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CN102359814A - 三维激光运动姿态测量系统及方法 - Google Patents

三维激光运动姿态测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种三维激光运动姿态测量系统及方法，所述测量系统包括光学发射系统、光学接收系统和信号处理系统，所述光学发射系统包括激光光源，复数第一组分光元件和第一组聚光元件，所述光学接收系统包括复数第二组聚光元件和第二组分光元件，所述信号处理系统包括至少一光电探测器；所述光学发射系统发射出五束测量激光，同时照射到被测物体的测量点上，并由被测物体反射形成反射光束，所述反射光束经光学接收系统接收处理后，传送至所述信号处理系统处理成反映被测物体运动姿态的电信号。本发明能够实时地测量被测物体三维方向的运动姿态，且测量精度高。

Description

三维激光运动姿态测量系统及方法
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及三维激光多普勒测量运动姿态的系统及方法。
背景技术
激光多普勒测量技术是一种精确的非接触式的测量技术，它是基于测量从物体表面微小区域反射回的相干激光光波的多普勒频率，进而确定该测点的振动速度，以及物体表面的振动情况。工程中的许多结构和部件的振动是三维的，即物体表面某一点的振动(速度)可被分解成两个面内分量(Vx，Vy)和一个离面分量Vz，当进行三维激光振动测量时，需要使用三束激光照射被测点。如图1所示。在光路布置中，光束ZZ沿Z轴方向，用于测量Vz，从而可得：
Vzx＝Vzcosθ+Vxsinθ                           (1)
Vzy＝Vzcosψ+Vysinψ                           (2)
由(1)式、(2)式可得：
Vx＝(Vzx-Vzcosθ)/sinθ                        (3)
Vy＝(Vzy-Vzcosψ)/sinψ                        (4)
由多普勒频移测量速度的最直接的方法是利用高分辨率的光谱仪分析来自振动物体的散射光。由于物体实际的振动速度比光速小得多，例如，当波长l为6328×10-10米/秒、振动物体的速度为10米/秒时，可获得He-Ne激光的多普勒频移的最大值，按(1-4)计算，可得D＝31.6MHz Df，而激光本身的频率f很高(约为4.74′1014Hz)，即DfD/f＝6.67′10-8。
因此，直接测量多普勒频率DfD是不可能的。而是当多普勒频移足够大时，可以借助于高分辨率的法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot)行测量。在一般情况下，大多数物体的振动速度所引起的多普勒频移在几十千赫—几十兆赫，超出了光谱仪的分辨率。这时需要借助于光学差拍及参考光技术来测量。
而对于物体三维振动面外分量的振动测量，在传统的激光测量技术中，无论是单点测量还是整个面的扫描测量，都只给出了物体的结构振动特性，而没有给出物体整体的三维振动特性。而对于最近几年出现的三维激光测量物体振动的技术，其主要由三个单点激光测振仪器发出三束光束，以监测被测物体三个方向的振动，然这种测量技术的缺陷是需要多台激光测振仪，且所测得反应物体运动状态的参数不是实时的，其需要通过投影计算后才能获得某一时间点被测物体在三维方向的运动参数。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种新型的三维显微运动姿态测量系统及方法，其能通过一个激光测振仪，经过分光元件等处理后形成五束测量光束发射到被测物体上，实时测得被测物体在三维方向的振动信息及运动姿态。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种三维激光运动姿态测量系统，包括光学发射系统、光学接收系统和信号处理系统，所述光学发射系统包括激光光源，复数第一组分光元件和第一组聚光元件，所述光学接收系统包括复数第二组聚光元件和第二组分光元件，所述信号处理系统包括至少一光电探测器；所述光学发射系统发射出复数束测量激光，同时照射到被测物体的测量点上，并由被测物体反射形成反射光束，所述反射光束经光学接收系统接收处理后，传送至所述信号处理系统处理成反映被测物体运动姿态的电信号。
优选地，所述测量系统还包括一束与测量光束相比较的参考光束。
所述信号处理系统还包括对被测物体成像的电荷耦合元件。
所述测量系统还包括提供照明的LED。
所述测量激光为五束。
所述五束光束分为三组，其中两束为测量被测物体X方向运动参数的第一组光束，两束为测量被测物体Y方向运动参数的第二组光束，还有一束为测量被测物体Z方向运动参数的第三光束。
本发明还揭示了一种三维激光运动姿态测量方法，由激光光源发出的激光经过光学发射系统分光处理后，形成复数束测量光束同时照射到被测物体上，由被测物体反射形成反射光束，携带了被测物体在三维方向的运动信息的所述反射光束经光学接收系统接收处理后，传送到光学处理系统处理成反映被测物体运动姿态的电信号。
优选地，所述激光光源发出的激光经过光学发射系统分光处理后，还有一束形成与所述测量光束进行比较的参考光束。
所述光学发射系统对发射激光光束的处理还包括移频、聚焦及透射处理。
所述光学接收系统对反射激光光束的处理包括透射、反射、聚焦及分光处理。
所述测量激光为五束。
所述光学处理系统还包括对被测物体成像的处理。
与现有技术相比，本发明提供的三维激光运动姿态测量系统及方法能够实时测量被测物体三维方向的运动姿态，且动态测量范围广、测量精度高。
附图说明
图1是本发明三维激光运动姿态测量系统及方法的光路原理图；
图2是本发明的具体的光路结构图；
图3是本发明三维激光运动姿态测量系统及方法的使用框图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明优选实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明提出的三维激光运动姿态测量系统，其采用三维多普勒激光测振技术，能使多束光束同时探测被测物体上的目标点，并测量被测物体上在X、Y、Z三个方向上的运动姿态。
如图1所示，所述三维激光运动姿态测量系统包括发射光学系统、接收光学系统及信号处理系统，所述发射光学系统包括激光光源1，复数第一组分光元件、第一组聚光元件，所述光学接收系统包括第二组分光元件、第二组聚光元件，所述信号处理系统包括光电探测器7和CCD(电荷耦合元件)，其中LED用以为测量系统提供照明。
本实施例中，光电探测器7包括第一光电探测器71和第二光电探测器72，其中，第一光电探测器71用于探测被测物体在X方向上运动信息的光束，并将其转换成电信号，第二光电探测器72用于探测被测物体在Y和Z方向运动信息的光束，亦将其转换成电信号，CCD用于对被测物体形成图像。
测量时，由激光光源1发出的激光经发射光学系统的分光、移频、聚焦及透射等处理后，形成五束测量光束同时照射到被测物体8的测量点上，以测量被测物体测量点的三维运动姿态，测量光束由被测物体8反射后形成反射光束，接收光学系统接收从被测物体上反射回来的、携带了被测物体测量点三维振动信号的反射光束，并将这些光束经过透射、聚焦及分光等处理后，传送到信号处理系统，以获得被测物体实时的反映运动姿态的光电信号及图像。
具体来说，如图2所示，所述光学发射系统的第一组分光元件包括直角棱镜21、25，分光棱镜22a、22b、22c，26、27、28，分光移频元件23a、23b、23c，分光元件24a、24b、24c，及平行光板29，所述第一组聚焦元件包括聚焦透镜31、32及物镜33，所述第二组分光元件包括平行光板29、分光棱镜41、42、43，所述第二组聚焦元件包括物镜33、聚焦透镜51、52和透镜53。
所述激光光源1发出单束激光后，经过直角棱镜21转向、分光棱镜22a、22b、22c分光后，将单束激光分为X、Y、Z三个方向的三束测量光，X方向的测量光经过分光移频元件23a后分成两束固定模式的光，并产生频移，经分光元件24a、24b后形成两束平行光输出，再经过聚焦透镜31、32聚焦及平行光板29透射后，通过物镜33把光束聚焦到被测物体8的测量点上，携带了被测物体X方向振动信息的光束发生反射形成反射光束，经由接收光学系统中的物镜33的透射、光学平板29的反射、聚焦透镜51、52的聚焦及分光棱镜41分光后，将X方向的光束传输到信号处理系统中的第一光电探测器71上。
Y方向的测量光经分光移频元件23b后分成两束固定模式的光，并产生频移，经分光元件24c后两束光平行输出，经过直角棱镜25改变光束方向、及分光棱镜28的反射、聚焦透镜31、32聚焦及平行光板29透射后，通过物镜33把光束聚焦到被测物体8的测量点上，携带了被测物体Y方向振动信息的光束发生反射形成反射光束，反射光束经物镜33的透射、光学平板29的反射、聚焦透镜51、52的聚焦及分光棱镜41、42、43分光后，将Y方向的光束传输到第二光电探测器72上。
Z方向的测量光束经分光移频元件23c后分成两束固定模式的光，并产生频移，经过分光棱镜27把Z方向测量光分成参考光束和测量光束，测量光束经分光棱镜28改变光路传播方向后经过聚光透镜31、32聚焦及平行光板29透射后，通过物镜33把光束汇聚到被测物体8的测量点上，携带Z方向振动信息的光束发生反射形成反射光束，反射光束经物镜33的透射、光学平板29的反射、聚焦透镜51、52的聚焦及分光棱镜41、42、43分光后，将Z方向的光束传输到第二光电探测器72上。
而参考光束经过直角棱镜61、62、分光棱镜63的转向等处理后，传送到第一光电探测器71和第二光电探测器72，在与X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的测量光束进行干涉等比较处理后，并将其转化为反映了被测物体在X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的运动姿态的电信号。
而CCD根据从被测物体上反射回来的测量光束，对被测物体形成图像，并被测物体的图像像素转换成数字信号。
如图3所述，信号处理系统获得的电信号经过数据采集卡的采集及数据分析软件的分析处理后，将被测物体被测点的运动姿态信息如振动速度、位移、加速度等直接显示在图像显示器上，以便后续的分析处理。
本实施例的图2中所示的光学元件为说明本发明所选用的，在本发明的其他实施例中，也可以选用其他可替代的光学元件，如光电探测器也可以为一个或三个，一个光电探测器用于同时探测从被测物体反射回的三个方向测量光及参考光，三个光电探测器用于分别探测被测物体三个方向的测量光及参考光。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：包括光学发射系统、光学接收系统和信号处理系统，所述光学发射系统包括激光光源，复数第一组分光元件和第一组聚光元件，所述光学接收系统包括复数第二组聚光元件和第二组分光元件，所述信号处理系统包括至少一光电探测器；所述光学发射系统发射出复数束测量激光，同时照射到被测物体的测量点上，并由被测物体反射形成反射光束，所述反射光束经光学接收系统接收处理后，传送至所述信号处理系统处理成反映被测物体运动姿态的电信号。
2.根据权利要求1所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述测量系统还包括一束与测量光束相比较的参考光束。
3.根据权利要求1或2所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述信号处理系统还包括对被测物体成像的电荷耦合元件。
4.根据权利要求1所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述测量激光为五束。
5.根据权利要求4所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述五束光束分为三组，其中两束为测量被测物体X方向运动参数的第一组光束，两束为测量被测物体Y方向运动参数的第二组光束，还有一束为测量被测物体Z方向运动参数的第三光束。
6.一种三维激光运动姿态测量方法，其特征在于：由激光光源发出的激光经过光学发射系统分光处理后，形成复数束测量光束同时照射到被测物体的测量点上，由被测物体反射形成反射光束，携带了被测物体在三维方向的运动信息的所述反射光束经光学接收系统接收处理后，传送到光学处理系统处理成反映被测物体运动姿态的电信号。
7.根据权利要求6所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述激光光源发出的激光经过光学发射系统分光处理后，还有一束形成与所述测量光束进行比较的参考光束。
8.根据权利要求6或7所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述光学发射系统对发射激光光束的处理还包括移频、聚焦及透射处理，所述光学接收系统对反射激光光束的处理包括透射、反射、聚焦及分光处理。
9.根据权利要求6或7所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述测量激光为五束。
10.根据权利要求6或7所述的三维激光运动姿态测量系统，其特征在于：所述光学处理系统还包括对被测物体成像的处理。
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