激光测量与探测技术哈工大报告

201x 年春季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目：激光测量与探测技术

学生所在院（系）：电气工程及自动化学院自动化测试与控制系学生所在学科：测控技术与仪器

姓名：xx

学号：xx

学生类别：保送

激光测距式三维测量系统综述

xx，xxS0010xx

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150080)

摘要：三维测量技术是现代工业测量领域一个重要的研究课题，在如逆向工程、国防、医学、文物保护等社会诸多领域有着广泛的应用。本文主要简要介绍了三维测量的主要方法和不同方法特点的对比。并主要介绍了飞行时间法激光测距式测量三维形貌的原理和系统，并介绍了利用多频率组合的方式解决量程和精度之间的而矛盾，进一步提高测量性能。最后介绍了对测量精度有重要影响的测量误差。

关键词：三维测量，相位式激光测距，测量误差

0 引言

与传统的二维图像信息相比，物体的三维信息能够更全面、真实地反映客观物体，为人们提供更多的信息量。随着科技的飞速发展，很多先进技术被应用到物体三维信息的测量中。通过三维数字化技术，可以得到关于三维物体空三维数据测量技术有了广泛的应用，其应用范围主要包括以下几方面:一，用于精密零件的检测。对具有自由曲面的产品模型进行高精度三维测量分析，并与原先的CAD模型进行比对，得到零件制作的缺陷，以此作为加工改进的基础。二，模具的设计制造与检测。用信息技术改造模具传统制造技术，调整我国模具工业结构，使其走向现代化。三，可以为游戏、娱乐系统提供大量具有极强真实感的三维彩色模型，还可以将游戏者的形象扫描输入到系统。四，用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。五，用于服装制造方面。三维测量技术可以快速地测得人体的三维数据，建立人体模型，将这些数据与服装CAD技术结合就可以按每个人的具体尺寸进行服装设计，并且可以直接在计算机上观看最终的着装效果。些领域的进一步发展对三维测量技术有了更高的要求，主要包括:较大的测量范围、更快的测量速度、更高的测量精度等。

1 主要测量方法

目前，三维测量方法多种多样，原理也各不相同。基本上可分为两大类，即接触式和非接触式两类。较早发展的接触式测量虽然在精度上可以满足现代工业的要求，但因为要逐点接触式测量，从而存在测量速度慢，不适合对大型零部件进行测量的缺点;而且，采用这种接触式测量会损坏或划伤其表面，同时测头的磨损，限定了测量次数和准确度。为克服这些弊端发展起来的非接触式测量，尤其是光学式三维测量技术，凭借其非接触、高精度、高效率等一系列优点，迅速发展为现代三维测量的重要方法，下面是光学测量的几种常见方法。（1）飞行时间法

（2）激光扫描法

（3）结构光法

（4）莫尔条纹法

（5）激光弥散斑图像采样法

（6）干涉测量法

（7）摄影测量法

下面是几种方法的对比：

3 测量系统的组成

激光测距式三维测量系统主要是无合作目标激光测距仪和一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组成的自动化快速测量系统。一般由激光测距仪，角度传感器，伺服控制系统，微电脑和软件组成。总体框图1所示

图1 三维测量系统总体框图

测量时，首先打开激光源，激光信号经镜面反射后射向被扫描物体，再经物体反射，由光电转换器件将光信号转换为电信号，由该信号经过一系列处理分析，最终得到扫描点到测量中心的距离值传送给计算机;其中，仰俯电机及其细分电路带动镜面旋转，从而改变激光束的出射角度，完成线扫描(从上到下扫描完一列);水平电机则负责带动仰俯电机、激光源等从前一帧移动到下一帧，完成帧扫描。由角度传感器测得的交流电机在水平和垂直方向的转角度和距离值可确定被测点在仪器坐标系中的三维坐标，进而求得其三维空间坐标图中，主计算机内装有三维测量系统测控软件，负责设定和控制扫描的各项参数，接收扫描数据并对其进行存储和实时的三维显示;三维重构软件可以读取测控软件存储的数据文件，并实现对真实物体的三维重构。

3相位式激光测距基本原理

激光测距在技术途径上主要分为两大类:①微位移法，②飞行时间法激光测距;其中飞行时间法激光测距又可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲激光测距的精度不高，一般为数米量级;连续波激光测距测量精度高，通常在毫米量级，考虑到精度和带宽问题，本设计选用的是正弦波调制的相位式激光测距。下面详细介绍其原理

相位式激光测距基本原理框图如图2所示

图2 相位式激光测距基本原理框图

图2 相位式激光测距基本原理框图

设用相位式测距仪测定两点间的距离D ，由测距仪发射调制激光束，射向反射镜后被反射回接收系统。设调制波往返于距离D 所花费的时间是t ，已知光波在大气中的传播速度是c ，则距离为

12

D ct = (1) 把调制波在测线上按往返距离展开，如图2.4示。可见，调制波回到收发点的相位比发射波延迟了φ角，且

2t ft φωπ== (2)

将式(2)代入(1)中，得

111222222c D c f f φφφλπππ

==⋅=⋅ (3) 式中，c f

是调制波的波长，φ等于调制波的N 个整周期加上不足一个整周期的尾数φ∆，所以

2()()()22222

N D N N N λπφλφλππ⋅+∆∆=

=+=+∆ (4)

上式表明，如果测得光波相移φ中2π的整数N 和小数△N ，就可确定距离D 。调制波往返于测程上的整波数我们是无法知道的。仪器只能测定/2D λ<的距离，也就是说只能

测定小于2π二的余角△φ中。因此需要在仪器中设置两个频率，譬如令1/210m λ=,2/21000m λ=这样可利用1/2λ去测量相应于△1φ的距离，即测出小于l 0m 的毫米位、厘米位、分米位和米位数;利用2/2λ去测量相应于△2φ的距离，即测出十米位和百米位，再使二者衔接起来，就得到完整的距离读数。这样，就解决了测距仪高精度和长测程之间的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。

图3 双频测量示意图

4 系统误差分析

根据相位法激光测距公式(3)，对D 求微分得，

211 222222f

c D c f D D D c f c c f f f φφδδδδφφφδδδπππ=-+=⋅⋅-⋅⋅+⋅⋅ (5) 可知，理论上影响相位法测距精度的主要有光速误差、调制频率f 的误差(频稳度)和相位差φ的测量误差决定;另外还有元器件在高频环境下的稳定性、接收器件随光强不同的非线性和电子线路干扰等的影响。其中，光速误差对本设计的距离而言，影响很小，可以忽略;系统频率源采用稳定性很高的数字频率合成器，其频稳度达到10-9级，减小了频稳度造成的测距误差。下面详细介绍下对测距精度有重要影响的测相误差，它主要包括相位不均匀误差、幅相误差和测相原理性误差。

4.1 相位不均匀性误差

引起相位不均匀性误差的原因是光束的相位不均匀性和光电探测器的相位不均匀性。光束作为波的传播形式，其相位不均匀性表现在两个方面:一是空间相位漂移，即光束横截面内各点的相位与光束中心处的相位不同;二是时间相位漂移，即光束横截面内某点处的相位随时间而变化。光电探测器的相位不均匀性与光电探测器光敏面上的各点的灵敏度和光电子渡越时间有关。由于制造上的原因、光敏物质性能的差异、供电的稳定性等因素，将造成灵敏度和渡越时间的不均匀