线焦斑照明激光三角测量仪的研究

发布时间：2020-06-30 23:25

【摘要】：激光三角测量技术以其众多显著优点已经成为应用最广泛的光学测量技术之一。为了适应科学研究和工业生产对激光三角测量提出的越来越高的精度要求,有必要对激光三角测量技术中限制其精度的因素进行研究。因此本文为了抑制激光三角测量中的激光散斑噪声,提出了线焦斑照明激光三角测距的方法和分波面移像激光三角测距的方法。主要研究内容如下:(1)介绍了激光三角测距基本原理,并推导了测量不确定度与成像光斑定位不确定度的关系;解释了产生激光散斑噪声的基本原理,并推导激光三角测距测量不确定度的表达式;提出了线焦斑照明激光三角测距抑制激光散斑噪声的方法;对成像光斑定位不确定度进行了仿真和实验,分别通过理论和实验验证了激光散斑噪声对成像光斑定位不确定度的影响,线焦斑照明具有抑制激光散斑噪声的作用,以及系统参数对激光散斑噪声的影响。(2)对线焦斑照明激光三角测距系统进行了设计,主要包括光学系统、系统结构和软件算法。光学系统的设计包括照明线焦斑的景深和长度、成像镜头和图像传感器的选择以及光学系统的整体设计;系统结构设计方面,为了适应不同的需求,设计了三套系统结构;软件算法方面,提出了基于成像光斑形状的灰度质心算法,从而提高了线焦斑抑制激光散斑噪声的效果。(3)对研制的线焦斑照明激光三角测距系统进行了相关性能实验,主要包括系统标定、量程扫描实验以及被测表面影响实验。系统标定实验采用了多项式拟合的方法,并取得了较好的效果;量程扫描实验证明了本系统的测量不确定度达到了设计要求;被测表面影响实验证明测量不确定度除了受被测表面粗糙度的影响,还受被测表面光响应特性的不均匀性影响。(4)为了在不牺牲更大的横向分辨率的情况下,进一步抑制激光散斑噪声,本文又提出了分波面移像激光三角测距的方法。介绍了分波面移像抑制散斑噪声的原理,并讨论了各个成像光斑的统计性质对激光散斑噪声抑制效果的影响;给出了本文实现分波面移像的方法,并根据成像光斑的统计性质,提出了分波面移像中归一化平均求成像光斑定位坐标的方法,进一步降低了成像光斑的定位不确定度;最后通过实验对各种方法抑制激光散斑噪声的效果进行对比。实验结果证明了分波面移像有比单一线焦斑照明更好的散斑噪声抑制效果,而单一线焦斑照明有比单一点焦斑照明更好的散斑噪声抑制效果。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH744.5

【参考文献】

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本文编号：2735967