光学三维测量技术与应用

　　[摘要]光学三维测量技术是一种可视化的测量技术，能完成复杂形体的点、面、形的三维测量，能实现非接触测量，在制造业和航空航天领域得到广泛应用。航空三维激光扫描�c摄影测量技术利用激光测距原理和航空摄影测量原理，与基于全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）的机载定位定向系统（POS）联接，可以快速获取大面积地球表面三维数据。本文对光学三维测量技术和航空三维激光扫描技术做一简单介绍，给出三维激光扫描技术在航空航天领域的几个应用。

　　[关键词]光学三维测量；激光扫描；激光测距

　　中图分类号：G622.4文献标识码：A文章编号：1009-914X（2018）48-0236-01

　　光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着经济的发展和科技的进步，光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用，其中三维激光扫描技术发展的最为成熟，应用也最为广泛。本文先就光学三维测量的基本原理做一简单介绍，然后对三维激光扫描技术特别是航空激光扫描技术做一探讨，最后给出激光扫描技术在航空航天方面的一些应用。

　　一、航空三维激光扫描

　　三维激光扫描系统按照扫描平台的不同可以分为：航空激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。便携式激光扫描系统一般以三角测量原理为基础，通过扫描物体获取物体的外形数据。航空激光扫描系统一般采用激光测距原理，辅以扫描系统获取所需的三维信息，系统主要由激光测距系统、光电扫描仪及控制处理系统等组成。

　　（一）航空三维激光扫描

　　航空三维激光扫描与摄影测量技术是将三维激光扫描仪和航空摄像机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术[8，9]。通过基于全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）的机载定位定向系统（POS）联接，构成当今世界上摄影测量与遥感领域最先进的LIDAR（LishtDetectionandRanger）对地观测系统。

　　航空三维激光扫描系统一般由四个子系统组成：激光雷达发射接收系统，定位系统，数据获取、控制、显示系统，基于地面的数据处理系统。激光雷达发射接收系统将激光沿待测目标一个特定方向进行扫描，接收系统接收反射或散射回来的光信号，再将其数字化并记录下来供脱机使用。系统的扫描角度，飞机位置和姿态角及其他参数都可以记录下来以便以后使用。

　　定位子系统以很高的精确性确定飞机在整个测量任务间的绝对位置和高度，以便于精确确定测深位置。大多采用GPS定位技术。

　　数据的获取、控制、显示大都由飞机上的电脑来完成，能够处理有关测量的各个方面，包括飞行路线的管理、飞行员的核对位置、录像的注解、数据的收集和记录、系统的整体检查以及实时计算测深的位置和近似深度。

　　基于地面的处理系统把从航空系统获得的原始数据转换成XYZ格式的产品数据，以适用于进一步的地理数据处理、分析和解译。

　　二、激光测距原理

　　用的激光测距法有脉冲法和相位法、脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光脉冲信号，经待测物体表

　　目前，脉冲激光测距方法已获得广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪，以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。

　　脉冲激光测距系统的分辨率决定于计数脉冲的频率。由于激光光速很快，计时基准脉冲和计数器频率的高低直接影响着所获得的测距精度。脉冲测距精度可以表示为

　　c是光速。c的精度主要依赖于大气折射率n的测定，由n值测定误差而带来的误差约为10-6，因此对于短距离脉冲激光测距仪（几至几十公里）来说，测距精度主要决定于Δt的大小。影响Δt的因素很多，如激光脉宽、反射器和接收光学系统对激光脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号响应延迟等。

　　相位激光测距一般应用于精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置被称为合作目标的反射镜。相位测距的方法是通过对光的强度进行调制实现的。从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量，经过计算后可以得到距离信息。由于需要合作目标，限制这种方法的具体应用。

　　三、三维测量技术概述

　　三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。

　　（一）接触式测量

　　物体三维接触式测量的典型代表是三坐标测量机（CMM，CoordinateMeasuringMachine）。它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。

　　三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：⑴灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；⑵测量精度高且可靠；⑶可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。缺点是测量速度慢，对环境要求较高。

　　（二）非接触测量法

　　非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量，图1给出非接触式三维测量技术中常用的三种电磁波谱和主要的测量技术常用的非接触式三维测量波谱微波适合于大尺度三维测量领域，采用三角测量原理（如全球定位系统，globalpositioningsystem，简称GPS）或者利用飞行时间法（Time-of-flight，简称TOF，如传统的雷达技术）获取物体的三维信息。由于微波波长较长，衍射形成的爱里斑（AiryPattern）半径较大，角度分辨率低，不能满足工业制造技术的要求，常用于航空航天领域。超声波受到波长的限制，分辨率也不高，但由于可以穿透介质，可以实现零件材料内部的三维无损检测探伤，在工业检测领域得到广泛的应用，但由于需要耦合介质，限制超声探伤的应用范围。

　　与微波和超声波相比，光波波长短，在300nm（紫外）到3μm（红外）范围内的光学三维传感器的角度分辨率和深度分辨率比微波和超声波高103到104数量级，主要通过三角法或者飞行时间法获得物体的深度信息，在三维测量领域运用的最多。1.2.2常用的光学三维测量基本原理常用的光学三维测量基本原理有3种：飞行时间法、干涉法和三角法（见图1）。（1）飞行时间法：飞行时间法是基于三维面形对结构光束产生的时间调制，一般采用激光，通过测量光波的飞行时间来获得距离信息，结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据。飞行时间法以对信号检测的时间分辨率来换取距离测量精度，要得到高的测量精度，测量系统必须要有极高的时间分辨率，常用于大尺度远距离的测量。（2）干涉法：干涉测量是将一束相干光通过分光系统分成测量光和参考光，利用测量光波与参考光波的相干叠加来确定两束光之间的相位差，从而获得物体表面的深度信息。这种方法测量精度高，但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表面的形貌和微小位移，不适于大尺度物体的检测。（3）光学三角测量法：光学三角法是最常用的一种光学三维测量技术，以传统的三角测量为基础，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。根据具体照明方式的不同，光学三角法可分为两大类：被动三角法和基于结构光的主动三角法。双目视觉是典型的被动三维测量技术，它的优点在于其适应性强，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息，缺点是需要大量的相关匹配运算以及较为复杂的空间几何参数的校准等问题，测量精度低，计算量较大，不适于精密计量，常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合，在航空领域应用较多主动三维测量技据三维面形对于结构光场的调制方式不同，可分为时间调制和空间调制两大类。飞行时间法是典型的时间调制方法激光逐点扫描法、光切法和光栅投射法是典型的空间调制方法。及位形分析等场合，在航空领域应用较多主动三维测量技术根据三维面形对于结构光场的调制方式不同，可分为时间调制和空间调制两大类。飞行时间法是典型的时间调制方法激光逐点扫描法、光切法和光栅投射法是典型的空间调制方法。本文来自《光学技术》杂志