新型旋转激光扫描系统轴系调整与误差标定

旋转激光扫描系统是一种基于精密转台结合多路激光的空间多目标并行角度传感系统。为改善系统光源性能,设计了一种采用光纤从外部导入光源的新型轴系结构。但是当激光以一定角度穿过中空的转轴进入镜组后,若倾斜入射柱镜,将导致出射的扫描光面型发生变化。针对此问题,研究了一种基于平行线的传递性的激光光轴姿态的调整方法,并借助激光跟踪仪测量平台,分别对光轴与转轴轴系进行拟合,建立了对光轴倾斜误差的标定方法。实验结果表明,调整后光轴与转轴轴线的空间夹角优于0.15°,完全满足扫描光截面中心直线度对激光入射柱镜的角度要求。该调整方案可用于系统的装配环节,使扫描光更加接近理想平面,有助于系统测量精度的提升。

高功率激光辐照下光学天线的像质研究

离轴两反光学天线在高功率激光系统中起到改变光束直径的作用,而高功率激光加载下所产生的热效应使光学天线的像质劣化,严重影响高功率激光系统的性能。为量化其影响效果,建立了离轴两反光学天线的有限元分析模型,模拟高功率激光作用环境,完成了激光加载下的瞬态热分析以及静力学分析,并得到离轴两反光学天线激光加载时间对波前劣化的影响关系。使用齐次坐标变换的方法求解离轴主次镜的刚体位移,具体分析了各项刚体位移随加载时间的变化情况。通过Zernike多项式拟合的方法完成了镜面的波面拟合,将拟合结果导入ZEMAX中,最终得到了该光学天线在平均功率为1 000 W,重频为0.2 Hz,入光直径为30 mm的激光加载300 s下的波前均方差为0.064 6λ。为了进一步验证模型的准确性,使用较低功率(10 W)激光进行原理等效实验,结果表明光学天线在激光加载下实际波像差与模型仿真结果基本相符,偏差小于7.93%,该方法可以有效评价离轴两反天线在高功率激光加载下的像质劣化情况。

基于笼屉结构的机载高能激光系统光学中舱温度适应性研究

相较于车载、舰载设备,机载设备受体积及工作环境的限制,发展较为缓慢。针对机载设备的轻小型化要求,系统采用“光路堆叠”思想,提出笼屉式分层结构,实现了系统体积的要求。因光学中舱中包含精跟踪及主激光支路,温度变化时各支路间的光轴一致性难以保证,导致跟踪目标发生偏移,主激光支路无法对目标进行精确打击,严重影响系统的工作。为解决上述问题,对光学中舱进行有限元仿真分析,研究光学中舱在20±5℃情况下各镜片的变形。对镜片变形中影响光轴偏折的刚体位移进行提取计算,计算出单个镜片的偏转角度。根据反射棱镜安装误差理论对各支路间的光轴偏移量进行计算,分析精跟踪支路与主激光支路光轴一致性偏差。经过仿真分析,系统精跟踪支路与主激光支路光轴方位偏差为109.634μrad,俯仰偏差为132.952μrad。在实验室中进行25℃温度实验,结果表明,系统精跟踪支路与主激光支路光轴方位偏差为104.019μrad,俯仰偏差为125.009μrad,与仿真结果误差分别为5.40%、6.35%,验证了仿真结果的合理性。

大视场白光干涉测量系统及性能研究

基于国产化的2倍迈克尔逊型干涉物镜组,优选配置0.5倍适配镜,对白光LED照明光源进行带通滤波参数的仿真估算和实验性能比较,构建了整套大视场白光干涉精密测量装置系统并进行了实验测试,通过白光干涉轴向响应实验曲线确定了中心波长。实验结果表明:通过光谱滤波获得了较为理想的白光干涉轴向响应曲线;系统的水平最大视场达到了14 mm;高度为2.04μm和20.43μm的标准台阶样品的测量结果分别为2.05μm和20.47μm,10次测量重复精度(标准差)分别为12 nm和16 nm。对粗糙度样板、微机电系统传感结构和半导体晶圆膜层进行了实测,表明所研制的系统装置在三维光学无损精密检测领域的应用具有可行性。

一种应用于大尺寸测量系统的坐标系自动标定方法

针对现有方法在标定过程中过于繁琐的问题,提出了一种应用于大尺寸测量系统的坐标系全自动标定方法。该方法通过固定两个在测量单元局部坐标系已知坐标的测量节点作为标记靶,测量单元之间相互测量彼此的标记靶获得标记靶上的测量点在不同坐标系下的坐标值,利用这些坐标值建立三维几何约束,从而自动标定不同坐标系之间的坐标转换关系。借助于精密激光定位系统平台进行实验验证,结果表明,所提方法可以实现测量单元局部坐标系之间的自动标定,降低了坐标系标定过程中的人工成本。在距离测量单元布站区域约2 m,大小为5 000 mm×5 000 mm×500 mm的测量空间中长度测量的精度在0.46 mm/m以内,测试点三维坐标测量的标准偏差在0.026 mm以内,可以满足绝大部分工业测量的需求。该方法极大的提高了系统的标定效率,有望为具有自动标定功能的大尺寸测量设备的产品化提供新的理论基础。

特征自适应的复杂曲面扫描路径生成方法

为了解决现有自动化扫描方法在面对复杂曲面时扫描完整性不足、普适性不佳等问题,提出了一种特征自适应的自动化扫描路径规划方法。首先,构建了激光扫描仪的扫描约束条件,分析其对扫描精度的影响,为特征自适应的复杂扫描路径规划提供理论支撑。其次,针对扫描仪姿态规划问题,提出了一种新的测量倾角约束聚类算法,对离散复杂曲面后获得的采样点进行聚类处理,实现扫描仪姿态的规划,并在此基础上获得扫描路径点。再次,针对扫描路径规划问题,引入法向矢量夹角矩阵作为惩罚矩阵,优化改进最近邻算法,实现符合需求的扫描路径规划。最后,为验证该方法可行有效,以汽车车门作为扫描对象,搭建了一个组合式自动化柔性测量系统,与传统行切扫描方法、手动扫描方法进行对比试验。试验结果表明,该方法相较于行切扫描方法在扫描仪姿态变换次数上减少了54%,测量精度提高了64.5%,降低了人工干预因素的影响,扫描完整性与手动扫描方法接近,可以实现针对复杂曲面的自动化扫描测量。

基于“十字”标志物的红外图像与三维点云融合方法

红外热成像技术广泛应用于多个领域,建立含有空间和温度信息的三维温度场模型具有十分重要的意义,可以将该技术扩展到更多应用领域.为此,本文提出一种异源空间数据融合方法,融合红外图像和三维点云,得到三维温度场模型.针对红外相机与可见光相机成像原理存在差异,难以通过常用标定板进行内参标定的问题,基于红外相机成像特性设计并制作镂空圆孔标定板用于内参标定,所得内参平均重投影误差为0.03像素.针对红外相机与结构光相机的成像原理不同,现有标志物制作复杂、外参精度低的问题,基于不同材料的辐射度差异,设计制作“十字”标志物并将其用于联合标定.为解决同名特征点难以识别的问题,针对红外图像和三维点云分别设计了同名特征点提取方法,配合“十字”标志物进行同名特征点提取.红外图像和三维点云特征点提取方法的检测重复率分别为75%和92%,与传统方法相比两者的检测重复率均有所提升.利用该方法建立纸杯、工件和人脸的三维温度场模型.实验结果表明,使用镂空圆孔标定板能实现红外相机的内参标定,对“十字”标志物采用同名特征点提取方法能完成红外相机与结构光相机的联合标定.最终所得三维温度场模型的平均重投影误差为1.70像素,与现有方法相比模型精度有所提升.

基于应变增敏的双层十字型FBG触觉感知单元

触觉感知是仿生智能感知的重要内容,为了提高光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)触觉感知灵敏度,结合机器手指尖触觉感知需求,提出了一种应变增敏的FBG触觉感知单元。基于应变增敏机理和触觉感知机理分析,设计了一种基于应变增敏的双层十字型FBG触觉感知单元,采用刚性球型多点增压结构进行应变增敏。利用仿真分析方法优化了FBG空间分布,并对感知单元进行了静力学和热力学仿真。最后搭建了触觉感知实验平台,结合机器手完成了温度-力触觉协同感知实验。仿真和实验结果表明,FBG1和FBG2的力触觉感知灵敏度分别为18.069 nm/MPa和1.065 nm/MPa,温度感知灵敏度为11.256 pm/℃和11.153 pm/℃。该触觉感知单元有效提高了触觉感知灵敏度,具有良好的线性度和重复性。

透明物体非侵入式三维重建方法综述(特邀)

玻璃、透镜以及显示屏等透明物体在各个领域有着大量需求和应用,需要快速、精确和完整地对它们进行三维重建,从而客观描述物体形态、检测表面质量和保障元器件功能。但由于透明物体表面的镜面反射和折射特性,传统的三维重建方法并不适合直接应用于其三维形貌测量。为此,概述了透明物体的非侵入式三维重建方法,从基于反射光重建和基于透射光重建两个方面展开,回顾了近年来的主要研究工作。然后,详细比较了各种技术的优缺点及其适用情况,使用者们可以根据不同应用需求和测量条件选择合适的透明物体重建方案。最后,展望了该领域未来的研究方向,希望能为研究人员在完善现有方法或探索新方法时提供参考和思路。

基于FBG的机器手指尖触觉感知研究

为了提高机器手指尖触觉感知灵敏度和精度,基于机器手指尖触觉感知机理分析,设计了特征分离式双层“十字”型FBG触觉感知单元,并进行了有限元仿真分析,针对感知单元开展了标定实验和抓握感知实验。基于接触温度和抓握力复合感知进行了耦合分析,提出了基于鲸鱼优化算法优化BP神经网络(WOA-BPNN)的解耦方法。实验结果表明:FBG感知单元的接触温度灵敏度为11.255 pm/℃,抓握力灵敏度为17.342 nm/MPa;WOA-BP解耦模型的接触温度平均绝对误差减小了72.53%,抓握力平均绝对误差减小了68.55%。

基于L型轮辐结构膜片的窄频光纤F-P声波传感器研究

光纤声传感器被广泛应用在工业、医疗等领域。为了提高光纤F-P声传感器的性能,本文提出了一种L型轮辐结构的F-P传感膜片。膜片的厚度为15μm、梁宽度为0.5 mm、中心膜片的半径为1 mm。膜片由激光加工技术在304不锈钢上刻蚀而成。实验对1000 Hz下的传感器灵敏度进行研究,将传感器应用于光声池共振频率为1600 Hz的光声光谱气体检测系统中,并实现对50~100×10^(-6)的乙炔(C_(2)H_(2))气体浓度测量。实验结果表明,该传感器在1000 Hz下的声压灵敏度为25.4 nm/Pa,传感器可实现的最小可探测声压(MDP)为38.2μPa/Hz^(1/2)@1 kHz,声压信噪比为76.8 dB。实验所得到的光声光谱二次谐波信号的峰值与乙炔浓度呈现良好的线性关系,乙炔浓度的响应度为1.8 pm/10^(-6)。该传感器在光声光谱等单频声信号检测领域具有广泛的应用前景。

光笔视觉测量系统的精确测量研究

光笔视觉测量系统是以光笔为接触式辅助测量工具的一种便携式坐标测量系统,具有便携性好、测量范围大、精度高等优点。但在接触式测量过程中,记录的是测头中心坐标,需要对测头进行半径补偿。结合光笔式测量系统,提出一种针对散乱点云进行半径补偿的可行性方法。利用点云的网格化处理,寻找散乱点云中点的拓扑关系,得到局部点云的矩形拓扑网格。使用拓扑网格点进行NURBS曲面插值拟合,得到网格中心点的法向量。实验表明,该方法求得的法向量误差角度在0.5°左右,测头半径为2.5mm情况下,测量误差在0.030mm以下。

基于改进U-Net网络的相位解包裹技术研究

提出了一种结合深度学习的空间相位解包裹方法,采用基于改进U-Net网络的编码器-解码器架构,同时加入包含双向长短期记忆网络(BILSTM)的CBiLSTM模块,并且结合注意力机制,避免了典型卷积神经网络学习全局空间依赖关系的固有缺陷的同时增强了深度学习模型对相位解包裹任务中的关键信息的关注能力。通过大量的模拟数据,验证了文中方法在严重噪声(SNR=0)、不连续条件和混叠条件下的鲁棒性,在以上三种情况下,同其他深度学习网络模型进行对比,文中所提出的网络模型的归一化均方根误差(NRMSE)分别为0.75%、1.81%和1.68%;结构相似性指数(SSIM)分别为0.98、0.92和0.94;峰值信噪比(PSNR)分别为40.87、32.56、37.38;同时计算时间显著减少,适合应用到需要快速准确的空间相位解包裹任务中去。通过实际测量数据,验证了文中提出网络模型的可行性。该研究将双向长短期记忆网络(BILSTM)和注意力机制同时引入光学相位解包裹问题中,为解决复杂相位场的解包裹提供了新的思路和方案。

高动态范围条纹结构光在机检测技术及应用进展

条纹结构光技术是近年来发展迅速的非接触式测量方法,为机械加工在机检测提供了新的解决方案。由于加工环境光线复杂且金属零件本身具有高反光的特性,造成结构光在机检测的精度降低。将高动态范围(High Dynamic Range,HDR)技术应用于结构光检测中,可抑制高反光的影响,实现金属零件在复杂场景的测量。本文首先介绍了结构光测量原理,总结出HDR结构光在机检测面临的难点;其次,对HDR结构光技术进行了全面综述,以机械加工在机检测为背景,对基于硬件设备的HDR技术和基于条纹算法的HDR技术分别进行了归纳分析;然后,根据在机检测的条件需求,对各类技术进行总结,并比较不同方法的优缺点和在机检测的适用性;最后,结合近年来先进制造技术和精密测量的研究热点,对潜在应用进行分析,提出技术展望。

基于Hilbert变换的条纹-灰度线性投影三维测量

针对传统的条纹投影测量中绝对相位求解方法存在投影图像数量较多以及算法复杂程度高的问题,提出了一种基于Hilbert变换的条纹-灰度线性投影策略及相位求解方法,该方法仅使用3幅投影图像——1幅高频条纹图和2幅灰度线性变化图,通过Hilbert变换求得包裹相位,采用灰度线性变化图像得到基础相位,联立包裹相位和基础相位可得到条纹级数,进而得到绝对相位。通过构建的主动双目系统得到的三维重构结果发现,该方法可以有效恢复被测物体的三维形状,测量精度可达0.1 mm。

基于多模干涉的光纤冰体应变传感器

基于“单模-无芯-单模”光纤传感器对冰体进行应变测量研究。传感器以“分层冰冻”的方法植入冰体,冰体应变变化导致传感器干涉光谱波长偏移,通过监测光谱波长实现冰体应变测量。对于实际环境中已经存在的冰体,对“分层冰冻”方法进行优化,通过在冰面上铺设光纤,之后注水冰冻的方式,实现光纤在已有冰体中的植入。利用光谱相邻波谷温度灵敏度相近的特点,将相邻波谷波长差应用于应变测量,可以不受冰体温度变化影响。实验结果显示,冰体承载力大于500 g时,其应变显著增加,当承载力大于600 g时,冰体出现脆性断裂,传感器有效提取了该区间内冰体“韧-脆”转变过程中的应变信号。融化实验显示,传感器可以监测到冰体自然融化过程中完整的应变变化过程,测量结果不受冰体内部温度变化的影响。

基于彩色正交条纹的串扰与色差补偿方法

提出一种基于彩色正交条纹逐像素校正串扰及色差的方法。通过投影正交彩色条纹图,建立串扰系数与平均光强、背景光强的数学模型及不同光通道间的像素匹配关系,完成串扰的消除及通道间色差的校正。对提出的方法进行实验,结果表明所提方法使得测量标准台阶的测量误差从未补偿时的0.647 mm降低为0.031 mm。与传统的串扰和色差补偿方法相比,本文所提方法的测量精度提高了0.014 mm,且所需采集的条纹图的数量减少为原来的一半,能够有效地提高条纹投影技术的测量效率及测量精度。

基于离焦二值显示和条纹投影的复合表面三维测量方法

由于复合表面物体中漫反射部分和镜面部分反射性质不同,受到相机景深的限制,镜面成像的正弦条纹发生离焦,从而引起相位误差。为了实现复合表面物体的高效、高精度测量,本文提出了一种离焦二值结合正弦条纹的复合表面三维形貌测量方法。首先,本文基于刃边法与二次模糊法对系统离焦程度进行分区标定,解决了由于相机倾斜放置导致参考面离焦程度不同的问题。然后,建立二值条纹相位误差模型,确定最佳条纹宽度和离焦量范围。最后,对轻微离焦区域的二值条纹进行离焦补偿,确保相机采集的条纹均在最佳离焦范围内。在此基础上进行三维形貌测量。实验结果表明,所提方法使镜面部分误差从原来的0.033 mm降至0.019 mm,提高了复合表面测量精度。

基于三通道并行的高反光物体三维形貌测量

传统条纹投影技术测量高反光物体时因过度曝光导致相机失真,而常用的多重曝光时间法采集图像数量过多、耗时过长,为此提出了一种基于三通道并行的条纹投影强度预测与图像融合的方法。该方法根据被测物体的光强直方图分布计算条纹最佳投影光强比例关系,投影对应的红绿蓝条纹。利用彩色相机在多光通道下对投影条纹的不同响应,分离对应条纹图像并选择其中不饱和并且调制度最大的像素生成各自通道的图像掩膜,根据三通道下的掩膜图像和条纹图像合成高动态范围条纹图。通过相位解算与系统标定,最终恢复出高反光金属平面与球面零件的三维形貌。实验结果表明,该方法测量误差减小至传统方法的61.2%,同样采集12张条纹图像,仅增加1张预投影图像,提高系统适应性的同时也提升了测量精度。

面向多传感系统协同测量场的站位规划方法

针对大型构件多传感系统协同测量中各系统测量可达性模型多样化、多系统测量精度不均衡而导致的组合式测量站位设置多依赖测量人员经验以及需要不断尝试获取合适站位的问题,提出一种多传感系统协同测量场的站位规划方法。首先,考虑工装遮挡问题,对协同测量场中的组合式测量可达性模型进行优化,建立基于?鱼优化算法的有工装站位初值求解模型,解算组合式测量系统各测量站位初始值;其次,建立协同测量精度模型,以测量精度最佳为约束条件,建立观测值的加权均方根误差和矢量角度测量误差的优化目标函数,基于牛顿迭代算法不断迭代和更新到最佳精度站位坐标;最后,以某目标模拟器满足位置、姿态初始装调精度需求为例,进行组合式协同测量站位规划实验,优化后测量数据均方根误差为0.032 mm,相较于优化前测量规划位置测量精度提高34%,角度测量精度提高9.5%。该方法可有效地提高测量精度及可视化效果,为大型构件测量领域的进一步研究提供理论及应用参考。