Station-transfer measurement accuracy improvement of laser tracker based on photogrammetry

Laser tracker has been used in a diverse range of applications due to its high accuracy and efficient, specifically as measuring the coordinates of points or scanning shape of objects. In real applications, we often need to measure common points on multi-stations by using this technology if objects are large scale. To ensure every common point within the range of laser tracker, common points are usually placed far from the laser tracker. However, the long distance between common points and laser tracker will decrease the accuracy of the result. In this research, we proposed a new method where photogrammetry and laser tracker are integrally used to measure common points to reduce measurement error. With the help of photogrammetry, we first constructed the geometric constraints of common points. Then, by using graphic correction method, the coordinates of common points on laser tracker will be corrected. Both of the theoretical and experimental study results indicated the great success of improving the measurement accuracy of laser tracker. We consider that this method we reported can highly increase the accuracy of measurement on laser tracker station-transfer.     

测量近中红外激光大气透过率的调制型太阳光度计

为弥补常用红外波段激光大气透过率测量方法成本高或实时性低的不足,通过模拟计算分析研究,提出基于光源调制太阳光度计技术提取红外波段激光大气透过率的方法,提供一种成本低、操作简单、实时性强的有效测量方法。研制的光源调制型红外太阳光度计可测量宽波段大气透过率,再依据建立的宽带和窄带透过率关系进行修正,最终获取可应用的近中红外多波段激光大气透过率。实际测量结果与对比实验表明,与实验室自研的近红外太阳光度计相比统计误差小于4%,与POM-02相比统计误差小于6%。红外调制型太阳光度计获取的实时结果不但可应用于激光大气传输修正中,也对评估激光通信和激光传输等具有重要意义。     

基于旁瓣光束衍射反演的强激光远场焦斑测量方法

针对大型激光装置使用纹影法无法实现旁瓣光束弱信号区域光强分布精确测量的问题,提出了基于旁瓣光束衍射反演的纹影法强激光远场焦斑测量方法.采用逆向推演间接测量的研究方法,沿光路传播逆方向推导,以旁瓣光束衍射光强图像和相位图像作为输入,通过计算获得未遮挡前旁瓣光束远场焦斑分布.相比传统基于纹影的远场焦斑测量方法,本文的主要改...     

激光跟踪仪测角误差的现场评价

激光跟踪仪是基于角度传感和测长技术相结合的球坐标测量系统,其长度测量采用激光干涉测长方法,可直接溯源至激光波长,因此,激光跟踪仪的长度测量精度远高于角度测量精度,相对而言,测角误差就成为评价跟踪仪测量精度的重要指标。为了对现场测量激光跟踪仪的测角误差进行快速有效地评价,采用跟踪仪多站位对空间中测量区域内若干个被测点进行测量,与传统基于角度交汇原理的多站位冗余测量不同,利用各站位所观测的高精度测长值建立误差方程,并通过测长方向的矢量位移对跟踪仪测长误差进行约束,获得被测点三维坐标在跟踪仪水平角和垂直角方向上的改正值,以此来评价激光跟踪仪的测角误差。通过Leica激光跟踪仪AT901-LR进行了多站位测角误差评价实验,在现场测量条件下,跟踪仪水平和垂直方向测角误差约为0.003 mm/m(1σ),符合跟踪仪的测量误差特性。     

Non-contact optical probing sensor — applying optical feedback effects in laser diodes

The possibility of a non-contact optical distance/displacement sensor, making use of optical intensity variations caused by optical feedback effects in laser diodes, was investigated. A compact sensor system and a simple signal processing technique were proposed to realise the sensor system. The experimental results indicated that the resolutions were of sub-mm order in distance measurements and about 40 nm in displacement measurements. The allowable maximum speed of displacement can be improved up to several cm/s. The influence of temperature variation on the measurement accuracy was discussed and the advanced sensing technique utilising a synthetic wavelength of laser diodes was proposed. These methods are applicable even to an object with rough surfaces.     

光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面

分析了激光光针扫描在测量内螺纹曲面时的特性及影响精度的因素。根据光斑在被测面的噪声分布特点,采用中值滤波与小波阈值去噪相结合的综合滤波算法对光斑图像进行了去噪处理,其中中值滤波可以有效地消除光斑图像中的脉冲噪声,而基于小波变换的阈值去噪算法可以消除图像中的高斯噪声。通过综合滤波算法对光斑图像进行处理,可以有效消除激光光斑噪声,消除图像噪声对测量精度的影响,同时保持了光斑图像的细部特征。根据激光光斑图像在倾斜被测物体表面光强分布特点,设计了近似圆拟合算法来确定光斑中心,该算法相对传统算法具有计算量小、计算效率高,适合在线检测的特点,可以克服测量面倾斜对激光光斑中心的影响。利用采用上述方法的坐标机激光光针扫描系统,对标准内螺纹量规进行测量,对比应用前后的测量结果,螺距精度提高了0.48 mm,中径测量精度提高了0.44 mm,牙型角精度提高0.57°。     

相位式激光测距谱分析鉴相的无偏改进

针对相位式激光测距中的鉴相误差,建立了谱分析鉴相的误差模型,提出了在数据预处理中引入希尔伯特变换来消除相位差估计偏差的测量方法.分析了传统谱分析鉴相的偏差和方差,指出这些测量偏差受初相位的影响,在高速测距中不容忽略.提出了一种无偏改进方法,通过窗函数法设计正弦信号的简易希尔伯特变换器,将离散傅里叶变换的对象转换为解析信号,在仅增加4次加减法运算和2次移位操作的情况下,实现了近似无偏谱分析鉴相.仿真分析和实验验证结果表明,鉴相均值与真实相位差相同;当信噪比为40 dB时,每秒百万次高速鉴相的误差为0.1°;当调制频率为100 MHz时,测距精度达到0.4 mm.实验表明,将希尔伯特变换应用于谱分析鉴相,可实现高准确度相位差测量,并可应用于高速相位式激光测距.     

激光焊匙孔特征的近红外与X射线传感分析

由于多传感匙孔特征参数可以有效地反映大功率激光焊接质量状态,本文研究了匙孔特征信息的提取方法并建立了焊缝成形预测模型。以大功率盘形激光焊接304不锈钢为试验对象,应用近红外高速摄像机和X射线视觉成像系统同时提取了焊接过程中的熔池动态图像,并分割出匙孔区域。针对近红外图像,应用矩方法导出匙孔的不变矩特征,同时定义并提取匙孔面积和最前端点纵坐标两个特征;针对X射线图像则提取匙孔深度和熵两个特征。在不同激光功率条件下得到匙孔特征并进行特征融合分析,然后建立了3个BP神经网络焊缝成形预测模型。探索了匙孔形态、焊接条件和焊接状态三者之间的联系,实现了对焊接过程的在线监测。试验结果表明,将两个传感器获取的匙孔特征信息融合并进行主成分分析变换后,熔宽和熔深的预测绝对误差平均值分别为0.18mm和0.57mm,比基于单个传感器获取匙孔特征建立的BP神经网络分别减小了0.03mm和0.31mm,显示提出的方法能够有效在线监测大功率盘形激光焊接状态。     

基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法

在加工测量一体化过程中,工件表面切削液残留形成的油膜会严重影响光学在机测量的精度。 现有的误差补偿方法通 常需要获取油膜介质的先验信息,如成分、厚度等。 而这些信息受加工形质、切削液随机分布等因素的影响难以实时获取。 为 此,本文提出一种基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法。 首先设计并搭建了基于激光三角位移测量 的多波长激光测量系统,可利用多波长激光测量同一被测点位移。 通过引入柯西色散规律,建立光学系统与激光波长的解析关 系,并基于此推导出多波长激光测量内在的差分特性,最终实现误差补偿。 本文依此方法进行了实验。 结果表明补偿后测量误 差绝对值小于 0. 01 mm,与未补偿的测量数据对比,误差降低了至少 92% 。     

一种激光三角测厚中非线性的校正方法

针对单镜头激光三角法测同一物体厚度时图像探测器上两光斑间距与被测物位置之间的非线性关系,提出了一种非线性校正方法,并用实验验证了校正效果。分析了单镜头激光三角法测厚原理,总结了引起非线性的因素,对校正方法的函数模型进行了理论推导,并对校正前后测量数据进行了详细分析。研究结果表明,使用该非线性校正方法后,图像探测器上成像光斑间距值随被测物位置变化的波动程度明显减小,测量厚度的均方差值也变小,系统的测量精度得到提高。     

激光扫描表面特征的点云数据处理方法

为了提高激光测量系统对工件表面特征的测量精度,减少数据处理中由于特征点云拟合选择对测量精度的影响,针对比较常见的两种表面特征提出了正确的拟合方式。从工件表面的实测数据出发,经过多次实验,结合表面测量特征的拟合原理,分析不同点云处理方法之间的差异,并给出了最适合该特征的拟合方式及其原因。实验表明,不同的点云拟合方式对特征测量的影响比较大,选择正确的拟合方式才能保证测量的准确性。     

高功率半导体激光器列阵封装引入应变的测量

考虑高功率半导体激光器列阵在封装过程中引入的封装应变会影响激光器的功率、波长和可靠性,对激光器封装应变的测量进行了研究。基于激光器输出光的偏振度变化可反映激光器有源区中量子阱的带隙变化,采用电致发光谱法推导了高功率半导体激光器输出的偏振度值与有源区应变值的关系。对800nmGaAsP/GaInP高功率半导体激光器列阵有源区的应变进行了测量,测量结果与有限元模拟计算结果吻合较好。与理论计算出的有源区固有应变的对比结果显示,激光器芯片在封装过程中受到铜热沉的压缩,会将封装应变引入到有源区中,并且激光器中间的封装应变大于边缘的封装应变。另外,激光器有源区的应变起伏比较明显,认为这是由于采用电镀方法制备的铟焊接层中存在缺陷。测量得到的最大封装应变为1.370×10-3,缺陷密度为40.8%。得到的结果表明,激光器偏振度的测量能够正确反映激光器的缺陷和封装应变值,进而可以有效衡量激光器封装质量的好坏。     

基于热管法的K型铠装热电偶响应时间测试分析

针对当前响应时间测试出现的数据采集精度不足、操作复杂的问题,以及忽视具体封装影响的实际情况,文中在分析投入实验法和脉冲激光法的基础上,提出热管法测量响应时间;通过分析影响封装的因素,搭建完成热管法响应时间测试系统;最后,选择不同类型封装器件,完成了响应时间测试和封装影响分析.测试结果表明,热管法在不同封装响应时间测试中...     

激光自混合干涉角度测量参数优化及旋转方向判别

对反射旋转体引起聚焦激光自混合干涉信号位相与旋转角度的非线性关系进行了研究,提出了一个实验参数的优化方法来降低该非线性效应引起的非线性角度测量误差。重新评估了自混合干涉角度测量在测量范围扩大后的物理近似条件,从理论上分析了实验参数给角度测量带来的误差影响并进行了模拟仿真,提出了利用该非线性关系判别反射体旋转方向的方法。最后,进行了激光自混合干涉角度测量实验并给出若干个实验参数条件下分别得到的角度测量结果。实验结果表明,实验参数优化后,角度测量误差大幅减少;在最优情况下,比未优化方法的测量精度提升了一个数量级,可达10-5 rad,证明了提出的实验参数优化方法和反射体旋转方向判别方法的有效性。实验结果还显示,使用提出的方法在提高测量范围的同时仍能进行高精度的角度测量,从而进一步拓宽了基于反射体旋转引起的激光自混合干涉效应的应用范围。     

点激光测头激光束方向标定

为了使点激光测头能在任意方向上实现测量功能,提出一种逆向工程中标定激光束方向的方法,设计了一种标定面方向可调的标定块配合标定。标定过程中,让激光测头在标定面上分别沿X、Y、Z3个轴方向做等间距运动,根据进给步长与激光束长度变化量之间的关系确定激光束的方向。以三坐标测量机为平台,给出了以任意方向安置点激光测头时,测量值从传感器坐标系到基准坐标系的转换过程,并对标定算法及整个标定过程进行了详细描述。最后,通过与接触式测量进行对比实验,验证标定后点激光测头的测量效果。实验结果表明,用该方法标定的点激光测头在3σ范围内沿任意方向的测量误差为(0.0452±0.0168)mm,满足逆向工程的测量要求。     

一种激光束形参数简便测试方法

在以激光作为测试光源的高精度测试装置中,激光器实际输出的束形参数值与其标称值的偏离会直接传递并影响到后续测试结果的准确度。提出一种基于CCD的多点测试方法,此方法在不降低测量精度的条件下可实现激光束形参数的简便测试。在搭建的测试装置上实现了633nm He-Ne激光器束腰半径、远场发散角和M2质量因子的测量,可以方便地评价激光光束质量。将束形参数简便测试方法的结果与法国Phasics公司的SID4波前探测器的测量结果进行了比对,结果表明,激光束形参数简便测试方法不仅能用于激光束形参数的简便检测,而且具有较高的精度。     

基于线结构光的盾尾间隙测量方法研究

针对现有盾构施工中盾尾间隙难以实时精确测量的问题,本文提出了一种基于线结构光的盾尾间隙自动测量方法。该方法首先利用线激光器在管片和盾壳之间投射出一道窄线型指示激光并通过工业相机实时采集线激光器投射在盾壳和管片之间的线激光图像,然后通过图像处理对图像目标特征进行识别并根据单目视觉成像原理和线结构光坐标测量算法提取盾尾间隙端点坐标,进而实现盾尾间隙值的精确解算。实验结果表明,本文所提出方法的重复性测量精度优于0.3 mm,绝对测量精度优于1.7 mm。该方法可以实现相机纵深方向0.2～1.9 m范围内盾尾间隙的实时精确测量,满足城市地铁隧道施工应用需求。     

基于液晶的激光偏振测量系统研究

主要研究基于液晶的激光偏振测量系统,利用液晶可变相位延迟器(LCVR)代替传统测量技术中的旋转波片,改变所加的电压值控制液晶双折射系数,对入射光的偏振状态进行精确控制.通过偏振光调制法测量斯托克斯(Stokes)参量,从而实时、准确地测量激光的偏振特性.同时,利用虚拟仪器LabVIEW软件平台实现系统的数据分析、处理、界面显示和打印输出功能的一体化.研究表明:该方法能够准确地测量光束的偏振特性,能够服务于从科研实验室到工业生产过程的各类应用领域,具有广阔的应用前景.     

激光跟踪仪测角误差补偿

由于激光跟踪仪的角度测量精度直接影响仪器的测量精度,本文提出了用自准直仪结合多面棱体对跟踪仪金属圆光栅测角误差进行离散标定的方法。研究了基于谐波分析的误差补偿方法,取金属柱面圆光栅测角误差中幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立了补偿模型,避免了最小二乘法不收敛的问题。分析了标定测角误差的不确定度,结果显示：水平测角精度补偿前后分别为1.60"和0.90",俯仰测角精度补偿前后分别为4.89"和0.91",精度分别提高了44%和81%,从角秒级提高到了亚角秒级。结果表明,提出的方法可为激光跟踪仪水平和俯仰轴系提供测角误差补偿,对类似测角系统的误差补偿也有参考价值。     

正交调制降频相位式激光测距

为了提高激光测距的精度与稳定性,通过改良传统相位激光测距仪,设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路,通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制,接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频,降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移,分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度,最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试,实验结果表明,在60m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5mm以内,测距量程内标准差保持在0.9mm以内。