专利名称：一种点扫描三维形貌测量系统标定方法
技术领域：
本发明涉及一种点扫描三维形貌测量系统标定方法，属于光电测量领域，适用于三维形貌测量相关理论研究和工程技术的应用。
背景技术：
由于接触式测量方法效率低、易破坏被测物的局限性，近年来光学非接触测量技术以其自动化、高效率、高分辨率等优点而得到了快速发展与广泛应用。其中，采用激光光源的主动式三角测量方法原理简单，适合远距离、大范围测量，相关理论研究比较成熟，应用广泛。单点式三角法一次只能测量一个点的三维信息，测量效率低。附加扫描装置后，可实现对被测物的扫描测量，极大提高测量效率。·为了实现准确测量，需对点扫描三维形貌测量系统的结构参数进行标定，得到被测量和已知量之间的转换关系。点扫描三维形貌测量系统大多光路复杂，结构参数多，且各参数之间呈复杂的非线性耦合关系，难以通过变量分离的方式得到每个具体结构参数的独立表达式，给系统结构参数标定带来了较大难度。此外，常用的三维测量系统的标定方法大都通过标准模板上三维坐标已知的参考点将传感器坐标系和测量基准坐标系联系起来，进而求得两个坐标系间的变换关系。对于点扫描三维形貌测量系统，由于激光点和已知参考点难以精确对准，此类方法也难以获得良好的标定效果。针对以上问题，本发明提出了一种点扫描三维形貌测量系统的标定方法，以标准平面靶标配合精密位移台和转台实现系统的精确标定。

发明内容
本发明专利的技术解决问题是针对点扫描三维形貌测量系统的标定问题，用一种基于标准平面靶标精密移动和旋转的方法实现系统精确标定。本发明专利的技术解决方案是利用标准平面靶标、精密位移台和转台实现系统标定，具体方法包括以下步骤步骤一系统建模。根据系统测量原理建立数学模型，确定待标定参数。激光器发出光束先后经过X振镜正面、左反射镜、Y振镜左端后入射到被测目标表面，产生漫反射光斑，又经过Y振镜右端、右反射镜、X振镜反面后被成像透镜会聚在线阵CCD上成为像点。根据成像光点位置和扫描振镜偏转角可求解被测点三维坐标。待测物点的三维坐标(X，Y，Z)的表达式为Χ=-χ (ρ, Θ )(I)
Y= (r( / , Θ) - hx cos(y / 2) - hy) · sin(2(p) - hz cos(2(p) + hy{ 2 )
Z = (ζ(/7,θ) - hx cosiy I 2) - hy ) ■ cos(2cp)十 hz sin(2(p) + hz( 3 ) 其中，ρ、θ、φ为测量中的已知量，y、hx、hy、hz为待标定系统结构参数。χ(ρ, Θ )，Z (ρ, Θ)为测量中间变量，其表达式为
权利要求
1.一种点扫描三维形貌测量系统标定方法，其特征在于它包括以下步骤 步骤一系统建模；根据系统测量原理建立数学模型，确定待标定参数； 激光器发出光束先后经过X振镜正面、左反射镜、Y振镜左端后入射到被测目标表面，产生漫反射光斑，又经过Y振镜右端、右反射镜、X振镜反面后被成像透镜会聚在线阵C⑶上成为像点；根据成像光点位置和扫描振镜偏转角求解被测点三维坐标，待测物点的三维坐标(X，Y，Z)的表达式为
2.根据权利要求I所述的一种点扫描三维形貌测量系统标定方法，其特征在于步骤二所述的调整标定装置，具体实现方法为(1)固定测量系统于实验平台上；(2)精密位移台置于系统工作距离处，测量视场内，调整测量激光束沿系统Z轴方向，使置于位移台上的平面靶标表面被测激光点随位移台前后移动时位置不变，调整完成后位移台移动方向与测量系统Z轴方向一致，固定位移台于实验平台上；(3)将精密转台置于精密位移台之上，标准平面靶标置于精密转台之上，调整测量激光束沿系统Z轴方向，使置于转台上的平面靶标表面被测激光点随转台旋转时位置不变，调整完成后转台中心轴线与系统Z轴垂直相交，标准平面靶标被测面通过转台中心，固定转台于位移台之上；(4)调整测量激光束沿系统Z轴方向，在平面靶标表面固定平面镜，测量激光束照射到平面镜后反射回到系统出光口，调整完成后标准平面靶标被测面垂直于系统Z轴，固定靶标于转台上。
3.根据权利要求I所述的一种点扫描三维形貌测量系统标定方法，其特征在于步骤三所述的Z方向标定数据获取方法为仅使精密位移台移动进行测量，每次移动相同距离ΔΖ,从初始点开始共移动N次,得N个Z坐标数据Zi (i=l N);所述的X方向标定数据获取方法为首先控制精密转台转动角度α，然后使精密位移台移动，每次移动相同距离ΔΖ,从初始点开始共移动N次,得N组坐标数据(Xi, Zi) (i=l N);根据已标定过的Z方向测量数据Zi (i=l N),由式(8)可得N个X坐标数据Xi (i=l N)
全文摘要
一种点扫描三维形貌测量系统标定方法，它有三大步骤首先建立测量系统模型，确定待标定参数；然后利用精密位移台、精密转台和标准平面靶标作为标定装置，调整其相互位置与姿态满足标定要求，通过精密位移台和转台带动标准平面靶标的移动和转动获得各方向的标定数据；最后，通过最大似然估计的方法求解待标定参数，确定系统模型，实现系统精确标定。本发明在光电测量领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。
文档编号G01B11/24GK102944188SQ201210397809
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日
发明者李旭东, 赵慧洁, 边赟, 李成杰, 姜宏志 申请人:北京航空航天大学