CN114322826B - 基于tof的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，解决现有三维形貌测量技术无法在气动热环境下准确测量结构表面三维形貌的问题。装置包括脉冲激光模块、柱透镜组、扫描振镜组、偏振分束镜、1/4波片、透镜、可调反射镜组、窄带滤波片、条纹相机、同步控制模块和数据处理与显示模块；柱透镜组、扫描振镜组、偏振分束镜沿脉冲激光模块出射光路依次设置，1/4波片位于偏振分束镜反射光路上，透镜、可调反射镜组、窄带滤波片和条纹相机依次设在偏振分束镜透射光路上；数据处理与显示模块获取条纹相机N张条纹图像并重建，获得三维形貌深度图像；同步控制模块控制脉冲激光模块、扫描振镜组、可调反射镜组和条纹相机的同步。

Description

基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置

技术领域

本发明涉及结构表面形貌检测装置，具体涉及一种基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，特别适用于烧蚀情况下的结构形貌检测。

背景技术

气动热环境下，火箭头罩、返回舱等航空航天器的材料/结构会发生烧蚀、变形或者功能失效，了解和掌握气动热环境下材料和结构的形变量以及在动态环境下的变化规律，对航空航天器的设计非常重要。

从测试技术角度分析，目前可在电弧加热设备上使用的非接触形变视觉测量系统，已经具备二维的烧蚀边缘和形变测量，并且基于可见光测温原理，可以做到形变与温度同步测量，同时发展了烧蚀边缘和形变测量分析软件。但是，对于某些材质的三维形变测量，如表面纹理稀疏的材质，由于辨识度低且高温自发光现象严重，导致其结构变形信息的获取和三维形变数据快速处理难度较大，目前尚无成熟的测试技术可用，因此非常有必要开展相关技术与方法的研究。

三维形貌测量技术是指通过测量物体表面所有位置点的空间坐标，进而恢复出该物体表面三维空间形貌的技术。表面三维形貌测量技术按照测量方式主要分为接触式和非接触式两大类。

接触式技术使用物理探头对物体表面进行接触测量，根据传感器原理的不同，可分为电感式和压电式等，然而，该方法仅能实现烧蚀后模型的测量，不能实时地对气动热环境下的动态三维形貌进行测量。

非接触式技术包括声学法和光学法等，分别采用声波或光波等作为信息媒介进行三维测绘，由于气动热环境下存在大量的声波干扰，因此影响声学法的测量准确度。光学法包含的技术分为相干法和非相干法。相干法使用分束镜将一束光分为参考光和测量光，测量光照明待测表面后与参考光发生干涉，并由成像器件探测到的干涉条纹来重建表面三维形貌，常用的有全息干涉法和散斑干涉法。然而，干涉法对测量环境要求较高，气动热环境下烧蚀表面具有较大的温度、气压梯度场，极大的影响干涉法系统的性能。非相干法主要包括三角法，三角法又分为被动三角法和结构光主动三角法，被动三角法如双目视觉法和阴影形貌恢复法，在自然光条件下，利用相机采集到的被测表面二维图像，通过提取图像中明暗分布、纹理特征、光流变化等信息来恢复出三维形貌。然而，气动热环境下表面烧蚀过程中存在强辐射，自然光携带的表面形貌信息被强自发光所淹没，导致其无法工作。结构光主动三角法利用不同类型的结构光照明表面，通过测量表面对结构光的调制效应来重构三维形貌。其中，面结构光法测量效率高、测量范围大，在自动测量领域有着较好的发展前景，常用于自然环境，然而，其在气动热环境及远距离工作条件下的测量性能仍需进一步论证。

发明内容

为了解决现有三维形貌测量技术无法在气动热环境下准确测量结构表面三维形貌的技术问题，本发明提供了一种基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，其特殊之处在于：包括脉冲激光模块、扫描成像模块、同步控制模块以及数据处理与显示模块；

所述扫描成像模块包括柱透镜组、扫描振镜组、反射镜、偏振分束镜、1/4波片、透镜、可调反射镜组、窄带滤波片和条纹相机；柱透镜组、扫描振镜组、反射镜、偏振分束镜沿脉冲激光模块的出射光路依次设置，1/4波片位于偏振分束镜的反射光路上，透镜、可调反射镜组、窄带滤波片和条纹相机依次设置在偏振分束镜的透射光路上；

所述脉冲激光模块出射的脉冲激光依次通过柱透镜组透射、扫描振镜组反射、反射镜反射后进入偏振分束镜，经偏振分束镜反射、1/4波片透射后照射被测结构表面，经被测结构表面反射回的反射光经1/4波片透射、偏振分束镜透射、透镜透射、可调反射镜组反射、窄带滤波片滤波后成像于条纹相机狭缝处；通过N次调节扫描振镜组的角度，使1/4波片出射的线光源照射在被测结构的不同区域，经被测结构表面反射的反射光经可调反射镜组调节高度后成像于条纹相机狭缝，输出N张不同照明区域的条纹图像；其中，N为大于1的整数；

所述数据处理与显示模块用于获取条纹相机的N张条纹图像，并进行重建，获得被测结构表面三维形貌深度图像；

所述同步控制模块用于控制脉冲激光模块、扫描振镜组、可调反射镜组和条纹相机之间的同步。

进一步地，所述柱透镜组包括沿脉冲激光传输方向依次设置的凹柱透镜和凸柱透镜。

进一步地，所述扫描振镜组包括平行设置的2个扫描振镜。

进一步地，所述可调反射镜组包括平行设置的2个可调反射镜。

进一步地，所述条纹相机的帧频为500fps-1000fps，光谱响应范围为250nm-800nm。

进一步地，所述窄带滤波片的带通范围为380nm-460nm，用于酚醛树脂类材料制成的被测结构；

所述窄带滤波片的带通范围为440nm-500nm，用于环氧树脂类材料制成的被测结构；

所述窄带滤波片的带通范围为485nm-565nm，用于碳陶类材料制成的被测结构。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明测量装置基于飞行时间法对被测表面进行测量，通过调节扫描振镜组的角度和可调反射镜组的高度，使条纹相机获得多张不同照明区域的条纹图像，并对条纹图像重建后，获得被测结构表面三维形貌深度图像，实现气动热环境下高质量的三维形变数据获取，为临近空间飞行器防热系统设计提供技术支撑。

2、本发明测量装置采用主动成像的模式，偏振分束镜和1/4波片的组合起到波长选择作用，以及通过窄带滤波片滤波的方式去除自发光的影响，提高测量的准确性。

3、本发明扫描振镜组和偏振分束镜之间设置反射镜，进行光路折转，实现小型化设计。

附图说明

图1是本发明基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置的结构示意图；

图2是本发明基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置的工作流程图；

其中，附图标记如下：

01-扫描成像模块；

1-脉冲激光模块，2-柱透镜组，3-扫描振镜组，4-反射镜，5-偏振分束镜，6-1/4波片，7-被测结构，8-透镜，9-可调反射镜组，10-窄带滤波片，11-条纹相机，12-同步控制模块，13-数据处理与显示模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

飞行时间法(Time-of-Flight，ToF)是利用被测表面对激光回波的时间调制效应，使用激光脉冲照射待测表面，回波沿相同路径返回并由接收器接收，通过发射与接收光信号的时间延迟来重建三维形貌。从原理层面来说，在气动热环境下，飞行时间法受热环境下折射率不均匀性的影响较小，目前被测表面三维形貌测量尚未见基于飞行时间法的测量技术，因此，本发明基于飞行时间法对被测结构表面进行测量，以解决现有气动热环境下结构表面动态三维形变测量问题。

如图1所示，本发明一种基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，由脉冲激光模块1、扫描成像模块01、同步控制模块12以及数据处理与显示模块13组成；

扫描成像模块01包括柱透镜组2、扫描振镜组3、反射镜4、偏振分束镜5、1/4波片6、透镜8、可调反射镜组9、窄带滤波片10和条纹相机11；柱透镜组2、扫描振镜组3、反射镜4、偏振分束镜5沿脉冲激光模块1的出射光路依次设置，1/4波片6位于偏振分束镜5的反射光路上，1/4波片6出射的光束照射被测结构7表面，经被测结构7表面反射回的反射光再次经1/4波片6透射后入射至偏振分束镜5，并经偏振分束镜5透射，透镜8、可调反射镜组9、窄带滤波片10和条纹相机11依次设置在偏振分束镜5的透射光路上。

本实施例柱透镜组2包括沿脉冲激光传输方向依次设置的凹柱透镜和凸柱透镜；扫描振镜组3包括平行设置的2个扫描振镜；可调反射镜组9包括平行设置的2个可调反射镜；扫描振镜组3和偏振分束镜5之间设置反射镜4，进行光路折转，减小测量装置的体积。本实施例采用主动成像的模式，偏振分束镜和1/4波片的组合起到波长选择作用，以及通过窄带滤波片10滤波的方式去除自发光的影响，提高测量结果的准确性。

本实施例测量装置的工作流程，如图2所示，主要包括数据获取、三维形貌深度图像重建和三维形变图像后处理三个过程。

1)数据获取过程

脉冲激光模块1发射的短脉冲激光由柱透镜组2(包含凹柱透镜、凸柱透镜)整形为线光源后，依次经扫描振镜组3反射、反射镜4反射、偏振分束镜5反射、1/4波片6透射后，照射被测结构7表面，然后经被测结构7表面反射回的反射光经过1/4波片6透射后入射至偏振分束镜5，再依次经偏振分束镜5透射、透镜8透射，并由可调反射镜组9调节高度后，通过窄带滤波片10成像于条纹相机11狭缝处，输出一张条纹相机11图像。

经过N次同步调节2个扫描振镜的角度，使1/4波片6出射的线光源照射在被测结构7表面的不同区域，反射光再经可调反射镜组9调节高度后成像于条纹相机11狭缝，输出N张不同照明区域的条纹图像，完成整个模型的线扫描成像。

该数据获取过程中，同步控制模块12负责控制脉冲激发模块、扫描振镜组3、可调反射镜组9和条纹相机11之间的同步。

2)三维形貌深度图像重建过程

条纹相机11获得的N张条纹相机11图像被送入数据处理与显示模块13，数据处理与显示模块13根据每一张图像中条纹与基准条纹间位移量_Δt反演推算被测结构7的深度信息d，然后利用N张图像的深度信息反演重构，获得被测结构7的三维形貌深度图像；其中，d计算公式如下：

其中，c表示光速；

3)三维形变图像后处理

步骤2)获得的当前时刻三维形貌深度图像和初始时刻(被测结构未发生烧蚀、变形或者功能失效)重建的三维形貌深度图像进行图像处理，即两者进行比较计算，可获得当前时刻三维变形深度图像。

本实施例脉冲激光器发射脉宽小于10ps-100ps的脉冲，单脉冲能量为1μJ-1mJ，波长为380nm-780nm，脉冲周期T：1ms≤T≤2ms，该皮秒脉冲激光器作为激光光源，所选择的波长可以透过烟雾以及掩蔽干扰；本实施例条纹相机的帧频为500fps-1000fps，光谱响应范围为250nm-800nm，每秒可获得5张完整的结构形貌图像，实现长时间快速观测；采用精密同步控制技术(同步控制模块12)对脉冲激光与条纹相机11之间进行皮秒级同步控制，使用条纹相机11进行同步拍摄，相机的时间分辨率为2ps，图像获得精度可达0.3mm，实现被测结构7烧蚀形貌三维高精确测量。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (6)

1.一种基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，其特征在于：包括脉冲激光模块(1)、扫描成像模块(01)、同步控制模块(12)以及数据处理与显示模块(13)；

所述扫描成像模块(01)包括柱透镜组(2)、扫描振镜组(3)、反射镜(4)、偏振分束镜(5)、1/4波片(6)、透镜(8)、可调反射镜组(9)、窄带滤波片(10)和条纹相机(11)；柱透镜组(2)、扫描振镜组(3)、反射镜(4)、偏振分束镜(5)沿脉冲激光模块(1)的出射光路依次设置，1/4波片(6)位于偏振分束镜(5)的反射光路上，透镜(8)、可调反射镜组(9)、窄带滤波片(10)和条纹相机(11)依次设置在偏振分束镜(5)的透射光路上；

所述脉冲激光模块(1)出射的脉冲激光依次通过柱透镜组(2)透射、扫描振镜组(3)反射、反射镜(4)反射后进入偏振分束镜(5)，经偏振分束镜(5)反射、1/4波片(6)透射后照射被测结构(7)表面，经被测结构(7)表面反射回的反射光经1/4波片(6)透射、偏振分束镜(5)透射、透镜(8)透射、可调反射镜组(9)反射、窄带滤波片(10)滤波后成像于条纹相机(11)狭缝处；通过N次调节扫描振镜组(3)的角度，使1/4波片(6)出射的线光源照射在被测结构(7)的不同区域，经被测结构(7)表面反射的反射光经可调反射镜组(9)调节后成像于条纹相机(11)狭缝，输出N张不同照明区域的条纹图像；其中，N为大于1的整数；

所述数据处理与显示模块(13)用于获取条纹相机(11)的N张条纹图像，根据每一张图像中条纹与基准条纹间位移量_Δt反演推算被测结构( 7) 的深度信息d，然后利用N张图像的深度信息反演重构，获得被测结构( 7) 的三维形貌深度图像；其中，d计算公式如下：

其中，c表示光速；

并进行重建，获得被测结构(7)表面三维形貌深度图像；

所述同步控制模块(12)用于控制脉冲激光模块(1)、扫描振镜组(3)、可调反射镜组(9)和条纹相机(11)之间的同步。

2.根据权利要求1所述基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，其特征在于：所述柱透镜组(2)包括沿脉冲激光传输方向依次设置的凹柱透镜和凸柱透镜。

3.根据权利要求2所述基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，其特征在于：所述扫描振镜组(3)包括平行设置的2个扫描振镜。

4.根据权利要求3所述基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，其特征在于：所述可调反射镜组(9)包括平行设置的2个可调反射镜。

5.根据权利要求1至4任一所述基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，其特征在于：所述条纹相机(11)的帧频为500fps-1000fps，光谱响应范围为250nm-800nm。

6.根据权利要求5所述基于TOF的气动热环境下结构表面动态三维形貌测量装置，其特征在于：

所述窄带滤波片(10)的带通范围为380nm-460nm，用于酚醛树脂类材料制成的被测结构(7)；

所述窄带滤波片(10)的带通范围为440nm-500nm，用于环氧树脂类材料制成的被测结构(7)；

所述窄带滤波片(10)的带通范围为485nm-565nm，用于碳陶类材料制成的被测结构(7)。

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