激光三角測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用與前景

南卓江，陶 衛(wèi)，趙 輝

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)科學(xué)研究的突破、材料加工水平的提高以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的應(yīng)用改變了人們的生活。近年來，人工智能技術(shù)的飛躍，促使工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、物流、軍事以及社會(huì)服務(wù)等諸多領(lǐng)域不斷走向自動(dòng)化與智能化。精準(zhǔn)的信息感知是自動(dòng)化與智能化的前提和基礎(chǔ)，其對(duì)精密測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求。其中，接觸式測(cè)量由于操作復(fù)雜、易產(chǎn)生形變誤差、耐久性差等原因，無法滿足一些測(cè)量場(chǎng)景的需求，逐漸被非接觸式測(cè)量方法替代。

激光具有單向性好、亮度高、能量集中且穩(wěn)定的特性，被廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量領(lǐng)域?；诩す獾姆墙佑|測(cè)量方法有干涉法[1-2]、脈沖法[3-4]、相位法[5-6]和三角法。干涉法利用反射條紋的明暗變化測(cè)量距離，精度高(可達(dá)nm量級(jí))，但僅適用于微距離測(cè)量。脈沖法對(duì)測(cè)時(shí)技術(shù)及電子元器件要求較高，且測(cè)量誤差較大(精度m級(jí))，僅適用于大場(chǎng)景測(cè)量。相位法利用激光往返相位差計(jì)算測(cè)量距離，適用于中距離測(cè)量(精度mm級(jí))。相較而言，三角法具有測(cè)量速度快、精度高(μm級(jí))、穩(wěn)定性好、成本低的特點(diǎn)，目前可以實(shí)現(xiàn)中、短距離的測(cè)量，應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛。

本文重點(diǎn)圍繞激光三角測(cè)量方法在不同場(chǎng)景的應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)研。首先，介紹激光三角測(cè)量法的原理及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)；接著，詳述激光三角測(cè)量法在高精度、高速度、復(fù)雜物面及環(huán)境下的測(cè)量應(yīng)用；最后，結(jié)合激光三角測(cè)量技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及科技發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要剖析激光三角測(cè)量法的應(yīng)用前景?；趯?duì)激光三角測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用與前景調(diào)研總結(jié)，為研究人員或工程人員在實(shí)際應(yīng)用中選擇合理的方法提供參考。這將有助于明確激光三角測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展方向。

1 激光三角測(cè)量技術(shù)原理

激光三角測(cè)量技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 激光三角測(cè)量技術(shù)原理圖

由圖1可知：將點(diǎn)激光或線激光投射到被測(cè)物表面，經(jīng)過發(fā)射鏡組調(diào)制后，在物體表面形成具有一定大小和形狀的光斑或激光條紋；接收鏡組將激光光斑或條紋成像到光電成像器件上，采用相關(guān)圖像處理技術(shù)得到光斑像素中心或條紋中心線；將被測(cè)目標(biāo)的位移或形狀變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娞綔y(cè)器上成像點(diǎn)(線)的位置變化，通過幾何三角關(guān)系可以準(zhǔn)確計(jì)算出一維位移、二維輪廓或三維表面形貌[7-8]。

光源和成像器件是激光三角測(cè)量中兩個(gè)主要光電器件。考慮到成本、質(zhì)量以及連續(xù)發(fā)光等要求，現(xiàn)有激光三角測(cè)量系統(tǒng)主要以半導(dǎo)體激光二極管作為光源。常用成像器件有光電位置傳感器(position sensitive detector，PSD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)和電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)。PSO、CMOS和CCD性能比較如表1所示。現(xiàn)階段主要以CMOS和CCD為主。

表1 PSD、CMOS和CCD性能比較

2 激光三角測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

激光三角測(cè)量技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展，雖已趨于成熟，但由于技術(shù)手段的不斷革新，仍存在許多有待解決的問題。其中，涉及諸多關(guān)鍵技術(shù)。

①光學(xué)建模技術(shù)。

對(duì)于激光三角測(cè)量系統(tǒng)而言，光學(xué)模型在源頭上決定了測(cè)量系統(tǒng)的精度?，F(xiàn)有激光三角測(cè)量技術(shù)大多基于理想的幾何光學(xué)模型，光束在傳輸?shù)膶?shí)際過程中由于反射、透射和漫射造成能量的損失，最終在光敏器件上的成像結(jié)果與理論存在一定的偏差。建立接近實(shí)際的光學(xué)模型，能夠從本質(zhì)上提高激光三角測(cè)量系統(tǒng)的精度。所以，光學(xué)建模是一項(xiàng)核心技術(shù)[9]。

②電路信號(hào)處理技術(shù)。

電路信號(hào)處理模塊對(duì)成像器件的信號(hào)進(jìn)行整流、濾波和放大，對(duì)激光成像光斑或條紋進(jìn)行初步的濾噪，減輕了后續(xù)頂層算法的工作量，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。

③成像圖像處理技術(shù)。

通過頂層算法，對(duì)激光三角法得到的激光光斑或條紋進(jìn)行處理，準(zhǔn)確獲取光斑的中心點(diǎn)深度信息或激光的條紋中心線。在實(shí)際場(chǎng)景中，往往難以獲得理想的中心點(diǎn)或中心線。因此，兼顧精度、速度和魯棒性的智能提取算法是激光三角測(cè)量中的一大技術(shù)難點(diǎn)[10]。

④標(biāo)定及誤差補(bǔ)償技術(shù)。

通過標(biāo)定的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，是確保系統(tǒng)測(cè)量精度的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于一維激光三角測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定工作，可以采取非線性方程求解、插值和擬合的方式。而二維激光三角測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定工作就復(fù)雜得多。技術(shù)人員分別采取了平面、鋸齒形、凹凸量塊作為標(biāo)定物進(jìn)行標(biāo)定[11-13]。但這些方法或過于復(fù)雜，或難以保證標(biāo)定物的加工精度。因此，需要研究操作簡(jiǎn)單且可靠的標(biāo)定方法[14]。

3 激光三角測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

3.1 高精度微位移測(cè)量

隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)ξ⑽灰频母呔葴y(cè)量需求不斷增大，例如航天軍工、超精密工業(yè)生產(chǎn)以及生物信息檢測(cè)等。激光三角法測(cè)量分辨力可達(dá)μm量級(jí)，適用于超精密微位移測(cè)量的場(chǎng)合。

工業(yè)精密測(cè)量與裝配中，小尺寸器件(膠片、芯片、微軸承等)的高精度檢測(cè)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起到重要的作用。在汽車制造工業(yè)中，汽車輪胎膠片兩端搭接牢固程度決定了輪胎的質(zhì)量，關(guān)系到汽車的行駛安全。馮召東[15]基于線激光三角測(cè)量，根據(jù)采集到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過投影進(jìn)行三維重建，獲得輪胎膠片的三維形貌。此外，馮召東通過主成分分析的方法提取激光條紋中心線，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。在電路板芯片貼片工業(yè)流程中，需要保證芯片引腳具有較高的共面度。這對(duì)精密測(cè)量及定位提出了更高要求。同時(shí)，為了保證芯片在檢測(cè)過程中不受磨損，非接觸式三角測(cè)量法成為了首選。魏澤等[16]基于線激光三角法實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片引腳共面度高精度檢測(cè)，利用隨機(jī)抽樣一致(random sample consensus，RANSAC)算法對(duì)芯片引腳進(jìn)行分割，并通過均值聚類確定激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中引腳位置，對(duì)數(shù)據(jù)平面進(jìn)行最小二乘擬合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片引腳的共面度評(píng)價(jià)。上海交通大學(xué)陳家興等[17]研究了光斑的高精度定位算法，應(yīng)用于自主研發(fā)的激光位移傳感器中，解決了3C等領(lǐng)域的高精度在線測(cè)量問題。

在生物檢測(cè)與醫(yī)療領(lǐng)域中，激光三角法主要用于對(duì)物體表面三維結(jié)構(gòu)信息的獲取或精確定位，例如對(duì)牙齒的三維形貌掃描以輔助進(jìn)行牙齒矯正治療，在微創(chuàng)手術(shù)過程中也可利用激光三角法進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航[18]。近年來，國(guó)內(nèi)外諸多不同領(lǐng)域研究學(xué)者將激光三角測(cè)量與原子力顯微鏡相結(jié)合，進(jìn)行細(xì)胞操作或納米材料合成的相關(guān)基礎(chǔ)研究工作[19]。

3.2 高速動(dòng)態(tài)測(cè)量

激光三角測(cè)量法具有較快的響應(yīng)速度，被廣泛應(yīng)用于各種高速動(dòng)態(tài)測(cè)量及安全監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中。

在工業(yè)生產(chǎn)線中，靜態(tài)檢測(cè)往往耗時(shí)長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)檢測(cè)能夠大大提高產(chǎn)品檢測(cè)的效率，提升生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。點(diǎn)膠機(jī)對(duì)電路板或相關(guān)元器件進(jìn)行點(diǎn)膠工作時(shí)，需要快速移動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)針頭進(jìn)行相關(guān)定位操作。其中，接觸式點(diǎn)膠機(jī)分液時(shí)需要對(duì)Z方向間隙高度進(jìn)行精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)控制。大連理工大學(xué)張青青[20]利用激光三角原理制成的測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)膠機(jī)高度間隙精準(zhǔn)控制,在動(dòng)態(tài)移動(dòng)過程中的測(cè)量精度可達(dá)5 μm。

激光三角測(cè)量法近年來被廣泛應(yīng)用于鐵路交通運(yùn)輸行業(yè)的動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)[21]。輪緣厚度和輪緣寬度是保證列車安全的關(guān)鍵參數(shù)。Jian等[22]提出了一種基于激光位移傳感器的輪對(duì)輪緣厚度和輪緣寬度實(shí)時(shí)測(cè)量方法，將三個(gè)激光位移傳感器夾在鋼軌上，光線穿過鋼軌之間的縫隙。輪緣厚度和輪緣寬度可由三個(gè)激光位移傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。Gigada等[23]利用激光三角測(cè)量法對(duì)車輛在行駛過程中的道路紋理進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以獲得路面與輪胎之間的摩擦因數(shù)，為車輛速度的控制提供寶貴的提示信息。上海交通大學(xué)在國(guó)家863項(xiàng)目的支持下，基于線激光和視覺檢測(cè)技術(shù)，成功研制我國(guó)首臺(tái)高速鐵路扣件在軌探測(cè)系統(tǒng)[24]。

3.3 復(fù)雜物面測(cè)量

實(shí)際測(cè)量物面往往未必規(guī)則，性狀比較復(fù)雜，例如曲面、粗糙度以及顏色變化等。激光三角測(cè)量法可通過光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和相關(guān)補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物面的普適應(yīng)性測(cè)量。

曲面測(cè)量容易產(chǎn)生遮擋、成像光斑漂移等現(xiàn)象。Clark J.等[25]利用偏振光作為激光三角測(cè)量系統(tǒng)的光源，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬曲面的精準(zhǔn)測(cè)量。為了進(jìn)一步提高激光三角測(cè)量法對(duì)曲面的測(cè)量速度，Liu等[26]利用線激光三角測(cè)量法在曲面投影出形貌特征并進(jìn)行三維測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了曲面的高精度高速度測(cè)量。

對(duì)粗糙度較大的物面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于其表面特性存在大量微小凹凸，導(dǎo)致激光束達(dá)到物面后形成不規(guī)則的反射。對(duì)于激光三角法測(cè)量而言，多重不規(guī)則反射將導(dǎo)致成像器件出現(xiàn)多個(gè)光斑造成干擾并影響測(cè)量精度。Keyence提出一種多重反射消除算法(multiple reflection cancel，MRC)，通過比較成像器件兩幀波形的相關(guān)性，濾除了由于多重反射造成的成像干擾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)粗糙物面的精準(zhǔn)測(cè)量。

物體表面由于顏色的變化將導(dǎo)致折射率的不同，使得激光三角法成像系統(tǒng)獲得的光斑強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出位移值偏差。Jung等[27]提出了一種基于三角測(cè)量的PSD強(qiáng)度控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)顏色變化的高度線性控制。上海交通大學(xué)現(xiàn)代傳感與光電檢測(cè)研究室提出了一種光強(qiáng)自適應(yīng)算法以適應(yīng)目標(biāo)物不同顏色造成的光強(qiáng)變化，同時(shí)采用光學(xué)系統(tǒng)建模的方法對(duì)成像光斑形狀進(jìn)行修正，以提高普遍適用性[28-29]。

3.4 復(fù)雜環(huán)境測(cè)量

環(huán)境的不可抗因素對(duì)測(cè)量精度的影響不可忽視?，F(xiàn)代智能制造及裝備要求測(cè)量系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境變化，激光三角測(cè)量技術(shù)可適應(yīng)多種復(fù)雜測(cè)量環(huán)境[30]。

水面環(huán)境由于流體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量面的不穩(wěn)定。Liu等[31]采用單點(diǎn)激光三角法實(shí)現(xiàn)水面油膜厚度的在線測(cè)量。激光入射到被測(cè)油膜的上下表面并形成光斑，兩個(gè)光斑經(jīng)光學(xué)鏡組在CCD上成像。通過成像點(diǎn)的位移和成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到被測(cè)油膜的厚度。

激光三角測(cè)量法也被應(yīng)用于各類高溫場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)景中。玻璃生產(chǎn)環(huán)境溫度最高達(dá)600 ℃。Wang等[32]基于激光三角測(cè)量法并利用溫度補(bǔ)償曲線進(jìn)行修正，對(duì)玻璃厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了生產(chǎn)效率。孫德榮[28]利用單點(diǎn)激光三角法，提出一種二值化處理方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫超導(dǎo)磁懸浮列車懸浮高度的測(cè)量。

太空環(huán)境因輻射、溫度等因素影響而尤為復(fù)雜，航天器對(duì)大型空間站進(jìn)行表面巡檢，是保證空間站長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定工作的前提，巡檢航天器與空間站的相對(duì)導(dǎo)航需以超高精密測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)。王振宇等[33]利用線激光三角測(cè)量系統(tǒng)與慣性位姿推算系統(tǒng)組合的方式，以獲取巡檢飛行器與空間站的相對(duì)導(dǎo)航參數(shù)；利用噴氣動(dòng)力裝置適時(shí)調(diào)整激光器與相機(jī)的相對(duì)位置，以確保成像圖像的質(zhì)量；通過與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步融合，提高了巡檢導(dǎo)航系統(tǒng)的整體精度。上海交通大學(xué)陶衛(wèi)等在該方面做了大量的工作，通過激光三角位移傳感器實(shí)現(xiàn)了空間飛行器姿態(tài)的精確測(cè)量。

4 激光三角測(cè)量技術(shù)的發(fā)展前景

激光三角測(cè)量技術(shù)經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究人員多年積累，技術(shù)逐漸趨于成熟，但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)待解決。激光三角測(cè)量技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用前景及趨勢(shì)如下。

①微型化。光學(xué)鏡片、電路集成以及微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)加工技術(shù)的進(jìn)步，為激光三角測(cè)量系統(tǒng)的微型化提供了技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了激光三角技術(shù)在極小空間的測(cè)量。

②智能化。在計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)不斷突破創(chuàng)新的時(shí)代浪潮下，智能算法提高了激光三角測(cè)量系統(tǒng)的工作效率和普遍適用性。通過“以軟代硬”的方式，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜物面及復(fù)雜環(huán)境的自主適應(yīng)并完成測(cè)量工作。

③大量程?，F(xiàn)階段激光三角測(cè)量法主要應(yīng)用于中短距離測(cè)量，由于接收鏡組邊緣成像畸變及成像器件的非線性導(dǎo)致量程遠(yuǎn)端誤差較大。隨著光學(xué)理論研究及技術(shù)的不斷發(fā)展，利用光學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)誤差補(bǔ)償，進(jìn)一步擴(kuò)大了激光三角測(cè)量法的工作量程。

④多參數(shù)。隨著復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)水平不斷提高，激光三角測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)嵌套組合的模式，以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同步測(cè)量。以機(jī)器人位姿測(cè)量為例，激光三角測(cè)量系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位置及姿態(tài)參數(shù)同步輸出。

⑤多傳感融合。多傳感器融合技術(shù)運(yùn)用于激光三角測(cè)量系統(tǒng)，利用激光、視覺圖像與慣導(dǎo)技術(shù)的深度融合實(shí)現(xiàn)信息全方位檢測(cè)，可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、公共安全監(jiān)測(cè)等一系列大樣本數(shù)據(jù)智能感知應(yīng)用場(chǎng)景。

5 結(jié)束語

激光三角測(cè)量技術(shù)是一種經(jīng)典的非接觸高精度測(cè)量方法。隨著現(xiàn)代光電技術(shù)、MEMS加工技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能技術(shù)的進(jìn)步，激光三角測(cè)量技術(shù)在光學(xué)模型、電路集成、軟件算法等各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)不斷發(fā)展，多年來一直被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量場(chǎng)景。激光三角測(cè)量法被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域，既可進(jìn)行靜態(tài)超高精度測(cè)量，又可進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量；同時(shí)，通過各種算法融合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物面和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性測(cè)量。

未來，激光三角測(cè)量技術(shù)依舊具有廣闊前景和研發(fā)價(jià)值，它將朝著微型化、智能化、大量程、多參數(shù)以及多傳感融合的方向不斷發(fā)展。