基于激光雷達(dá)測(cè)試飛機(jī)形貌的關(guān)鍵技術(shù)

四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系　徐鳳　蔣毅

基于激光雷達(dá)測(cè)試飛機(jī)形貌的關(guān)鍵技術(shù)

四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系徐鳳蔣毅

在工業(yè)迅猛發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，對(duì)于測(cè)量的要求，尤其是對(duì)大尺寸測(cè)量要求越來(lái)越高，小到微電子，大到航空航天工業(yè)產(chǎn)品都需要精密的測(cè)量技術(shù)。而大尺寸測(cè)量對(duì)測(cè)量技術(shù)、測(cè)量設(shè)備更是提出了新的要求。

本文通過(guò)參閱國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外的理論文獻(xiàn)，針對(duì)應(yīng)用激光雷達(dá)來(lái)測(cè)試航天航空飛行器這樣大尺寸的復(fù)雜外形物體的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了高效率、高質(zhì)量的三維形貌測(cè)量以及在線檢測(cè)，對(duì)工程的實(shí)施有很大的幫助。

激光雷達(dá)；飛機(jī)形貌；測(cè)試

1激光雷達(dá)

對(duì)于傳統(tǒng)的雷達(dá)，它們是依靠微波和毫米波段的電磁波為載波進(jìn)行工作和運(yùn)轉(zhuǎn)的。而激光雷達(dá)則是依靠激光作為載波，激光是光波波段的電磁輻射，波長(zhǎng)相對(duì)微波和毫米波的波長(zhǎng)要短得多。它們可以用振幅、頻率、相位和偏振等搭載信息，它們是信息的載體。由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成。激光雷達(dá)是激光技術(shù)和現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)的探測(cè)方式。

1.1激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量功能有以下幾方面

（1）可以進(jìn)行精密的3D測(cè)量；

（2）可以進(jìn)行在線自動(dòng)化檢查；

（3）可以與CAD模型進(jìn)行在線比對(duì)；

（4）可以進(jìn)行逆向工程。

1.2激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

可單人操作完成測(cè)量；屬于非接觸式測(cè)量；不存在偏移量誤差；測(cè)試精度優(yōu)于手工移動(dòng)靶球測(cè)量方式；幾何量測(cè)量速度快；可實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間和次數(shù)不受限；易獲取高密度測(cè)量數(shù)據(jù)，且不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)重疊和測(cè)量時(shí)間的浪費(fèi)；抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)測(cè)量面材質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)。

2激光雷達(dá)測(cè)距

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)非相干的連續(xù)波激光測(cè)距機(jī)，是一個(gè)目標(biāo)球面坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)與激光跟蹤儀的測(cè)角原理是基本相同的，但它的測(cè)距原理使用了和無(wú)線電或者微波雷達(dá)相似的原理。

2.1激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)

激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)中典型的為激光雷達(dá)脈沖測(cè)距，它屬于非相干激光雷達(dá)。近年來(lái)，激光測(cè)距雷達(dá)除了有測(cè)距功能以外，還有測(cè)角定位，測(cè)距變化率，實(shí)時(shí)跟蹤，距離、輪廓成像等功能。激光能源先進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，然后將其能量傳送給脈沖激光器的激光。然后通過(guò)分束器，一部分分光進(jìn)瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)激光發(fā)射天線系統(tǒng)，發(fā)射出激光信號(hào)到目標(biāo)上。

脈沖激光器把激光能量通過(guò)分束器把另一部分能量傳遞給光電二極管探測(cè)器，此時(shí)分光脈沖控制計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。再通過(guò)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)脈沖，距離、速度、回波到達(dá)時(shí)間都提供一定測(cè)量精度的測(cè)距和距離變化率的信息。

2.2激光測(cè)距雷達(dá)原理和組成

連續(xù)波激光測(cè)距雷達(dá)是使用已經(jīng)調(diào)制好的連續(xù)波激光器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射連續(xù)波激光束。激光接收機(jī)接收目標(biāo)反射回波，再通過(guò)測(cè)量發(fā)射的激光束和接收的目標(biāo)回波的強(qiáng)度，因此激光器常用幅度調(diào)制：

使用連續(xù)波激光測(cè)距雷達(dá)測(cè)定相位偏移有以下兩種方法：

（1）多波長(zhǎng)相位偏移干涉法

多波長(zhǎng)相位偏移干涉法通過(guò)相位偏移量測(cè)定距離。使用很穩(wěn)定的振蕩器驅(qū)動(dòng)光電調(diào)制器，通過(guò)光電調(diào)制器把激光輻射源射出的光調(diào)制成連續(xù)波的光強(qiáng)，使用接收信號(hào)的相位計(jì)測(cè)出相位偏移量，一般通常為2π的倍數(shù)。距離R和所測(cè)量的相位移之間的關(guān)系為：

式中，R是被測(cè)距離；λm是調(diào)制波長(zhǎng)；N是調(diào)制波數(shù)；φ是激光測(cè)距雷達(dá)固有的恒定相移；φ0是測(cè)量的相位移。如果調(diào)制波長(zhǎng)λm小于等于被測(cè)距離R，那么在確定調(diào)制波長(zhǎng)數(shù)N時(shí)便可能會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)值。如果既要使測(cè)距精度較高，又不讓調(diào)制波長(zhǎng)數(shù)產(chǎn)生多值，就可以通過(guò)依次用多個(gè)波長(zhǎng)（必須測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)的相位移）來(lái)獲取連續(xù)波激光器的調(diào)制信息。

如：要測(cè)千米的距離，需要用2個(gè)調(diào)制波長(zhǎng)。測(cè)萬(wàn)米的距離，就需要用5個(gè)調(diào)制波長(zhǎng)。在多個(gè)調(diào)制波長(zhǎng)中，使用最短的調(diào)制波長(zhǎng)作為精測(cè)頻率，也可以稱為基本測(cè)量頻率，因?yàn)樽疃痰恼{(diào)制波長(zhǎng)決定了測(cè)距的精度。而其他調(diào)制波長(zhǎng)則作為粗測(cè)頻率或輔助測(cè)尺量頻率。在測(cè)量中，精測(cè)頻率必須足夠高，也就是精測(cè)波長(zhǎng)必須足夠短，這樣才能保證測(cè)距的精度。由于相位測(cè)量的極限值

式中，ΔR為測(cè)距精度；λml為測(cè)距波長(zhǎng)。

（2）頻率調(diào)制測(cè)相位移法

利用頻率調(diào)制測(cè)相位移法測(cè)量連續(xù)波激光測(cè)距雷達(dá)，如圖1所示。多波長(zhǎng)相位偏移干涉法用光電調(diào)制器設(shè)置連續(xù)激光器載波的幅值，頻率調(diào)制測(cè)相位移法則用微波調(diào)制連續(xù)激光器輸出的幅值。微波調(diào)制器調(diào)制的頻率在發(fā)射的激光束往返于被測(cè)物體的時(shí)間內(nèi)發(fā)生連續(xù)變化。經(jīng)往返時(shí)間t=2R/c后，到達(dá)接收光學(xué)天線的回波信號(hào)與微波發(fā)起的瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行混頻，由于在混頻器時(shí)，回波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，它與距離有關(guān)則產(chǎn)生頻率差，其值為f0。再傳送到光電探測(cè)器上，把兩種不同的光信號(hào)進(jìn)行光混頻，這樣就可以得到頻差信號(hào)，從而計(jì)算出目標(biāo)距離。

圖1　頻率調(diào)制法連續(xù)波激光測(cè)距雷達(dá)的方框圖

由于要得到的頻率隨著時(shí)間進(jìn)行線性變化很困難，所以頻率調(diào)制測(cè)相位移法不太適合于高精度測(cè)距。因?yàn)檫B續(xù)波激光測(cè)距雷達(dá)平均發(fā)射功率較低，因此其測(cè)距范圍相比同等脈沖激光測(cè)距雷達(dá)差很多。連續(xù)波激光測(cè)距雷達(dá)多數(shù)情況用在對(duì)同等范圍的目標(biāo)測(cè)距系統(tǒng)上。

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［3］薛宏熙等.MACH可編程邏輯器件及其開發(fā)工具［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

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徐鳳，1981年出生 ，四川遂寧人，講師。