CN117470361A - 一种激光三维测振仪及其三维对准、扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光三维测振仪，包括三组激光测振探头、前端实时处理系统和主控计算机。各组探头各自独立，其中，至少一个为主探头，其余为副探头；副探头包括光路和电控系统两部分，主探头包括光路、电控系统、相机和视频传输接口四部分，其中，前端实时处理系统与主控计算机电性连接，包括数据采集及解调模块和低速设置及交互模块；各组探头内部的光路是一致的，每条光路包括激光测距模块、激光测振模块、前端光纤准直器、光开关、后端光纤准直器和二维角位移台和置于二维角位移台上的镜片，光开关的切换是通过低速设置及交互模块产生的电信号控制实现的，通过光开关的切换，使得激光测振探头或者处于对准模式或者处于测振模式。

Description

一种激光三维测振仪及其三维对准、扫描方法

技术领域

本发明涉及一种激光三维振动测量系统。

背景技术

在监测物体的状态和进行科学研究时，及时准确地获取物体的振动信息十分重要，测振技术目前广泛应用于声学、航空和质量检测等领域。根据传感器是否附着于被测物体的表面，振动测量方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量目前已经得到广泛应用，但是在实际测量过程中，接触式测量可能会影响被测物体的精度或者振动状态。激光测振技术作为一种典型的非接触式测量方法，其具有测量精度高、信号采集速度快、抗干扰能力强、测量距离远、空间分辨率高、测量时间短、无附加质量等特点，广泛应用于微弱振动信号的检测中。该测量方法目前以单点式测量为主，通过检测反射光的频率或者方向偏移，得到光路方向上被测物体的振动位移和速度。激光三维振动测量系统在单点式测量的基础上，使用三个不同的探头，获取被测物体在三维空间上的振动位移和速度信息，在航空航天、生物医学、车辆安全、军工产品检测等方面均有重要的应用。

现有技术中，申请号为201810228438.3、201820378532.2的中国专利公开了一种激光多普勒三维振动测试方法及系统，可以测量得到沿激光入射方向的平动速度以及相互垂直方向上的第一转动速度和第二转动速度，但是并不能得到物体在世界坐标系下三维空间内任意方向的振动信息，实际应用场景受到一定限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够获取物体在世界坐标系下三维空间内任意方向的振动信息的激光三维振动测量系统，并给出其三维对准和扫描方法。技术方案如下：

一种激光三维测振仪，包括三组激光测振探头、前端实时处理系统和主控计算机，其特征在于，各组探头各自独立，其中，至少一个为主探头，其余为副探头；副探头包括光路和电控系统两部分，主探头包括光路、电控系统、相机和视频传输接口四部分，其中，

前端实时处理系统与主控计算机电性连接，包括数据采集及解调模块和低速设置及交互模块；

各组探头内部的光路是一致的，每条光路包括激光测距模块、激光测振模块、前端光纤准直器、光开关、后端光纤准直器和二维角位移台和置于二维角位移台上的镜片，光开关的切换是通过低速设置及交互模块产生的电信号控制实现的，通过光开关的切换，使得激光测振探头或者处于对准模式或者处于测振模式；激光测距模块发出的光束通过前端光纤准直器会聚到光纤端面上进行传输，通过光开关，再经过后端光纤准直器扩展为光束，前端实时处理系统中的低速设置及交互模块控制二维角位移台转动，置于二维角位移台上的镜片随之转动，实现光斑在样品表面上的移动和对准；

主探头的相机所采集的被测物体图像被送入主控计算机，用于三维扫描中图像坐标系与世界坐标系之间的对应；对准时，根据主控计算机所采集的被测物体图像，选定某时刻需要聚焦的位置，低速设置及交互模块通过各个探头的电控系统控制转台转动一定的角度，探头射出的光斑也随之偏转，使得三个测振探头发出的激光聚焦于被测物体上的某一点处；根据聚焦点在不同探头坐标系下的坐标，通过主控计算机解算得到探头坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵；根据三个探头测量的振动信息，通过坐标变换，得到被测物体在世界坐标系下三维空间中的振动位移或速度。

进一步地，所述镜片包括快速控制反射镜FSM和用于反射和平移FSM反射光的45°固定平面反射镜M1，处于初始状态时，FSM处于零位，建立三维Oxyz坐标系，x轴是FSM的俯仰扫描轴，l是FSM的方位扫描轴，n是FSM的法线，光线沿y轴正向到达FSM，经FSM、M1反射后继续沿y轴传播；

在光斑移动的过程中，FSM绕x轴做俯仰扫描，扫描角度为A，绕l轴做方位扫描，扫描角度为B；

在某个探头坐标系下，FSM的入射光线矢量为Obj＝[0 1 0]^T，依次经FSM和M1平面镜反射作用后的像矢量表示如下：

式中，R_M1为平面反射镜M1的反射作用矩阵，R_FSM为FSM的反射作用矩阵；

光斑在此探头坐标系下表示为：

p_c＝L×Obj’

其中，L为光斑与此探头之间的距离，通过激光测距得到。

本发明同时提供两种所述的激光三维测振仪的对准和扫描方法，

一种为：所述主探头为一个，其余两个探头，分别为第一副探头和第二副探头，采用单目相机测量方式，其特征在于，对准点i的三维对准的过程包括：

对于主探头，控制主探头，将光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的两个扫描角度以及主探头光斑与主探头之间的距离，计算主探头光斑在主探头坐标系下的坐标；对于每个副探头，控制副探头，将光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的两个扫描角度以及副探头光斑与副探头之间的距离，计算副探头光斑在副探头坐标系下的坐标；

设主探头光斑在主探头坐标系下的坐标第一副探头光斑在第一副探头坐标系下的坐标/>第二副探头光斑在第二副探头坐标系下的坐标/>

重复以上操作n次，定义n个对准点，得到n组数据，计算三个探头各自的坐标系与被测物体世界坐标系之间的旋转变换矩阵R₁，R2和R₃和平移变换向量t₁，t₂，t₃。

进一步地，扫描方法包括下列步骤：

(1)将主探头上的相机进行标定，得到相机的内参矩阵K；

(2)确定扫描点序列；

(3)对于第i个扫描点，读取主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾，满足以下关系式：

分别计算得到第i个扫描点在主探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₁、在第一副探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₂以及在第二副探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₃；R₁，R₂和R₃分别为三个探头各自的坐标系与被测物体世界坐标系之间的旋转变换矩阵；

(4)由扫描点i在探头坐标系中像矢量的坐标计算对应主探头FSM的偏转角A₁、B₁，第一副探头对应FSM的偏转角A₂、B₂以及第二副探头对应FSM的偏转角A₃、B₃，实现扫描过程中光斑的自动对准。

进一步地，被测物体的三维形貌测量，包括下列步骤：

(1)根据物体的表面形状，设定物体表面的扫描点，使其覆盖整个物体表面；

(2)读取主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾，根据图像坐标p⁽ⁱ⁾，计算Obj′₁，得到主探头FSM在i个扫描点处的偏转角A₁、B₁，控制光斑移动至该扫描点；

(3)测量当前扫描点与主探头之间的距离L₁，计算扫描点在主探头坐标系下的坐标计算得到该扫描点的世界坐标/>

(4)根据所有扫描点的世界坐标得到被测物体的三维形貌。

另一种方法为：

所述主探头为两个，称为第一主探头和第二主探头，采用双目相机测量方式，其特征在于，对准点i的三维对准的过程包括：

控制第一主探头，将第一主探头的光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的扫描角度A₁，B₁以及光斑与探头之间的距离L₁，计算第一主探头的光斑在第一主探头坐标系下的坐标p_1C；控制第二主探头，将第二主探头的光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的扫描角度A₂，B₂以及第二主探头的光斑与其探头之间的距离L₂，计算第二主探头的光斑在第二主探头系坐标下的坐标p_2C；控制副探头，将副探头的光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的扫描角度A₃，B₃以及副探头的光斑与其探头之间的距离L₃，计算副探头的光斑在副探头坐标系下的坐标p_3C，对准点i在世界坐标系下的坐标p_w通过双目相机求得，方法为：将两个主探头上的相机进行标定，得到两个相机的内参矩阵和外参矩阵；利用两个相机拍摄的被测物体的图像，确定对准点在两个相机上的像素坐标，并通过最小二乘法求出对准点在世界坐标系下的坐标；

重复以上操作m次，定义对准点，利用m组数据{p_1C，p_2C，p_3C，p_w}，计算各个探头坐标系与被测物体世界坐标系之间的旋转变换矩阵R₁，R₂，R₃和平移变换向量t₁，t₂，t₃。

进一步地，扫描方法包括：

(1)确定扫描点序列；

(2)对于第i个扫描点，读取第一主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾，满足以下关系式：

分别计算得到第i个扫描点在第一主探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₁、在第二主探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₂以及在副探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₃；

(3)由扫描点i在探头坐标系中像矢量的坐标计算对应第一主探头FSM的偏转角A₁、B₁，第二主探头对应FSM的偏转角A₂、B₂以及副探头对应FSM的偏转角A₃、B₃，实现扫描过程中光斑的自动对准。

本发明的有益效果如下：

1.本发明在无接触式激光测量的基础上，提供一种新的三维振动位移和速度测量装置，并给出其对准和扫描方法，从而可以获得测量点在世界坐标系下三维空间中任意方向上的速度或者位移信息，相比于其它振动测量方法，将物体表面任意一点的振动矢量分解到了物体本身所在的世界坐标系下，能够与物体自身的固有结构特征对齐，增加了测量结果对物体特征的表征能力，使得测量得到的信息更加丰富和有意义；

2.本发明通过光开关隔离了仪器的两种模式，在电信号的控制下，可以在测距和测振两个模块之间切换，减小了探头的体积和重量，降低了系统成本，提高了系统的稳定性；

3、本发明的扫描过程，在扫描的过程中实现自动对准，可应用于多个位置振动信息的测量，大大减少了测量的工作量，增加了大规模振动测量的速度；

4、本发明提出了两种激光三维振动测量的对准、扫描方法，适用范围广泛，可用于外差多普勒振动速度测量技术、激光干涉测位移速度技术和激光反射调制测量位移速度技术等激光测振技术中；

5、本发明实施例2通过测量得到对准点的世界坐标，方程求解过程中未知数的个数减少，对准过程中所需的对准点的数量减少，求解速度和对准速度更快。

附图说明

图1为实施例1中激光三维测振仪的总体测量方案；

图2为实施例1和实施例2中激光测振探头内部的光路图；

图3为反射式FSM应用示意图；

图4为实施例2中激光三维测振仪的总体测量方案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

1、总体结构

激光三维测振仪的总体测量方案如图1所示，使用三组各自独立的激光测振探头，分别为主探头、副探头1和副探头2，副探头内部包括光路和电控系统两部分，主探头内部包括光路、电控系统、相机和视频传输接口四部分，其中相机用于三维扫描过程中图像坐标系与世界坐标系之间的对应。对准时，鼠标在屏幕中选择要聚焦的位置，前端实时处理系统中的低速设置及交互模块通过探头内部的电控系统控制转台转动一定的角度，探头射出的光斑也随之偏转，最终使得三个测振探头发出的激光聚焦于被测物体上的某一点处。根据聚焦点在不同探头坐标系下的坐标，通过主控计算机可以解算得到探头坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。据此可以根据三个探头测量的振动信息，通过坐标变换，得到被测物体在三维空间中的振动位移或速度。

三个探头内部的光路是一致的，如图2所示，光路包括激光测距模块、激光测振模块、光纤准直器1、光开关、光纤准直器2、二维角位移台和镜片。光开关的切换是通过低速设置及交互模块产生的电信号控制实现的，光开关与上方的节点接触，激光测距模块工作，执行对准功能；光开关与下方的节点接触，激光测振模块工作，执行测振功能。激光测距模块发出的光束通过第一个光纤准直器会聚到光纤端面上进行传输，通过光开关，再经过第二个光纤准直器扩展为光束。前端实时处理系统中的低速设置及交互模块控制二维角位移台转动，位移台上固定的镜片也随之转动，从而实现光斑在样品表面上的移动和对准。

2、对准过程

本发明中使用快速控制反射镜(Fast Steering Mirror，FSM)来实现三个探头发射光斑的对准，随着FSM的转动，激光光线偏转，光斑移动。当处于初始状态时，FSM处于零位，此时，FSM的镜面平行于平面镜的镜面。依图2建立三维Oxyz坐标系，x轴垂直纸面向外。M1是45°固定平面反射镜，x轴是FSM的俯仰扫描轴，l是FSM的方位扫描轴，n是FSM的法线。光线沿y轴正向到达FSM，经FSM、M1反射后继续沿y轴传播。

在光斑移动的过程中，FSM先绕x轴做俯仰扫描，扫描角度为A，然后再绕l轴做方位扫描，扫描角度为B，这两个角度可以通过电机的旋转角度直接获知。FSM的单位法线矢量绕x轴扫描A角的作用矩阵为：

俯仰扫描之后，方位扫描轴不再是l，而是l绕x轴旋转A后的矢量l₀₁。FSM的单位法线矢量绕l0₁轴旋转的作用矩阵为：

FSM的单位法线矢量经俯仰扫描和方位扫描后表示为：

由R_FSM＝I-2n₀₂(n₀₂)^T可求得FSM的反射作用矩阵R_FSM为：

M1平面镜反射作用矩阵为在探头坐标系下，FSM的入射光线矢量为Obj＝[0 1 0]^T，依次经FSM和M1平面镜反射作用后的像矢量表示如下：

则光斑在各个探头坐标系下可表示为：

p_c＝L×Obj′#(6)

其中，L为光斑与探头之间的距离。第i个对准点在各个坐标系下的坐标满足以下数学关系式：

三维对准的具体的过程如下：

首先控制主探头1，将光斑1移动至某一点，记录此过程中FSM的扫描角度A₁，B₁以及光斑与探头之间的距离L₁，利用公式(6)计算光斑1在主探头坐标系下的坐标p_1C；控制副探头1，将光斑2移动至同一点，记录此过程中FSM的扫描角度A₂，B₂以及光斑与探头之间的距离L₂，利用公式(6)计算光斑2在副探头1坐标系下的坐标p_2C；控制副探头2，将光斑3移动至同一点，记录此过程中FSM的扫描角度A₃，B₃以及光斑与探头之间的距离L₃，利用公式(6)计算光斑3在副探头2坐标系下的坐标p_3C。

在对准过程中，每一个对准点处的光斑通过相机成像，比较三个光斑的像点之间的位置误差和像点与设定点之间的位置误差，保证三个光斑之间的重合以及重合位置的准确性。

重复以上操作十次，定义10个对准点，得到十组数据{p_1C，p_2C，p_3C}，利用公式(7)～(9)计算三个探头各自的坐标系与被测物体世界坐标系之间的变换矩阵[R₁|t₁]，[R₂|t₂]，[R₃|t₃]以及每个点的世界坐标

3、扫描过程

三个探头实现对准之后，可以获得当前位置探头坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。测量之前，还需要将主探头上的相机进行标定，得到相机的内参矩阵K。在确定一系列扫描点之后，开始读取主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾。

利用(10)(11)(12)三式，可以计算对应主探头FSM的偏转角A₁、B₁，副探头1对应FSM的偏转角A₂、B₂以及副探头2对应FSM的偏转角A₃、B₃，实现扫描过程中光斑的自动对准。在扫描测量的过程中，每个探头在每一个扫描点处测量得到的速度或位移可以分别表示为探头坐标系中x、y、z三轴上的分量，利用所得到的变换矩阵，可以将探头坐标系中的分量转换为世界坐标系中的分量，从而得到被测物体在三维空间中任意方向上的振动信息。

4、三维形貌的测量

根据物体的表面形状，可以按照一定的间距设定物体表面的扫描点，使其覆盖整个物体表面。在确定一系列扫描点之后，开始读取主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾，根据图像坐标p⁽i⁾利用公式(10)可以计算Obj′₁，得到主探头FSM在i个扫描点处的偏转角A₁、B₁，从而控制光斑移动至该扫描点。测量当前扫描点与探头之间的距离L₁，根据式(6)计算扫描点在主探头坐标系下的坐标将/>带入式(13)可以计算得到该扫描点的世界坐标/>由所有扫描点的世界坐标就可以得到被测物体的三维形貌。

实施例2

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

1、总体结构

激光三维测振仪的总体测量方案如图4所示，使用三组各自独立的激光测振探头，分别为主探头1、主探头2和副探头，副探头内部包括光路和电控系统两部分，主探头内部包括光路、电控系统、相机和视频传输接口四部分，其中两个主探头上的两个相机构成双目相机测量系统，用于测量被测点在世界坐标系下的位置坐标，在对准和扫描前需要对双目相机进行标定。对准时，鼠标在屏幕中选择要聚焦的位置，前端实时处理系统中的低速设置及交互模块通过探头内部的电控系统控制转台转动一定的角度，探头射出的光斑也随之偏转，最终使得三个测振探头发出的激光聚焦于被测物体上的某一点处。利用双目相机计算聚焦点在世界坐标系下的坐标，通过主控计算机可以解算得到探头坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。据此可以根据三个探头测量的振动信息，通过坐标变换，得到被测物体在三维空间中的振动位移或速度。

三个探头内部的光路是一致的，如图2所示，光路包括激光测距模块、激光测振模块、光纤准直器1、光开关、光纤准直器2、二维角位移台和镜片。前端实时处理系统中的低速设置及交互模块控制二维角位移台转动，位移台上固定的镜片也随之转动，从而实现光斑在样品表面上的移动和对准。

2、双目相机的标定和坐标计算

利用双目相机测量世界坐标之前，需要对每个相机进行标定。相机标定方法可分为两种，第一种是需要参照物的传统标定方法，传统的标定方法一般以棋盘格作为参照物，其中每个棋盘格的大小、尺寸以及棋盘格的数量都是已知的；另一种则是不需参照物的物体特征点标定方法，在标定过程中首先需要获得待测物体的三维模型，然后利用相机对物体进行多次拍摄。通过标定可以计算得到两个相机坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵，之后利用两个相机拍摄的被测物体的图像，确定每个被测点在两个相机上的像素坐标，并通过最小二乘法求出每个被测点在世界坐标系下的坐标。

3、对准过程

在实施方式2中，依旧使用快速控制反射镜来控制三个探头发射光斑的对准，经FSM和M1平面镜反射作用后的像矢量表示如下：

光斑在各个探头坐标系下可表示为：

p_c＝L×Obj’

其中，L为光斑与探头之间的距离。第i个对准点在各个坐标系下的坐标满足上文的公式(7)-(9)数学关系式。

三维对准的具体的过程如下：

首先控制主探头1，将光斑1移动至某一点，记录此过程中FSM的扫描角度A₁，B₁以及光斑与探头之间的距离L₁，利用公式(6)计算光斑1在主探头1坐标系1下的坐标p_1C；控制主探头2，将光斑2移动至同一点，记录此过程中FSM的扫描角度A₂，B₂以及光斑与探头之间的距离L₂，利用公式(6)计算光斑2在主探头2坐标下的坐标p_2C；控制副探头，将光斑3移动至同一点，记录此过程中FSM的扫描角度A₃，B₃以及光斑与探头之间的距离L₃，利用公式(6)计算光斑3在副探头坐标系下的坐标p_3C，该点在世界坐标系下的坐标p_w通过双目相机求得。

在对准过程中，每一个对准点处的光斑通过相机成像，比较三个光斑的像点之间的位置误差和像点与设定点之间的位置误差，保证三个光斑之间的重合以及重合位置的准确性。

重复以上操作五次，定义5个对准点，最终利用五组数据{p_1C，p_2C，p_3C，p_w}，通过公式(7)～(9)计算探头坐标系与被测物体世界坐标系之间的变换矩阵[R₁|t₁]，[R₂|t₂]，[R₃|t₃]。

4、扫描过程

三个探头实现对准之后，可以获得当前位置探头坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。在确定一系列扫描点之后，开始读取主探头1图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾。

利用(10)(11)(12)三式，可以计算主探头1对应FSM的偏转角A₁、B₁，主探头2对应FSM的偏转角A₂、B₂以及副探头对应FSM的偏转角A₃、B₃，实现扫描过程中光斑的自动对准。在扫描测量的过程中，每个探头在每一个扫描点处测量得到的速度或位移可以分别表示为探头坐标系中x、y、z三轴上的分量，利用所得到的变换矩阵，可以将探头坐标系中的分量转换为世界坐标系中的分量，从而得到被测物体在三维空间中任意方向上的振动信息。

Claims (7)

1.一种激光三维测振仪，包括三组激光测振探头、前端实时处理系统和主控计算机，其特征在于，各组探头各自独立，其中，至少一个为主探头，其余为副探头；副探头包括光路和电控系统两部分，主探头包括光路、电控系统、相机和视频传输接口四部分，其中，

前端实时处理系统与主控计算机电性连接，包括数据采集及解调模块和低速设置及交互模块；

各组探头内部的光路是一致的，每条光路包括激光测距模块、激光测振模块、前端光纤准直器、光开关、后端光纤准直器和二维角位移台和置于二维角位移台上的镜片，光开关的切换是通过低速设置及交互模块产生的电信号控制实现的，通过光开关的切换，使得激光测振探头或者处于对准模式或者处于测振模式；激光测距模块发出的光束通过前端光纤准直器会聚到光纤端面上进行传输，通过光开关，再经过后端光纤准直器扩展为光束，前端实时处理系统中的低速设置及交互模块控制二维角位移台转动，置于二维角位移台上的镜片随之转动，实现光斑在样品表面上的移动和对准；

主探头的相机所采集的被测物体图像被送入主控计算机，用于三维扫描中图像坐标系与世界坐标系之间的对应；对准时，根据主控计算机所采集的被测物体图像，选定某时刻需要聚焦的位置，低速设置及交互模块通过各个探头的电控系统控制转台转动一定的角度，探头射出的光斑也随之偏转，使得三个测振探头发出的激光聚焦于被测物体上的某一点处；根据聚焦点在不同探头坐标系下的坐标，通过主控计算机解算得到探头坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵；根据三个探头测量的振动信息，通过坐标变换，得到被测物体在世界坐标系下三维空间中的振动位移或速度。

2.根据权利要求1所述的激光三维测振仪，其特征在于，所述镜片包括快速控制反射镜FSM和用于反射和平移FSM反射光的45°固定平面反射镜M1，处于初始状态时，FSM处于零位，建立三维Oxyz坐标系，x轴是FSM的俯仰扫描轴，l是FSM的方位扫描轴，n是FSM的法线，光线沿y轴正向到达FSM，经FSM、M1反射后继续沿y轴传播；

在光斑移动的过程中，FSM绕x轴做俯仰扫描，扫描角度为A，绕l轴做方位扫描，扫描角度为B；

在某个探头坐标系下，FSM的入射光线矢量为Obj＝[0 1 0]^T,依次经FSM和M1平面镜反射作用后的像矢量表示如下：

式中，R_M1为平面反射镜M1的反射作用矩阵，R_FSM为FSM的反射作用矩阵；

光斑在此探头坐标系下表示为：

p_c＝L×Obj′

其中，L为光斑与此探头之间的距离，通过激光测距得到。

3.一种权利要求1或2任意一项所述的激光三维测振仪的对准和扫描方法，所述主探头为一个，其余两个探头，分别为第一副探头和第二副探头，采用单目相机测量方式，其特征在于，对准点i的三维对准的过程包括：

对于主探头，控制主探头，将光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的两个扫描角度以及主探头光斑与主探头之间的距离，计算主探头光斑在主探头坐标系下的坐标；对于每个副探头，控制副探头，将光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的两个扫描角度以及副探头光斑与副探头之间的距离，计算副探头光斑在副探头坐标系下的坐标；

设主探头光斑在主探头坐标系下的坐标第一副探头光斑在第一副探头坐标系下的坐标/>第二副探头光斑在第二副探头坐标系下的坐标/>

重复以上操作n次，定义n个对准点，得到n组数据，计算三个探头各自的坐标系与被测物体世界坐标系之间的旋转变换矩阵R₁，R₂和R₃和平移变换向量t₁，t₂，t₃。

4.根据权利要求3所述的对准和扫描方法，其特征在于，扫描方法包括下列步骤：

(1)将主探头上的相机进行标定，得到相机的内参矩阵K；

(2)确定扫描点序列；

(3)对于第i个扫描点，读取主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾，满足以下关系式：

分别计算得到第i个扫描点在主探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₁、在第一副探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₂以及在第二副探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₃；R₁，R₂和R₃分别为三个探头各自的坐标系与被测物体世界坐标系之间的旋转变换矩阵；

(4)由扫描点i在探头坐标系中像矢量的坐标计算对应主探头FSM的偏转角A₁、B₁，第一副探头对应FSM的偏转角A₂、B₂以及第二副探头对应FSM的偏转角A₃、B₃，实现扫描过程中光斑的自动对准。

5.根据权利要求4所述的对准和扫描方法，其特征在于，被测物体的三维形貌测量，包括下列步骤：

(1)根据物体的表面形状，设定物体表面的扫描点，使其覆盖整个物体表面；

(2)读取主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾，根据图像坐标p⁽ⁱ⁾，计算Obj′₁，得到主探头FSM在i个扫描点处的偏转角A₁、B₁，控制光斑移动至该扫描点；

(3)测量当前扫描点与主探头之间的距离L₁，计算扫描点在主探头坐标系下的坐标计算得到该扫描点的世界坐标/>

(4)根据所有扫描点的世界坐标得到被测物体的三维形貌。

6.一种权利要求权利要求1或2任意一项所述的激光三维测振仪的对准和扫描方法，其特征在于，所述主探头为两个，称为第一主探头和第二主探头，采用双目相机测量方式，其特征在于，对准点i的三维对准的过程包括：

控制第一主探头，将第一主探头的光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的扫描角度A₁，B₁以及光斑与探头之间的距离L₁，计算第一主探头的光斑在第一主探头坐标系下的坐标p_1C；控制第二主探头，将第二主探头的光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的扫描角度A₂，B₂以及第二主探头的光斑与其探头之间的距离L₂，计算第二主探头的光斑在第二主探头系坐标下的坐标p_2C；控制副探头，将副探头的光斑移动至对准点i，记录此过程中FSM的扫描角度A₃，B₃以及副探头的光斑与其探头之间的距离L₃，计算副探头的光斑在副探头坐标系下的坐标p_3C，对准点i在世界坐标系下的坐标p_w通过双目相机求得，方法为：将两个主探头上的相机进行标定，得到两个相机的内参矩阵和外参矩阵；利用两个相机拍摄的被测物体的图像，确定对准点在两个相机上的像素坐标，并通过最小二乘法求出对准点在世界坐标系下的坐标；

重复以上操作m次，定义对准点，利用m组数据{p_1C,p_2C,p_3C,p_w}，计算各个探头坐标系与被测物体世界坐标系之间的旋转变换矩阵R₁，R₂，R₃和平移变换向量t₁，t₂，t₃。

7.根据权利要求6所述的对准和扫描方法，其特征在于，扫描方法包括：

(1)确定扫描点序列；

(2)对于第i个扫描点，读取第一主探头图像坐标系下第i个扫描点的图像坐标p⁽ⁱ⁾，满足以下关系式：

分别计算得到第i个扫描点在第一主探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₁、在第二主探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₂以及在副探头坐标系下的像矢量坐标Obj′₃；

(3)由扫描点i在探头坐标系中像矢量的坐标计算对应第一主探头FSM的偏转角A₁、B₁，第二主探头对应FSM的偏转角A₂、B₂以及副探头对应FSM的偏转角A₃、B₃，实现扫描过程中光斑的自动对准。