調(diào)頻激光雷達(dá)測量技術(shù)及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

劉 柯 張容卓 繆寅宵 朱 浩 宋金城 郭力振 郭天茂

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

調(diào)頻激光雷達(dá)測量技術(shù)屬于儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，是一種高端幾何量精密測量技術(shù)，能夠解決大型復(fù)雜零部件幾何參數(shù)測量精度低、測量速度慢的問題。以往對大型零部件幾何參數(shù)的測量主要依靠激光跟蹤儀、攝影測量以及大型三坐標(biāo)測量機等。激光跟蹤儀工作時需要將反射靶球作為合作目標(biāo)放置在被測零件表面，在一些操作者無法放置反射靶球的場合不能工作；攝影測量技術(shù)需要在被測工件表面粘貼反光標(biāo)志點，并且其測量范圍和測量精度相互制約，為了對大型零部件測量時獲得較高的精度，需要在多站位多次測量，效率較低，且無法應(yīng)用于測量人員和設(shè)備無法靠近的場合；大型三坐標(biāo)測量技術(shù)雖然精度高，但只能進行單點測量，測量效率低，并且無法獲得零部件三維形貌信息。相比之下，調(diào)頻激光三維形貌測量技術(shù)具有測量范圍大、精度高、非接觸、非合作目標(biāo)、掃描速度快、自動化程度高等特點，在解決火箭燃料儲箱加工誤差分析、大型飛機裝配精度評價、船舶潛艇螺旋槳制造精度評估、風(fēng)力發(fā)電機葉片制造誤差測量等超大尺寸表面三維形貌快速精密測量、大型設(shè)備整機裝配測量、人工無法到達(dá)的特殊現(xiàn)場條件下幾何參數(shù)測量等問題時有顯著優(yōu)勢，具有其它儀器不可替代的作用。

2 調(diào)頻激光雷達(dá)工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 調(diào)頻激光雷達(dá)工作原理

調(diào)頻激光雷達(dá)自身建立球坐標(biāo)系，通過掃描的方式對目標(biāo)進行測量，如圖1所示。坐標(biāo)系原點位于方位、俯仰掃描軸的交點。測量時，目標(biāo)與原點之間的距離

R

由激光測量得到，角度坐標(biāo)由測距光束的方位角(

α

)和俯仰角(

β

)來表示。通過二維掃描即可獲得被測目標(biāo)表面各點的空間球坐標(biāo)。利用球坐標(biāo)與直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以在直角坐標(biāo)系下得到被測目標(biāo)個點的三維坐標(biāo)。距離測量采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)激光測距技術(shù)，有效提高了距離測量精度。

圖1 激光雷達(dá)測量坐標(biāo)系示意圖

激光雷達(dá)測量得到目標(biāo)的球坐標(biāo)(

R

,

α

,

β

)，將球坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到直角坐標(biāo)系即可得出目標(biāo)點的三維坐標(biāo)值(

x

,

y

,

z

)：

x

=

R

sin(

β

)cos(

α

)

y

=

R

sin(

β

)sin(

α

)

z

=

R

cos(

β

)

(1)

為了方便測量，激光雷達(dá)掃描儀中通常配有兩種激光。一種用作指示當(dāng)前掃描的位置，通常為可見光；一種為測量激光。常用的測量激光通常選用1550nm波長的激光。該波長的激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光通信領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)、器件成熟，對人眼安全，而且在空氣中衰減較小。測量光和指示激光通過調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng)耦合后出射。對于不同距離的被測目標(biāo)，通過調(diào)焦使測量光在目標(biāo)表面匯聚，提高信噪比。精密伺服三維掃描系統(tǒng)驅(qū)動掃描反射鏡，改變測量激光的出射方向，通過掃描對目標(biāo)進行測量，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)測量系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

2.2 調(diào)頻激光測距工作原理

調(diào)頻激光測距原理如圖3所示?？烧{(diào)諧激光器在調(diào)制信號的控制下，發(fā)出頻率連續(xù)變化的測量光。發(fā)出的測量激光被分為兩部分，一部分作為參考光，另一部分通過光學(xué)系統(tǒng)出射至被測物體。

圖3 調(diào)頻激光測距原理示意圖

激光器經(jīng)過調(diào)制后，其輸出光頻率與時間的關(guān)系為：

f

(

t

)=

f

+(

B/T

)

t

(2)

式中：

f

—激光的中心頻率，Hz；

B

——調(diào)制帶寬，

T

——調(diào)制周期，s，

t

——時間,s。激光器在

t

時刻發(fā)出的光頻率為

f

，經(jīng)過時間

τ

后從目標(biāo)返回，在這一時刻，激光器發(fā)出的光頻率為

f

，即參考光的頻率為

f

。測量光與參考光之間存在頻率差，疊加干涉后得到拍頻信號IF。發(fā)出的測量光頻率和返回后的頻率與時間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 線性調(diào)頻連續(xù)波信號拍頻原理

從圖中可以看出，測量距離與拍頻信號IF的頻率之間為一一對應(yīng)的關(guān)系，其大小為：

(3)

式中：τ——激光飛行時間,s。因此目標(biāo)與測量系統(tǒng)之間的距離R可以表示為：

(4)

式中：c——光速,m/s，

f

——精確測量拍頻信號的頻率,Hz。

2.3 調(diào)頻激光雷達(dá)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1

連續(xù)波線性調(diào)頻激光器設(shè)計技術(shù)線性連續(xù)調(diào)頻激光器作為線性調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)的發(fā)射源，其性能直接影響距離測量的精度。根據(jù)線性調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)的測量原理，其調(diào)諧范圍

W

與測量固有誤差Δ

R

成反比，如式(5)所示。

ΔR

=c

η/

2

W

(5)

式中：

η

——信號細(xì)分?jǐn)?shù),

W

——調(diào)諧范圍，可見調(diào)諧激光器的調(diào)諧范圍是線性調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)絕對距離測量精度的關(guān)鍵性指標(biāo)。波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器按結(jié)構(gòu)劃分主要有外腔半導(dǎo)體激光器，多電極半導(dǎo)體激光器，垂直腔面發(fā)射激光器等。外腔半導(dǎo)體激光器具有很窄的激光線寬，較高的輸出功率，較寬的調(diào)諧范圍，并且具有很寬的連續(xù)無跳模范圍，因此可以作為線性調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)的激光光源。

2.3.2

高靈敏光電探測元件及接收電路設(shè)計技術(shù)

為實現(xiàn)對非合作目標(biāo)的精確測量，需要設(shè)計高放大倍數(shù)、低噪聲的接收電路。一般接收普遍使用APD作為感光探測器，APD體積較小，內(nèi)部雪崩使得光電流增益大幅提高，暗噪聲較小，可以提高探測信噪比，使得作用距離大幅提升。經(jīng)調(diào)研，國外星載激光探測系統(tǒng)使用的APD探測靈敏度為國內(nèi)能夠購買到型號的5倍左右，而且通過先進的微電子技術(shù)，在敏感元件內(nèi)部集成了局部主動溫控系統(tǒng)，具有極佳的光電探測性能和環(huán)境適應(yīng)性，為后續(xù)的電路設(shè)計降低了難度，在噪聲水平控制技術(shù)上優(yōu)于國內(nèi)，或者說在同樣的激光能量水平上可以實現(xiàn)幾倍的探測距離。因此，在關(guān)鍵的核心元器件來源及接收電路的設(shè)計上，需要進一步的發(fā)展。

2.3.3

調(diào)頻信號的非線性校正技術(shù)

調(diào)頻激光測距系統(tǒng)要求激光器輸出的頻率與時間成線性變化，而且線性度越好，測量精度越高。由于實際激光輸出頻率與調(diào)制信號存在非線性，調(diào)頻信號的非線性測量校正技術(shù)是決定線性調(diào)頻連續(xù)波激光測距系統(tǒng)能否實現(xiàn)高精度測量的一個非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前主要的非線性測量校正方法有通過光譜儀測量校正方法、光路采樣測量校正方法、信號處理擬合測量校正方法。其中光譜儀測量校正方法可稱為硬件檢測校正法，可直接對激光器輸出波長進行測量，后兩種都是通過光路中的拍頻信號來反算激光輸出頻率，屬于間接測量測量方式，其測量與校正方法的校正能力有限。如何通過非線性測量校正實時補償調(diào)頻信號，提升拍頻信號解調(diào)有效分辨率，是調(diào)頻激光雷達(dá)研究中的核心關(guān)鍵技術(shù)。

3 調(diào)頻激光雷達(dá)測量技術(shù)國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 調(diào)頻激光雷達(dá)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前用于大尺寸構(gòu)件自動化測量的激光雷達(dá)的生產(chǎn)廠家主要是美國的Metris公司(現(xiàn)已被日本Nikon收購)，其生產(chǎn)的激光雷達(dá)系列產(chǎn)品有MV224、MV260、MV330、MV350等，其中典型的MV260激光雷達(dá)的性能參數(shù)如表1。

表1 MV260激光雷達(dá)性能參數(shù)

在國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項的支持下，北京航天計量測試技術(shù)研究所開展了高精度調(diào)頻激光雷達(dá)研究，針對航天、航空、核電、高鐵、船舶等領(lǐng)域大型結(jié)構(gòu)件形狀位置公差測量需求，攻克了大范圍窄線寬線性調(diào)頻激光產(chǎn)生、線性調(diào)頻激光測量信號高精度解調(diào)及線性連續(xù)調(diào)頻激光器非線性實時校正等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)的高精度激光雷達(dá)掃描儀成功應(yīng)用于新一代大型運載火箭等國家重大型號中，解決了發(fā)射平臺箭體對稱度測量等多項現(xiàn)場測量難題。

研制的調(diào)頻激光雷達(dá)測距范圍(1～50)m，水平測角范圍±180°，垂直測角范圍±45°，距離測量精度在2m處可達(dá)0.02mm，50m處可達(dá)0.3mm，水平角和垂直角測量不確定度

U

=1″，測量速度1000點/s。經(jīng)第三方異地測試表明，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平，儀器外觀如圖5所示。

圖5 國產(chǎn)調(diào)頻激光雷達(dá)樣機

3.2 調(diào)頻式激光雷達(dá)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于目前市場上調(diào)頻激光雷達(dá)產(chǎn)品只有日本Nikon一家，造成儀器價格昂貴(單臺價格在500萬以上)，也使得調(diào)頻激光雷達(dá)作為一種高端儀器，在世界各國總量并不多，其應(yīng)用主要集中在航空航天等重點科技領(lǐng)域，其典型應(yīng)用如下。

3.2.1 激光雷達(dá)在大尺寸零部組件空間幾何參數(shù)測量中的應(yīng)用

俄羅斯航天局采用Metris調(diào)頻激光雷達(dá)MV224作為測量手段，目前擁有的激光雷達(dá)數(shù)量為11臺。在航天大型件的幾何參數(shù)測量中的應(yīng)用主要有天線展開金屬面的測量，在金屬表面選擇100000個點進行實際測量；以及天線的水平角和俯仰角等幾何量的測量。其工作效率高于經(jīng)緯儀系統(tǒng)、激光跟蹤儀以及攝影測量系統(tǒng)。圖6為實際天線表面形變的檢測實例，檢測結(jié)果如圖所示。在室外環(huán)境10攝氏度的條件下在半徑為500mm的天線表面布置10000個點進行測量，所用到的工具球(轉(zhuǎn)站)為8個測量模式。測量得到較高的精度，均方誤差為0.83mm。每一片段的變形量測量誤差為0.78mm。

圖6 天線表面形變測量

美國洛克希德—馬丁公司將激光雷達(dá)用于航天飛機外儲箱的測量Shuttle External Tank(ET)，被測外儲箱的長度為47m，直徑為8.5m。采用MV226激光雷達(dá)測量外貯箱表面變形，如圖8所示。

圖7 外儲箱表面點云以及測量結(jié)果

在航空大尺寸零件測量領(lǐng)域，激光雷達(dá)也得到了廣泛的應(yīng)用。歐洲空客公司使用激光雷達(dá)對A380反推系統(tǒng)的質(zhì)量進行檢測。使用單個激光雷達(dá)對A380反推系統(tǒng)的蒙皮表面進行型面檢測，檢測時間為60min。檢測時將反推系統(tǒng)安裝在具有多自由度的升降車上，使用升降車完成多角度反推系統(tǒng)的檢測，如圖8所示。

圖8 激光雷達(dá)反推系統(tǒng)檢測

Spirit Aerosystems公司應(yīng)用MV260激光雷達(dá)系統(tǒng)檢測機頭蒙皮外形，如圖9所示，目標(biāo)是利用激光雷達(dá)的自動測量功能檢測蒙皮上的1200個表面點(Defined From CAD)，從而縮減流水線的檢測時間。在檢測時將MV260固定在某個位置，將機頭放置在一個可以旋轉(zhuǎn)的型架上。通過旋轉(zhuǎn)型架使得蒙皮得到全部測量。測量結(jié)果表明使用激光雷達(dá)設(shè)備和SA軟件使得整個流水線的檢測時間縮減70%，測量精度遠(yuǎn)好于原有的測量工藝，大大減少了人工成本，從原有4人減少到1人。

圖9 機頭蒙皮外形雷達(dá)測量和多角度蒙皮測量結(jié)果

美國波音公司利用激光雷達(dá)進行787機翼蒙皮切割測量。圖10為787機翼蒙皮生產(chǎn)在線3D測量現(xiàn)場，通過將兩臺激光雷達(dá)放置在水切割龍門架上以便邊切割邊測量，從而在檢測時形成自動化閉環(huán)系統(tǒng)。

圖10 蒙皮制造過程中的檢測

波音公司利用激光雷達(dá)進行787機翼蒙皮切割測量時應(yīng)考慮設(shè)置公共點的數(shù)量和位置，以便使得多臺設(shè)備和多個位置測量結(jié)果保證在同一坐標(biāo)系中合并運算。為減少測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一過程中的誤差，設(shè)置了20個公共點。使用invar bar(不漲鋼柱)支撐公共點，使用SA(SpatialAnalyzer)軟件中的USMN功能，此功能可幫助操作者將所有測量點統(tǒng)一在同一個坐標(biāo)系中。使用激光雷達(dá)有如下優(yōu)點：

(1)激光雷達(dá)的使用使得787機翼蒙皮的切割實現(xiàn)了自動化測量，并且此系統(tǒng)工作穩(wěn)定；

(2)激光雷達(dá)系統(tǒng)測量三維數(shù)據(jù)與龍門架控制系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動交換，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)；

(3)此項技術(shù)為實現(xiàn)一些大型復(fù)雜部件的三維自動化測量提供一種完美的解決方案。

空客公司使用激光雷達(dá)對空客A380機翼進行檢測，與波音787類似，空客A380的機翼也是采用復(fù)合材料制成。在檢測時使用由1臺MV260激光雷達(dá)組成的系統(tǒng)檢測A380機翼的定位孔和曲面結(jié)構(gòu)。從傳統(tǒng)的激光跟蹤儀檢測工藝轉(zhuǎn)變成激光雷達(dá)工藝為空客公司節(jié)省70%的時間，大大縮短了檢查時間。

另外，空客公司還使用激光雷達(dá)作為最終測量手段來檢測機身段上的連接點和機身內(nèi)部的多個關(guān)鍵點。在進行這項測量之前，曾嘗試使用攝影測量的方法，在完成相同的測量任務(wù)下，攝影測量消耗20個小時，并投入了2個操作人員，而激光雷達(dá)花費不到1個小時的時間，操作人員為1人。因此空客公司毅然決然地采用激光雷達(dá)作為A380機身段的檢測手段，如圖11和圖12所示。

圖11 激光雷達(dá)檢測

圖12 攝影測量檢測

3.2.2

激光雷達(dá)在數(shù)字化裝配定位測量中的應(yīng)用

在美俄等航天航空發(fā)達(dá)國家，基于調(diào)頻激光雷達(dá)的測量技術(shù)已發(fā)展多年，在航天航空領(lǐng)域總裝測量中已得到良好的應(yīng)用。

2008年美國航天局將Metris MV260激光雷達(dá)用于固體火箭助推器與火箭的對準(zhǔn)裝配以及固體火箭助推器與航天飛機的對準(zhǔn)裝配，提高了裝配精度和裝配效率，應(yīng)用現(xiàn)場如圖13所示。

圖13 用于裝配的激光雷達(dá)

我國也引進了一些調(diào)頻激光雷達(dá)設(shè)備，典型的有北京航天計量測試技術(shù)研究所、西安飛機制造廠、哈爾濱飛機制造廠、中國衛(wèi)星制造總廠等。其中北京航天計量測試技術(shù)研究所為國內(nèi)最早研究應(yīng)用調(diào)頻式激光雷達(dá)的單位，研制了多測量系統(tǒng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化靶標(biāo)，并將其應(yīng)用在衛(wèi)星產(chǎn)品的裝配、網(wǎng)狀天線裝配面型、位置公差測量中，取得了一系列應(yīng)用成果。此外北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所等采用美國Metris公司的MV330型激光雷達(dá)首先利用多個已知位置的靶球建立衛(wèi)星測量基準(zhǔn)坐標(biāo)系；之后利用高精度平面鏡的隱藏點掃描測量功能獲取發(fā)動機的內(nèi)部輪廓點云圖；最后利用Spatial Analyzer專業(yè)測量軟件計算出發(fā)動機內(nèi)部的關(guān)鍵幾何中心軸線方向。

激光雷達(dá)在航空領(lǐng)域裝配檢測中應(yīng)用最好的是空客公司。德國漢堡在空客A380機身對接中使用激光雷達(dá)MV260精確測量對接的鏈接位置，并使用了Brunson公司的可升降支架，SA軟件的測量結(jié)果顯示了墊片的實際位置以及偏差，如圖14、15所示。

圖14 激光雷達(dá)機身段對接

圖15 SA軟件的測量結(jié)果

3.2.3 國產(chǎn)調(diào)頻激光雷達(dá)在大型運載火箭垂直裝配現(xiàn)場測量中的應(yīng)用

北京航天計量測試技術(shù)研究所使用研制的調(diào)頻式激光雷達(dá)完成新一代大型運載火箭首飛前現(xiàn)場測試任務(wù)。在我國新一代運載火箭研制過程中，按照新“三垂”方案進行總裝、測量和轉(zhuǎn)運，其中“垂直測量”環(huán)節(jié)，通過使用高精度激光雷達(dá)掃描儀對箭體輪廓進行快速高密度點云掃描測量，并通過數(shù)據(jù)擬合、與設(shè)計模型進行比對分析，從而完成助推級與芯級對稱度、支撐臂支點水平度及在發(fā)射坐標(biāo)系中的精確定位等測量分析任務(wù)，為航天重大型號首飛成功解決了現(xiàn)場計量測試難題。測量現(xiàn)場及掃描點云輪廓如圖16所示。

圖16 國產(chǎn)激光雷達(dá)應(yīng)用于大型運載火箭垂直裝配現(xiàn)場測量

4 調(diào)頻激光雷達(dá)研究發(fā)展趨勢

作為一項新技術(shù)，調(diào)頻激光雷達(dá)研究應(yīng)用中也還存在很多問題，比如軟件對點云數(shù)據(jù)處理速度較慢，大型零件需要多次轉(zhuǎn)站測量，對作業(yè)人員要求較高，設(shè)備體積大使用不便等。在今后的研究和發(fā)展在以下三個方面：

(1)進一步優(yōu)化系統(tǒng)硬件，提高激光雷達(dá)掃描儀的測量速度、精度以及系統(tǒng)可靠性；完善軟件功能，提高點云處理速度和精度，拓展應(yīng)用領(lǐng)域；

(2)設(shè)計軟件接口，與其他測量系統(tǒng)如慣組、GPS、自主移動平臺等深度融合，擴展設(shè)備功能，實現(xiàn)掃描點云數(shù)據(jù)的自動拼接，提高工作效率。

(3)儀器的小型化、接口化網(wǎng)絡(luò)化，使其更容易與工業(yè)機器人、無人機整合，使其能夠在先進制造、復(fù)雜環(huán)境智能測量等領(lǐng)域發(fā)揮更大功效。

5 結(jié)束語

隨著國家“中國制造2025”計劃的推進實施，創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先的理念深化融入各行各業(yè)，工業(yè)4.0、智慧工廠也不斷建設(shè)發(fā)展，目前代表非合作目標(biāo)大尺寸測量最高水平的調(diào)頻激光雷達(dá)測量技術(shù)，以其精度高、效率高、功能強的技術(shù)優(yōu)勢，以及國產(chǎn)化激光雷達(dá)成熟后的成本、服務(wù)優(yōu)勢，將在航空航天等先進制造領(lǐng)域得到更加廣泛的普及應(yīng)用；高端制造行業(yè)的應(yīng)用需求也將促進國內(nèi)外調(diào)頻激光雷達(dá)研究向著小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢發(fā)展，與先進制造、智能制造的發(fā)展結(jié)合更加緊密。