CN103837084A - 基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法。本发明的目的提供可实现三向位移同步量测的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法。本发明技术方案：1、两组激光发射器安装于参考点，激光光斑成像系统安装在位置Ⅰ；2、激光发射器向成像靶面发射光束，成像透镜将光束聚焦成光斑像，并成像光电器件接收该光斑像，信号处理单元通过图形处理算法找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位置，作为初始值；3、激光光斑成像系统移到位置Ⅱ，激光发射器向成像靶面发射光束，找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位置，作为测试值；4、测试值与初始值进行比较，计算水平和竖向位移；5、得出测点所在位置Ⅱ相对于位置Ⅰ的三向位移。

Description

基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法

技术领域

本发明涉及一种三向位移量测方法，尤其是一种基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法。适用于两测试点间的单向、双向及三向位移变化量测，以及结构裂缝的多向位移变化量测。

背景技术

目前，高精度的变形变化一般采用水准仪、全站仪、激光测距仪、裂缝计、电子水平尺等仪器或传感器进行量测，且大多采用人工量测手段。这些仪器设备成本高、工作效率较低、自动化程度低，人为影响因素较多，量测误差较大，且无法实现在线监测以及自动预警。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高精度、易联网、操作便捷、成本较低并且可实现三向位移同步量测的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：包括两组激光发射器，以及一激光光斑成像系统，所述激光光斑成像系统包括成像靶面、成像透镜、成像光电器件和信号处理单元；

步骤如下：

1.1、将两组激光发射器安装于参考点O，将激光光斑成像系统安装在测点所在位置Ⅰ；

1.2、用激光发射器向测点所在位置Ⅰ的成像靶面发射光束，用成像透镜将光束聚焦成光斑像，并用成像光电器件接收该光斑像，信号处理单元通过图形处理算法找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位置，作为初始值；

1.3、将激光光斑成像系统随测点移动到位置Ⅱ，用激光发射器向测点的成像靶面发射光束，用成像透镜将光束聚焦成光斑像，并用成像光电器件接收该光斑像，信号处理单元通过图形处理算法找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位置，作为测试值；

1.4、将两个光斑像的坐标位置测试值与两个光斑像的坐标位置初始值进行比较，计算出两个光斑像的水平位移和竖向位移；

1.5、根据两个光斑像的水平位移和竖向位移，根据几何关系，得出测点所在位置Ⅱ相对于位置Ⅰ的三向位移测量结果；

两组激光发射器中一组发射与水平向成α角的激光束OA，另一组发射与水平向成β角的激光束OB，且0°≤α＜β＜90°，OA和OB激光束的激光斑点在成像靶面的中心位置分别为A点和B点；成像靶面与水平面有一定的夹角γ，其中γ的范围为：0°＜γ≤90°。

所述成像光电器件为CCD或CMOS光电转换器件。

所述信号处理单元采用FPGA芯片处理图像信息，通过图形处理算法确认光斑中心相对于成像系统的坐标位置，所述的成像系统的坐标位移采用成像靶面的局部坐标系统；

所述的图形处理算法包括斑点坐标平均法、斑点分布椭圆形拟合法和斑点包络矩形法。

所述斑点坐标平均法，为给定一个光斑像素阈值，对椭圆形内的每一个像素，求得横纵坐标的平均值：

$\begin{array}{c}{x}_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n}\\ y_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}\end{array}.$

所述斑点分布椭圆形拟合法，为在对光斑边缘信息获取的基础上，再经拟合计算便可得到光斑椭圆及光斑中心的亚像素位置坐标，基于椭圆拟合的激光光斑中心检测算法是根据最小二乘原理用椭圆来逼近激光光斑轮廓，椭圆方程的一般方程为：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+l＝0

其残差平方和函数为：

$Q=E^2=\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Ax}}_i^2+{\mathrm{Bx}}_i{y}_i+{\mathrm{Cy}}_i^2+{\mathrm{Dx}}_i+{\mathrm{Ey}}_i+l)}^2$

式中，(x_i,y_i)为激光光斑边缘点坐标；

根据最小二乘原理，应有：

$\frac{\∂Q}{\∂A}=\frac{\∂Q}{\∂B}=\frac{\∂Q}{\∂C}=\frac{\∂Q}{\∂D}=\frac{\∂Q}{\∂E}=0$

由此可以得到包含5个方程和5个未知数的方程组，如下：

$\begin{array}{ccc}\left[\begin{array}{ccccc}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^4& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^4& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D\\ E\end{array}\right]=& \left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right]\end{array}$

通过求解该方程组便可以得到五个参数的值，进而求出椭圆中心坐标，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{\mathrm{BE}-2\mathrm{CD}}{4\mathrm{AC}-B^2}\\ y_0=\frac{\mathrm{BD}-2\mathrm{AE}}{4\mathrm{AC}-B^2}\end{array}\right..$

所述斑点外包络矩形法，为对激光光斑的灰度图像进行二值化，对光斑边缘信息获取的基础上，用矩形去外切斑点，根据矩形四个点的坐标（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃）、（x₄，y₄），

求出中心坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{x_1+x_4}{2}\\ y_0=\frac{y_1+y_2}{2}\end{array}\right..$

设XYZ为空间整体坐标系，xy为成像靶面局部坐标系，参考点O坐标为（0,0,0）、测点位置Ⅰ坐标为（X,Y,Z）、测点位置Ⅱ坐标为（X+ΔX,Y+ΔY,Z+ΔZ），测点位置Ⅰ的A点坐标为（x_a,y_a）、B点坐标为（x_b,y_b），测点位置Ⅱ的A’点坐标为（x'_a,y'_a）和B’点坐标为（x'_b,y'_b）；

根据几何关系，测试点位置Ⅱ与测试点位置Ⅰ之间的三向位移变化值ΔX、ΔY和ΔZ可按下列公式计算获得：

ΔX＝Δx_a＝Δx_b

$\mathrm{\ΔY}=\frac{({\mathrm{\Δy}}_b-{\mathrm{\Δy}}_a)\sin \mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}-\tan \mathrm{\β}}$

$\mathrm{\ΔZ}=\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}-\tan \mathrm{\β}}({\mathrm{\Δy}}_b\tan \mathrm{\α}-{\mathrm{\Δy}}_a\tan \mathrm{\β})$

其中，Δx_a＝x_a'-x_a，Δx_b＝x_b'-x_b，Δy_a＝y_a'-y_a，Δy_b＝y_b'-y_b。

本发明的有益效果是：1、非接触、安装方便、测试精度高、成本较低；2、利用激光光斑传感技术量测三向位移新方法，改变了传统位移测量方法需要花费大量人力的缺点；3、采用成一定角度的双激光光斑成像模式，以实现三向位移同步量测。

附图说明

图1为本发明三向位移量测方法原理示意图（立视图）。

图2为本发明三向位移量测方法原理示意图（俯视图）。

图3为激光束成像中心位置查找方法示意图。

图4为本发明三向位移量测方法量测隧道收敛变形示意图。

具体实施方式

本实施例利用两束成一定角度的激光成像于成像靶面2上，并通过激光光斑成像系统获得两束激光在成像靶面2的成像中心及其中心位置变化来计算靶面2所在位置的变化，从而量测到激光发射点与成像接收点的三向位移。

如图1、图2所示，本例中包括两组激光发射器1，以及一激光光斑成像系统，激光光斑成像系统包括成像靶面2、成像透镜、成像光电器件（CCD或CMOS光电转换器件）和信号处理单元。

本实施例的具体实施步骤如下：

1、将两组激光发射器1安装于参考点O，将激光光斑成像系统安装在测试点Ⅰ；

2、用激光发射器1向测点所在位置Ⅰ的成像靶面发射光束，用成像透镜将光束聚集成光斑像，并用成像光电器件接收该光斑像，信号处理单元通过图形处理算法找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位移，作为初始值；

3、当激光光斑成像系统随测点移动到位置Ⅱ，用激光发射器向测试点的成像靶面发射光束，用成像透镜将光束聚焦成光斑像，并用成像光电器件接收光斑像，信号处理单元通过图形处理算法找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位置，作为测试值；

4、将两个光斑像的坐标位置测试值与两个光斑像坐标位置初始值进行比较，计算出两个光斑像的水平位移和竖向位移；

5、根据两个光斑像的水平位移和竖向位移，根据几何关系，得出测点所在位置Ⅱ相对于位置Ⅰ的三向位移测量结果。

两组激光发射器1中一组发射与水平向成α角的激光束OA，另一组发射与水平向成β角的激光束OB，且0°≤α＜β＜90°，OA和OB激光束的激光斑点在成像靶面2的中心位置分别为A点和B点；成像靶面2与水平面有一定的夹角γ，其中γ的范围为：0°＜γ≤90°。

本实施例中信号处理单元采用FPGA芯片处理图像信息，通过图形处理算法确认光斑中心相对于成像系统的坐标位置，成像系统的坐标位移采用成像靶面2的局部坐标系统。根据激光光斑在成像靶面的具体位置，采用斑点坐标平均法、斑点分布椭圆形拟合法或斑点外包络矩形法确定激光光斑成像中心局部坐标值。

斑点坐标平均法（见图3-a），为给定一个光斑像素阈值，对椭圆形内的每一个像素，求得横纵坐标的平均值：

$\begin{array}{c}{x}_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n}\\ y_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}\end{array}.$

斑点分布椭圆形拟合法（见图3-b），为在对光斑边缘信息获取的基础上，再经拟合计算便可得到光斑椭圆及光斑中心的亚像素位置坐标，基于椭圆拟合的激光光斑中心检测算法是根据最小二乘原理（残差平方和最小）用椭圆来逼近激光光斑轮廓，椭圆方程的一般方程为：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+l＝0

其残差平方和函数为：

$Q=E^2=\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Ax}}_i^2+{\mathrm{Bx}}_i{y}_i+{\mathrm{Cy}}_i^2+{\mathrm{Dx}}_i+{\mathrm{Ey}}_i+l)}^2$

式中，(x_i,y_i)为激光光斑边缘点坐标；

根据最小二乘原理，应有：

$\frac{\∂Q}{\∂A}=\frac{\∂Q}{\∂B}=\frac{\∂Q}{\∂C}=\frac{\∂Q}{\∂D}=\frac{\∂Q}{\∂E}=0$

由此可以得到包含5个方程和5个未知数的方程组，如下：

$\begin{array}{ccc}\left[\begin{array}{ccccc}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^4& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^4& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D\\ E\end{array}\right]=& \left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right]\end{array}$

通过求解该方程组便可以得到五个参数的值，进而求出椭圆中心坐标，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{\mathrm{BE}-2\mathrm{CD}}{4\mathrm{AC}-B^2}\\ y_0=\frac{\mathrm{BD}-2\mathrm{AE}}{4\mathrm{AC}-B^2}\end{array}\right..$

斑点外包络矩形法（见图3-c），为对激光光斑的灰度图像进行二值化，对光斑边缘信息获取的基础上，用矩形去外切斑点，根据矩形四个点的坐标（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃）、（x₄，y₄），

求出中心坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{x_1+x_4}{2}\\ y_0=\frac{y_1+y_2}{2}\end{array}\right..$

本例中三向位移计算原理：设XYZ为空间整体坐标系，xy为成像靶面2局部坐标系，参考点O坐标为（0，0，0）、测点位置Ⅰ坐标为（X,Y,Z）、测点位置Ⅱ坐标为（X+ΔX,Y+ΔY,Z+ΔZ），测点位置Ⅰ的A点坐标为（x_a,y_a）、B点坐标为（x_b,y_b），测点位置Ⅱ的A’点坐标为（x'_a,y'_a）和B’点坐标为（x'_b,y'_b）；

根据几何关系，测试点位置Ⅱ与测试点位置Ⅰ之间的三向位移变化值ΔX、ΔY和ΔZ可按下列公式计算获得：

ΔX＝Δx_a＝Δx_b

$\mathrm{\ΔY}=\frac{({\mathrm{\Δy}}_b-{\mathrm{\Δy}}_a)\sin \mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}-\tan \mathrm{\β}}$

$\mathrm{\ΔZ}=\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}-\tan \mathrm{\β}}({\mathrm{\Δy}}_b\tan \mathrm{\α}-{\mathrm{\Δy}}_a\tan \mathrm{\β})$

其中，Δx_a＝x_a'-x_a，Δx_b＝x_b'-x_b，Δy_a＝y_a'-y_a，Δy_b＝y_b'-y_b。

图4为本实施例三向位移量测方法应用于隧道收敛变形的示意图。将两组激光发射器1安装于隧道的一侧，将激光光斑成像系统（成像靶面2）安装于隧道另一侧。隧道收敛变形后从初始隧道轮廓3变形至变形后隧道轮廓4，成像靶面2发生位移，采用本实施例基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法精确测量成像靶面2的三向位移，从而获得隧道收敛变形量。

Claims (7)

1.一种基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：包括两组激光发射器（1），以及一激光光斑成像系统，所述激光光斑成像系统包括成像靶面（2）、成像透镜、成像光电器件和信号处理单元；

步骤如下：

1.1、将两组激光发射器（1）安装于参考点O，将激光光斑成像系统安装在测点所在位置Ⅰ；

1.2、用激光发射器（1）向测点所在位置Ⅰ的成像靶面（2）发射光束，用成像透镜将光束聚焦成光斑像，并用成像光电器件接收该光斑像，信号处理单元通过图形处理算法找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位置，作为初始值；

1.3、将激光光斑成像系统随测点移动到位置Ⅱ，用激光发射器（1）向测点的成像靶面（2）发射光束，用成像透镜将光束聚焦成光斑像，并用成像光电器件接收该光斑像，信号处理单元通过图形处理算法找出两个光斑的中心点相对于成像系统的坐标位置，作为测试值；

1.4、将两个光斑像的坐标位置测试值与两个光斑像的坐标位置初始值进行比较，计算出两个光斑像的水平位移和竖向位移；

1.5、根据两个光斑像的水平位移和竖向位移，根据几何关系，得出测点所在位置Ⅱ相对于位置Ⅰ的三向位移测量结果；

两组激光发射器中一组发射与水平向成α角的激光束OA，另一组发射与水平向成β角的激光束OB，且0°≤α＜β＜90°，OA和OB激光束的激光斑点在成像靶面的中心位置分别为A点和B点；成像靶面与水平面有一定的夹角γ，其中γ的范围为：0°＜γ≤90°。

2.根据权利要求1所述的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：所述成像光电器件为CCD或CMOS光电转换器件。

3.根据权利要求1所述的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：所述信号处理单元采用FPGA芯片处理图像信息，通过图形处理算法确认光斑中心相对于成像系统的坐标位置，所述的成像系统的坐标位移采用成像靶面（2）的局部坐标系统；

所述的图形处理算法包括斑点坐标平均法、斑点分布椭圆形拟合法和斑点包络矩形法。

4.根据权利要求3所述的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：所述斑点坐标平均法，为给定一个光斑像素阈值，对椭圆形内的每一个像素，求得横纵坐标的平均值：

$\begin{array}{c}{x}_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n}\\ y_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}\end{array}.$

5.根据权利要求3所述的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：所述斑点分布椭圆形拟合法，为在对光斑边缘信息获取的基础上，再经拟合计算便可得到光斑椭圆及光斑中心的亚像素位置坐标，基于椭圆拟合的激光光斑中心检测算法是根据最小二乘原理用椭圆来逼近激光光斑轮廓，椭圆方程的一般方程为：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+l＝0

其残差平方和函数为：

$Q=E^2=\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Ax}}_i^2+{\mathrm{Bx}}_i{y}_i+{\mathrm{Cy}}_i^2+{\mathrm{Dx}}_i+{\mathrm{Ey}}_i+l)}^2$

式中，(x_i,y_i)为激光光斑边缘点坐标；

根据最小二乘原理，应有：

$\frac{\∂Q}{\∂A}=\frac{\∂Q}{\∂B}=\frac{\∂Q}{\∂C}=\frac{\∂Q}{\∂D}=\frac{\∂Q}{\∂E}=0$

由此可以得到包含5个方程和5个未知数的方程组，如下：

$\begin{array}{ccc}\left[\begin{array}{ccccc}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^4& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^4& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^3\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i^2& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^3& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i& \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2\end{array}\right]& \left[\begin{array}{c}A\\ B\\ C\\ D\\ E\end{array}\right]=& \left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right]\end{array}$

通过求解该方程组便可以得到五个参数的值，进而求出椭圆中心坐标，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{\mathrm{BE}-2\mathrm{CD}}{4\mathrm{AC}-B^2}\\ y_0=\frac{\mathrm{BD}-2\mathrm{AE}}{4\mathrm{AC}-B^2}\end{array}\right..$

6.根据权利要求3所述的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：所述斑点外包络矩形法，为对激光光斑的灰度图像进行二值化，对光斑边缘信息获取的基础上，用矩形去外切斑点，根据矩形四个点的坐标（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃）、（x₄，y₄），

求出中心坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{x_1+x_4}{2}\\ y_0=\frac{y_1+y_2}{2}\end{array}\right..$

7.根据权利要求4或5或6所述的基于激光光斑成像技术的三向位移量测方法，其特征在于：

设XYZ为空间整体坐标系，xy为成像靶面局部坐标系，参考点O坐标为（0,0,0）、测点位置Ⅰ坐标为（X,Y,Z）、测点位置Ⅱ坐标为（X+ΔX,Y+ΔY,Z+ΔZ），测点位置Ⅰ的A点坐标为（x_a,y_a）、B点坐标为（x_b,y_b），测点位置Ⅱ的A’点坐标为（x'_a,y'_a）和B’点坐标为（x'_b,y'_b）；

根据几何关系，测试点位置Ⅱ与测试点位置Ⅰ之间的三向位移变化值ΔX、ΔY和ΔZ可按下列公式计算获得：

ΔX＝Δx_a＝Δx_b

$\mathrm{\ΔY}=\frac{({\mathrm{\Δy}}_b-{\mathrm{\Δy}}_a)\sin \mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}-\tan \mathrm{\β}}$

$\mathrm{\ΔZ}=\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\α}-\tan \mathrm{\β}}({\mathrm{\Δy}}_b\tan \mathrm{\α}-{\mathrm{\Δy}}_a\tan \mathrm{\β})$

其中，Δx_a＝x_a'-x_a，Δx_b＝x_b'-x_b，Δy_a＝y_a'-y_a，Δy_b＝y_b'-y_b。

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