激光技术论文范文

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2测量方法的选择

船板的形状尺寸测量是一个典型的外表面三维曲面测量。由于船板是一个连续而光滑的曲面，因此，可以将整个曲面离散成m×n个点，通过测量得到这些点的坐标值后，即可通过软件拟合出整个曲面。由于传统的接触式测量，存在探头易磨损，需要人工干预，价格昂贵，对使用环境有一定要求，测量速度慢，效率低等问题，因此，虽然其有较高的测量精度，但确并不适合应用在船板多点成形在线测量中。对比三种常用的激光测量方法，测量精度均能满足船板的测量要求。本着实用而不浪费的原则，由于干涉法测量所需的测量设备成本较另外两种方法高出很多，并且使用时需反射镜，现场在线使用不方便，速度慢效率低，因此，采用飞行时间法或三角法的激光测量传感器比较适合船板三维测量，其设备价格较低，对测量表面的要求不高，并且可直接测量，使用灵活方便。

3扫描装置

扫描装置是激光测量头的安装平台，其作用是带动激光测量头沿X轴和Y轴运动，完成对整个测量表面的扫描，并在测量的同时给出测量点的X方向和Y方向的坐标值。为了提高测量效率，最终确定扫描装置采用多点方式，这样可以大大提高船板多点成形的生产效率。由于多点测量方式使用的激光测量头数量较多，因此，在满足测量精度要求的前提下，选择了价格相对较低的飞行时间法激光测量头。扫描系统由电动滑台、联轴器、接轴、减速机、伺服电机、测量架、测头等部分组成(见图1)。电动滑台和减速机通过架子固定在上模座上，伺服电机与减速机相连，并通过接轴与电动滑台连接，测量架固定在电动滑台上。测量时，在伺服电机驱动下，电动滑台带动测量架沿X方向移动，每走一个步长测头测量当前X坐标下各点的Z坐标值，直到测量完整个板材表面点阵(见图2)。

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1．1了解新型传感器原理

首先，以学生熟悉的全站仪为对照，让学生了解激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，具有非接触式、精度高(毫米级/亚毫米级)、速度快(可达120万点/秒)、密度大(点间距可达毫米级)的优势，且数据采集方式灵活，对环境光线、温度都要求较低。其次，让学生理解LiDAR的测量原理主要分极坐标法和三角测量法两种。其中，对于极坐标法测量，使学生了解测距的关键在于时间差的测定，引出两种常用的测时方法:脉冲法和相位法;让学生理解直接测时和间接测时的区别以及各自的优缺点，从而进一步了解脉冲式和相位式激光扫描设备的优势、局限性以及应用领域。最后，通过介绍激光雷达采集数据的扫描方式，让学生了解不同平台上的激光雷达传感器的工作特点，如固定式激光扫描仪适合窗口式和全景式扫描，车载、机载以及星载平台适合移动式扫描等。

1．2熟悉激光扫描仪操作

考虑到各类平台激光雷达的作业特点以及现有设备的情况，《激光雷达技术原理》课程以地基三维激光扫描仪为重点，让学生熟悉仪器的外业操作。尽管激光扫描仪数据采集的自动化程度较高，外业采集仍然需要解决扫描设站方案设计和不同扫描站间连接点选择等问题，要求学生在熟悉激光扫描仪软硬件操作的同时，还要掌握激光扫描仪外业采集方案的设计:踏勘工作区，分析研究最优化的扫描设站方案和坐标转换控制点选择，画出相关的设计草图，并设置主要扫描设站的标志。要求设站位置既要保证与相邻站的重叠，又要覆盖尽量大范围的被扫描对象，以减少设站数，从而提高外业数据采集效率。

1．3掌握激光点云数据后处理方法

利用点云数据可视化与点云原始存储格式之间的明显反差，让学生了解激光点云数据后处理的重要性和难点，及其已成为制约激光雷达技术应用瓶颈的现状。根据学生的理解程度，选取了点云的拼接/配准、点云的滤波和分类、点云的分割和拟合等后处理方法，要求学生掌握相关的算法并编程实现。

1．3．1点云的拼接/配准点云拼接是将2个或2个以上坐标系中的大容量三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。要求学生掌握如何解决点云拼接的两个关键问题:同名特征的配准以及旋转矩阵的构造。对于同名特征的配准，使学生了解常用配准方法的特点和适用范围，如ICP方法适合用于精拼接，而基于特征面的方法对场景特征分布要求较高等。着重让学生掌握最常用的人工标靶识别，以及特征面匹配，后者有别于学生所熟知的点特征匹配;对于旋转矩阵的构造，拓展学生在《摄影测量学》［6］中学习的基于欧拉角的旋转矩阵构造，掌握角－轴转角系和单位四元数方法。

1．3．2点云的滤波和分类要求学生了解滤波和分类的目的是解决激光脚点在三维空间的分布形态呈现随机离散的问题。掌握基于高程突变和空间形态学的点云滤波和分类方法。让学生理解单一的信息量会导致算法不稳健，从而引出多源数据融合的思路。目前，已经有很多激光扫描仪生产厂商推出的新产品中实现了多传感器平台的集成，如激光扫描仪会搭载小像幅的数码相机，甚至有些系统还提供由集成传感器生成的红外影像。每种数据源都有其自身的优点和局限性，将多源数据融合能够弥补各个单数据源的局限性，增大信息量，从而提高滤波和分类方法的稳健性。

1．3．3点云的分割和拟合要求学生掌握实现点云分割的相似性原则:平面性、曲面平滑度和邻域法向，以及常用的点云分割方法表面生长法。考虑到点云拟合是由离散激光点坐标计算特征模型参数的过程，要求学生掌握点云拟合中两个主要问题的解决方法:粗差剔除及最优解获取。

2实践教学法

实践教学是卓越工程师培养体系中一个重要的组成部分。作为技术性的测绘工程学科，除应用测量仪器采集数据、应用计算机处理数据的基本能力外，还需要构建实践教学体系以培养学生在实践中选用适当的理论、技术、仪器设备和作业方法解决测绘工程与地理空间信息产品生产实际问题的能力，从而使学生接受测绘工程与地理空间信息产品生产方案设计、实施以及实际应用中测绘工程解决方案确定等系统化训练。《激光雷达技术原理》课程实习要求学生全面应用所学知识，利用实习场地，依据实习目的和要求在老师的指导下分组独立完成全部实习内容。实习仪器为中国地质大学(北京)遥感地理信息工程教研室使用教育部采购专项购买的RIEGLLMSZ620三维激光扫描仪。《激光雷达技术原理》课程实习的目的主要是使学生通过三维激光扫描仪的使用，进一步巩固和加深理解相关理论知识和技术方法。要求熟悉三维激光扫描仪数据采集与处理(包括DEM、等高线和剖面图生成以及三维建模等)的全过程。通过实践性教学，不仅能够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和LiDAR测量项目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理解。培养学生的应用能力、创新能力以及严肃认真、实事求是、吃苦耐劳、团结协作的精神。要求学生必须参加每一个实习环节，协作完成实习任务，独立完成实习报告。实习内容主要包括以下部分。

2．1三维激光扫描

数据的外业采集要求学生分组完成测区划分和踏勘，确定测站位置，根据测区地形，设计外业数据采集方案，完成外业设站、反射标靶布设和数据采集工作。学生需要完成校园内建筑物点云数据和奥林匹克森林公园地形点云数据的采集。

2．2点云数据预处理

要求学生分别利用随机软件RiSCANPRO和上机C语言编程对外业采集的三维点云数据进行预处理，包括点云数据的滤波和拼接。

2．2．1点云滤波1)手动滤波要求学生利用RiSCANPRO对点云数据进行滤波。RiSCANPROv1．7．0有两种模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者针对一般数据，后者对于提取地形的数据有明显效果。2)自动滤波要求学生上机应用C语言编程实现数学形态学方法、移动窗口滤波法、迭代线性最小二乘内插法、基于可靠最小值的滤波方法等常用的地形滤波算法，对外业采集的数据进行滤波，并对各算法的结果进行比较和分析。图1为学生基于虹湾地区嫦娥一号激光测高数据，利用五种滤波方法滤波后的数据点残差值分布图［7］。

2．2．2点云拼接1)基于反射标靶的点云拼接要求学生利用RiSCANPRO软件，结合外业数据采集时布设的标靶连接点，对地形和建筑物点云数据进行拼接。激光点云数据的拼接有两种方式:公共反射体的方式和采用使所有的反射体处于同一坐标系统的方式。在实际操作过程中，要求学生对两者结合使用，以期达到更好的拼接效果。2)基于特征面的点云拼接要求学生在对点云进行拟合的基础上，选取至少三对相互正交的特征面，利用C语言上机编程，实现基于特征面的点云拼接，并与单纯基于点的拼接结果进行对比，分析不同方法的优缺点。

2．2．3地形数据处理对地形数据的处理主要包括三角化、平滑、生成等高线和剖面。三角化参数的设置可参考量测工具量测出的点云中两点之间的距离初步设定，这个值可适当调整，目的在于使图中的点云数据彼此之间能尽量大面积地构成三角网;要求学生对已经完成三角化的数据进行平滑处理;针对已经完成平滑的数据，利用RiSCANPRO软件生成等高线。剖面图的显示既可以针对三角化之前的数据，也可以针对三角化之后(包括完成平滑的数据)来操作。

2．2．4建筑物几何模型重建针对《激光雷达技术原理》数据处理方法的教学内容，指导教师结合自身的研究成果组织研究生开发了点云分割和拟合以及三维建模等软件模块，考虑到学生的掌握程度和实用性，要求学生在利用软件模块实现点云数据分割和拟合的基础上，利用AutoCAD软件手工建立建筑物的几何三维模型，基于3DSMAX软件建立建筑物纹理模型。图2为暑期教学实习中指导学生利用商业软件和自主开发的软件模块重建的地大校园主要建筑物的三维模型。

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2农机技术推广的创新途径

2.1加大宣传力度

当今宣传成了让大家了解一种东西的最好方法，为了让广大农民重视农机技术推广的创新，我们就要大力宣传农机技术推广创新的重要性以及会给农民带来的广大利益。我们要真确制定宣传的内容，宣传国家的政策方针以及惠民政策，让广大农民真正意识到农机技术推广的创新给他们带来的好处；同时我们要正确利用媒介技术的宣传，比如电视网络等的宣传，也可以组织宣传人员下到农村中亲自宣传，切实增强宣传工作的高效性。

2.2建立新的体系制度

在新的社会形势下，要想推广农机技术就要建立新的体系制度，切实保障农民的利益。比如:国家可以建立相应的法律法规，从广大农民的根本利益出发，给予相应的政策辅助和资金保障，并且落实到个人身上。同时，建立以农机化技术为主体，各种农民专业合作共同发展，农机科研、生产和培训广泛参与的农业体系，农机化各部门要切实履行上级的指导，为农机技术推广的创新建立法律保障，提高可行性。

2.3增强推广队伍的素质

推广人员是农民与国家的沟通桥梁，推广人员应该把上级传达的任务指标切实传达给农民，不偷工减料，不从中谋取利益；同时也要真正了解农民的真正需求，然后切实把信息反馈给上级。然而要真正提高推广人员的素质，就要加强对他们的专业培训，比如：不断教育推广新技术的知识给推广人员，可以让他们在专门的机构学习培训，也可以让一些重要组织者外出专门学习新的技术经验。这样，就可以把他们学的新的技术经验切实传达给其他成员，这样才可以全面促进人员素质的提高。

2.4加大典型事例的宣传力度

推广人员在推广农机技术时，不能光靠组织者的语言宣传，要结合典型的事例，让农民真正懂得新技术的操作方法和效益所在。比如：建立健全的信息网络结构，将典型成功的农技推广事例给农民展现出来，让他们真正感受到技术的伟大性。也可以邀请一些专家人员来给农民亲自讲授，将农机化技术将给农民，做给农民，教会农民，让他们真正体会到国家的惠民政策，鼓励他们主动积极地参与到农机技术推广的创新工作中来。

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一、光纤技术发展的特点

1.网络的发展对光纤提出新的要求

(1)扩大单一波长的传输容量。目前，单一波长的传输容量已达到40Gbit/s，并进行160Gbit/s的研究。40Gbit/s以上传输对光纤的PMD提出一定要求。(2)实现超长距离传输。论文百事通无中继传输是骨干传输网的理想，目前一些公司已采用色散齐理技术，实现2000-5000km的无电中继传输；有的采用拉曼光放大技术，更大地延长光传输距离。(3)适应DWDM技术的运用。目前运用32×2.5Gbit/sDWDM系统，该系统对光纤的非线性指标提出了更高要求；ITU-T对光纤的非线性属性及测试方法的标准(G.650.2)已完成，对光纤的有效面积提出相应指标，对G.655光纤的非线性特性会有改善。

2.新型光纤产品的不断出现

(1)用于长途通信的新型大容量长距离光纤。康宁公司推出的PureModePM系列新型光纤，利用了偏振传输和复合包层，用于10Gbit/s以上的DWDM系统中，很适合于拉曼放大器的开发与应用。Alcatelcable推出的TeralightUltra光纤，已有传输100km长度以上单信道40Gbit/s、总容量10.2Tbit/s的记录。一些公司开发负色散大有效面积的光纤，提高了非线性指标的要求，简化了色散补偿方案，在长距离无再生传输和海底光缆长距离通信中效果很好。

(2)用于城域网通信的新型低水峰光纤。在城域网设计中，要考虑简化设备、降低成本和非波分复用技术应用的可能性。低水峰光纤在1360-1460nm的延伸波段使带宽被大大扩展，使CWDM系统被优化，增大了传输信道、增长了传输距离。一些城域网设计，要求光纤的水峰低和具有负色散值，可抵消光源光器件的正色散，可组合运用这种负色散光纤与G.652光纤或G.655标准光纤，利用它来做色散补偿，避免色散补偿设计，节约成本。

(3)用于局域网的新型多模光纤。随着局域网、用户住地网的高速发展，大量综合布线系统采用多模光纤代替数字电缆，多模光纤市场份额逐渐加大。选用多模光纤，是因为局域网传输距离较短，虽然多模光纤比单模光纤价格贵50%-100%，但它所配套的光器件可选用发光二极管，价格比激光管便宜，且多模光纤有较大的芯径与数值孔径，易连接与耦合，相应的连接器、耦合器等元器件价格也低。ITU-T至今未接受62.5/125μm型多模光纤标准，因局域网发展的需要，它仍然得到了广泛使用。而ITU-T推荐的G.651光纤，即50/125μm的标准型多模光纤，其芯径较小、耦合与连接困难一些。针对此问题，有的公司进行了改进，研制出新型的5O/125μm光纤渐变型(G1)光纤，区别于传统的50/125μm光纤纤芯的梯度折射率分布，将带宽的正态分布进行了调整，以配合850nm和1300nm两个窗口的运用。

3.光缆技术发展的特点

(1)光缆结构使用网络环境有明确的光纤类型选择，如干线网光纤、城域网光纤等，这决定了大范围内光缆光纤传输特性的要求，具体运用的条件，还有可依据的细分的标准及指标。(2)光缆结构除考虑光缆使用环境条件外，与其施工和维护方法有关，必须统一考虑，配套设计。(3)光缆新材料的出现，促进了光缆结构改进，如干式阻水料、纳米材料、“干缆芯”式、生态光缆、海底和浅水光缆、微型光缆、全介质自承式光缆、架空地线光缆等的采用，使光缆性能有明显改进。

二、光纤光缆技术发展值得思考的问题

1.积极创新开发具有自主知识产权的新技术。1997年以来，国内光通信核心技术专利是90件，自主申请的有9件。作为世界第二光缆大国，应该把开发具有自主知识产权的技术，作为工作的重中之重，争取创造更多的光纤光缆专利。

2.开发具有先进技术水平、与使用环境、施工技术相配套的新产品。光缆的结构依赖于使用的环境条件和施工的具体要求，今后，光缆建设的重点将会随着接入网、用户住地网的建设不断展开，新一代的光缆结构和施工技术会基于，如微型光缆、吹入或漂浮安装，及迷你型微管或小管系统的全套技术，有一系列新的变化，充分利用有限的敷设空间。目前我国创新的成份太少，在接入网、用户住地网中，多采用一些国产的光电缆产品。