能量的定量/比对测量需要有传递标准。采用标准球进行标定测量时,是假定标准球将接收到的入射激光均匀散射在全部空间中计算得出的标准球散射的辐射强度。而标准球往往不可能将接收到的入射激光均匀散射到全部空间中,从而引入误差。实际工作中通常采用朗伯体制作的标准板(聚四氟乙烯板)进行标定测量。标准板将接收到的入射激光按照余弦定律散射在半球空间中[4],其标定计算相对准确。此时,LRCS测量数学模型为式(6)再乘上2cos2βo项。
2.2 激光照射系统参数变化的影响
(1)激光输出功率稳定性的影响
激光输出功率稳定时,可认为pi=poi,式(6)中可直接约去,然而,实际脉冲激光功率总会有起伏,是测量误差的重要来源。
(2)激光远场发散角的影响
设激光束沿z轴传输,束宽为w(z),激光远场发散角定义[2]为。由于激光发射光学系统像差、以及大气等因素的影响,实际光束的远场发散角要大于理想光束的远场发散角。另外,激光远场发散角可以通过扩束或聚焦来改变,且与束宽直接相关。而激光光束束宽的定义通常有三种,即1 e2,环围功率(能量)86.5%和二阶矩定义[5]。对于基模高斯光束,上述三种定义完全一致。但对于高阶高斯光束和其他光束,不同的定义会得出不同的结果。当用激光远场发散角作为参数计算时,必须将激光束宽取为某一确定值进行比较才有意义。
(3)激光光斑场强分布不均匀的影响
通常情况下,测量所用的照射激光束是非均匀的基模或低阶模高斯光束,给入射辐射照度的计算带来误差。如目标上入射的高斯光束光斑内辐射照度不是一固定值,在光斑中心处最大,沿着光斑半径方向逐渐减小。而通常采用平均值的方法计算,待测目标和标准球大小形状不同,从而导致测量与标定时入射辐射照度分布不同;另外,当目标或标准球为小目标时,其上的辐射照度值大于平均值,从而给标定和测量带来误差。目标系数值越小,影响越大。当瞄准误差为零,且已知目标形状与尺寸及光斑特性时可以进行修正[6]。
(4)激光照射系统瞄准误差ϕ的影响
激光照射系统瞄准误差影响照射光斑中心与目标几何中心的重叠程度,从而影响目标或标准球上辐射照度的分布情况,给标定和测量带来误差。且目标或标准球为小目标或线目标时,直接给激光辐射照度计算与修正带来困难。应当依据实际数据进行修正与计算。
(5)同一材料对不同波长的激光、以及同一波长不同偏振状态的激光或波束形状不同的激光,其散射特性不同[7]和造成的回波信号的脉冲展宽也不同[6]。
2.3 激光探测系统的影响
(1)探测系统响应噪声的影响
由于系统噪声的影响,系统输出电压将有一定的起伏,对测量输出电压带来误差。可采用标准激光源对测量系统进行标定,用多次采样求平均值及其方差,得出系统响应噪声和引入的相对测量不确定度分量。分别用v-Δv系和vo-Δv系替代式(6)中的v和vo项修正。
(2)探测光学系统的影响
探测系统光学镜头的二次反射以及散射光斑中心和边缘返回探测系统的光程差不同会导致散射回波脉冲展宽,使探测系统所得到的散射光峰值功率密度下降。
(3)探测器响应率线性范围的影响
LRCS测量的基本原理是对比测量,对比的基础建立在探测器响应的线性工作范围内。当被测雷达目标与标准球/板对激光的散射能力相差较大时,如果超出探测器响应线性范围,其对比的基础就不成立了。可通过改变测量或标定距离、加装激光衰减片、改变激光远场发散角等方法使其满足线性测量范围要求。
(4)探测机理的影响
激光探测分为成像探测与非成像探测。成像探测从扫描方式上分为扫描成像探测和非扫描成像探测;从探测体制方式上分为相干探测和直接探测;从照射源上分为CO2激光、二极管泵浦固体、半导体激光等。按激光工作波长可分为可见光及短波红外、中波红外和长波红外激光成像雷达。不同的激光探测系统探测机理不同,影响其测量误差的因素不同,对目标激光散射特性的关注点也有所不同。对距离探测系统而言,有脉冲测距和相位测距。对于脉冲调制测距的激光探测系统,照射激光光斑强度分布、测量背景与支架散射回波的散斑作用、大气效应等都对激光回波脉冲上升时间与峰值响应产生影响。对于激光相干探测而言,本振信号频率与回波信号频率直接影响到其距离测量精度与距离成像分辨率等。对能量探测系统而言,不同的探测器其响应波长范围不同,激光波长的宽度与探测器波长响应的匹配度等也不同。对于检偏探测系统而言,由于目标的起偏作用不同,使不同的检偏探测系统有不同的响应等。需要依据实际测量条件进行记录与分析,或依据实际需要建立测量系统进行测量。
2.4 目标尺度与结构、背景与大气环境的影响
(1)目标尺度与表面结构的影响
目标或标准球/板的尺度与结构,一是影响拦截与散射光斑大小的能力,二是影响目标上辐射照度的分布与计算,三是在有瞄准误差时,在目标为小目标时,给辐射照度的修正带来困难。在相同条件下,由目标与标准球/板表面结构不同,从而导致散射波的脉冲展宽不同与峰值的下降,对采用峰值探测方法进行测量的系统带来测量误差。在式(6)中应当乘上ττo项。
(2)背景散射的影响
在实际外场测量中,待测目标尺度远大于标准球/板的尺度,而通常选择激光发散角与大尺寸待测目标匹配。而测量标定时,由于照射光斑面积大于标准球/板载面积,使架设支撑架与地面等背景对激光散射后进入探测系统,造成对标准球/板散射回波信号的非相干迭加干扰[8]。减小背景和支架的散射干扰方法有几种,一是采用低反射率的材料对支架或背景进行敷设消光;二是采用尺寸匹配法,对目标和标准球/板的尺寸进行估算,对发射系统的束散角进行控制;三是采用背景减去法,对标准球/板的背景进行多次测量,得到其回波电压Δvo,用vo-Δvo替代式(6)中的vo项进行修正。
(3)大气效应的影响
大气效应主要有三方面影响。一是大气的消光效应。当激光光束在大气中传播时,受到大气吸收和散射作用而衰减。激光波长宽度内的平均透过率为分子吸收平均透过率、分子散射平均透过率、气溶胶吸收平均透过率和气溶胶散射平均透过率之积,即T(λ)=T1(λ)⋅T2(λ)⋅T3(λ)⋅T4(λ);二是大气湍流引起的光束漂移,影响入射辐射照度与接收辐射照度的空间分布,造成强度图像噪声增大、相位畸变;三是大气产生的波前畸变至使回波信号时间延迟,造成距离图像噪声增大。在实际测量时应尽量缩短标定与测量时间、以满足相同的大气条件,消除大气传输影响,但必须保证两次测量有相同的入射和探测条件。可以采用双光路测量方法来减少/修正类似朗伯面目标LRCS测量时,因大气气溶胶变化引起的测量与标定时透过率变化引入的测量误差[9]。
3 结束语
引起LRCS测量误差的因素很多,包括激光发射系统参数变化的影响、目标与标准球/板尺度、结构与性能的影响、背景与大气环境的影响、激光探测系统探测机理与系统性能的影响等。不同的激光探测系统对激光目标散射特性的关注点不同。从测量数据可信性、可交换性和可用性原则出发,在进行LRCS测量与研究时,应当详细记录测量相关条件(见表1)进行综合分析处理,并将测量结果与测量条件同时记录保存才具有使用性与交换性。
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在线式激光极板厚度测量系统 篇5
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
激光探测灵敏度精确测量技术 篇6
激光探测灵敏度检测手段一般采用激光测距机 (或固体激光器) 配套激光衰减片的组合方式。激光探测设备的光学组件主要由前向截止滤光片和视场光栏组成, 探测窗口一般比较大, 而实际有效通光孔径为光电探测器光敏面直径, 直径一般不到1 mm, 因此检测激光探测灵敏度的测试激光功率稳定性和能量密度分布均匀性是决定检测准确性的主要因素。而一般激光器的基模激光主光斑能量分布为准高斯分布, 光斑能量随机起伏较大, 分布不均匀, 能量密度分布起伏约5倍左右, 对激光探测灵敏度的测量会产生数倍的随机偏差, 不能定量的准确测定灵敏度最小值, 对灵敏度的动态范围更是很难标定。实测激光光斑能量分布如图1所示。
由此可见, 检测激光光斑功率稳定性和能量密度分布均匀性直接决定着检测结果的可信度和准确性, 而检测激光光斑非均匀性分布造成的测量误差要远远大于激光脉冲功率稳定性所造成的误差。
2 激光探测灵敏度精确测量设计
2.1 技术路线
为提高检测激光脉冲功率稳定性和光斑能量密度分布均匀性, 同时尽可能地增大检测激光功率精确调节范围, 并保障检测设备使用便捷, 采取了以下5种技术措施。
(1) 激光光束均匀整形技术。为精确模拟远场平行光, 确保能量分布的均匀性, 主要采用积分球式能量均化方式、微透镜阵列式能量均化光学装置等对检测激光光束进行均匀整形, 保证输出激光能量分布的均匀性。
(2) 超小型激光器功率稳定设计技术。为尽可能使激光器输出功率时刻保持高稳定状态, 不但要尽可能降低激光器本身的输出激光功率起伏, 同时还要严格控制激光器输出激光光束的能量密度分布起伏。开发超低功率高稳定YAG激光器, 采用精确温控制措施和主动电光调Q方式, 确保激光器输出功率的稳定性。同时, 采用高集成、超小型化设计, 尽最大可能减小体积和质量, 以满足手持式使用要求。
(3) 激光精确衰减数控调整技术。为了适应对不同激光探测设备检测需要, 同时具备精确测量和标定探测灵敏度动态范围的能力, 采用激光精确衰减数控调整技术, 利用嵌入的大量激光衰减片组和自动解算数控调整机构, 可实时显示检测激光的功率密度值, 实现对检测激光的精确衰减和调整能力。
(4) 激光远场平行光准直模拟技术。根据激光探测设备作战使用环境, 需要在近场模拟远场平行光特性, 采用光束准直技术, 利用离轴扩束和消球差设计等方式, 提高光束质量和平行度, 模拟出远场平行光。
(5) 激光功率密度自动解算处理技术。一般激光探测设备具有多个激光探测单元, 测试时需对每一个探测单元进行多次测量, 测试工作量较大。为方便使用, 采用激光功率密度自动解算处理技术, 经程序设定后, 按设定频率和次数自动工作, 对测量结果统一记录并提供检测结论, 自动生成检测数据文档, 方便调用和查阅。
对激光能量均匀化光学处理技术, 经试验验证, 处理后的激光光束近似为激光远场平行光光束效果, 激光能量密度分布起伏小于10%, 确保了激光光斑能量空间均匀性, 能较好满足激光探测灵敏度测量要求。激光能量均匀化后实测的光斑能量分布如图2所示。
2.2 样机及工作原理
激光探测灵敏度检测设备原理样机主要由稳压电源模块、冷却装置、检测信号驱动模块、超小型高稳定激光器、激光能量均化光学装置、数控衰减光学装置、扩束准直光学装置、激光功率密度解算处理模块和综合数据处理模块组成。组成框图见图3所示。
图3中稳压电源模块负责为各单元提供稳定的直流源;冷却装置根据驱动模块信号和温控设备反馈数据自动调整开关和制冷强度, 使激光器在运行期间环境温度始终保持在一定温度范围内, 确保激光输出功率稳定;检测信号驱动模块为激光器提供驱动信号, 控制激光器开关;数控衰减光学装置可以实现以1 dB为步长精确调整激光输出功率密度;激光功率密度解算处理模块可根据需要计算衰减装置的组合方式, 并自动解算和显示当前激光输出功率密度值;激光能量均化光学装置把能量分布为抖动起伏较大的激光光束整形为能量均匀分布的匀场光束;扩束准直光学装置对激光光束进行整形, 使输出近似远场匀场激光光束;综合数据处理模块可自动设置测试方式, 记录并保存测试数据, 所有数据可通过USB接口自动传输。
3 验证试验
3.1 试验方法
(1) 将激光探测灵敏度检测设备和激光空间能量密度检测设备分别放置在光具座导轨上。
(2) 调整激光探测灵敏度检测设备和激光空间能量密度检测设备使其准直并使激光探测灵敏度检测设备出光孔径中心对准激光空间能量密度检测设备探测光学系统孔径中心, 同时DELIXI单相接触调压器接市电, 用UT53万用表监测调整单相接触调压器至220 V。
(3) 在激光探测灵敏度检测设备不同档位上发射单脉冲激光, 与其同时调整激光空间能量密度检测设备测量档位, 分别测试激光探测灵敏度检测设备1~63 dB不同档位的激光功率密度。
3.2 试验条件
(1) 激光空间能量密度检测设备:2 f J/mm2;
(2) 光具座:1 500 mm;
(3) UT53万用表;
(4) DELIXI单相接触调压器。
3.3 试验结论
激光探测灵敏度检测设备输出激光功率密度最小值为0.32×10-6W/mm2。激光探测灵敏度检测设备激光功率不确定度变化范围为2.0%~9.1%, 与通常使用的激光探测灵敏度检测方式所造成的灵敏度检测最大偏差数倍相比, 大大提高了激光探测灵敏度测量准确性, 确保了检测结果的可信性。激光探测灵敏度检测设备输出激光功率密度范围为0.32×10-6~1.43 W/mm2, 动态范围为66 d B。
4 结论
激光测量设备 篇7
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。
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三维旋转激光扫描测量系统的设计 篇8
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。
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:
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
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