激光三角法测量物体位移
课程设计Ⅱ（论文）说明书题目：激光三角法测量物体位移
学院：电子工程与自动化学院
专业：光信息科学与技术
学生姓名：覃荣梅
学号：1000830303
指导教师：王新强
2014 年1月5 日
摘要
本课程设计基于激光三角法原理对物体较小范围内的移动进行测量。在长度、距离及三位形貌等的测试中有广泛应用。通过激光三角法两个方案直射式和斜射式的特点，结合实验条件，选择最合适的方案进行测量。本次测量最大的特点就是非接触式测距，实际中对非接触式测距一般很难知道物体到成像透镜的距离，可由成像透镜焦距以及激光光线和物体散射光线组成的三角形的边长计算出该距离。通过定标，得出透镜上成像距离与物体像移动距离间的对应关系，用此标尺作为计算移动位移的标准。移动物体采集光斑图像，用matlab软件对图像处理进行处理，计算像的移动距离，再根据几何关系推导出物体的实际移动距离。在最后计算出该方案的标准不确定度，并对方案产生的误差进行分析，提出改进意见。设计方案光路简单，方便快捷，受环境影响小而且测量精确度较高。
关键词：激光三角法；测距；定标；CCD；误差分析
目录
引言 (1)
1. 设计任务 (1)
2. 激光三角法测距基本原理 (1)
3.方案论证和选择 (2)
3.1 激光三角法测距现状 (2)
3.2 测量方案 (2)
3.3 方案比较与选择 (4)
3.4 器件选择 (6)
4. 方案验证步骤及数据记录 (6)
4.1 方案验证步骤 (6)
4.2 测量数据记录 (6)
4.2.1 测量获得成像透镜焦距 (6)
4.2.2 定标 (8)
4.2.3 移动物体测量位移 (8)
5. 测量数据处理 (9)
5.1 各个距离测量值计算 (9)
5.2 定标计算 (9)
5.3 光斑位移量计算 (11)
5.4夹角和物体实际移动位移计算 (11)
6. 误差分析及方案评价 (12)
6.1 相对误差和绝对误差计算 (12)
6.2 误差分析 (13)
6.3 设计方案评价 (13)
7. 课题分析评价 (14)
8. 课设总结 (14)
参考文献 (15)
附录1 实验器件清单 (16)
附录2 实验光路图 (17)
附录3 图像处理程序 (18)
附录4 光斑图像处理后灰度图 (19)
附录5 物体移动光斑图 (20)
引言
激光具有方向性好、单色性好、亮度高等特点，因此利用它们作为测距的发射源有很多优势，比如测量速度快、精度高、测距远等。随着半导体激光器的出现，激光测距正向小型、快速、低功耗、低成本和人眼安全方向发展。目前激光测距技术主要有脉冲测距、相位测距、激光干涉法测距、激光三角法测距等。
脉冲激光测距的主要特点是单次测量时间短、测距远、无需合作目标、隐蔽和安全性好。但测量精度相对低，一般为米级精度。相位激光测距，其特点是测量精度高，能够达到毫米级别，但要求使用连续激光器，单次测量时间较长，测量较远距离时，需要在目标处放置合作目标。对于小型或便捷式激光测距设备而言，由于受到激光器功率的限制，相位激光测距的测距一般不大，通常为百米以内。干涉法激光测距，其特点是测量精度较高（达到微米级）。但其测量精度容易受大气起伏的影响，而且要求基座采用笨重的仪器设备。激光三角法测距，其特点是简便、精度高、适合测量微小位移。但其测量精度受光学系统和CCD成像系统分辨率的限制，系统对接收机器件的要求也较高，同时不能用非匹配表面物体和透明物体作为被测目标。
1. 设计任务
（1）掌握激光三角法的测量原理；
（2）掌握CCD的工作原理与数据处理；
（3）设计测量光路；
（4）完成测量光路的搭建及物体位移的测量；
（5）分析测量精度；
2. 激光三角法测距基本原理
在被测物体表面上方，用一束激光以一定角度照射，激光在物体表面发生散射或者反射，在另一角度用成像系统对激光散射或者反射的光进行汇聚成像，当被测物体位置发生变化时，被测物体上的激光照射所产生的光斑的位置变化，光散射或者反射的角度也会发生变化，用光学系统对光线进行汇聚，光斑在成像系统CCD上会发生位移，从而在计算机屏幕上也可观察到光斑的相应移动。通过matlab软件对采集的图像进行处理可以得到两个光斑间的距离，再通过最初定标得到的比例尺，换算出在它CCD表面上的移动距离。由于激光出射光线和反射（散射）光线构成一个三角形，对光斑位移的计算，几何三角和
激光器运用其中，所以称此方法为激光三角法测距。
按照入射激光光束和被测物体表面法线的角度关系，一般分为直射式和斜射式两种方式。
3.方案论证和选择
3.1 激光三角法测距现状
激光三角法测距之初，所选择的激光器体积大，受环境干扰情况严重，因此测量精度大大下降，并未得到广泛应用。近年来随着半导体技术以及计算机技术的发展有了突飞猛进的成果，半导体激光器的出现使得测量光路更加简单，并且受环境干扰性小，计算机对图像的处理使计算距离更加精确、快速，因此激光三角法测试技术在测量物体位移方面得到广泛应用。
激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构，因此有直射式和斜射式两种结构。
3.2 测量方案
方案1：直射式测量
图3.1激光三角法直射式测位移原理图
如图3.1 所示，激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或者其表面变化，导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电探测器（PSD或CCD）上，散射光经接收透镜汇聚后在PSD或CCD上成像，移动物体前后采集的两幅图像经过软件处理求出其间距，根据推导得出的公式可求得
物体实际移动距离。
各参量如图3.1所示,应满足以下：
a n a )
(cos 22-=α ，sin α=n/a ， x
n =βcos （3-1） ()[]()()()α
θαθαθαθθααθβsin cos cos sin sin 90sin cos 90cos 90cos 90180cos cos -=-?--?=-+?≡-?--?= （3-2）
由相似三角形可得：
)
(22n a b n x -=' （3-3） CCD 表面移动位移与物体实际移动距离之间的关系，由以上（3-1）式至（3-3）式综合可解得：
θ
θcos sin x b x a x '-'=
（3-4） 方案2：斜射式测量
图3.2 激光三角法斜射式测位移原理图
激光器发出的光线和被测面法线成一定角度入射到被测面上，同样地，物体移动或其表面变化，将导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电探测器上。斜射法中通过使入射光方向与测量物表面法线成一定的夾角，避免了直射式中要
求的入射光方向物体表面垂直的要求。由于直射式测量法散射后的光线只有很少一部分被CCD 接收到，因此不能测量反射性很好的物体表面。斜射法不用限制物体表面反射率，只要物体表面平整即可。
各参量如图3.2所示，应满足以下：
角度满足关系
αθθαθθαθθsin )cos(cos )sin()sin(212121+-+=-+ （3-5）
由相似三角形有
)(22n a b n
x -=' （3-6） )(b cos 22N b -=α )(sin 22
N b x -'=α （3-7） m n )sin(21=
-+αθθ （3-8） 测量位移与入射角间满足
m
x =1cos θ （3-9） CCD 表面移动位移与物体实际移动距离之间的关系，可以由（3-5）式至（3-9）式综合解得：
)
cos()sin(cos x 21212θθθθθ+'-+'=x b x a （3-10） 3.3 方案比较与选择
由于直射式测量法散射后的光线只有很少一部分被CCD 接收到，因此不能测量反射性很好的物体表面。斜射法则不用限制物体表面反射率，只要物体表面平整即可。通过对比两种方案的特点以及实验中测量物体的特性，斜射式在搭建光路时对角度受限制性小，无需使激光入射角为零，并且在CCD 接收光斑时对物体表面要求较低。斜射式测量方法精确度高，实验中测量的距离较短，因此在本次实验设计中选择斜射式激光三角法测距。并且考虑到测量的误差，实际测量中，又把斜射式进行了改良，使得误差在理论上有所减少。