Разработка оптоэлектронных систем для измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения

• Автор: Двойнишников, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Оптоэлектронные методы измерения 30 геометрии
1.1 Методы измерения 30 геометрии на основе пространственной модуляции оптического излучения
1.2 Методы измерения 30 геометрии на основе методе фазовой триангуляции
1.3 Метод компенсации нелинейности тракта источник -приемник оптического излучения
1.4 Методы расширения динамического диапазона при фазовых измерениях
1.5 Оценка погрешности метода измерения 30 геометрии на основе пространственно-временного модулирования источника оптического излучения
1.6 Выводы
2 Методы калибровки системы измерения 30 геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-
временной модуляции источника оптического излучения
2.1 Анализ методов калибровки оптоэлектронных систем измерения 30 геометрии
2.2 Калибровка оптоэлектронной системы с использованием параллельных калибровочных плоскостей и калибровочной мишени
2.3 Самообучающиеся алгоритмы калибровки
оптоэлектронных систем измерения 30 геометрии
2.4 Выводы
3 Прототип оптоэлектронной системы измерения 30 геометрии крупногабаритных объектов
3.1 Программное обеспечение оптоэлектронной системы измерения 30 геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения
3.2 Реализация калибровки оптоэлектронной системы измерения 30 геометрии крупногабаритных объектов
3.3 Лабораторные испытания оптоэлектронной системы измерения 30 геометрии крупногабаритных объектов
3.4 Полевые испытания оптоэлектронной системы измерения
30 геометрии крупногабаритных объектов
3.5 Промышленные испытания оптоэлектронной
измерительной системы измерения 30 геометрии крупногабаритных объектов
3.6 Выводы

Заключение
Список использованных источников
Приложение А Справки об использовании результатов работы и протокол промышленных испытаний

Введение
Развитие ведущих отраслей экономики, нефтегазового и аэрокосмического комплексов, энергетики и атомной промышленности связано с применением точных машиностроительных изделий со все более сложной трехмерной (ЗБ) геометрией. Прецизионный контроль ЗБ геометрии крупногабаритных изделий в процессе производства позволяет существенно повысить КПД высокотехнологичных энергетических установок и предотвратить техногенные катастрофы. Разработка и создание новых оптоэлектронных систем для измерения крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источников оптического излучения становятся все более актуальными и востребованными. Новые методы измерений 30 геометрии крупногабаритных объектов базируются на возможностях современных оптико-электронных приборов, компьютеров, алгоритмов и новейшей элементной базе. Широкий спектр проблем, возникающих в оптике, источниках пространственно модулированного оптического излучения, регистрации и обработке оптико-электронных сигналов и изображений, определяет многообразие способов их преодоления, отличающихся по функциональным возможностям и техническим решениям [1-5].
К моменту начала работы над диссертацией в работах отечественных и зарубежных специалистов были заложены основы оптоэлектронных методов измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов [6-16].
Современные методы измерения ЗБ геометрии объектов можно разделить на два больших класса - контактные (координатно-измерительные машины, щуповые приборы, измерительные проекторы и т. д.) [17-20] и бесконтактные, среди которых наиболее распространены методы светового сечения, стереоскопические, интерференционные и растровые методы. Стереоскопические методы измерения отличаются низкой производительностью и высокой погрешностью. Применяются стереоскопические методы, как правило, в задачах исследования рельефа земной поверхности с помощью аэрофотоснимков [21-23], либо применяются, как расширение других методов. Методы светового сечения обладают погрешностью измерения порядка 0.5 мм, однако, для измерения полной ЗБ геометрии необходимо наличие блока сканирования, обеспечивающего механическое перемещение измерителя вдоль измеряемого объекта [24]. Интерференционные методы измерения [25-28] обладают очень низкой погрешностью (до 1 нм), но работают в узком диапазоне измеряемых расстояний (порядка длины волны источника когерентного излучения).
Растровые методы, или методы, использующие пространственно модулированный источник оптического излучения являются особенно перспективными [29-44], так как не требуют операции механического перемещения в процессе измерения. Исследуемый объект освещается пространственно модулированным источником оптического излучения и

Преимущества метода компенсации нелинейности на основе последовательном или параллельном включении компенсирующей нелинейности заключаются в простоте реализации. Но этот метод предполагает наличие информации о нелинейной характеристики приемнопередаточного тракта, которая в нашем случае зависит от отражательных свойств измеряемого объекта, внешнего освещения и от внутренних параметров источника и приемника оптического излучения. Поэтому, метод компенсации нелинейности на основе последовательном или параллельном включении компенсирующей нелинейности не применим в нашем случае.
Метод компенсации нелинейности, основанный на введении компенсирующей нелинейной обратной связи для нашей задачи так же не применим. Это связано с тем, что обратная связь подразумевает наличие информации о распределении структурированной засветки па принимаемых изображениях, определение которой является первостепенной задачей в методе оптической триангуляции.
Предложена модификация метода на основе введения дополнительных линейных корректирующих устройств.
Пусть V — яркость пространственно модулированного света, излучаемая на точку исследуемого объекта. Т - интенсивность пиксела на изображении, на который проецируется исследуемая точка измеряемого объекта. Тогда зависимость яркости, излучаемой источником света от интенсивности, наблюдаемой на изображении можно представить, как нелинейная функция К:
1 = К(У). (1.32)
Если функция К является гладкой и непрерывной в диапазоне принимаемых значений, то, имея функцию К можно вычислить обратную функцию К~1. Если предположить, что отражательные свойства контролируемого объекта, параметры внешнего освещения и внутренних параметров модулятора структурированной засветки и приемника не меняются в процессе измерения, то и функция К тоже не меняется для каждого пикселя изображения.
Тогда метод компенсации нелинейности выглядит следующим образом. Перед освещением измеряемого объекта серией параллельных полутоновых синусоидальных полос проводят калибровку приемнопередаточного тракта с целью получения функции К следующим образом. Последовательно освещают исследуемый объект, обеспечивая равномерную пространственную модуляцию источника излучения и меняя яркость засветки по линейному закону. Затем, для каждой точки на принятых изображениях строят зависимость интенсивности источника оптического излучения от наблюдаемой яркости па принятом изображении:
1(х,у) = К(х,у,У) (1.33)