激光调频连续波测距的精度评定方法研究

基于双光纤光路等光频重采样原理,提出了一种距离精度的评定方法.通过推导噪声背景下等光频重采样信号中距离参量的克拉美-罗下边界,得到了影响系统测距精度的两个重要因素:信噪比和扫描带宽,并进行了实验验证.实验表明,该评价方法并不会受到任何距离估算方法的影响,根据此方法可以选择一个最优的距离估算方法.通过对两个影响精度的因素进行仿真分析可知,在扫描带宽为2.2 nm时,若将测量光路的信噪比提升至70 dB以上,系统可获得低于10μm的测距精度.该精度评定方法可为后续改善调频连续波测距系统性能提供理论参考.     

一种色度自适应投影标记点的选取方法

近年来,对物体的颜色显现力、光源光谱功率分布和自身表面反射光谱三者的定量关系方面的研究备受大家关注。在三维扫描测量领域,由于颜色特征具有反映物体材料和纹理等丰富信息的优势,提出了一种主要由彩色相机、投点光源和PC机组成的色度自适应投点仪结构,其中数字微镜(DMD)作为投点光源的核心元件用于调制R,G,B三个LED光源的光谱功率分布。然而主动式标记点的颜色显现力因受未知反射光谱投影接受面的影响,其颜色特征往往难以识别和区分。为了提高投影标记点与不同反射光谱的投影接收面作为背景的分辨力,描述了一种色度自适应投影标记点的选取方法。在高维线性反射光谱建模的基础上,用光谱响应的方法对彩色投点仪设备特征化,以解决三通道彩色相机设备特征化精度低的问题。并通过样本训练为高维线性反射光谱的求解提供条件约束。继而,在CIE1931色度坐标空间下,选取与投影接收面背景色度坐标欧氏矩最大的色度坐标点。根据投点仪设备特征化结果,推导其LED最优设定值。最后,采用24孟塞尔色卡作为被投影对象,主动标记点与色块的色差作为其颜色显现力的评价参数,通过与激光二极管投点仪做对比性实验。实验结果表明对各不同色度的投点接受面,提出的色度自适应投影标记点的选取方法均有较好表现。     

高分辨率调频连续波激光绝对测距研究

大空间精密测量在重大装备制造、空间科技、国防工业等方面发挥着重要作用,激光高精度绝对长度测量是大空间精密测量领域的重要研究课题.调频连续波激光测距是近年来激光绝对测距研究的热点,它克服了脉冲法测量分辨率低和相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题的缺点,有着测量精度高、量程大的优点.本文研究了调频连续波激光测距的原理,分析了影响其测距分辨率的主要原因,证明了利用等光频间隔采样来抑制激光调制非线性对测距结果影响的可行性.该方法可以提高测距分辨率,且系统构成简单、实用性强.搭建了光纤调频连续波激光测距系统,并加入了辅助干涉光路对测量信号进行等光频间隔采样.利用该系统进行了测距分辨率实验,实验结果表明,本系统测量分辨率可以达到50μm,测量范围达到了10m.     

基于LED阵列的彩色视觉检测光源色度特性研究

彩色视觉成像是基于色度学理论的三刺激值法, 而光源的色度学特性是彩色成像的关键因素, 因此本文以色度学理论为基础, 计算并分析了用于彩色视觉检测的LED阵列光源的色度学特性, 并通过于标准D65光源进行对比, 研究了LED阵列光源的相关色温调节原理、范围, 以及白场平衡时的色度坐标、相关色温等. LED阵列光源具有相当宽泛的相关色温调节范围, 可调制出的颜色丰富, 色彩的表现能力更强, 色彩饱和度更高, 白场平衡R:G:B=254:237:90时的色度坐标、相关色温甚至比人工D65光源更加接近于白场的标准色度, 其颜色复现能力达到视觉允许的较优颜色复现效果. 因此LED阵列光源的色度学特性更加适用于彩色视觉检测.     

GNSS天线连接器同轴度误差测量技术

为测量GNSS天线连接器同轴度误差,构建了连接器分段旋转数学模型,提出了一种水平转台和机器视觉结合的非接触式测量方法,搭建测量装置并进行了测量实验.分析连接器运动方式和同轴度误差测量方法,确定各轴线之间的偏移关系,建立同轴度误差数学模型和测量模型.搭建测量装置,相机安装在水平转台上方,光轴平行于水平转台轴线.旋转水平转台,使用相机捕捉转接螺杆端面圆心位置并拟合轨迹,完成测量装置同轴度误差自标定.将连接器安置在水平转台上,旋转水平转台,测量连接器顶部螺纹杆轴线相对水平转台轴线的偏移.旋转连接器的承载器,测量连接器顶部螺纹杆轴线相对承载器轴线的偏移.最终,综合各轴线的偏移关系得到连接器同轴度误差的最大值.实验结果表明,测量装置对GNSS天线连接器同轴度误差的测量标准差为9μm,单次测量结果的扩展不确定度U=30μm(k=2),满足GNSS天线连接器0.1 mm至1 mm量级的同轴度误差的测量需求,使用连接器同轴度误差修正GNSS超短基线测量结果,可以显著提升基线测量精度.     

噪声对等光频采样调频连续波激光雷达测距精度的影响分析及实验验证

调频连续波激光雷达具有测量范围大，精度高，无需合作目标等优点，在计量学和工业现场测量中具有重要作用。简单介绍了等光频重采样调频连续波激光雷达的基本结构和测距原理，分析了系统辅助干涉信号和测量干涉信号中存在的主要噪声及其特点。当系统辅助干涉信号中存在噪声时，会造成极值点不准确并且引入测量误差。随后，使用Cramér-Rao下界定理评估测量干涉信号的噪声对测量结果的影响。为了提高测量的准确性和稳定性，基于经验模态分解的小波阈值滤波和汉宁窗带通滤波结合小波滤波的自适应滤波方法分别用来去除了辅助干涉信号和测量干涉信号中的噪声。实验中多次测量了平面镜和多种粗糙度样块，并使用精密导轨验证测量结果的准确性。实验结果表明，当被测物位于3.9 m左右时，使用自适应滤波方法去除噪声后，系统对反射镜和其他粗糙度样块的测量不确定度为20 μm和几十微米(K取值2)，远小于使用小波阈值滤波的方法(120 μm和几百微米)。同时，通过对比精密导轨位移数值和系统的测量结果，证明了所提出的方法能够有效提高系统的测量准确性。     

真实加工表面后向散射特性分析及表面参数反演

无合作目标激光绝对测距中,远距离、真实表面的后向散射特性机理不明朗,严重影响测距结果,是制约测距技术发展的重要瓶颈。以立铣、平铣、平磨等三种典型实际机械加工方式下的粗糙表面为研究对象,测量了在1 550nm红外激光照射下形成的后向散射场,探究了不同加工方式下特殊后向散射场形成的原因,深入分析了表面纹理、入射方位角、入射角度、粗糙度对后向散射场分布的影响。实验结果分析表明,加工制造表面的后向散射光谱形态分布受加工方式的影响很大,且相互入射几何关系和粗糙度对每种加工方式下的实际粗糙表面均有规律性影响。为了能够获取足够的后向散射能量,对表面参数的识别反演显得十分重要。进一步构建了一种加工表面多维参数反演模型,采用另外一种加工方式(刨床)的样块数据进行验证,加工方式能够被准确区分,入射方位角和粗糙度反演的相对误差分别达到1.21%和1.03%,反演精度较高。经实验验证,通过表面参数的反演极大拓宽了无合作目标激光绝对测距的范围,有效降低了表面纹理、入射方位角、粗糙度等对测距范围的影响。这一研究结果还对具有纹理特征加工表面的后向散射光谱的研究和在其他领域的应用均具有一定的参考价值。     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源，在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿，在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛，能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源，基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹，实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到，并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距，测量相对误差为1.9×10^-7.     

基于扫频采样的飞秒激光大尺寸测距方法研究

作为一种高精度测量工具，飞秒激光具有优于传统激光技术的特性，已被广泛应用于工业生产、航空航天、科学研究等领域。扫频采样法在很大程度上改善了机械振动、扫描速度过慢等问题，对飞秒激光的绝对测距性能提升有着重要的意义。基于扫频采样原理，提出了一种利用飞秒激光的大尺寸距离测量方法，并对该技术的测量原理、干涉光谱和解调算法等方面进行了研究。首先，根据飞秒激光的锁模生成原理和压电陶瓷的压电效应，介绍了飞秒激光器连续扫描重复频率的方法。在此基础上，结合传统的光学采样法原理，解释了扫频采样法的测距原理，推导并讨论了光纤延迟线的长度对扫描距离的影响。然后，搭建了基于扫频采样的飞秒激光测距系统，在线性导轨上进行了远距离的测量实验，同时设计了基于迈克尔逊干涉原理的He-Ne激光参考光路。根据实验环境修正了空气群折射率，分析了测量距离对光谱条纹峰值和宽度的影响，测量了不同目标位置处的激光扫描距离。在50.4 m的测量范围内，扫描距离从0.56 mm增加到1.12 mm，充分验证了光纤延迟线对提升大尺寸测距能力的重要性。周期性的频率扫描可产生互相关条纹，通过对测量光谱条纹进行希尔伯特变换处理，解算出实时的频率变化量和采样倍乘系数，从而获取被测的距离信息。此外，为了减小系统的时间延迟误差，提高测量的准确性，采用差分原理对算法进行了改进。在希尔伯特算法基础上，分别对频率和距离进行差分处理，解算距离信息。实验结果表明，经过对比，采用基于距离差分的改进算法处理数据，性能结果较好。算法改进后，系统在50 m范围内的测量精度从11 μm提高到4 μm，相对精度从2.2×10-9提高到8×10-8，测距准确性明显提高。通过分析重复性测量数据，并与增量式激光干涉仪结果比对，测量误差的标准差从10 μm提高到2 μm，最大相对稳定性从2×10-9提高到4×10-8，测距稳定性明显提高。因此，该方法有较为优秀的大尺寸测距能力，具有同时实现高精度、大尺寸、快速绝对测距的潜力，在未来的精密光谱测量领域有着很大的前景。     

基于外部时钟信号触发重采样的激光频率调制测距方法

对调频连续波激光测距技术进行改进,提出了触发重采样方法。在所提方法中,辅助信号先触发采集卡,然后对测量信号和辅助信号同时采样,再用采集到的辅助信号的极值点对测量信号进行重采样。实验结果表明:所提出的触发重采样方法的测量标准差最小可达到12μm。