Вопросы оптимизации функционирования лазерного сканера в режиме измерения деформаций

Как отмечается в работе [1], лазерные сканеры, обладая большой информативностью, позволяют осуществлять 3D-измерения с миллиметровой точностью. Согласно [1] при проведении туннельных измерений с помощью сканера типа Leica HDS 6100 на расстоянии 6 м была получена погрешность порядка 0,4 мм. В работе [2] сообщается о достижении точности 0,7 мм на расстоянии 16 м.

В общем случае использование лазерных сканеров в режиме деформационных измерений осуществляется по схеме автосинхронизированной триангуляции, реализация которой показана на рис. 1 [3].

Система позволяет осуществлять трехмерные деформационные измерения объектов на расстоянии от 0,5 м до 100 м при угле обзора 36 ° х40 ° .

Система позволяет получить два изображения: изображение интенсивности и изображение кодированной глубины. Система предусматривает измерение мощности лазера, а также разрешения получаемого изображения.

Следует отметить, что традиционно исследуется точность подобных систем с учетом расстояния удаленности исследуемого объекта. При этом делается упор на геометрические показатели, а влияние радиометрических показателей рассматривается без учета эффекта обратного рассеяния, возникающего в среде распространения лазерного луча.

Хорошо известно, что при распространении лазерного луча в атмосфере происходит обратное рассеивание излучения из-за отражения с газовых молекул и аэрозольных частиц. Вместе с тем в основном режиме функционирования геодезических лазерных сканеров, каковым является измерение расстояний информативным сигналом, яв- ляется отраженное с исследуемого объекта излучение. Следовательно, актуальным оказывается вопрос об оценке влияния обратно рассеянного сигнала на достоверность проводимых измерений расстояния с применением лазеров [4, 5]. В целом данный вопрос может быть охарактеризован в качестве оценки влияния радиометрического качества измерений на качество проводимых геометрических измерений [6]. Настоящая статья посвящена исследованию влияния сигналов обратного расстояния на информативность лазерных сканеров в режиме сканирования поверхности удаленных объектов.

Рис. 1. Схема реализации принципа автосинхронизи-рованной триангуляции: 1 – сканер но оси Y ; 2 – фиксированное зеркало; 3 – фотоприемник типа ПЗС;

4 – собирающая линза; 5 – сканер по оси Х; 6 – фиксированное зеркало; 7 – лазер; 8 – объект

Материалы и метод

Прежде всего рассмотрим вопрос об оценке шумов в системе. Как показано в работе [6], сигнал обратного рассеивания лазерного луча нелинейно растет с ростом интенсивности самого луча, и как результат – отраженные с объекта сигналы сканеров могут быть измерены с более высокой достоверностью при использовании маломощных лазеров. Как видно из рис. 2 [6], среднее квадратическое отклонение (СКО) сигнала обратного рассеивания имеет тенденцию нелинейного роста с увеличением интенсивности исходного лазерного излучения.

В общем случае, как указывается в [6], сигнал обратного рассеивания в лазерных сканерах зависит от следующих факторов:

• 1)    расстояние до объекта r ;

• 2)    отражаемость поверхности объекта р ;

• 3)    угол падения луча а .

Следовательно, имеет место функциональная зависимость

I = f ( R , р , а ) ,                                (1)

Вместе с тем, если схема проводимых измерений не предусматривает измерения а , а среда является гомогенной, т. е. р = сonst, и изменению подлежит только R , то появляется возможность оптимизации серии проводимых измерений. Геометрическая схема проводимых измерений объекта с различных расстояний R = var показана на рис. 3.

Модельные исследования

Рассмотрим предлагаемую математическую модель информационной оптимизации циклических измерений исследуемой поверхности, находящейся на расстоянии R i ; i = 1, n , от лазерного сканера (рис. 3)

С учетом экспериментальных результатов, полученных в [6], будем считать, что шумы обратного рассеяния о _о . _р пропорциональны квадрату мощности излучателя, т. е.

о о . р = к 1 I о² .                                             ⁽²⁾

Количество различимых градаций в отраженном сигнале лазерного сканера определим как m =

k ₂ I ₀ / R ²

V о о.р +о м

где ом - шумы оптоэлектронного узла обработки приемной части. С учетом (2) и (3) получим m =

k ₂ I ₀ / R ²

V k i I 02 ^+о м

Количество информации, извлекаемое при сканировании геометрической дистанции, соот- ветствующей углу сканирования а и расстоянию R, определим как

2 R tg а M = 2log 2 log 2

k ₂ I ₀ / R ²

7 ⁽ k i I о ^{2 )2} + о ;2

Если условно принять, что множество дистанций проводимых измерений R_i содержит все значения R в интервале 0– R_m , то количество информации, извлекаемое при проведении циклических измерений, определим как

R m 2 r tg а

Mц = J .r log2 log2 0   A L k2I0/R2   dR.      (6)

( k i I о ²)² +о м

Введем на рассмотрение функцию адаптивно- го управления мощностью лазерного луча:

I о = 1 0 ( R ) -                                      (7)

Согласно (7) мощность лазерного луча, используемого при измерениях, должна быть изменена в зависимости от расстояния между лазерным сканером и объектом.

Рис. 3. Геометрическая схема проводимых циклических измерений

Рис. 2. Графическое отображение нелинейного роста СКО сигнала обратного рассеивания при увеличении интенсивности исходного лазерного излучения [6]