CN115615355A - 一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，该方法包括：在液体介质环境中设置反射平面；将线激光传感器分别设置在液体介质多个不同的深度位置，分别得到线激光传感器采集的对应测量数据；同时获取传感器与反射平面的实际距离；基于最小二乘法对采集的测量数据进行标准椭圆方程的曲线拟合，得到标准椭圆方程的系数A和B；对系数A和B进行基于最小二乘法的线性拟合；基于获取的多个实际距离，对系数A和线激光传感器与平面反射体的实际距离d进行基于最小二乘法的线性拟合，得到A和d的拟合方程；根据线激光传感器采集的测量数据，结合拟合方程，得到对应的实际距离，完成线激光传感器在液体介质中的结果补偿。

Description

一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，在液体介质环境中线激光器光学参数未知的条件下基于测量数据对线激光器轮廓测量结果进行补偿。

背景技术

在进行检测对象轮廓测量时，线激光器由于采用激光线进行测量区域覆盖，一次能够完成数千点距离的采集，在测量效率和结果分辨率方面相对于点激光器测距具有突出优势，在工业生产领域大量应用。

而由于在不同工况下，液体介质构成各不相同，且液体介质对于激光传播的影响很难精确计算，因此目前市场上的线激光轮廓测量产品仅提供空气中轮廓测量的解决方案。

当线激光轮廓测量技术应用于液体介质环境中时，由于不同介质对于激光折射率的影响，线激光在入射激光面的不同横向位置测量得到的测距结果存在明显偏差，严重限制了线激光轮廓测量器件在液体介质环境中的应用。

目前对线阵激光的校准主要是针对空气条件下的应用，无法解决液体介质中线激光测量误差。如：公布号CN109788279A的中国专利申请“一种线光源与线阵相机校准方法及装置”。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法。

为了实现上述目的，本发明提出了了一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，所述方法包括：

步骤1)在液体介质环境中设置反射平面；

步骤2)将线激光传感器分别设置在液体介质多个不同的深度位置，分别得到线激光传感器采集的对应测量数据；同时获取线激光传感器与反射平面的实际距离；

步骤3)基于最小二乘法对步骤2)采集的测量数据进行标准椭圆方程的曲线拟合，得到标准椭圆方程的系数A和B；

步骤4)对系数A和B进行基于最小二乘法的线性拟合；

步骤5)基于步骤2)获取的多个实际距离，对系数A和线激光传感器与平面反射体的实际距离d进行基于最小二乘法的线性拟合，得到A和d的拟合方程；

步骤6)根据线激光传感器采集的测量数据，结合拟合方程，得到对应的实际距离，从而完成线激光传感器在液体介质中的结果补偿。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)之前还包括：

将线激光传感器进行水密处理后通过可调节高度及角度的机械装置固定在液体介质中。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)的将线激光传感器分别设置在液体介质多个不同的深度位置；要求线激光传感器的入射激光面与反射平面垂直，底面与反射平面平行，并且反射平面处于线激光传感器的有效测量范围；具体包括：

以线激光传感器激光出现点为中心，沿激光线垂直方向偏转线激光传感器，当传感器中心位置测量距离最短时，则线激光传感器的入射激光面与反射平面垂直；

在线激光传感器激光线平行方向上，观测线激光传感器成像结果，使成像结果中的弧线关于传感器中心呈左右对称，则线激光传感器的底面与反射平面平行。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)的测量数据为(x_ij,y_ij)，其中，x_ij为测量点横向坐标位置，y_ij为测量点对应的待补偿距离值，i为传感器上传数据的位置索引，i＝0,1,2……n，n为传感器一次最大上传点数，j为传感器与反射平面在不同距离时对应的采样次数索引。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

对于每一次采集的测量数据分别基于最小二乘法对线激光传感器测量数据进行标准椭圆方程的曲线拟合，当测量数据符合标准双曲线方程，通过调整激光器参数，使测量数据的Y轴数据反向，从而符合椭圆方程，满足下式：

再根据不同的j取值，按照椭圆方程进行最小二乘法拟合，得到椭圆方程的系数A_j和B_j。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

根据椭圆方程的系数A_j和B_j，得到基于最小二乘法的线性拟合方程：

B_j＝kA_j+b

其中，k表示线性系数，b表示截距。

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：

根据A_j以及对应的多组实际距离d_j，确定以下线性拟合方程的线性系数k′，截距b′：

d_j＝k′A_j+b′。

作为上述方法的一种改进，所述步骤6)具体包括：

根据线激光传感器采集的测量数据(x,y)，代入步骤3)和步骤4)及步骤5)的公式中，得到对应的距离d_j，从而完成线激光传感器在液体介质中的结果补偿。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

在未知线激光器光学参数的情况下，对液体介质中的激光测量结果进行补偿，实现液体介质中线激光测量结果的校准，从而解决线激光传感器无法在液体环境中进行测量的问题，满足实际工程需要。

附图说明

图1是液体介质中线激光传感器测量原理图；

图2是平面数据的椭圆方程拟合；

图3是椭圆方程系数A、B的线性拟合；

图4是未补偿前液体中平面测量结果；

图5是补偿后液体中平面测量结果。

具体实施方式

本发明的目的是针对在液体介质环境中线激光器光学参数未知的条件下，提供一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例

本发明的实施例提出了一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，具体包括：

1)在实际测量的液体介质环境中设置平面反射体，以提供线阵激光传感器获取校准计算的基础数据；

2)将待补偿的线阵激光传感器做好水密处理后通过可调节高度Z、角度A 和角度B的机械装置固定在液体介质环境中；

3)调整激光器姿态，使入射激光面与反射体平面垂直；调整方法为：

以线激光传感器激光出现点为中心，沿激光线垂直方向偏转激光传感器，当传感器中心位置测量距离最短时入射激光面与反射体平面垂直；

4)调整激光器姿态，使线激光传感器底面与反射平面平行，调整方法为：

在线激光传感器激光线平行方向上，观测激光传感器成像结果，使测量记过中的弧线关于传感器中心左右对称，此时激光传感器底面与反射平面平行；

5)完成线激光传感器空间姿态调整后，调整线激光传感器高度，在至少3个不同深度位置进行数据采集，此时应保证使反射体平面处于激光传感器有效测量范围内；

将线激光测量数据点表示为：(x_ij,y_ij)，其中，x_ij为测量点横向坐标位置，y_ij为测量点对应的待补偿距离值，i为传感器上传数据的位置索引，i＝0,1,2……n，n由线激光传感器参数决定，为传感器一次最大上传点数，j为传感器与反射平面在不同距离时对应的采样次数索引。

6)在每个测量位置获取数据后，通过其它物理方式测量此时从激光器出射面到反射体平面的实际距离d_i；

7)在以上条件下获取的液体中平面数据满足标准椭圆方程，对于每一次的采集数据分别基于最小二乘法对线激光传感器测量数据进行标准椭圆方程(两焦点中点位于坐标系原点)的曲线拟合。部分激光器由于初始设置不同，测量数据符合标准双曲线方程(两焦点中点位于坐标系原点)，则调整激光器参数，使其测量结果Y轴数据反向，从而符合椭圆方程，再按照椭圆方程进行最小二乘法拟合，获得传感器在与反射平面不同距离时对应的方程系数A、B。如图2所示，是平面数据的椭圆方程拟合；

8)拟合方程：

i＝0,1,2……n

对于不同j值分别进行拟合

9)标准椭圆方程系数A、B近似符合线性关系，对A、B进行基于最小二乘法的线性拟合，得到B关于A的表示。如图3所示，是椭圆方程系数A、B的线性拟合

拟合方程：

B_j＝kA_j+b (2)

10)将(2)式代入(1)式，可得：

i＝0,1,2……n

11)在线激光传感器量程范围内，椭圆方程系数A与传感器-反射平面距离d成线性关系。对A、d进行基于最小二乘法的线性拟合，得到d关于A的表示。

拟合方程：

d_j＝k′A_j+b′ (4)

12)将线阵激光测量结果(x_ij,y_ij)带入(3)式，解方程求得A_j，将A_j代入(4)式求得对应距离d_j，完成传感器在相应液体介质中测量结果的补偿。

如图4所示是未补偿前液体中平面测量结果；图5是补偿后液体中平面测量结果。

基于本发明，可以在未知线激光器光学参数的情况下，对液体介质中的激光测量结果进行补偿，实现液体介质中线激光测量结果的校准，从而解决线激光无法在液体环境中进行测量的问题，满足实际工程需要。

基于本发明成果，完成了航空铝型材水下轮廓测量，通过线激光对航空铝型材上表面轮廓进行测量，并在此基础上完成轮廓建模。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，所述方法包括：

步骤1)在液体介质环境中设置反射平面；

步骤2)将线激光传感器分别设置在液体介质多个不同的深度位置，分别得到线激光传感器采集的对应测量数据；同时获取线激光传感器与反射平面的实际距离；

步骤3)基于最小二乘法对步骤2)采集的测量数据进行标准椭圆方程的曲线拟合，得到标准椭圆方程的系数A和B；

步骤4)对系数A和B进行基于最小二乘法的线性拟合；

步骤5)基于步骤2)获取的多个实际距离，对系数A和线激光传感器与平面反射体的实际距离d进行基于最小二乘法的线性拟合，得到A和d的拟合方程；

步骤6)根据线激光传感器采集的测量数据，结合拟合方程，得到对应的实际距离，从而完成线激光传感器在液体介质中的结果补偿。

2.根据权利要求1所述的基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，其特征在于，所述步骤1)之前还包括：

将线激光传感器进行水密处理后通过可调节高度及角度的机械装置固定在液体介质中。

3.根据权利要求2所述的基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，其特征在于，所述步骤2)的将线激光传感器分别设置在液体介质多个不同的深度位置；要求线激光传感器的入射激光面与反射平面垂直，底面与反射平面平行，并且反射平面处于线激光传感器的有效测量范围；具体包括：

以线激光传感器激光出现点为中心，沿激光线垂直方向偏转线激光传感器，当传感器中心位置测量距离最短时，则线激光传感器的入射激光面与反射平面垂直；

在线激光传感器激光线平行方向上，观测线激光传感器成像结果，使成像结果中的弧线关于传感器中心呈左右对称，则线激光传感器的底面与反射平面平行。

4.根据权利要求3所述的基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，其特征在于，所述步骤2)的测量数据为(x_ij,y_ij)，其中，x_ij为测量点横向坐标位置，y_ij为测量点对应的待补偿距离值，i为传感器上传数据的位置索引，i＝0,1,2……n，n为传感器一次最大上传点数，j为传感器与反射平面在不同距离时对应的采样次数索引。

5.根据权利要求4所述的基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

对于每一次采集的测量数据分别基于最小二乘法对线激光传感器测量数据进行标准椭圆方程的曲线拟合，当测量数据符合标准双曲线方程，通过调整激光器参数，使测量数据的Y轴数据反向，从而符合椭圆方程，满足下式：

再根据不同的j取值，按照椭圆方程进行最小二乘法拟合，得到椭圆方程的系数A_j和B_j。

6.根据权利要求5所述的基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

根据椭圆方程的系数A_j和B_j，得到基于最小二乘法的线性拟合方程：

B_j＝kA_j+b

其中，k表示线性系数，b表示截距。

7.根据权利要求6所述的基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：

根据A_j以及对应的多组实际距离d_j，确定以下线性拟合方程的线性系数k′，截距b′：

d_j＝k′A_j+b′。

8.根据权利要求7所述的基于数据的线激光器液体介质中轮廓测量补偿方法，其特征在于，所述步骤6)具体包括：

根据线激光传感器采集的测量数据(x,y)，代入步骤3)和步骤4)及步骤5)的公式中，得到对应的距离d_j，从而完成线激光传感器在液体介质中的结果补偿。

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