調頻激光雷達測量技術及在航空航天領域的應用

劉 柯 張容卓 繆寅宵 朱 浩 宋金城 郭力振 郭天茂

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

調頻激光雷達測量技術屬于儀器科學與技術領域，是一種高端幾何量精密測量技術，能夠解決大型復雜零部件幾何參數測量精度低、測量速度慢的問題。以往對大型零部件幾何參數的測量主要依靠激光跟蹤儀、攝影測量以及大型三坐標測量機等。激光跟蹤儀工作時需要將反射靶球作為合作目標放置在被測零件表面，在一些操作者無法放置反射靶球的場合不能工作；攝影測量技術需要在被測工件表面粘貼反光標志點，并且其測量范圍和測量精度相互制約，為了對大型零部件測量時獲得較高的精度，需要在多站位多次測量，效率較低，且無法應用于測量人員和設備無法靠近的場合；大型三坐標測量技術雖然精度高，但只能進行單點測量，測量效率低，并且無法獲得零部件三維形貌信息。相比之下，調頻激光三維形貌測量技術具有測量范圍大、精度高、非接觸、非合作目標、掃描速度快、自動化程度高等特點，在解決火箭燃料儲箱加工誤差分析、大型飛機裝配精度評價、船舶潛艇螺旋槳制造精度評估、風力發電機葉片制造誤差測量等超大尺寸表面三維形貌快速精密測量、大型設備整機裝配測量、人工無法到達的特殊現場條件下幾何參數測量等問題時有顯著優勢，具有其它儀器不可替代的作用。

2 調頻激光雷達工作原理及關鍵技術

2.1 調頻激光雷達工作原理

調頻激光雷達自身建立球坐標系，通過掃描的方式對目標進行測量，如圖1所示。坐標系原點位于方位、俯仰掃描軸的交點。測量時，目標與原點之間的距離

R

由激光測量得到，角度坐標由測距光束的方位角(

α

)和俯仰角(

β

)來表示。通過二維掃描即可獲得被測目標表面各點的空間球坐標。利用球坐標與直角坐標之間的轉換關系，就可以在直角坐標系下得到被測目標個點的三維坐標。距離測量采用調頻連續波(FMCW)激光測距技術，有效提高了距離測量精度。

圖1 激光雷達測量坐標系示意圖

激光雷達測量得到目標的球坐標(

R

,

α

,

β

)，將球坐標轉化到直角坐標系即可得出目標點的三維坐標值(

x

,

y

,

z

)：

x

=

R

sin(

β

)cos(

α

)

y

=

R

sin(

β

)sin(

α

)

z

=

R

cos(

β

)

(1)

為了方便測量，激光雷達掃描儀中通常配有兩種激光。一種用作指示當前掃描的位置，通常為可見光；一種為測量激光。常用的測量激光通常選用1550nm波長的激光。該波長的激光已經廣泛應用于激光通信領域，相關技術、器件成熟，對人眼安全，而且在空氣中衰減較小。測量光和指示激光通過調焦光學系統耦合后出射。對于不同距離的被測目標，通過調焦使測量光在目標表面匯聚，提高信噪比。精密伺服三維掃描系統驅動掃描反射鏡，改變測量激光的出射方向，通過掃描對目標進行測量，其結構原理如圖2所示。

圖2 激光雷達測量系統原理結構

2.2 調頻激光測距工作原理

調頻激光測距原理如圖3所示。可調諧激光器在調制信號的控制下，發出頻率連續變化的測量光。發出的測量激光被分為兩部分，一部分作為參考光，另一部分通過光學系統出射至被測物體。

圖3 調頻激光測距原理示意圖

激光器經過調制后，其輸出光頻率與時間的關系為：

f

(

t

)=

f

+(

B/T

)

t

(2)

式中：

f

—激光的中心頻率，Hz；

B

——調制帶寬，

T

——調制周期，s，

t

——時間,s。激光器在

t

時刻發出的光頻率為

f

，經過時間

τ

后從目標返回，在這一時刻，激光器發出的光頻率為

f

，即參考光的頻率為

f

。測量光與參考光之間存在頻率差，疊加干涉后得到拍頻信號IF。發出的測量光頻率和返回后的頻率與時間的關系如圖4所示。

圖4 線性調頻連續波信號拍頻原理

從圖中可以看出，測量距離與拍頻信號IF的頻率之間為一一對應的關系，其大小為：

(3)

式中：τ——激光飛行時間,s。因此目標與測量系統之間的距離R可以表示為：

(4)

式中：c——光速,m/s，

f

——精確測量拍頻信號的頻率,Hz。

2.3 調頻激光雷達所涉及的關鍵技術

2.3.1

連續波線性調頻激光器設計技術線性連續調頻激光器作為線性調頻連續波激光測距系統的發射源，其性能直接影響距離測量的精度。根據線性調頻連續波激光測距系統的測量原理，其調諧范圍

W

與測量固有誤差Δ

R

成反比，如式(5)所示。

ΔR

=c

η/

2

W

(5)

式中：

η

——信號細分數,

W

——調諧范圍，可見調諧激光器的調諧范圍是線性調頻連續波激光測距系統絕對距離測量精度的關鍵性指標。波長可調諧半導體激光器按結構劃分主要有外腔半導體激光器，多電極半導體激光器，垂直腔面發射激光器等。外腔半導體激光器具有很窄的激光線寬，較高的輸出功率，較寬的調諧范圍，并且具有很寬的連續無跳模范圍，因此可以作為線性調頻連續波激光測距系統的激光光源。

2.3.2

高靈敏光電探測元件及接收電路設計技術

為實現對非合作目標的精確測量，需要設計高放大倍數、低噪聲的接收電路。一般接收普遍使用APD作為感光探測器，APD體積較小，內部雪崩使得光電流增益大幅提高，暗噪聲較小，可以提高探測信噪比，使得作用距離大幅提升。經調研，國外星載激光探測系統使用的APD探測靈敏度為國內能夠購買到型號的5倍左右，而且通過先進的微電子技術，在敏感元件內部集成了局部主動溫控系統，具有極佳的光電探測性能和環境適應性，為后續的電路設計降低了難度，在噪聲水平控制技術上優于國內，或者說在同樣的激光能量水平上可以實現幾倍的探測距離。因此，在關鍵的核心元器件來源及接收電路的設計上，需要進一步的發展。

2.3.3

調頻信號的非線性校正技術

調頻激光測距系統要求激光器輸出的頻率與時間成線性變化，而且線性度越好，測量精度越高。由于實際激光輸出頻率與調制信號存在非線性，調頻信號的非線性測量校正技術是決定線性調頻連續波激光測距系統能否實現高精度測量的一個非常重要的關鍵技術。目前主要的非線性測量校正方法有通過光譜儀測量校正方法、光路采樣測量校正方法、信號處理擬合測量校正方法。其中光譜儀測量校正方法可稱為硬件檢測校正法，可直接對激光器輸出波長進行測量，后兩種都是通過光路中的拍頻信號來反算激光輸出頻率，屬于間接測量測量方式，其測量與校正方法的校正能力有限。如何通過非線性測量校正實時補償調頻信號，提升拍頻信號解調有效分辨率，是調頻激光雷達研究中的核心關鍵技術。

3 調頻激光雷達測量技術國內外研究及應用現狀

3.1 調頻激光雷達國內外研究現狀

目前用于大尺寸構件自動化測量的激光雷達的生產廠家主要是美國的Metris公司(現已被日本Nikon收購)，其生產的激光雷達系列產品有MV224、MV260、MV330、MV350等，其中典型的MV260激光雷達的性能參數如表1。

表1 MV260激光雷達性能參數

在國家重大科學儀器設備開發專項的支持下，北京航天計量測試技術研究所開展了高精度調頻激光雷達研究，針對航天、航空、核電、高鐵、船舶等領域大型結構件形狀位置公差測量需求，攻克了大范圍窄線寬線性調頻激光產生、線性調頻激光測量信號高精度解調及線性連續調頻激光器非線性實時校正等關鍵技術，研發的高精度激光雷達掃描儀成功應用于新一代大型運載火箭等國家重大型號中，解決了發射平臺箭體對稱度測量等多項現場測量難題。

研制的調頻激光雷達測距范圍(1～50)m，水平測角范圍±180°，垂直測角范圍±45°，距離測量精度在2m處可達0.02mm，50m處可達0.3mm，水平角和垂直角測量不確定度

U

=1″，測量速度1000點/s。經第三方異地測試表明，主要技術指標達到國外同類產品技術水平，儀器外觀如圖5所示。

圖5 國產調頻激光雷達樣機

3.2 調頻式激光雷達在航空航天領域的應用現狀

由于目前市場上調頻激光雷達產品只有日本Nikon一家，造成儀器價格昂貴(單臺價格在500萬以上)，也使得調頻激光雷達作為一種高端儀器，在世界各國總量并不多，其應用主要集中在航空航天等重點科技領域，其典型應用如下。

3.2.1 激光雷達在大尺寸零部組件空間幾何參數測量中的應用

俄羅斯航天局采用Metris調頻激光雷達MV224作為測量手段，目前擁有的激光雷達數量為11臺。在航天大型件的幾何參數測量中的應用主要有天線展開金屬面的測量，在金屬表面選擇100000個點進行實際測量；以及天線的水平角和俯仰角等幾何量的測量。其工作效率高于經緯儀系統、激光跟蹤儀以及攝影測量系統。圖6為實際天線表面形變的檢測實例，檢測結果如圖所示。在室外環境10攝氏度的條件下在半徑為500mm的天線表面布置10000個點進行測量，所用到的工具球(轉站)為8個測量模式。測量得到較高的精度，均方誤差為0.83mm。每一片段的變形量測量誤差為0.78mm。

圖6 天線表面形變測量

美國洛克希德—馬丁公司將激光雷達用于航天飛機外儲箱的測量Shuttle External Tank(ET)，被測外儲箱的長度為47m，直徑為8.5m。采用MV226激光雷達測量外貯箱表面變形，如圖8所示。

圖7 外儲箱表面點云以及測量結果

在航空大尺寸零件測量領域，激光雷達也得到了廣泛的應用。歐洲空客公司使用激光雷達對A380反推系統的質量進行檢測。使用單個激光雷達對A380反推系統的蒙皮表面進行型面檢測，檢測時間為60min。檢測時將反推系統安裝在具有多自由度的升降車上，使用升降車完成多角度反推系統的檢測，如圖8所示。

圖8 激光雷達反推系統檢測

Spirit Aerosystems公司應用MV260激光雷達系統檢測機頭蒙皮外形，如圖9所示，目標是利用激光雷達的自動測量功能檢測蒙皮上的1200個表面點(Defined From CAD)，從而縮減流水線的檢測時間。在檢測時將MV260固定在某個位置，將機頭放置在一個可以旋轉的型架上。通過旋轉型架使得蒙皮得到全部測量。測量結果表明使用激光雷達設備和SA軟件使得整個流水線的檢測時間縮減70%，測量精度遠好于原有的測量工藝，大大減少了人工成本，從原有4人減少到1人。

圖9 機頭蒙皮外形雷達測量和多角度蒙皮測量結果

美國波音公司利用激光雷達進行787機翼蒙皮切割測量。圖10為787機翼蒙皮生產在線3D測量現場，通過將兩臺激光雷達放置在水切割龍門架上以便邊切割邊測量，從而在檢測時形成自動化閉環系統。

圖10 蒙皮制造過程中的檢測

波音公司利用激光雷達進行787機翼蒙皮切割測量時應考慮設置公共點的數量和位置，以便使得多臺設備和多個位置測量結果保證在同一坐標系中合并運算。為減少測量數據統一過程中的誤差，設置了20個公共點。使用invar bar(不漲鋼柱)支撐公共點，使用SA(SpatialAnalyzer)軟件中的USMN功能，此功能可幫助操作者將所有測量點統一在同一個坐標系中。使用激光雷達有如下優點：

(1)激光雷達的使用使得787機翼蒙皮的切割實現了自動化測量，并且此系統工作穩定；

(2)激光雷達系統測量三維數據與龍門架控制系統實現了數據自動交換，形成一個閉環系統；

(3)此項技術為實現一些大型復雜部件的三維自動化測量提供一種完美的解決方案。

空客公司使用激光雷達對空客A380機翼進行檢測，與波音787類似，空客A380的機翼也是采用復合材料制成。在檢測時使用由1臺MV260激光雷達組成的系統檢測A380機翼的定位孔和曲面結構。從傳統的激光跟蹤儀檢測工藝轉變成激光雷達工藝為空客公司節省70%的時間，大大縮短了檢查時間。

另外，空客公司還使用激光雷達作為最終測量手段來檢測機身段上的連接點和機身內部的多個關鍵點。在進行這項測量之前，曾嘗試使用攝影測量的方法，在完成相同的測量任務下，攝影測量消耗20個小時，并投入了2個操作人員，而激光雷達花費不到1個小時的時間，操作人員為1人。因此空客公司毅然決然地采用激光雷達作為A380機身段的檢測手段，如圖11和圖12所示。

圖11 激光雷達檢測

圖12 攝影測量檢測

3.2.2

激光雷達在數字化裝配定位測量中的應用

在美俄等航天航空發達國家，基于調頻激光雷達的測量技術已發展多年，在航天航空領域總裝測量中已得到良好的應用。

2008年美國航天局將Metris MV260激光雷達用于固體火箭助推器與火箭的對準裝配以及固體火箭助推器與航天飛機的對準裝配，提高了裝配精度和裝配效率，應用現場如圖13所示。

圖13 用于裝配的激光雷達

我國也引進了一些調頻激光雷達設備，典型的有北京航天計量測試技術研究所、西安飛機制造廠、哈爾濱飛機制造廠、中國衛星制造總廠等。其中北京航天計量測試技術研究所為國內最早研究應用調頻式激光雷達的單位，研制了多測量系統坐標系轉化靶標，并將其應用在衛星產品的裝配、網狀天線裝配面型、位置公差測量中，取得了一系列應用成果。此外北京衛星環境工程研究所等采用美國Metris公司的MV330型激光雷達首先利用多個已知位置的靶球建立衛星測量基準坐標系；之后利用高精度平面鏡的隱藏點掃描測量功能獲取發動機的內部輪廓點云圖；最后利用Spatial Analyzer專業測量軟件計算出發動機內部的關鍵幾何中心軸線方向。

激光雷達在航空領域裝配檢測中應用最好的是空客公司。德國漢堡在空客A380機身對接中使用激光雷達MV260精確測量對接的鏈接位置，并使用了Brunson公司的可升降支架，SA軟件的測量結果顯示了墊片的實際位置以及偏差，如圖14、15所示。

圖14 激光雷達機身段對接

圖15 SA軟件的測量結果

3.2.3 國產調頻激光雷達在大型運載火箭垂直裝配現場測量中的應用

北京航天計量測試技術研究所使用研制的調頻式激光雷達完成新一代大型運載火箭首飛前現場測試任務。在我國新一代運載火箭研制過程中，按照新“三垂”方案進行總裝、測量和轉運，其中“垂直測量”環節，通過使用高精度激光雷達掃描儀對箭體輪廓進行快速高密度點云掃描測量，并通過數據擬合、與設計模型進行比對分析，從而完成助推級與芯級對稱度、支撐臂支點水平度及在發射坐標系中的精確定位等測量分析任務，為航天重大型號首飛成功解決了現場計量測試難題。測量現場及掃描點云輪廓如圖16所示。

圖16 國產激光雷達應用于大型運載火箭垂直裝配現場測量

4 調頻激光雷達研究發展趨勢

作為一項新技術，調頻激光雷達研究應用中也還存在很多問題，比如軟件對點云數據處理速度較慢，大型零件需要多次轉站測量，對作業人員要求較高，設備體積大使用不便等。在今后的研究和發展在以下三個方面：

(1)進一步優化系統硬件，提高激光雷達掃描儀的測量速度、精度以及系統可靠性；完善軟件功能，提高點云處理速度和精度，拓展應用領域；

(2)設計軟件接口，與其他測量系統如慣組、GPS、自主移動平臺等深度融合，擴展設備功能，實現掃描點云數據的自動拼接，提高工作效率。

(3)儀器的小型化、接口化網絡化，使其更容易與工業機器人、無人機整合，使其能夠在先進制造、復雜環境智能測量等領域發揮更大功效。

5 結束語

隨著國家“中國制造2025”計劃的推進實施，創新驅動、質量為先的理念深化融入各行各業，工業4.0、智慧工廠也不斷建設發展，目前代表非合作目標大尺寸測量最高水平的調頻激光雷達測量技術，以其精度高、效率高、功能強的技術優勢，以及國產化激光雷達成熟后的成本、服務優勢，將在航空航天等先進制造領域得到更加廣泛的普及應用；高端制造行業的應用需求也將促進國內外調頻激光雷達研究向著小型化、智能化、網絡化的趨勢發展，與先進制造、智能制造的發展結合更加緊密。