激光三角测量中的多峰检测：捕捉多重反射峰以提高精度

激光二极管向测量对象发射一束聚焦光线。该对象将激光散射并反射回传感器接收光学系统，该系统将反射光线投射到二维图像传感器上——通常是CCD或CMOS阵列。 对于该阵列的每一列像素，传感器会计算沿列轴的强度分布，并确定强度最大值的位置。该位置对应于该x位置处表面的z距离值。算法通过高斯曲线拟合强度分布曲线，并提取亚像素质心作为距离测量值，从而为每一列像素生成一个z值。

质心位置 z^z^ 通过加权亚像素拟合强度值 $I(p)$ 跨像素 $p$ 在半宽的拟合窗口内 $w$ 围绕像素 p0p0​：

z^=∑p=p0−wp0+wp⋅I(p)∑p=p0−wp0+wI(p)z^=∑p=p0​−wp0​+w​我(p)∑p=p0​−wp0​+w​p⋅I(p)​

这是标准的单峰评估：每个像素列进行一次拟合，输出一个z值。

在工业激光三角测量中，有四种物理上截然不同的情况会导致出现多个峰值。首先，透明或半透明层（例如玻璃板、聚合物薄膜或保护涂层）在其两个界面处会部分透射、部分反射入射激光束：前表面产生一个反射峰，后表面产生第二个反射峰，这两个峰值落在同一像素列内的不同行位置上。 其次，镜面或高反射表面（如抛光金属或烤漆部件）会在正确的 z 位置产生一个直接反射峰，同时在错误的 z 位置产生一个或多个内反射峰，这些内反射峰是由激光光在到达图像传感器之前在相邻几何特征之间反射所引起的。 第三，多层复合材料——包括粘合接头、层压堆叠和涂层基板——会在激光穿透深度内的每个材料界面处产生一个部分反射峰。第四，尖锐的几何过渡——例如边缘、凹槽或台阶高度——会在过渡区域内将两个表面层同时置于单个像素列的投影锥内，从而在上、下表面层的z位置处产生两个明显的峰值。

每个检测到的峰值由3个可测量属性来描述。峰值中心位置以像素为单位测量，并通过传感器校准转换为微米或毫米，从而定义了该峰值所代表的z轴距离值——这是主要的测量输出。峰值幅度定义了中心点的最大强度值，对于8位传感器，其以0–255的数字灰度级为单位；对于12位传感器，则以0–4095为单位；幅度反映了产生该峰值的表面或层界面反射率。峰值宽度定义为半高全宽（FWHM），单位为像素，其大小取决于表面纹理、激光聚焦质量以及在反射界面处的入射角。这三个属性——质心、幅度和FWHM——构成了所有后续峰值选择和有效性评估决策的基础。

高斯拟合峰的半高宽（FWHM）及其标准差 $\sigma$ 为：

FWHM=22ln(2σ)≈2.355σ全宽半高=22ln2​σ≈2.355σ

若测得的半高宽（FWHM）低于最小阈值，则表明存在像素缺陷或单像素尖峰；若半高宽高于最大阈值，则表明存在失焦体积散射——这两种情况均会被视为无效峰值而被剔除。

透明和半透明材料——例如浮法玻璃、硼硅酸盐玻璃、聚碳酸酯薄膜、PMMA板、PET包装箔以及光学粘合剂涂层——会在每个像素列中产生两个反射峰：一个来自前表面，另一个来自后表面。 当表面带有抗反射涂层时，前表面峰的振幅较高；而在未涂层玻璃上，由于浅入射角下的全内反射效应，后表面峰的振幅较高。这两个峰都承载着与几何相关的信息：第一个峰的质心定义了前表面的 z 位置，而第二个峰的质心定义了后表面的 z 位置。

峰间距$\Delta z$ 在传感器坐标系中的峰值间距与物理层的厚度 $d$以及材料的折射率 $n$ 通过光程长度：

Δz=2·cosθΔz=cosθ2​

其中 $\theta$ 是激光束在层表面上的入射角。该关系已在专门的层厚测量文章中进行过论述。单峰评估会忽略第二个峰值，并报告一个错误的平均z值，该值与两个表面均不对应。

镜面表面——包括抛光钢、镜面铝、镀铬部件以及高光漆面汽车车身面板——会在正确的 z 位置产生一个直接反射峰，并在错误的 z 位置产生一个或多个内反射峰，这些内反射峰是由激光光线在到达图像传感器之前在相邻几何特征之间反射所引起的。这些内反射峰被称为鬼峰。 当鬼峰超过最小振幅阈值并占据有效的像素列位置时，单峰评估会报告该鬼峰的z位置，而非真实的表面z位置。多峰检测通过使所有峰值可见，并应用峰值排序规则（通常为最大振幅选择）来识别直接反射峰作为主要输出，从而解决了这一故障模式。

多层复合结构——包括玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、粘接式金属-聚合物夹层结构、金属基底上的热喷涂涂层以及印刷电路板（PCB）的阻焊层——在激光束穿透的每个内部界面处都会产生一个部分反射峰。 可检测峰值的数量取决于各层在激光波长下的光学透射率（工业轮廓传感器通常为405 nm、520 nm或660 nm），以及层厚与传感器深度分辨率的比值。对于由光学性质迥异的材料组成的双层粘合系统，传感器可检测到3个峰值：一个位于顶表面，一个位于粘合界面，另一个位于底表面。 多峰检测能够实现对单峰评估无法察觉的单个层界面的轮廓分析。

具有结构和台阶的表面——包括机加工台阶特征、冲压金属型材、注塑塑料零件中的凹槽以及PCB上的焊点——会在每个几何不连续处形成一个过渡区，在此处，两个表面平面会在单个像素列的投影锥内同时被照亮。在该过渡区，图像传感器会在上下两个表面平面的z位置分别记录两个独立的强度峰值。 单峰值评估会对这两个峰值进行平均或插值，从而产生一个既不对应上表面也不对应下表面的z值，导致测得的台阶高度不准确。多峰值检测则能独立解析这两个峰值，从而实现精确的台阶高度测量，精度可达传感器z轴分辨率的极限。

场景概述

峰值检测通过一个三步流程，在每个像素列的强度分布中识别候选峰值。在第一步中，对列强度向量应用全局或自适应强度阈值，仅保留超过阈值的像素；此步骤可消除背景噪声和传感器暗电流。 在步骤2中，对阈值处理后的强度向量进行局部极值识别：若某像素的强度值同时超过其左右两侧各2个相邻像素的强度，则该像素被视为局部极值候选点。在步骤3中，对每个局部极值候选点周围±3至±5像素范围内的强度值拟合高斯曲线；高斯拟合曲线的亚像素质心即定义了候选峰值的z轴位置，精度达到亚像素级别。

质心分辨率 $\delta z$ 通过高斯拟合可达到的中心点分辨率与峰值振幅成正比 $A$以及噪声底限 σnσn​ 根据：

δz≈σfitA/σnδz≈A/σn​​σ拟合​​

其中 σfitσ拟合​ 是拟合高斯分布的标准差，单位为像素。实际应用中，根据传感器配置和地表反射率的不同，可实现1/10至1/100像素的质心分辨率。最小峰间距阈值——即两个候选质心之间最小像素距离的定义——可防止相邻的噪声波动被计为两个独立的峰值。

支持多峰检测的传感器会应用以下4 条峰值排序规则中的一条，以确定将哪个检测到的峰值作为主要谱图输出，或者将所有检测到的峰值作为独立的 z 值进行报告。这 4 条规则是：

一个有效的峰值必须同时满足以下3项有效性标准，才能被纳入轮廓输出。首先，峰值幅度必须超过用户可配置的最小幅度阈值（以灰度级为单位），从而排除由激光散斑噪声、环境光或传感器读出噪声引起的峰值。 其次，峰值宽度（FWHM，以像素为单位）必须落在用户可配置的最小和最大宽度值定义的范围内，从而排除由灰尘或像素缺陷引起的单像素尖峰（过窄）以及来自亚表面体积散射的宽而失焦的散射贡献（过宽）。 第三，每个峰值的信噪比（SNR）——计算为峰值振幅与周围像素区域局部噪声底限之比：

信噪比=A峰值/σ噪声信噪比=σ噪声​A峰值​​

— 必须超过最低信噪比（SNR）值。不符合这三项标准中任何一项的峰值将被标记为无效，并从谱图输出中排除；传感器将在相应的 x 位置报告一个空值或有效性标志。

支持多峰值的传感器提供3 种可配置的输出模式。在“仅主峰”模式下，传感器为每个像素列输出一个 z 值——即满足当前峰值排序规则的峰值的 z 值——且输出数据格式与标准单峰传感器完全一致，从而可与现有的剖面处理软件实现即插即用兼容。 在全峰模式下，传感器每像素列最多输出 N 个 z 值，其中 N 为每列配置的最大峰数（通常为 2、3 或 4）； 每个峰值均报告其质心 Z 值、振幅和有效性标志，从而使轮廓数据量增加 N 倍。在峰值索引模式下，传感器输出指定排名索引（第 1、2 或 3 位）处峰值的 Z 值和振幅，从而能够从已知的多层系统中系统地提取特定层边界，而无需传输完整的多峰值数据集。

支持多峰检测的激光轮廓扫描仪允许配置每个像素列的最大峰值数量，通常可选1（标准单峰模式）、2、3或4个峰值。增加最大峰值数量会延长每条轮廓线的信号处理时间，从而降低最大测量速率：

多峰值评估可通过两种方式实现：一种是在传感器上进行处理——即在数据传输前于传感器的FPGA或DSP上运行，从而降低接口带宽要求；另一种是在原始图像传输后在主机端进行后处理；传感器端的多峰值处理仅传输提取出的峰值数据，而非完整的原始图像。

多峰检测是同一激光三角测量节点内运行的 3 项高级信号评估功能之一。HDR（高动态范围）通过结合多张曝光图像，同时评估非常暗和非常亮的表面区域，从而扩展了可测量的反射率范围——这一功能在混合反射率表面上与多峰检测相辅相成。多斜率功能可在陡峭的表面角度和强烈的强度梯度下调整传感器的曝光行为，从而改善几何边缘处的信号质量，这些区域常会出现互反射鬼峰。 Multipart 评估功能使传感器能够在单次扫描过程中，将像素列分配给多个独立的测量区域。这 3 项功能在 Lasertriangulation 节点中均设有各自的专属文章。

多峰值输出会根据配置的峰值数量成比例地增加轮廓数据量。 在单峰模式下，一个以每秒 4,000 个轮廓、1,280 像素列运行的传感器，每秒传输 512 万个 Z 值。在双峰模式下，同一传感器每秒传输 1,024 万个 Z 值；在四峰模式下，则每秒传输 2,048 万个 Z 值。 激光轮廓传感器所采用的工业接口标准——包括GigE Vision（带宽：最高 125 MB/s）、Camera Link Full（带宽：最高 680 MB/s）和CoaXPress（带宽：每通道最高 12.5 GB/s）——决定了多峰模式下增加的数据量能否在所需的测量速率下得到维持。 在将多峰模式部署到生产检测系统之前，必须配置下游处理硬件和软件，以处理扩展的数据结构，包括每个峰值的振幅和有效性字段。

以下主题与多峰检测密切相关，并在单独的专题文章中进行了阐述。《激光三角测量》主文章介绍了几何测量原理、舍恩普卢格条件以及校准方法——本文不再赘述这些基础内容。《HDR》介绍了用于同时测量高对比度表面区域的动态范围扩展技术。《多斜面》介绍了在陡峭表面角度下多曝光信号的适应处理。 Multipart涵盖了单次轮廓扫描内的多区域评估。CCD/CMOS传感器组件文章介绍了图像传感器的架构、像素结构及读出电路。“反射/吸收”测量原理文章涵盖了表面反射与吸收的光学物理原理。关于透明材料上双峰测量中通过峰值中心距推导层厚的内容，详见专门的层厚测量计量学文章。激光安全分类及激光等级标识不属于本文讨论范围。