[發明專利]基于角度差分的表面形狀精確重構方法

無效

• 申請號: 201010108745.1
• 申請日: 2010-02-11
• 公開（公告）號: CN101776444A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發明（設計）人: 陳欣;李源;丁國清;顏國正
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01B21/20
• 分類號: G01B21/20;G01B21/22
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種儀器測量技術領域的方法，具體是一種基于角度差分的表面形狀精確重構方法。

背景技術

對于具有較大橫向尺寸的物體的表面形狀測量，通常采用沿導軌移動的傳感器測頭對物體表面進行橫向掃描的方法來得以實現。隨著新材料、超精密加工技術的發展，被測對象的尺寸越來越大，而要求精度卻越來越高，導致掃描機構導軌的運動精度不能超過測量要求精度的情況越來越多。在此背景下，產生了用多個傳感器測頭同時對被測對象進行掃描，通過對多個測頭的測量值進行一系列數據處理(也稱為重構、復原、誤差分離等)以消除導軌的運動誤差及減低測量噪聲帶來的影響，最終得到精確的表面形狀。

多測頭系統可由2個、3個和4個以上的位移傳感器按相等或非等間隔排列而成。而重構方法也有逐次法、積分法、傅立葉變換法和矩陣最小二乘法等。

經過對現有技術的檢索發現，Elster?C，Weingartner?I：Exact?wave-frontreconstruction?from?two?lateral?shearing?interfergrams，J?Opt?Soc?Am?A，16，9(1999)2281-5.中提出了一個當時最為完整的重構方法，首次利用了不同傳感器間距的兩組角度差分值，在不計測量噪聲的情況下實現了無理論誤差的重構。但是它也存在著以下不足或缺陷：在兩組傳感器間距的選取上存在較大限制。即，假設掃描中采樣間隔為無單位量的1，則兩組間距的值為無單位量的正整數，它們互質且積等于總采樣點數。忽略了2個角度傳感器之間的零位誤差。微小的零位誤差也將會影響最后的重構結果，使該方法不再是無理論誤差。

進一步檢索發現，中國專利文獻號CN03124600.1，記載了一種“利用頻域法進行差分測量的精確重構方法”，該技術提出了一種能消除零位誤差的改進方法，并給出了補償式。雖然該技術描述的是對位移差分值進行的重構，但其本質和相關步驟與對角度差分值進行的重構是一樣的。該方法最初的推導條件中假設了通過單組角度差分值重構得到的形狀與原始形狀只相差一個線性分量。而知道，單組角度差分值中必然缺少傳遞函數為零的頻率分量的數據，因此通過單組角度差分值進行重構得到的形狀并不能保證總是與原始形狀相差一個線性分量。由于最初的推導存在錯誤，造成了具體實施方式的步驟8的計算失去理論基礎，導致該技術的適用具有相當局限。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于角度差分的表面形狀精確重構方法。本發明利用2個角度傳感器的測量值的差分進行形狀重構的方法，與采用位移傳感器的多測頭系統相比，具有可對曲率更大的對象進行測量的優點且只需要兩臺角度傳感器即可以實現對物體外表面的精確測量。

本發明是通過以下技術方案實現的，通過兩組不同的角度傳感器間距，分別對兩組角度差分值進行離散傅立葉變換，通過有效地組合兩組傅立葉諧波系數實現形狀的全波長范圍內的重構。針對2個角度傳感器間的零位誤差的問題，根據兩組差分值各自的傅立葉諧波系數在它們共有的諧波集合內是相同的這一關鍵點，提出了零位誤差的補償公式。本方法亦采用了頻域內加權平均技術，可在對零位誤差進行補償的同時減輕測量噪聲對重構形狀的影響。

本發明包括以下步驟：

第一步、在不同位置設置兩組角度傳感器間距并對測量對象進行兩次掃描，在每次掃描中同時記錄2個傳感器在各采樣點的角度測量值；

第二步、分別計算兩次掃描測量取得的角度測量值的差分，然后對兩組差分值分別進行離散傅立葉變換，得到兩組傅立葉諧波系數，再對兩組傅立葉諧波系數中具有相同諧波分量的部分計算零位誤差補償量，根據零位誤差補償量對兩組傅立葉諧波系數進行零位誤差補償，得到補償后傅立葉諧波系數的加權系數；

第三步、對兩組傅立葉諧波系數進行加權處理后得到包含原始形狀全波長范圍的更新傅立葉諧波系數，通過對更新傅立葉諧波系數進行離散逆傅立葉變換求得待恢復表面形狀上各采樣點處的切線角，最后經對切線角進行積分計算得到待恢復表面形狀。

與現有技術相比，本發明通過推導得到了新的對兩組角度差分值進行形狀重構的參數條件。在新的參數條件下，可選擇的2個角度傳感器間距范圍更廣，增強了本方法的可操作性；解決了對2個角度傳感器之間的零位誤差進行補償的問題。實現了由兩組角度差分值進行形狀重構的無理論誤差建模。在不計測量噪聲的情況下能夠完全消除掃描導軌的運動誤差和2個角度傳感器間的零位誤差；采用了頻域內加權平均技術，可在對零位誤差進行補償的同時減輕測量噪聲對重構形狀的影響。

附圖說明

圖1為本發明流程圖。