專利名稱：三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及三維激光多普勒測(cè)量運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
激光多普勒測(cè)量技術(shù)是一種精確的非接觸式的測(cè)量技術(shù)，它是基于測(cè)量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻率，進(jìn)而確定該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度，以及物體表面的振動(dòng)情況。工程中的許多結(jié)構(gòu)和部件的振動(dòng)是三維的，即物體表面某一點(diǎn)的振動(dòng) (速度)可被分解成兩個(gè)面內(nèi)分量(Vx，Vy)和一個(gè)離面分量Vz，當(dāng)進(jìn)行三維激光振動(dòng)測(cè)量時(shí)，需要使用三束激光照射被測(cè)點(diǎn)。如圖1所示。在光路布置中，光束ZZ沿Z軸方向，用于測(cè)量Vz，從而可得Vzx = VzCos θ +VxSin θ(1)Vzy = VzCos Ψ+VySin Ψ(2)由(1)式、(2)式可得Vx = (Vzx-VzCos θ )/sin θ(3)Vy = (Vzy-Vzcos ψ)/sin Ψ(4)由多普勒頻移測(cè)量速度的最直接的方法是利用高分辨率的光譜儀分析來自振動(dòng)物體的散射光。由于物體實(shí)際的振動(dòng)速度比光速小得多，例如，當(dāng)波長(zhǎng)1為6328Χ 10-10米 /秒、振動(dòng)物體的速度為10米/秒時(shí)，可獲得He-Ne激光的多普勒頻移的最大值，按(1_4) 計(jì)算，可得D = 31. 6MHz Df，而激光本身的頻率f很高(約為4. 74' 1014Hz)，即DfD/f = 6.67' 10-8。因此，直接測(cè)量多普勒頻率DfD是不可能的。而是當(dāng)多普勒頻移足夠大時(shí)，可以借助于高分辨率的法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot)行測(cè)量。在一般情況下，大多數(shù)物體的振動(dòng)速度所引起的多普勒頻移在幾十千赫一幾十兆赫，超出了光譜儀的分辨率。這時(shí)需要借助于光學(xué)差拍及參考光技術(shù)來測(cè)量。而對(duì)于物體三維振動(dòng)面外分量的振動(dòng)測(cè)量，在傳統(tǒng)的激光測(cè)量技術(shù)中，無論是單點(diǎn)測(cè)量還是整個(gè)面的掃描測(cè)量，都只給出了物體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，而沒有給出物體整體的三維振動(dòng)特性。而對(duì)于最近幾年出現(xiàn)的三維激光測(cè)量物體振動(dòng)的技術(shù)，其主要由三個(gè)單點(diǎn)激光測(cè)振儀器發(fā)出三束光束，以監(jiān)測(cè)被測(cè)物體三個(gè)方向的振動(dòng)，然這種測(cè)量技術(shù)的缺陷是需要多臺(tái)激光測(cè)振儀，且所測(cè)得反應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)不是實(shí)時(shí)的，其需要通過投影計(jì)算后才能獲得某一時(shí)間點(diǎn)被測(cè)物體在三維方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種新型的三維顯微運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及方法，其能通過一個(gè)激光測(cè)振儀，經(jīng)過分光元件等處理后形成五束測(cè)量光束發(fā)射到被測(cè)物體上，實(shí)時(shí)測(cè)得被測(cè)物體在三維方向的振動(dòng)信息及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案一種三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，包括光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)包括激光光源，復(fù)數(shù)第一組分光元件和第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括復(fù)數(shù)第二組聚光元件和第二組分光元件，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括至少一光電探測(cè)器；所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出復(fù)數(shù)束測(cè)量激光，同時(shí)照射到被測(cè)物體的測(cè)量點(diǎn)上，并由被測(cè)物體反射形成反射光束，所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送至所述信號(hào)處理系統(tǒng)處理成反映被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的電信號(hào)。優(yōu)選地，所述測(cè)量系統(tǒng)還包括一束與測(cè)量光束相比較的參考光束。所述信號(hào)處理系統(tǒng)還包括對(duì)被測(cè)物體成像的電荷耦合元件。所述測(cè)量系統(tǒng)還包括提供照明的LED。所述測(cè)量激光為五束。所述五束光束分為三組，其中兩束為測(cè)量被測(cè)物體X方向運(yùn)動(dòng)參數(shù)的第一組光束，兩束為測(cè)量被測(cè)物體Y方向運(yùn)動(dòng)參數(shù)的第二組光束，還有一束為測(cè)量被測(cè)物體Z方向運(yùn)動(dòng)參數(shù)的第三光束。本發(fā)明還揭示了一種三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量方法，由激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)分光處理后，形成復(fù)數(shù)束測(cè)量光束同時(shí)照射到被測(cè)物體上，由被測(cè)物體反射形成反射光束，攜帶了被測(cè)物體在三維方向的運(yùn)動(dòng)信息的所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送到光學(xué)處理系統(tǒng)處理成反映被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的電信號(hào)。優(yōu)選地，所述激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)分光處理后，還有一束形成與所述測(cè)量光束進(jìn)行比較的參考光束。所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)對(duì)發(fā)射激光光束的處理還包括移頻、聚焦及透射處理。所述光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)反射激光光束的處理包括透射、反射、聚焦及分光處理。所述測(cè)量激光為五束。所述光學(xué)處理系統(tǒng)還包括對(duì)被測(cè)物體成像的處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及方法能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量被測(cè)物體三維方向的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，且動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高。


圖1是本發(fā)明三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及方法的光路原理圖；圖2是本發(fā)明的具體的光路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及方法的使用框圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。本發(fā)明提出的三維激光運(yùn)動(dòng)姿 態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其采用三維多普勒激光測(cè)振技術(shù)，能使多束光束同時(shí)探測(cè)被測(cè)物體上的目標(biāo)點(diǎn)，并測(cè)量被測(cè)物體上在X、Y、Z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。如圖1所示，所述三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包括發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)，所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源1，復(fù)數(shù)第一組分光元件、第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括第二組分光元件、第二組聚光元件，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括光電探測(cè)器7和CCD (電荷耦合元件)，其中LED用以為測(cè)量系統(tǒng)提供照明。
本實(shí)施例中，光電探測(cè)器7包括第一光電探測(cè)器71和第二光電探測(cè)器72，其中，第一光電探測(cè)器71用于探測(cè)被測(cè)物體在X方向上運(yùn)動(dòng)信息的光束，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，第二光電探測(cè)器72用于探測(cè)被測(cè)物體在Y和Z方向運(yùn)動(dòng)信息的光束，亦將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， CXD用于對(duì)被測(cè)物體形成圖像。測(cè)量時(shí)，由激光光源1發(fā)出的激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的分光、移頻、聚焦及透射等處理后，形成五束測(cè)量光束同時(shí)照射到被測(cè)物體8的測(cè)量點(diǎn)上，以測(cè)量被測(cè)物體測(cè)量點(diǎn)的三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，測(cè)量光束由被測(cè)物體8反射后形成反射光束，接收光學(xué)系統(tǒng)接收從被測(cè)物體上反射回來的、攜帶了被測(cè)物體測(cè)量點(diǎn)三維振動(dòng)信號(hào)的反射光束，并將這些光 束經(jīng)過透射、 聚焦及分光等處理后，傳送到信號(hào)處理系統(tǒng)，以獲得被測(cè)物體實(shí)時(shí)的反映運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的光電信號(hào)及圖像。具體來說，如圖2所示，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的第一組分光元件包括直角棱鏡21、 25，分光棱鏡 22a、22b、22c，26、27、28，分光移頻元件 23a、23b、23c，分光元件 24a、24b、24c， 及平行光板29，所述第一組聚焦元件包括聚焦透鏡31、32及物鏡33，所述第二組分光元件包括平行光板29、分光棱鏡41、42、43，所述第二組聚焦元件包括物鏡33、聚焦透鏡51、52和透鏡53。所述激光光源1發(fā)出單束激光后，經(jīng)過直角棱鏡21轉(zhuǎn)向、分光棱鏡22a、22b、22c 分光后，將單束激光分為X、Y、Z三個(gè)方向的三束測(cè)量光，X方向的測(cè)量光經(jīng)過分光移頻元件23a后分成兩束固定模式的光，并產(chǎn)生頻移，經(jīng)分光元件24a、24b后形成兩束平行光輸出，再經(jīng)過聚焦透鏡31、32聚焦及平行光板29透射后，通過物鏡33把光束聚焦到被測(cè)物體 8的測(cè)量點(diǎn)上，攜帶了被測(cè)物體X方向振動(dòng)信息的光束發(fā)生反射形成反射光束，經(jīng)由接收光學(xué)系統(tǒng)中的物鏡33的透射、光學(xué)平板29的反射、聚焦透鏡51、52的聚焦及分光棱鏡41分光后，將X方向的光束傳輸?shù)叫盘?hào)處理系統(tǒng)中的第一光電探測(cè)器71上。Y方向的測(cè)量光經(jīng)分光移頻元件23b后分成兩束固定模式的光，并產(chǎn)生頻移，經(jīng)分光元件24c后兩束光平行輸出，經(jīng)過直角棱鏡25改變光束方向、及分光棱鏡28的反射、聚焦透鏡31、32聚焦及平行光板29透射后，通過物鏡33把光束聚焦到被測(cè)物體8的測(cè)量點(diǎn)上，攜帶了被測(cè)物體Y方向振動(dòng)信息的光束發(fā)生反射形成反射光束，反射光束經(jīng)物鏡33的透射、光學(xué)平板29的反射、聚焦透鏡51、52的聚焦及分光棱鏡41、42、43分光后，將Y方向的光束傳輸?shù)降诙怆娞綔y(cè)器72上。Z方向的測(cè)量光束經(jīng)分光移頻元件23c后分成兩束固定模式的光，并產(chǎn)生頻移，經(jīng)過分光棱鏡27把Z方向測(cè)量光分成參考光束和測(cè)量光束，測(cè)量光束經(jīng)分光棱鏡28改變光路傳播方向后經(jīng)過聚光透鏡31、32聚焦及平行光板29透射后，通過物鏡33把光束匯聚到被測(cè)物體8的測(cè)量點(diǎn)上，攜帶Z方向振動(dòng)信息的光束發(fā)生反射形成反射光束，反射光束經(jīng)物鏡33的透射、光學(xué)平板29的反射、聚焦透鏡51、52的聚焦及分光棱鏡41、42、43分光后，將 Z方向的光束傳輸?shù)降诙怆娞綔y(cè)器72上。而參考光束經(jīng)過直角棱鏡61、62、分光棱鏡63的轉(zhuǎn)向等處理后，傳送到第一光電探測(cè)器71和第二光電探測(cè)器72，在與X軸方向、Y軸方向及Z軸方向的測(cè)量光束進(jìn)行干涉等比較處理后，并將其轉(zhuǎn)化為反映了被測(cè)物體在X軸方向、Y軸方向及Z軸方向的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的電信號(hào)。而CCD根據(jù)從被測(cè)物體上反射回來的測(cè)量光束，對(duì)被測(cè)物體形成圖像，并被測(cè)物體的圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。如圖3所述，信號(hào)處理系統(tǒng)獲得的電信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的采集及數(shù)據(jù)分析軟件的分析處理后，將被測(cè)物體被測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息如振動(dòng)速度、位移、加速度等直接顯示在圖像顯示器上，以便后續(xù)的分析處理。本實(shí)施例的圖2中所示的光學(xué)元件為說明本發(fā)明所選用的，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可以選用其他可替代的光學(xué)元件，如光電探測(cè)器也可以為一個(gè)或三個(gè)，一個(gè)光電探測(cè)器用于同時(shí)探測(cè)從被測(cè)物體反射回的三個(gè)方向測(cè)量光及參考光，三個(gè)光電探測(cè)器用于分別探測(cè)被測(cè)物體三個(gè)方向的測(cè)量光及參考光。本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特征已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾，因此，本發(fā)明保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為本專利申請(qǐng)權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)包括激光光源，復(fù)數(shù)第一組分光元件和第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括復(fù)數(shù)第二組聚光元件和第二組分光元件，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括至少一光電探測(cè)器；所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出復(fù)數(shù)束測(cè)量激光，同時(shí)照射到被測(cè)物體的測(cè)量點(diǎn)上，并由被測(cè)物體反射形成反射光束，所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送至所述信號(hào)處理系統(tǒng)處理成反映被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)量系統(tǒng)還包括一束與測(cè)量光束相比較的參考光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)處理系統(tǒng)還包括對(duì)被測(cè)物體成像的電荷耦合元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)量激光為五束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述五束光束分為三組，其中兩束為測(cè)量被測(cè)物體X方向運(yùn)動(dòng)參數(shù)的第一組光束，兩束為測(cè)量被測(cè)物體Y方向運(yùn)動(dòng)參數(shù)的第二組光束，還有一束為測(cè)量被測(cè)物體Z方向運(yùn)動(dòng)參數(shù)的第三光束。
6.一種三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于由激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)分光處理后，形成復(fù)數(shù)束測(cè)量光束同時(shí)照射到被測(cè)物體的測(cè)量點(diǎn)上，由被測(cè)物體反射形成反射光束，攜帶了被測(cè)物體在三維方向的運(yùn)動(dòng)信息的所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送到光學(xué)處理系統(tǒng)處理成反映被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的電信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)分光處理后，還有一束形成與所述測(cè)量光束進(jìn)行比較的參考光束ο
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)對(duì)發(fā)射激光光束的處理還包括移頻、聚焦及透射處理，所述光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)反射激光光束的處理包括透射、反射、聚焦及分光處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)量激光為五束。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)處理系統(tǒng)還包括對(duì)被測(cè)物體成像的處理。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種三維激光運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及方法，所述測(cè)量系統(tǒng)包括光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)包括激光光源，復(fù)數(shù)第一組分光元件和第一組聚光元件，所述光學(xué)接收系統(tǒng)包括復(fù)數(shù)第二組聚光元件和第二組分光元件，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括至少一光電探測(cè)器；所述光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出五束測(cè)量激光，同時(shí)照射到被測(cè)物體的測(cè)量點(diǎn)上，并由被測(cè)物體反射形成反射光束，所述反射光束經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)接收處理后，傳送至所述信號(hào)處理系統(tǒng)處理成反映被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的電信號(hào)。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量被測(cè)物體三維方向的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，且測(cè)量精度高。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102359814SQ20111018468
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者劉挺, 劉歡, 葉崗, 宋云峰, 朱傳貴 申請(qǐng)人:蘇州舜新儀器有限公司