水下微地貌三維激光地形儀研制

丁忠軍，李玉偉，徐松森，李珊珊

(1.青島科技大學自動化學院，山東青島 266061;2.國家深?；毓芾碇行模綎| 青島 266061;3.中石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017;4.青島遠海海上測控科技有限公司，山東青島266061)

跨越江海的公路特大橋、海洋采油平臺、深水防波堤、大型港口的建設(shè)［1］必然對建筑物周圍的地形產(chǎn)生較大的影響，原有平衡遭到破壞，發(fā)生泥沙沖淤以建立新的平衡，而泥沙沖淤問題可能會給工程帶來整體性破壞，危害極大。因此，進行灘海工程物理模擬實驗，研究泥沙沖淤［2］引起的地貌變化，高精度獲取水下地形是一項必不可少的重要工作。

目前，地形測量的主要方法有:光電式測量、電阻式測量、超聲測量。光電式測量是根據(jù)水和淤積體在分界處兩者透光差異來判別觸頭接觸區(qū)域的位置，從而得到淤積面的高程，繪出地形圖。而此法是利用界面淤積物的阻光作用來實現(xiàn)地形測量的，因此它會破壞局部地形，從而影響測量精度。電阻式地形儀是利用水中和淤積物中電阻的差異來確定模型中沖淤面高程的。該方法靈敏度較高，其缺點是抗干擾能力差，易產(chǎn)生誤動作，穩(wěn)定性不高，不適合長時間連續(xù)測量。超聲測量是根據(jù)回聲定位原理制成的，根據(jù)聲脈沖發(fā)出到接收的傳播時間計算高程描繪地形。但受實驗環(huán)境影響，聲波在水中產(chǎn)生反射、散射和衰減，使得測量儀器的分辨率不高，精度難以達到實驗要求。

激光是現(xiàn)代新光源，具有方向性好、顏色極純、亮度高、相干性好等特點。用其研制的激光測距傳感器因其脈沖頻率高、光波波長很短等原因而達到很高的測量精度。被廣泛應用于大地測距、宇宙大地測量、航空攝影、三維掃描等多個領(lǐng)域［3］。利用光學三角漫反射法研制的傳感器結(jié)合光學技術(shù)及激光技術(shù)特點，通過測量漫反射光在成像物鏡的偏移獲得目標距離，因長距離測距成像困難而很少被應用，但在短距測量中卻具有很高精度，如平整度測量、非接觸測量位移、三維尺寸、厚度、物體形變、振動、分揀及玻璃表面測量等高精度短距測量領(lǐng)域獲得了大量應用。

激光應用于水下地形測量的實例較多，如黃河河床模型實驗借助CCD攝像機的激光三維掃描系統(tǒng)、上海交大的水下地形激光自動測量系統(tǒng)等，但通常使用激光測距原理，通過測定光在空氣及水中的運動時間而得到目標距離。基于光學三角漫反射原理研制的激光測距傳感器并將傳感器直接置于水中測量高程，即能獲取高精度測量數(shù)據(jù)，同時克服水面波動影響，具有潛在的工程應用價值。

本項目實現(xiàn)地形自動掃描測量、定點測量、小區(qū)域掃描、三維顯示等功能，集高精度運動控制、數(shù)據(jù)采集、地形三維顯示于一體，具有一定的開創(chuàng)性研究。項目主要融合三角反射激光測距技術(shù)、二維掃描技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)。這些技術(shù)的有機融合，使系統(tǒng)更加完善，精度更高，實現(xiàn)了地貌的高精度獲取。

1 激光三角反射原理

在激光三角法［4］中，由光源發(fā)出的一束激光照射在待測物體平面上，通過反射最后在檢測器上成像［5］。當物體表面的位置發(fā)生改變時，其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應的位移。通過像移和實際位移之間的關(guān)系式，真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到。激光三角法的框圖［6］如圖1所示。其中:α是投影光軸與成像物鏡光軸的夾角;β是光電探測器受光面與成像物鏡光軸的夾角，而s和s'分別是物距和像距，d是傳感器上的成像點的偏移，而δ為實際物體表面的偏移。系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)為:偏置距離(stand-off distance)D為從傳感器到被測表面參考點的距離;測量范圍(measurement range)為最大能檢測到的物體表面的偏移，即︱δ︱的最大值;測量精度，傳感器的最小測量單位;分辨率(resolution)一般指測量的縱向分辨率(vertical resolution)，為測量精度和測量范圍之比;橫向分辨率(horizontal resolution)為待測物體表面上所取測量點的最小間距。

為了實現(xiàn)完美聚焦，光路設(shè)計必須滿足斯凱普夫拉格條件(scheimpflug condit ion);成像面、物面和透鏡主面必須相交于同一直線，如圖1中X點所示。系統(tǒng)的非線性的輸入輸出函數(shù)為:

又可以寫為:

激光三角法的另一項重要參數(shù)為線性度(Linearity)，就是三角測量法輸入和輸出關(guān)系的線性近似程度?？梢宰C明，在三角測量中，可以通過縮小測量范圍［7］，增大接收透鏡的共軛矩，增大三角測量系統(tǒng)的角度，縮小接收透鏡的放大倍率，達到線性測量的結(jié)果。此外，由式(1)對d求導，得到輸入輸出曲線的斜率，即激光三角法的放大倍率σ:

系統(tǒng)的放大倍率［8］決定了系統(tǒng)的分辨率，而放大倍率不但取決于系統(tǒng)參數(shù)，還是像移d的函數(shù)。

2 地形儀的組成

如圖2所示，水下微地貌三維激光地形儀由機械系統(tǒng)、二維運動測控系統(tǒng)以及測控軟件組成。系統(tǒng)可以在1.5×0.5掃描范圍內(nèi)按照1～10 mm范圍步長運行。其工作過程:硬件上電初始化，下位機控制器等待上位機測控軟件發(fā)送控制指令及掃描參數(shù)，分別控制兩臺伺服電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠與探桿連接，固定在探桿上的激光傳感器侵入水面，通過絲杠傳動掃描被測區(qū)域，并按運行步長測取高程數(shù)據(jù)。整個運行過程，通過測控軟件可實時觀測三維地形圖，區(qū)域測量結(jié)束后停止電機。

圖1 激光三角法的原理框圖Fig.1 Functional block diagram of laser triangulation

圖2 三維激光地形儀示意Fig.2 Three-dimensional terrain apparatus based on laser testing arm

2.1 機械系統(tǒng)

地形儀機械系統(tǒng)主要由橫向電機測量軌道、縱向電機測量軌道、探桿、側(cè)橋、支架五部分組成。其中，橫向電機測量軌道包括:兩條固定杠、絲杠［9］、傳動托臺、伺服電機等?？v向電機測量軌道包括:兩條固定杠、絲杠、固定板、傳動托臺、伺服電機等。儀器的主要設(shè)計結(jié)構(gòu):橫向電機測量軌道與側(cè)橋固定在支架上，側(cè)橋用于安裝伺服驅(qū)動器?？v向電機測量軌道通過固定板固定在橫向電機測量軌道的傳動托臺上，探桿固定在縱向電機測量軌道的傳動托臺上。當橫向電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)［10］，固定于傳動托臺上的縱向電機測量軌道沿橫向移動，當縱向電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，固定于傳動托臺上的探桿沿縱向移動，由此構(gòu)成二維運動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)區(qū)域掃描全覆蓋。

2.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)包括傳感器測量系統(tǒng)和電機伺服控制系統(tǒng)［11］。傳感器測量系統(tǒng)包括防水護罩、激光傳感器。電機伺服控制系統(tǒng)包括1臺伺服電機控制器、2臺伺服電機驅(qū)動器及2臺伺服電機。

激光傳感器選用真尚有品牌ZLDS10X系列激光位移傳感器，數(shù)字化集成一體化結(jié)構(gòu)，0.1%高精度，量程為0～120 mm以及8 kHZ高響應、IP67高防護等級，測量不受色彩、表面材質(zhì)或離散光線所影響，有同步輸入端，可使多個傳感器同步工作。電機伺服系統(tǒng)選用AC伺服系統(tǒng)MCXB系列驅(qū)動器及配套的伺服電機。

2.3 監(jiān)控軟件

LabVIEW是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標準圖形編程工具，用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)具有其他文本語言無法比擬的優(yōu)勢。此地形儀監(jiān)控軟件的編寫使用虛擬儀器軟件labview8.6編寫，如圖3所示，測控軟件包括測量環(huán)境參數(shù)輸入、運動方式控制、數(shù)據(jù)自動采集、實時三維地形顯示、地形圖處理等功能。其中運動方式控制主要包含:全區(qū)域掃描測量、小區(qū)域高精度掃描測量、全區(qū)域定點控制、電機運動控制等功能。

圖3 測控軟件主流程示意Fig.3 The lord flowchart of measurement and control software

對地形儀的測控軟件進行操作，選擇串口及輸入環(huán)境參數(shù)，根據(jù)需要選取二維運動系統(tǒng)運動方式、全區(qū)域定點控制、小區(qū)域高精度控制等功能，此時二維運動控制系統(tǒng)按要求運動并以步長為最小單位發(fā)送激光傳感器坐標，測控軟件根據(jù)坐標自動獲取高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理、計算等操作均由軟件在后臺通過數(shù)據(jù)處理控件完成，并繪制顯示三維地形圖。運行結(jié)束后可對地形圖進行等高線繪制、剖面圖顯示、地形圖拼接等處理。

3 水下測量誤差分析及校正

激光具有單色性和高亮度性的特性，通過對激光的接收調(diào)制換算出測量距離，因此激光測量精度較高［12］。正因如此，國內(nèi)外廣泛應用于距離測量和軍事探測。然而在灘海模型實驗中卻很少人應用。目前，激光測距傳感器在工業(yè)測量中精度高達0.1 mm級，測量距離有限。鑒于激光測距的高精度性而灘海沖淤地形測量中量程不大等情況，將基于光學三角反射原理研制的激光傳感器引進到灘海模型實驗水下地形測量中，以提供一種新的水下地形測量方法，并驗證其可行性。

激光三角法測量原理是對激光束在被測物體表面形成光斑的散射光進行感知［13］，當光線由一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，光線必然發(fā)生折射，使光路發(fā)生彎曲，則光斑在檢測器上的成像出現(xiàn)偏移，造成測量誤差。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計，傳感器經(jīng)過防水處理浸入水中，光斑點光線在傳播過程中，經(jīng)過水中進入空氣，發(fā)生折射，通過透鏡在檢測器上成像。根據(jù)光線沿直線傳播原理，成像對應的理論光斑點為o點，如圖4所示。則系統(tǒng)因傳播環(huán)境不同引入測量誤差。

通過透鏡成像公式及幾何三角學推導系統(tǒng)的非線性的輸入輸出函數(shù)為:

式中:a=lsinγ，φ=lcosγ為三角測量系統(tǒng)的固定參數(shù)，n為水的折射率。

基于三角反射原理研制的激光傳感器測量范圍小于測量盲區(qū)值，且激光發(fā)射口與接收口間距非常小，即在三角測量中，物體偏移很小，且盲區(qū)很大。故可以結(jié)合實際情況對式(5)做近似線性化處理，從而得出線性公式:

根據(jù)理論分析，現(xiàn)通過物理模型實驗來測定激光水下地形測量的可行性、穩(wěn)定性以及校正系數(shù)。驗證試驗方案示意圖如圖5所示，將激光傳感器放入防水玻璃罩內(nèi)，與鋼尺固定，然后放入水中。調(diào)節(jié)鋼尺旋鈕，使激光傳感器每次移動1 cm，讀取激光傳感器測量數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 誤差分析示意Fig.4 Error analysis diagram

圖5 激光位移傳感器性能試驗示意Fig.5 Laser displacement sensor performance test schemes

分析實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具有良好的線性關(guān)系，在式(1)、(6)基礎(chǔ)上擬采用校正系數(shù)進行校正，公式如下:

表1 驗證實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Validation experiment data

校正算法采用曲線擬合的最小二乘法，求一函數(shù)s*(x)，使誤差平方和最小。設(shè)函數(shù)為:

通過表1數(shù)據(jù)求得的校正系數(shù):

傳感器測量范圍為0～120 mm，則通過系統(tǒng)校正后，系統(tǒng)高程測量范圍為204.85～364.21 mm。系統(tǒng)測量精度為0.2%FS。

根據(jù)精密測量要求，取置信水平0.997 3，標準差置信區(qū)域為(0.13，1.29)，相對誤差0.156%，系統(tǒng)經(jīng)校正后，滿足上述精度要求，且測量穩(wěn)定性很好。

4 系統(tǒng)的實驗應用

現(xiàn)用該系統(tǒng)測量水下模型，以驗證系統(tǒng)的動態(tài)測量，測量結(jié)果如圖6所示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高精度、測量迅速、三維地形圖直觀形象，且圖像處理能力強。

圖6 測量結(jié)果Fig.6 Measurement results

5 結(jié)語

將激光三角測量原理引入灘海模型實驗水下地形測量中，并結(jié)合二維運動控制技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)，研制了三維激光地形儀。通過分析激光三角測量原理，分析誤差引入原因及校正方法，整個系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)測量技術(shù)的地形測量儀相比，具有高精度，高穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便等特點，適合實驗室內(nèi)地形變化實驗，值得推廣應用。

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