CN116448053A - 一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，1.在测距系统的工作距离内设置基准点，采集各基准点的光斑波形并进行均值融合处理，构建标准模板集合；2.对测量过程中采集到的光斑波形进行时域空域相结合的双重滤波处理；3.对步骤2处理后的光斑波形进行粗定位，在标准模板集合中匹配距离最近的标准模板；4.对滤波后的光斑波形和标准模板波形进行互相关运算，得到相关系数序列；5.对步骤4得到的相关系数序列进行三次样条插值，寻找插值结果的最大值对应的坐标，作为两个波形之间的相对像素位移；6.利用基准点的坐标将相对像素位移转化为绝对像素位置即光斑定位结果。本发明具有误差低、测量重复性高和易于在系统中嵌入实现的优点。

Description

一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法

技术领域

本发明涉及激光三角测距技术领域，尤其涉及一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法。

背景技术

激光三角测距系统具有原理简单、响应速度快、非接触测量等优点，在军工航天、智能制造和物联网等等领域应用广泛。激光三角测距系统基本由激光三角法光路，信号采集电路，以及微控芯片构成。其工作原理为激光光源向目标被测物投射激光光束，在被测物体表面上会形成物点光斑并发生反射，反射光束经过接收镜组汇聚最终成像在图像探测器件上。像点光斑波形可通过数据采集电路组传输至微控芯片进行定位处理，依据几何光路形成的三角测量关系得到目标被测物的最终位移。

在实际应用中，激光三角测距系统的精度受到光路结构、测量环境、物面特性、定位算法等因素的影响。其中光斑定位算法作为传感器得到位移结果的最后一步，在精度提升环节至关重要，具有深远的研究意义和广阔的提升空间。

激光光源在被测物表面形成物点光斑，其能量遵循高斯正态分布。由于经过测距系统中的非对称光路的调制，像点光斑不可避免的出现偏态现象。目前比较成熟的光斑中心定位算法，根据实现方式主要有灰度质心法和函数拟合两大类。而当前传统的定位方法基于光斑能量为高斯分布的假设建立，忽略了光斑偏态特性对定位造成的误差影响，已无法满足高精度的需求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，以解决上述问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何纠正光斑偏态特性对定位造成的误差影响。

为实现以上目的，本发明提供了一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在测距系统的工作距离内设置基准点，采集各所述基准点的光斑波形并进行均值融合处理，构建标准模板集合；

步骤2：对测量过程中采集到的所述光斑波形进行时域空域相结合的双重滤波处理；

步骤3：对经过步骤2处理后的所述光斑波形进行粗定位，在所述标准模板集合中匹配距离最近的标准模板；

步骤4：对滤波后的所述光斑波形和所述标准模板波形进行互相关运算，得到相关系数序列；

步骤5：对步骤4得到的所述相关系数序列进行三次样条插值，寻找插值结果的最大值对应的坐标，作为两个波形之间的相对像素位移；

步骤6：利用所述基准点的坐标将所述相对像素位移转化为绝对像素位置，即光斑定位结果。

进一步地，在步骤1中构建所述标准模板集合的具体步骤为：

步骤1.1：在传感器量程内等间距设置n个所述基准点；

步骤1.2：以朗伯体标准板作为目标物，在各所述基准点位置连续采集多幅像点所述光斑波形；

步骤1.3：对单个所述基准点的多幅所述光斑波形取平均融合，作为标准光斑波形，即所述标准模板；

步骤1.4：记录所述标准光斑波形的峰值所在感光元位置q，将其坐标作为模板编号q_i，(i＝1，2，...，n)；

步骤1.5：对全量程的各所述基准点都重复步骤1.3和步骤1.4的操作，组成所述标准模板集合；

步骤1.6：在处理器内存中存储各所述基准点位置、所述标准光斑模板以及其对应编号，格式为编号+光斑波形+基准点位置。

进一步地，所述传感器为一维激光三角位移传感器，其量程为10mm，线阵图像探测器大小为974个像素。

进一步地，在步骤2中测量波形滤波处理方法具体步骤为：

步骤2.1：设置时间滑动窗口，窗口中存储够九个波形后进行一次平均操作，完成时域滤波操作；

步骤2.2：对时域滤波的波形进行双边滤波处理，邻域像素与中心像素的距离计算空间域权重，利用邻域像素对应的灰度值域与中心像素灰度值的差值计算值域权重；

步骤2.3：将经过上述步骤处理得到的波形作为有效光斑波形f(x_i)，波形长度为m，i＝1，2，…，m。

进一步地，在步骤2.2中，所述双边滤波处理的表达式为：

其中，Ω_i表示以像素点i为中心，2n+1大小的滑动窗口区域；i，j∈Ω_i。w_d(i,j)表示为邻域像素点j与中心像素i之间的几何邻近性，w_r(h(i),h(j))表示为邻域像素点j与中心像素i之间的灰度相似性；

邻近函数w_d(i,j)可以表示为：

相似函数w_r(h(i),h(j))可以表示为：

进一步地，所述滑动窗口区域大小为5。

进一步地，在步骤3中标准模板匹配具体步骤为：

步骤3.1：根据所述有效光斑波形f(x_i)的峰值进行粗定位，初步确定像点光斑中心所在的像素坐标位置p；

步骤3.2：为有效波形匹配标准模板，在处理器内存中的标准模板集合中遍历，查找距离有效波形最近的标准模板，记为g(x_i′)，距离定义为两个波形峰值的像素坐标之差，其满足的关系式为：

p-q＝min(p-q_i)，i∈(1，n)。

进一步地，在步骤4中两幅波形互相关运算具体步骤为：

步骤4.1：分别计算有效波形的光强灰度均值和匹配标准模板的光强灰度均值

步骤4.2：采用零归一化互相关函数进行计算，公式如下：

对有效波形和匹配的所述标准模板进行互相关运算，利用相近位置的光斑波形光强分布的在灰度和位置上的相似性约束确定位移，得到相关系数序列C(u)。

进一步地，在步骤5中确定相对像素位移的具体步骤为：

步骤5.1：对得到的所述相关系数序列C(u)进行三次样条插值计算，插值间隔为百分之一像素；

步骤5.2：对三次样条插值结果进行遍历排序，确定插值结果最大值对应的亚像素位置x_u；

步骤5.3：处理得到有效波形和匹配标准模板的相对像素位移Δ，且Δ＝x_u-m+1。

进一步地，在步骤6中相对位移转化绝对位置的具体步骤为：

步骤6.1：将相对像素距离Δ，加上标准模板对应基准点坐标，得到测量光斑波形中心在全量程的绝对像素位置x_s，表达式为：x_s＝Δ+q；

步骤6.2：利用测距系统内置的标定函数将绝对像素位置转换为世界坐标系的实际位移。

与传统方法和装置相比，本发明在保证信号基本分布特性的同时提高系统的重复性定位精度，具备以下有益效果：

1、相关法是一种相对位移计算方法，设置基准点模板为相对位移转绝对位置提供了参考坐标。

2、不同基准点标准模板中的光斑偏态程度不同，测量光斑可以与形态最接近的模板作互相关运算，降低定位误差。

3、同一测距系统中，基准点处的模板在标定时获取方便，不受光路参数影响，不需要通过数学公式描述光斑形态，也使得该模板建立方法易推广至不同规格的测距系统。

该方法不再受限于基于原理和物面特性造成的像点光斑形态限制，显著提高测量重复性。对互相关系数插值，运算量低，易于在系统中嵌入实现。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的系统结构示意图；

图2为本发明的一个较佳实施例的偏态光斑信号示意图；

图3为本发明的一个较佳实施例的定位方法流程示意图；

图4为本发明的一个较佳实施例的标准光斑模板示意图；

图5为本发明的一个较佳实施例的相关系数序列插值细节示意图；

图6为本发明的一个较佳实施例的定位结果示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中部”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其原理如图1所示，具体包括以下步骤：

S1：在测距系统的工作距离内设置基准点，采集各基准点的光斑波形并进行均值融合处理，构建标准模板集合；

S2：对测量过程中采集到的光斑波形进行时域空域相结合的双重滤波处理；

S3：对S2处理后的所述光斑波形进行粗定位，在标准模板集合中匹配距离最近的标准模板；

S4：对滤波后的测量波形和标准模板波形进行互相关运算，得到相关系数序列；

S5：对S4得到的相关系数序列进行三次样条插值，寻找插值结果的最大值对应的坐标，作为两个波形之间的相对像素位移；

S6：利用基准点的坐标将相对像素位移转化为绝对像素位置，即光斑定位结果，总体流程如图2所示。

本实施例中，利用该基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，实现一维激光三角位移传感器的光斑中心定位，利用定位结果实现被测物位移的解算，本发明通过建立标准光斑模板，对滤波后的测量波形进行互相关运算，实现了高重复性精度的位移测量。

本实施例中，采用的一维激光三角位移传感器量程为10mm，线阵图像探测器大小为974个像素，接收到的光斑信号为偏态高斯分布的一维波形信号，如图3所示。

可选的，依照所述步骤S1构建标准模板集合，包括：

S1.1：在传感器量程内，等间距设置n个基准点，包括零点在内；

S1.2：以朗伯体标准板作为目标物，在各基准点位置连续采集多幅像点光斑波形；

S1.3：对单个基准点的多幅光斑波形取平均融合，作为标准光斑波形，即标准模板；

S1.4：记录标准光斑波形的峰值所在感光元位置，将其坐标作为模板编号；

S1.5：对全量程的各基准点都重复S1.3和S1.4的操作，组成标准模板集合；

S1.6：在处理器内存中存储各基准点位置、标准光斑模板以及其对应编号，格式为：编号+光斑波形+基准点位置。

在本实施例中，位移传感器内存储的标准光斑模板如图4所示。

可选的，依照所述步骤S2滤波方法处理测量波形，包括：

S2.1：每当传感器测量被测物距离时，对采集到的实时测量波形设置时间滑动窗口，窗口中存储够九个波形后进行一次平均操作，完成时域滤波操作；

S2.2：对时域滤波后的波形进行双边滤波处理，邻域像素与中心像素的距离计算空间域权重，利用邻域像素对应的灰度值域与中心像素灰度值的差值计算值域权重；

本实施例中，双边滤波操作的表达式为：

其中，Ω_i表示以像素点i为中心，2n+1大小的滑动窗口区域；i，j∈Ω_i。w_d(i,j)表示为邻域像素点j与中心像素i之间的几何邻近性，w_r(h(i),h(j))表示为邻域像素点j与中心像素i之间的灰度相似性。

邻近函数w_d(i,j)可以表示为：

相似函数w_r(h(i),h(j))可以表示为：

本实施例中，双边滤波处理采用的滑动窗口区域大小为5，将经过上述步骤处理得到的波形作为有效光斑波形f(x_i)，波形长度为974，i＝1，2，…，974。

可选的，依照步骤S3匹配标准模板，包括：

步骤3.1：根据所述有效波形f(x_i)的峰值进行粗定位，初步确定像点光斑中心所在的像素坐标位置p；

步骤3.2：为有效波形匹配标准模板，在处理器内存中的标准模板集合中遍历，查找距离有效波形最近的标准模板，记为g(x_i′)，距离定义为两个波形峰值的像素坐标之差，其满足的关系式为：

p-q＝min(p-q_i)，i∈(1，n)。

在本实施例中，测量波形的像点光斑中心所在坐标为516号像素，在标准光斑模板集合中遍历编号距离516号最近的模板，为532号光斑模板，将其作为定位算法中的互相关模板参与后续步骤的计算。

可选的，依照步骤S4进行两幅波形互相关运算，包括：

步骤4.1：分别计算有效波形的光强灰度均值和匹配标准模板的光强灰度均值

步骤4.2：采用零归一化互相关函数进行计算，公式如下：

对有效波形和匹配的标准模板进行互相关运算，利用相近位置的光斑波形光强分布的在灰度和位置上的相似性约束确定位移，得到相关系数序列C(u)。

可选的，依照步骤S5中确定相对像素位移，包括：

步骤5.1：对得到的相关系数序列C(u)进行三次样条插值计算，插值间隔为百分之一像素；

步骤5.2：对三次样条插值结果进行遍历排序，确定插值结果最大值对应的亚像素位置x_u；

步骤5.3：处理得到有效波形和匹配标准模板的相对像素位移Δ，且Δ＝x_u-m+1。

在本实施例中，对相关系数序列插值的结果细节如图5所示，处理得到有效波形和匹配标准模板的相对像素位移为x_u＝-19.5。

可选的，依照步骤S6中相对位移转化绝对位置，包括：

将相对像素距离Δ，加上标准模板对应基准点坐标，得到测量光斑波形中心在全量程的绝对像素位置，表达式为：x_s＝Δ+q；

利用激光三角位移传感器内置的标定函数，将绝对像素位置转换为世界坐标系的实际位移，得到被测物的位移结果。

在本实施例中，采用激光三角位移传感器对被测物位移进行反复测量，为了评估本发明方法的重复性精度，采用传统的灰度质心法，高斯定位法，高斯模板互相关法以及本发明方法处理测量数据，其结果如图6所示，结果显示，本发明方法不仅在原理上符合光斑偏态分布的特性，在最终定位结果方面，表现出了较高的测量重复性和稳定性，为高精度定位技术提供了新的思路。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，包括但不限于名称的改变、零件的型号和尺寸改变、机构安装位置或安装角度调整、整体或局部的放大或缩小、零件相对位置的调整，都包含在本发明的保护范围之内。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在测距系统的工作距离内设置基准点，采集各所述基准点的光斑波形并进行均值融合处理，构建标准模板集合；

步骤2：对测量过程中采集到的所述光斑波形进行时域空域相结合的双重滤波处理；

步骤3：对经过步骤2处理后的所述光斑波形进行粗定位，在所述标准模板集合中匹配距离最近的标准模板；

步骤4：对滤波后的所述光斑波形和所述标准模板波形进行互相关运算，得到相关系数序列；

步骤5：对步骤4得到的所述相关系数序列进行三次样条插值，寻找插值结果的最大值对应的坐标，作为两个波形之间的相对像素位移；

步骤6：利用所述基准点的坐标将所述相对像素位移转化为绝对像素位置，即光斑定位结果。

2.如权利要求1所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，在步骤1中构建所述标准模板集合的具体步骤为：

步骤1.1：在传感器量程内等间距设置n个所述基准点；

步骤1.2：以朗伯体标准板作为目标物，在各所述基准点位置连续采集多幅像点所述光斑波形；

步骤1.3：对单个所述基准点的多幅所述光斑波形取平均融合，作为标准光斑波形，即所述标准模板；

步骤1.4：记录所述标准光斑波形的峰值所在感光元位置q，将其坐标作为模板编号q_i，(i＝1，2，…，n)；

步骤1.5：对全量程的各所述基准点都重复步骤1.3和步骤1.4的操作，组成所述标准模板集合；

步骤1.6：在处理器内存中存储各所述基准点位置、所述标准光斑模板以及其对应编号，格式为编号+光斑波形+基准点位置。

3.如权利要求2所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，所述传感器为一维激光三角位移传感器，其量程为10mm，线阵图像探测器大小为974个像素。

4.如权利要求2所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，在步骤2中测量波形滤波处理方法具体步骤为：

步骤2.1：设置时间滑动窗口，窗口中存储够九个波形后进行一次平均操作，完成时域滤波操作；

步骤2.2：对时域滤波的波形进行双边滤波处理，邻域像素与中心像素的距离计算空间域权重，利用邻域像素对应的灰度值域与中心像素灰度值的差值计算值域权重；

步骤2.3：将经过上述步骤处理得到的波形作为有效光斑波形f(x_i)，波形长度为m，i＝1，2，…，m。

5.如权利要求4所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，在步骤2.2中，所述双边滤波处理的表达式为：

其中，Ω_i表示以像素点i为中心，2n+1大小的滑动窗口区域；i，j∈Ω_i。w_d(i,j)表示为邻域像素点j与中心像素i之间的几何邻近性，w_r(h(i),h(j))表示为邻域像素点j与中心像素i之间的灰度相似性；

邻近函数w_d(i,j)可以表示为：

相似函数w_r(h(i),h(j))可以表示为：

6.如权利要求5所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，所述滑动窗口区域大小为5。

7.如权利要求4所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，在步骤3中标准模板匹配具体步骤为：

步骤3.1：根据所述有效光斑波形f(x_i)的峰值进行粗定位，初步确定像点光斑中心所在的像素坐标位置p；

步骤3.2：为有效波形匹配标准模板，在处理器内存中的标准模板集合中遍历，查找距离有效波形最近的标准模板，记为g(x_i′)，距离定义为两个波形峰值的像素坐标之差，其满足的关系式为：

p-q＝min(p-q_i)，[∈(1，n)。

8.如权利要求1所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，在步骤4中两幅波形互相关运算具体步骤为：

步骤4.1：分别计算有效波形的光强灰度均值和匹配标准模板的光强灰度均值/>

步骤4.2：采用零归一化互相关函数进行计算，公式如下：

对有效波形和匹配的所述标准模板进行互相关运算，利用相近位置的光斑波形光强分布的在灰度和位置上的相似性约束确定位移，得到相关系数序列C(u)。

9.如权利要求8所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，在步骤5中确定相对像素位移的具体步骤为：

步骤5.1：对得到的所述相关系数序列C(u)进行三次样条插值计算，插值间隔为百分之一像素；

步骤5.2：对三次样条插值结果进行遍历排序，确定插值结果最大值对应的亚像素位置x_u；

步骤5.3：处理得到有效波形和匹配标准模板的相对像素位移Δ，且Δ＝x_u-m+1。

10.如权利要求9所述的基于激光三角测距系统的偏态光斑定位方法，其特征在于，在步骤6中相对位移转化绝对位置的具体步骤为：

步骤6.1：将相对像素距离Δ，加上标准模板对应基准点坐标，得到测量光斑波形中心在全量程的绝对像素位置x_s，表达式为：x_s＝Δ+q；

步骤6.2：利用测距系统内置的标定函数将绝对像素位置转换为世界坐标系的实际位移。