用于三维测量的激光并行测距技术的研究

论文摘要

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。目前,三维测量方法多种多样,但没有一种可以同时满足测量范围大、测量精度高、速度快等要求。本文提出的激光并行测距式三维测量技术每次可以同时测量物体表面多个点,测量速度快,且能保证测距精度在毫米级,配合机械装置的扫描运动,可以完成高速高精度、大尺寸三维测量,另外具有无接触测量,受遮挡影响小等优点,具有很好的应用前景。激光测距式三维测量系统是通过快速逐点测距、测角获取测量物体上各点三维坐标的,其主要组成是测角、测距以及扫描控制系统。本文针对其关键部件并行测距传感系统进行重点研究,设计了正弦波调制式激光并行测距系统。设计的思路是采用DDS技术产生多路调制信号,各路调制信号之间的频差为△f(几kHz),它们分别驱动多个激光器产生多路激光,经过准直校正的多路调制激光照射到目标表面后,返回光到达同一APD接收器,转换成相应的电压信号,通过混频将高频的测量信号转化成易于测量的低频信号,再由数字信号处理器(DSP)控制高速A/D转换器件同时采集参考信号与测距信号,采样数据送入DSP鉴相处理,由快速傅里叶(FFT)算法分别求出各路调制信号在被测距离上往返所产生的相位差,并且针对噪声、信号间干扰等不可避免因素造成的鉴相精度降低现象,采用了基于全相位FFT的频谱校正法,极大地提高了鉴相精度。然后由相位差可以测定激光的往返时间,进一步计算出各点距离。这种并行鉴相测长的方法充分利用了调制信号的频带和DSP高速强大的数字检相功能,可实现多路激光并行鉴相测长,极大的提高了测长的速度和效率。初步实验和仿真结果表明该系统的技术途径是可行的,达到了预期效果,为开发具有实际应用功能的三维测量系统打下坚实的技术基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 三维测量技术
• 1.2.1 三维测量方法概述
• 1.2.2 光学三维测量方法
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 基于激光测距的三维测量系统
• 2.1 测量系统的组成
• 2.2 系统测量原理
• 2.3 激光测距原理
• 2.3.1 基本原理
• 2.3.2 测尺组合频率的选择方法
• 2.3.3 差频测相
• 第3章 激光并行测距系统硬件设计
• 3.1 激光并行测距总体设计
• 3.2 激光调制发射电路
• 3.2.1 半导体激光器特性及选择
• 3.2.2 激光调制原理
• 3.2.3 激光调制器设计
• 3.3 激光接收电路
• 3.3.1 光电探测器原理
• 3.3.2 APD探测器选择
• 3.3.3 APD接收电路的硬件实现
• 3.4 混频电路
• 3.4.1 混频原理
• 3.4.2 混频电路的实现
• 3.5 DSP实现的部分硬件电路
• 3.5.1 DSP芯片选择
• 3.5.2 DDS频率合成器的DSP实现
• 3.5.3 数据采集
• 3.5.4 数据显示
• 3.5.5 在线烧写FLASH
• 3.6 本章小结
• 第4章 并行测距系统的软件设计
• 4.1 系统软件框图
• 4.2 主要算法的仿真与实现
• 4.2.1 快速傅里叶变换原理
• 4.2.2 鉴相原理
• 4.2.3 DSP数字鉴相的实现
• 4.3 基于全相位FFT谱分析的相位校正
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 全相位输入数据分析
• 4.3.3 全相位FFT测相原理
• 4.3.4 实验仿真
• 第5章 系统误差分析
• 5.1 测距系统误差
• 5.1.1 相位不均匀性误差
• 5.1.2 幅相误差
• 5.1.3 测相原理性误差
• 5.1.4 电子线路的交叉干扰
• 5.2 测角误差
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历