激光雷达坐标测量系统的测角误差分析

为了精确地设计激光雷达坐标测量系统仪器,在研究激光雷达坐标测量系统测量原理和结构的基础上,建立了引入两轴垂直度误差、反射镜倾斜误差和反射镜入射激光束倾斜误差这3项主要系统误差的测角误差模型。由理论分析可知,在距离10m处,这3项系统误差各自引入的单点坐标测量误差最大值分别为124.1m,447.9m和242.4m。结果表明,在激光雷达坐标测量系统设计中,为保证在大空间测量中仍有很高测量精度,必须严格控制两轴垂直度误差、反射镜倾斜误差和反射镜入射激光束倾斜误差,并根据建立的误差模型进行参量标定和误差补偿。     

强反射复杂表面随机缺陷检测照明系统分析

分析了采用CCD光电检测法对强反射复杂表面随机缺陷进行检测时的光学照明问题。给出了缺陷显现力的具体定义。对比了平行光和均匀散射光对消除强反射光的不同作用及对不同表面缺陷的显现力。分析了使用均匀散射光作为光源时，工件表面照度对成像质量的影响。给出了在上述条件下光照系统设计的基本原则。     

基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法

为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据, 并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。     

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。     

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.     

基于锁模光学频率梳的高速数据传输

大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战.本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法,通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域,生成携带编码信息的高速、高阶、低相位噪声的调制信号,再结合锁模光学频率梳窄线宽、多波长的特性,仅使用单个激光器即可实现基于波分复用技术的大规模并行高速通信.仿真验证了该方案的可行性,随后在100 m的自由空间光链路中使用光子微波信号进行16元正交幅度调制通信实验,实现了误码率低于10^-6的14 Gbit/s数据传输.     

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.     

成像前光学调制系统的设计与应用

建立了成像前光学调制系统,利用移相莫尔 条纹的产生原理,实现 了调制臂子系统的匹配和校准;研究了调制臂子系统的标定方法,以建数字微镜器件(DMD) 的寻址坐标和电荷耦合器件(CCD)图像平 面坐标之间的对应关系;提出了基于成像前光学调制系统的Sobel边缘检测方法,避 免了冗繁的软件 卷积运算;最后,针对三维形貌测量中用到的回光标记点进行Sobel边缘检测实验。实验结 果表明:基于成 像前光学调制系统的Sobel边缘检测方法,将原本17N次的软件加 法运算减少为 3N次,原本20N次的软件乘法运算减少到2N次,有效地提 高了处理器的运算效率。     

ME MS的光学检测方法和仪器

随着微电子机械系统(MEMS,MicroElectroMechanicalSystem)研究的深入和产业化的需求,其检测在MEMS中的重要性越来越大。光学检测方法以其非接触、快速、高精度等优点得到了大量的应用。分析和介绍了国内外采用光学检测法进行MEMS检测的方法及相关检测仪器在测量中的应用。尤其是Nanosurf测量仪器,它是一种独立的三维非接触测量系统,扫描共焦显微镜是基于白光共焦技术,强大且友好的软件控制使所需获得的数据不仅速度快,而且精度很高,并且提供了多种不同的表面分析方法。