激光光刀法三维测量系统中的光谱匹配问题.pdf

激光光刀法三维测量系统中的光谱匹配问题 王海涛何平安刘震亚楼越焕 武汉大学电子信息学院，武汉市珞瑜路129号，430079 摘要 用激光光刀法三维工业测量系统在室外进行大型堆场体积测量时，太阳幅射形成强烈的背景噪声，严重影 响激光光7J图像的对比度，甚至湮没掉光刀图像。本文通过对太阳光谱特性、大气吸收特性、被测物体的反射特 性、光学成像系统的透过特性及CCD图像传感器的光谱响应特性的分析。提出了激光波长的选择与CCD光谱响 应特性的匹配原则，并给出了相应实验结果。 关键词 太阳光谱，CCD光谱响应，图像背景噪声，光谱匹配 1．引 言 在钢铁、煤炭、电厂、矿山、冶金、水利、港口、大型工程和建材等诸多行业的大型工业现场， 有许多堆状物料如煤堆、矿堆、沙堆、石堆、木材、防汛物质等在盘点时需要进行有效计量，以确定 耗用物料的刚量(重量或体积)，科学合理地控制并有效地降低成本。由“r物料(煤堆)露天堆放的无 规则性、目标特性的多样性和复杂性，堆料场地庞大等因素，使用常规方法无法对堆场进行有效的精 确的测量。因此，对散装堆料的有效测量，成为大型企业物流信息化管理过群中唯一没有很好解决的 技术难题。 利刚激光投影轮廓线与CCD相结合的激光光刀法¨饿激光摄像法[21是一种可行的方法。它通过 CCD获取激光投影轮廓线的图像，利用CCD与激光器之间的固定关系，求解投影轮廓线上被测物点 的空间坐标，通过扫描即可获得被测堆场的三维信息。我们提出的以遥控匕艇为载体，利用激光光刀 法原理进行散装固体料露天堆场三维测量的系统方案。 系统主要由：激光投线仪、CCD成像系统、飞行控制器、 GPS导航定位系统、三维姿态传感器、笔记本计算机及 电源等组成。图1所示为该测量系统组成示意图。整个 测量系统吊装在遥控飞艇下部的吊舱内。 目前，我们已经完成了该测量方案的室内实验系统 研究，获得了满意的测量结果。但在室外试验时，由于 太阳光强烈的辐射形成的背景噪声，使得激光光刀投影 轮廓图像信噪比大大下降，图像提取困难。甚至被完全 湮没掉，图像根本没法处理。如何降低太阳辐射所形成 的背景噪声，提高图像信噪比，从而有效提取激光光刀 投影轮廓线的图像成为该测量系统实现的关键。本文从 太阳光谱分布、大气吸收谱分布、光学系统的透过率特 性及CCD光谱响应特性等几个方面的光谱匹配问题迸 行了分析，根据光谱匹配原则，给出了系统设计时激光 中心波长的选择原则、窄带于涉滤光片的设计要求、选 择CCD时要考虑的因素。最后给出了室外试验结果。 2．光谱匹配原则 2．1激光波长的选择 地球人气对光有吸收、散射、折射等物理过程，对光的强度会有衰减作用，我们称之为消光。大 342 2003年卜一省(市)光学学术会汉论文集 气的消光作用与波长相关，有明显的选择性。图2是太刚辐照度的光谱分布13】’由图可见，太阳辐照 度的光谱可以崩一个色温为5762K的