基于改進(jìn)MLS算法的偏振調(diào)制激光測(cè)距方法

賀建國(guó)

(池州學(xué)院 安徽 池州 247000)

0 引言

偏振調(diào)制激光測(cè)距方法是利用激光的偏振特性來(lái)測(cè)量目標(biāo)物體的距離,其原理是通過(guò)對(duì)激光進(jìn)行偏振調(diào)制,在激光傳播過(guò)程中產(chǎn)生相位差,利用相位差的變化來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體與激光源的距離。它可以提供高精度、高分辨率的測(cè)距結(jié)果。移動(dòng)最小二乘(moving least square,MLS)算法是一種曲面重建和光滑化算法,可以將離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的曲面,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的平滑和去噪。在實(shí)際的應(yīng)用中,由于多次反射、散射和雜散光的干擾,以致偏振調(diào)制激光測(cè)距方法的測(cè)量精度和可靠性有所限制[1-3]。因此,本文基于MLS算法對(duì)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化,以提高其測(cè)量精度與可靠性。

1 MLS算法概述

1.1 MLS算法原理

MLS算法是一種基于局部最小二乘擬合的技術(shù),主要思想是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合為一個(gè)局部二次曲面,并根據(jù)曲面對(duì)周圍點(diǎn)的影響來(lái)確定每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重值,然后通過(guò)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均來(lái)計(jì)算出平滑的曲面。該算法可以實(shí)現(xiàn)各種類型的擬合,包括平面、曲面、曲線等。MLS算法能夠處理非規(guī)則點(diǎn)云數(shù)據(jù),能夠準(zhǔn)確地重建平滑曲面,并且在計(jì)算過(guò)程中可以通過(guò)選擇合適的半徑大小和權(quán)重函數(shù)來(lái)控制曲面的平滑程度和擬合精度[4-5]。此外,MLS算法還可以處理噪聲和離群點(diǎn)等問(wèn)題。MLS算法的基本步驟如下:①選擇中心點(diǎn),在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選擇一個(gè)點(diǎn)作為中心點(diǎn);②構(gòu)建局部鄰域,根據(jù)選擇的中心點(diǎn),構(gòu)建其周圍的局部鄰域;③擬合局部曲面,在鄰域內(nèi)擬合一個(gè)局部二次曲面,使其最小化所有鄰域內(nèi)點(diǎn)與曲面的距離平方和;④確定權(quán)重,根據(jù)擬合的局部曲面對(duì)周圍點(diǎn)進(jìn)行權(quán)重賦值,通常是根據(jù)點(diǎn)到曲面的距離來(lái)確定權(quán)重;⑤加權(quán)平均,對(duì)所有鄰域內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均,計(jì)算出中心點(diǎn)的重建值;⑥迭代,對(duì)每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行上述步驟,得到整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重建結(jié)果。

1.2 MLS算法分類

(1)優(yōu)化MLS算法。MLS算法計(jì)算量大、運(yùn)行速度慢,近年來(lái)研究者提出了許多優(yōu)化MLS算法的方法,如基于GPU并行計(jì)算的MLS算法、基于快速k近鄰搜索的MLS算法、基于分治思想的MLS算法等。

(2)擴(kuò)展MLS算法。MLS算法不僅可以用于曲面重建,還可以用于點(diǎn)云配準(zhǔn)、形狀擬合等領(lǐng)域,近年來(lái)出現(xiàn)一些擴(kuò)展MLS算法的方法,如基于MLP(moving least squares projection)算法的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法、基于MLS的幾何形狀擬合方法等。

(3)基于加速結(jié)構(gòu)的MLS算法。針對(duì)MLS算法的計(jì)算量較大的問(wèn)題,許多學(xué)者提出了基于加速結(jié)構(gòu)的MLS算法,例如基于kd-tree、octree等加速結(jié)構(gòu)的MLS算法。這些算法能夠有效地減少計(jì)算量,加快曲面重建的速度。

(4)基于局部加權(quán)回歸的MLS算法。傳統(tǒng)的MLS算法中,對(duì)于每個(gè)中心點(diǎn),都需要計(jì)算其鄰域內(nèi)所有點(diǎn)的權(quán)重,計(jì)算量較大。為了解決這個(gè)問(wèn)題,一些學(xué)者提出了基于局部加權(quán)回歸的MLS算法,該算法僅需要對(duì)鄰域內(nèi)的部分點(diǎn)計(jì)算權(quán)重,從而減少計(jì)算量。

(5)基于自適應(yīng)采樣的MLS算法。自適應(yīng)采樣是指在重建過(guò)程中根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整采樣密度的方法?；谧赃m應(yīng)采樣的MLS算法能夠根據(jù)曲面的局部特征自動(dòng)調(diào)整鄰域半徑和采樣密度,從而在保證精度的情況下減少計(jì)算量。

(6)基于局部特征的MLS算法。基于局部特征的MLS算法是指根據(jù)曲面的局部特征對(duì)鄰域半徑和權(quán)重函數(shù)等參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的方法。例如,可以利用曲率信息來(lái)調(diào)整鄰域半徑,從而更好地保持曲面的尖銳特征。

(7)基于深度學(xué)習(xí)的MLS算法。近年來(lái),基于深度學(xué)習(xí)的MLS算法也受到了廣泛關(guān)注。利用深度學(xué)習(xí)方法可以學(xué)習(xí)到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高維表示,從而更好地?cái)M合曲面。例如可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)每個(gè)點(diǎn)的法向量和曲率信息,從而提高曲面重建的精度和效率。

2 偏振調(diào)制激光測(cè)距方法概述

2.1 偏振調(diào)制激光測(cè)距方法原理

偏振調(diào)制激光測(cè)距方法是一種基于激光偏振特性的高精度、高分辨率測(cè)距技術(shù)。其原理是利用激光的偏振特性,在激光傳播過(guò)程中產(chǎn)生相位差,然后通過(guò)計(jì)算相位差的變化來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體與激光源之間的距離[6]。偏振調(diào)制激光測(cè)距方法包括三個(gè)主要步驟:

2.1.1 偏振調(diào)制

在偏振調(diào)制激光測(cè)距中,通常使用的是將激光偏振成線偏振光或圓偏振光。線偏振光的偏振方向?yàn)橐欢ń嵌?通常采用的是45°或135°,而圓偏振光則分為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。在進(jìn)行偏振調(diào)制時(shí),需要將激光源的光線通過(guò)偏振器進(jìn)行調(diào)制,然后將調(diào)制后的激光照射到目標(biāo)物體上。

2.1.2 接收反射光

當(dāng)激光照射到目標(biāo)物體上后,會(huì)發(fā)生反射。接收器接收到反射光后,將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行處理。在接收反射光時(shí),需要使用偏振分束器將接收的光分成兩個(gè)光路,其中一個(gè)光路與發(fā)射光的偏振方向相同,另一個(gè)光路與發(fā)射光的偏振方向垂直。

2.1.3 相位差計(jì)算

利用接收到的反射光信號(hào)和發(fā)射激光信號(hào),通過(guò)計(jì)算它們之間的相位差,即可計(jì)算出目標(biāo)物體與激光源之間的距離。相位差計(jì)算一般采用的是三角函數(shù)法或二元反射法。三角函數(shù)法需要知道激光發(fā)射和反射的時(shí)間差,而二元反射法則利用了相位差在二次反射中的變化來(lái)計(jì)算距離。通過(guò)對(duì)相位差的計(jì)算,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的高精度測(cè)距。

總之,偏振調(diào)制激光測(cè)距方法通過(guò)對(duì)激光進(jìn)行偏振調(diào)制,利用激光在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的相位差來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體與激光源之間的距離。這種測(cè)距方法具有高精度、高分辨率的特點(diǎn),在工業(yè)制造、航空、航天、軍事、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)制造中,偏振調(diào)制激光測(cè)距方法可以用于高精度測(cè)量工件的尺寸和形狀;在航空航天領(lǐng)域,可以用于測(cè)量飛行器與地面之間的距離和高度;在軍事應(yīng)用中,可以用于遠(yuǎn)程精確測(cè)距和導(dǎo)彈制導(dǎo)等;在地質(zhì)勘探領(lǐng)域,可以用于地形和地質(zhì)構(gòu)造的測(cè)量和分析等。由于其高精度和高分辨率的特點(diǎn),偏振調(diào)制激光測(cè)距方法將繼續(xù)在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

2.2 偏振調(diào)制激光測(cè)距方法應(yīng)用

(1)相位差測(cè)量技術(shù):相位差測(cè)量技術(shù)是偏振調(diào)制激光測(cè)距方法中的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來(lái),人們開(kāi)發(fā)了多種相位差測(cè)量技術(shù),包括時(shí)間差測(cè)量技術(shù)、頻率差測(cè)量技術(shù)和相位差測(cè)量技術(shù)等。

(2)多點(diǎn)測(cè)距技術(shù):偏振調(diào)制激光測(cè)距方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)點(diǎn)的測(cè)量,但在實(shí)際應(yīng)用中需要同時(shí)對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題,人們開(kāi)發(fā)了多點(diǎn)測(cè)距技術(shù),例如基于全息技術(shù)的多點(diǎn)測(cè)距技術(shù)。

(3)精度提高:為了提高測(cè)距精度,人們采用了一些方法,例如對(duì)偏振角度進(jìn)行優(yōu)化、采用雙目相機(jī)系統(tǒng)、使用自適應(yīng)閾值等。

2.3 偏振調(diào)制激光測(cè)距方法的優(yōu)點(diǎn)

(1)測(cè)距精度高:由于偏振調(diào)制激光測(cè)距方法能夠準(zhǔn)確測(cè)量相位差的變化,因此可以獲得高精度的距離信息。

(2)測(cè)距范圍廣:偏振調(diào)制激光測(cè)距方法適用于不同距離范圍的測(cè)量,可以實(shí)現(xiàn)從幾厘米到數(shù)千米的測(cè)距。

2.4 偏振調(diào)制激光測(cè)距方法存在的問(wèn)題

在實(shí)際的應(yīng)用中,偏振調(diào)制激光測(cè)距方法存在多種干擾因素,會(huì)影響測(cè)量精度和可靠性。主要有以下三方面:

2.4.1 多次反射和散射

在實(shí)際的應(yīng)用中,目標(biāo)物體表面通常存在多個(gè)面,會(huì)發(fā)生多次反射和散射,從而影響測(cè)量精度和可靠性。

2.4.2 雜散光

在測(cè)量過(guò)程中,由于環(huán)境光和儀器光等雜散光的干擾,會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的噪聲增大,從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4.3 激光能量損失

激光在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生能量損失,從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 基于改進(jìn)MLS算法的偏振調(diào)制激光測(cè)距方法

為了解決偏振調(diào)制激光測(cè)距方法存在的問(wèn)題,本文基于MLS算法對(duì)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。

(1)多次反射和散射。多次反射和散射是指激光束在目標(biāo)物體表面反射或散射多次,導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的多個(gè)點(diǎn),而這些點(diǎn)可能并不準(zhǔn)確地表示目標(biāo)物體表面的實(shí)際位置。為了解決該問(wèn)題,本文采用MLS算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建和光滑化處理。MLS算法可以對(duì)目標(biāo)點(diǎn)周圍的一組鄰域點(diǎn)進(jìn)行擬合,從而得到一組連續(xù)的曲面,并用該曲面來(lái)近似目標(biāo)點(diǎn)的屬性值。通過(guò)曲面重建和光滑化處理,可以有效地去除離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲和雜散光的干擾,從而提高測(cè)量精度和可靠性。

(2)雜散光。雜散光是指激光束在傳輸過(guò)程中,被周圍的雜散光干擾而導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。為了解決此類問(wèn)題,本次采用高斯加權(quán)的方法來(lái)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的權(quán)重。具體將目標(biāo)點(diǎn)周圍的一組鄰域點(diǎn)按照距離遠(yuǎn)近進(jìn)行排序,距離越近的點(diǎn)權(quán)重越大。然后將這些點(diǎn)的權(quán)重進(jìn)行高斯加權(quán),從而將離目標(biāo)點(diǎn)越近的點(diǎn)的權(quán)重調(diào)整為更高的值,減少離目標(biāo)點(diǎn)越遠(yuǎn)的點(diǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這樣就能夠有效地去除雜散光的干擾,提高測(cè)量精度和可靠性。

(3)激光能量損失。激光能量損失是指激光束在傳輸過(guò)程中,由于能量衰減而導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。為了解決這個(gè)問(wèn)題,采用多組數(shù)據(jù)的平均值來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離。具體分別采集多組數(shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均,得到最終的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)多組數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算,可以有效地降低激光能量損失對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,提高測(cè)量精度和可靠性。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)方法對(duì)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法的效果,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,下面將介紹實(shí)驗(yàn)的具體過(guò)程和結(jié)果分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)所使用的裝置主要包括:偏振調(diào)制激光器、偏振片、光電探測(cè)器、MLS算法處理器、數(shù)據(jù)采集卡等。其中,偏振調(diào)制激光器用于產(chǎn)生激光;偏振片用于調(diào)節(jié)激光的偏振方向;光電探測(cè)器用于接收激光的反射信號(hào);MLS算法處理器用于處理采集的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)采集卡用于將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)調(diào)整偏振片的角度,使激光的偏振方向與目標(biāo)物體的表面垂直。

(2)啟動(dòng)偏振調(diào)制激光器,產(chǎn)生偏振調(diào)制激光。

(3)激光照射到目標(biāo)物體表面并被反射回來(lái),光電探測(cè)器接收反射信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),將電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

(4)使用MLS算法處理器對(duì)采集的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建和光滑化處理。

(5)計(jì)算目標(biāo)物體與激光源的距離,并對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算和高斯加權(quán)計(jì)算,得到最終的測(cè)量結(jié)果。

4.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)中,偏振調(diào)制激光的波長(zhǎng)為532 nm,功率為100 mW,偏振片的角度為45°,MLS算法處理器的參數(shù)為:搜索半徑為5 cm,權(quán)重函數(shù)為高斯函數(shù)。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 測(cè)量精度分析

為了比較傳統(tǒng)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法和改進(jìn)后的方法的測(cè)量精度,本次采集了兩組數(shù)據(jù),并使用這兩種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法和改進(jìn)后的方法多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

可以看出,改進(jìn)后的方法的測(cè)量精度明顯高于傳統(tǒng)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)方法的測(cè)量誤差較大,可能是由于多次反射、散射和雜散光的干擾引起的。而改進(jìn)后的方法在處理離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí),能夠有效地去除噪聲和雜散光的影響,從而提高了測(cè)量精度。

4.4.2 實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性分析

為了評(píng)估改進(jìn)后的方法的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性,本次進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 改進(jìn)后的方法多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從表2中可以看出,雖然不同組實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果之間存在一定的誤差,但是誤差范圍相對(duì)較小,表明改進(jìn)后的方法具有較好的實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性。

4.4.3 實(shí)驗(yàn)效率分析

為了比較傳統(tǒng)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法和改進(jìn)后的方法的效率,對(duì)兩種方法在處理同樣大小的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)所需的時(shí)間進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 傳統(tǒng)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法和改進(jìn)后的方法的效率對(duì)比

從表3中可以看出,改進(jìn)后的方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法,在處理同樣大小的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí),所需的時(shí)間更短,能夠更快地處理數(shù)據(jù)并得到測(cè)量結(jié)果。這主要是由于MLS算法能夠更有效地處理離散點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而提高了計(jì)算效率。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,改進(jìn)后的偏振調(diào)制激光測(cè)距方法能夠提高測(cè)量精度、實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和計(jì)算效率,具有更廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,偏振調(diào)制激光測(cè)距是一種高精度、高速度、高可靠性的測(cè)距方法,雖然已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)距和精密測(cè)量等領(lǐng)域,但是傳統(tǒng)的偏振調(diào)制激光測(cè)距方法在實(shí)際應(yīng)用中存在測(cè)量誤差較大和抗噪能力不足等問(wèn)題,影響了測(cè)距精度和可靠性。因此本文基于MLS算法對(duì)偏振調(diào)制激光測(cè)距方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的方法具有更高的測(cè)量精度、實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性和計(jì)算效率,能夠更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。