摘要：在中國制造2025的大背景下，隨著(zhù)智能制造與裝備、高新精密加工及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對非接觸精密測量的要求不斷提高。激光三角測量法以其精度高、穩定性好、壽命長(cháng)、響應速度快等優(yōu)勢，被廣泛應用于各個(gè)不同的測量場(chǎng)景。針對激光三角測量技術(shù)展開(kāi)調研，介紹激光三角測量技術(shù)的原理及關(guān)鍵技術(shù)。詳述激光三角測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、航天軍工、生物醫學(xué)等諸多領(lǐng)域的應用，重點(diǎn)涉及高精度、高速度、復雜物面與環(huán)境的智能測量。結合激光三角測量技術(shù)應用現狀及現代科學(xué)技術(shù)潮流趨勢，簡(jiǎn)析激光三角測量技術(shù)的發(fā)展應用前景。

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 引言

進(jìn)入21世紀以來(lái)，隨著(zhù)人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，基礎科學(xué)研究的突破、材料加工水平的提高以及計算機信息技術(shù)的應用改變了人們的生活。近年來(lái)，人工智能技術(shù)的飛躍，促使工業(yè)、農業(yè)、生物、物流、軍事以及社會(huì )服務(wù)等諸多領(lǐng)域不斷走向自動(dòng)化與智能化。精準的信息感知是自動(dòng)化與智能化的前提和基礎，其對精密測量技術(shù)提出了更高的要求。其中，接觸式測量由于操作復雜、易產(chǎn)生形變誤差、耐久性差等原因，無(wú)法滿(mǎn)足一些測量場(chǎng)景的需求，逐漸被非接觸式測量方法替代。

激光具有單向性好、亮度高、能量集中且穩定的特性，被廣泛應用于精密測量領(lǐng)域�；�于激光的非接觸測量方法有干涉法[1-2]、脈沖法[3-4]、相位法[5-6]和三角法。干涉法利用反射條紋的明暗變化測量距離，精度高（可達nm量級），但僅適用于微距離測量。脈沖法對測時(shí)技術(shù)及電子元器件要求較高，且測量誤差較大（精度m級），僅適用于大場(chǎng)景測量。相位法利用激光往返相位差計算測量距離，適用于中距離測量(精度mm級)。相較而言，三角法具有測量速度快、精度高（μm級）、穩定性好、成本低的特點(diǎn)，目前可以實(shí)現中、短距離的測量，應用場(chǎng)景更為廣泛。

本文重點(diǎn)圍繞激光三角測量方法在不同場(chǎng)景的應用進(jìn)行了調研。首先，介紹激光三角測量法的原理及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)；接著(zhù)，詳述激光三角測量法在高精度、高速度、復雜物面及環(huán)境下的測量應用；最后，結合激光三角測量技術(shù)應用現狀及科技發(fā)展趨勢，簡(jiǎn)要剖析激光三角測量法的應用前景�；�于對激光三角測量技術(shù)的應用與前景調研總結，為研究人員或工程人員在實(shí)際應用中選擇合理的方法提供參考。這將有助于明確激光三角測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展方向。

1
 激光三角測量技術(shù)原理

由圖1可知：將點(diǎn)激光或線(xiàn)激光投射到被測物表面，經(jīng)過(guò)發(fā)射鏡組調制后，在物體表面形成具有一定大小和形狀的光斑或激光條紋；接收鏡組將激光光斑或條紋成像到光電成像器件上，采用相關(guān)圖像處理技術(shù)得到光斑像素中心或條紋中心線(xiàn)；將被測目標的位移或形狀變化轉變?yōu)楣怆娞綔y器上成像點(diǎn)（線(xiàn)）的位置變化，通過(guò)幾何三角關(guān)系可以準確計算出一維位移、二維輪廓或三維表面形貌[7-8]。

光源和成像器件是激光三角測量中兩個(gè)主要光電器件�？紤]到成本、質(zhì)量以及連續發(fā)光等要求，現有激光三角測量系統主要以半導體激光二極管作為光源。常用成像器件有光電位置傳感器（position sensitive detector，PSD)、互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）和電荷耦合元件（charge coupled device，CCD）。PSO、CMOS和CCD性能比較如表1所示�，F階段主要以CMOS和CCD為主。

2
 激光三角測量關(guān)鍵技術(shù)

激光三角測量技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展，雖已趨于成熟，但由于技術(shù)手段的不斷革新，仍存在許多有待解決的問(wèn)題。其中，涉及諸多關(guān)鍵技術(shù)。

2.1
光學(xué)建模技術(shù)

對于激光三角測量系統而言，光學(xué)模型在源頭上決定了測量系統的精度�，F有激光三角測量技術(shù)大多基于理想的幾何光學(xué)模型，光束在傳輸的實(shí)際過(guò)程中由于反射、透射和漫射造成能量的損失，最終在光敏器件上的成像結果與理論存在一定的偏差。建立接近實(shí)際的光學(xué)模型，能夠從本質(zhì)上提高激光三角測量系統的精度。所以，光學(xué)建模是一項核心技術(shù)[9]。

2.2
電路信號處理技術(shù)

電路信號處理模塊對成像器件的信號進(jìn)行整流、濾波和放大，對激光成像光斑或條紋進(jìn)行初步的濾噪，減輕了后續頂層算法的工作量，進(jìn)一步提高了測量精度。

2.3
 成像圖像處理技術(shù)

通過(guò)頂層算法，對激光三角法得到的激光光斑或條紋進(jìn)行處理，準確獲取光斑的中心點(diǎn)深度信息或激光的條紋中心線(xiàn)。在實(shí)際場(chǎng)景中，往往難以獲得理想的中心點(diǎn)或中心線(xiàn)。因此，兼顧精度、速度和魯棒性的智能提取算法是激光三角測量中的一大技術(shù)難點(diǎn)[10]。

2.4
 標定及誤差補償技術(shù)

通過(guò)標定的方法進(jìn)行誤差補償，是確保系統測量精度的最后關(guān)鍵環(huán)節。對于一維激光三角測量系統的標定工作，可以采取非線(xiàn)性方程求解、插值和擬合的方式。而二維激光三角測量系統的標定工作就復雜得多。技術(shù)人員分別采取了平面、鋸齒形、凹凸量塊作為標定物進(jìn)行標定[11-13]。但這些方法或過(guò)于復雜，或難以保證標定物的加工精度。因此，需要研究操作簡(jiǎn)單且可靠的標定方法[14]。

3
 激光三角測量技術(shù)的應用

3.1
 高精度微位移測量

隨著(zhù)微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各領(lǐng)域對微位移的高精度測量需求不斷增大，例如航天軍工、超精密工業(yè)生產(chǎn)以及生物信息檢測等。激光三角法測量分辨力可達μm量級，適用于超精密微位移測量的場(chǎng)合。

工業(yè)精密測量與裝配中，小尺寸器件（膠片、芯片、微軸承等）的高精度檢測對產(chǎn)品的質(zhì)量起到重要的作用。在汽車(chē)制造工業(yè)中，汽車(chē)輪胎膠片兩端搭接牢固程度決定了輪胎的質(zhì)量，關(guān)系到汽車(chē)的行駛安全。馮召東[15]基于線(xiàn)激光三角測量，根據采集到的激光點(diǎn)云數據，通過(guò)投影進(jìn)行三維重建，獲得輪胎膠片的三維形貌。此外，馮召東通過(guò)主成分分析的方法提取激光條紋中心線(xiàn)，進(jìn)一步提高了測量精度。在電路板芯片貼片工業(yè)流程中，需要保證芯片引腳具有較高的共面度。這對精密測量及定位提出了更高要求。同時(shí)，為了保證芯片在檢測過(guò)程中不受磨損，非接觸式三角測量法成為了首選。魏澤等[16]基于線(xiàn)激光三角法實(shí)現對芯片引腳共面度高精度檢測，利用隨機抽樣一致(random sample consensus，RANSAC)算法對芯片引腳進(jìn)行分割，并通過(guò)均值聚類(lèi)確定激光點(diǎn)云數據中引腳位置，對數據平面進(jìn)行最小二乘擬合，以實(shí)現對芯片引腳的共面度評價(jià)。上海交通大學(xué)陳家興等[17]研究了光斑的高精度定位算法，應用于自主研發(fā)的激光位移傳感器中，解決了3C等領(lǐng)域的高精度在線(xiàn)測量問(wèn)題。

在生物檢測與醫療領(lǐng)域中，激光三角法主要用于對物體表面三維結構信息的獲取或精確定位，例如對牙齒的三維形貌掃描以輔助進(jìn)行牙齒矯正治療，在微創(chuàng )手術(shù)過(guò)程中也可利用激光三角法進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導航[18]。近年來(lái)，國內外諸多不同領(lǐng)域研究學(xué)者將激光三角測量與原子力顯微鏡相結合，進(jìn)行細胞操作或納米材料合成的相關(guān)基礎研究工作[19]。

3.2
 高速動(dòng)態(tài)測量

激光三角測量法具有較快的響應速度，被廣泛應用于各種高速動(dòng)態(tài)測量及安全監測場(chǎng)景中。

在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)中，靜態(tài)檢測往往耗時(shí)長(cháng)。動(dòng)態(tài)檢測能夠大大提高產(chǎn)品檢測的效率，提升生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度。點(diǎn)膠機對電路板或相關(guān)元器件進(jìn)行點(diǎn)膠工作時(shí)，需要快速移動(dòng)點(diǎn)膠機針頭進(jìn)行相關(guān)定位操作。其中，接觸式點(diǎn)膠機分液時(shí)需要對Z方向間隙高度進(jìn)行精準的動(dòng)態(tài)控制。大連理工大學(xué)張青青[20]利用激光三角原理制成的測距傳感器，實(shí)現對點(diǎn)膠機高度間隙精準控制,在動(dòng)態(tài)移動(dòng)過(guò)程中的測量精度可達5 μm。

激光三角測量法近年來(lái)被廣泛應用于鐵路交通運輸行業(yè)的動(dòng)態(tài)安全監測[21]。輪緣厚度和輪緣寬度是保證列車(chē)安全的關(guān)鍵參數。Jian等[22]提出了一種基于激光位移傳感器的輪對輪緣厚度和輪緣寬度實(shí)時(shí)測量方法，將三個(gè)激光位移傳感器夾在鋼軌上，光線(xiàn)穿過(guò)鋼軌之間的縫隙。輪緣厚度和輪緣寬度可由三個(gè)激光位移傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量。Gigada等[23]利用激光三角測量法對車(chē)輛在行駛過(guò)程中的道路紋理進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以獲得路面與輪胎之間的摩擦因數，為車(chē)輛速度的控制提供寶貴的提示信息。上海交通大學(xué)在國家863項目的支持下，基于線(xiàn)激光和視覺(jué)檢測技術(shù)，成功研制我國首臺高速鐵路扣件在軌探測系統[24]。

3.3
 復雜物面測量

實(shí)際測量物面往往未必規則，性狀比較復雜，例如曲面、粗糙度以及顏色變化等。激光三角測量法可通過(guò)光路結構的優(yōu)化和相關(guān)補償算法，實(shí)現對復雜物面的普適應性測量。

曲面測量容易產(chǎn)生遮擋、成像光斑漂移等現象。Clark J.等[25]利用偏振光作為激光三角測量系統的光源，實(shí)現對金屬曲面的精準測量。為了進(jìn)一步提高激光三角測量法對曲面的測量速度，Liu等[26]利用線(xiàn)激光三角測量法在曲面投影出形貌特征并進(jìn)行三維測量，實(shí)現了曲面的高精度高速度測量。

對粗糙度較大的物面進(jìn)行測量時(shí)，由于其表面特性存在大量微小凹凸，導致激光束達到物面后形成不規則的反射。對于激光三角法測量而言，多重不規則反射將導致成像器件出現多個(gè)光斑造成干擾并影響測量精度。Keyence提出一種多重反射消除算法（multiple reflection cancel，MRC），通過(guò)比較成像器件兩幀波形的相關(guān)性，濾除了由于多重反射造成的成像干擾，實(shí)現了對粗糙物面的精準測量。

物體表面由于顏色的變化將導致折射率的不同，使得激光三角法成像系統獲得的光斑強度發(fā)生變化，導致輸出位移值偏差。Jung等[27]提出了一種基于三角測量的PSD強度控制方法，實(shí)現了對目標顏色變化的高度線(xiàn)性控制。上海交通大學(xué)現代傳感與光電檢測研究室提出了一種光強自適應算法以適應目標物不同顏色造成的光強變化，同時(shí)采用光學(xué)系統建模的方法對成像光斑形狀進(jìn)行修正，以提高普遍適用性[28-29]。

3.4
 復雜環(huán)境測量

環(huán)境的不可抗因素對測量精度的影響不可忽視�，F代智能制造及裝備要求測量系統能夠適應各種復雜的環(huán)境變化，激光三角測量技術(shù)可適應多種復雜測量環(huán)境[30]。

水面環(huán)境由于流體的運動(dòng)，會(huì )導致測量面的不穩定。Liu等[31]采用單點(diǎn)激光三角法實(shí)現水面油膜厚度的在線(xiàn)測量。激光入射到被測油膜的上下表面并形成光斑，兩個(gè)光斑經(jīng)光學(xué)鏡組在CCD上成像。通過(guò)成像點(diǎn)的位移和成像系統的結構參數，可以得到被測油膜的厚度。

激光三角測量法也被應用于各類(lèi)高溫場(chǎng)測量場(chǎng)景中。玻璃生產(chǎn)環(huán)境溫度最高達600 ℃。Wang等[32]基于激光三角測量法并利用溫度補償曲線(xiàn)進(jìn)行修正，對玻璃厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，提高了生產(chǎn)效率。孫德榮[28]利用單點(diǎn)激光三角法，提出一種二值化處理方法，實(shí)現了對高溫超導磁懸浮列車(chē)懸浮高度的測量。

太空環(huán)境因輻射、溫度等因素影響而尤為復雜，航天器對大型空間站進(jìn)行表面巡檢，是保證空間站長(cháng)期安全、穩定工作的前提，巡檢航天器與空間站的相對導航需以超高精密測量技術(shù)為基礎。王振宇等[33]利用線(xiàn)激光三角測量系統與慣性位姿推算系統組合的方式，以獲取巡檢飛行器與空間站的相對導航參數；利用噴氣動(dòng)力裝置適時(shí)調整激光器與相機的相對位置，以確保成像圖像的質(zhì)量；通過(guò)與慣導數據的進(jìn)一步融合，提高了巡檢導航系統的整體精度。上海交通大學(xué)陶衛等在該方面做了大量的工作，通過(guò)激光三角位移傳感器實(shí)現了空間飛行器姿態(tài)的精確測量。

4
 激光三角測量技術(shù)的發(fā)展前景

激光三角測量技術(shù)經(jīng)國內外研究人員多年積累，技術(shù)逐漸趨于成熟，但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)待解決。激光三角測量技術(shù)的研發(fā)應用前景及趨勢如下。

①微型化。光學(xué)鏡片、電路集成以及微機電系統（micro-electro-mechanical system,MEMS)加工技術(shù)的進(jìn)步，為激光三角測量系統的微型化提供了技術(shù)支撐，實(shí)現了激光三角技術(shù)在極小空間的測量。

②智能化。在計算機和人工智能技術(shù)不斷突破創(chuàng )新的時(shí)代浪潮下，智能算法提高了激光三角測量系統的工作效率和普遍適用性。通過(guò)“以軟代硬”的方式，實(shí)現了復雜物面及復雜環(huán)境的自主適應并完成測量工作。

③大量程�，F階段激光三角測量法主要應用于中短距離測量，由于接收鏡組邊緣成像畸變及成像器件的非線(xiàn)性導致量程遠端誤差較大。隨著(zhù)光學(xué)理論研究及技術(shù)的不斷發(fā)展，利用光學(xué)模型進(jìn)行系統誤差補償，進(jìn)一步擴大了激光三角測量法的工作量程。

④多參數。隨著(zhù)復雜系統的研發(fā)水平不斷提高，激光三角測量系統結構逐漸呈現多個(gè)子系統嵌套組合的模式，以實(shí)現多參數同步測量。以機器人位姿測量為例，激光三角測量系統將實(shí)現對機器人位置及姿態(tài)參數同步輸出。

⑤多傳感融合。多傳感器融合技術(shù)運用于激光三角測量系統，利用激光、視覺(jué)圖像與慣導技術(shù)的深度融合實(shí)現信息全方位檢測，可廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、公共安全監測等一系列大樣本數據智能感知應用場(chǎng)景。

5
結束語(yǔ)

激光三角測量技術(shù)是一種經(jīng)典的非接觸高精度測量方法。隨著(zhù)現代光電技術(shù)、MEMS加工技術(shù)、計算機智能技術(shù)的進(jìn)步，激光三角測量技術(shù)在光學(xué)模型、電路集成、軟件算法等各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節不斷發(fā)展，多年來(lái)一直被廣泛應用于各種測量場(chǎng)景。激光三角測量法被應用于生物醫學(xué)、航空航天、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域，既可進(jìn)行靜態(tài)超高精度測量，又可進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)跟蹤測量；同時(shí)，通過(guò)各種算法融合，可實(shí)現對復雜物面和復雜環(huán)境的適應性測量。

未來(lái)，激光三角測量技術(shù)依舊具有廣闊前景和研發(fā)價(jià)值，它將朝著(zhù)微型化、智能化、大量程、多參數以及多傳感融合的方向不斷發(fā)展。來(lái)源：《自動(dòng)化儀表》2019年第12期