用于对准太赫兹传感器系统的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于将太赫兹辐射束与表面对准以测量表面上的多个油漆层的厚度的系统和方法。

背景技术：

本节中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。

车辆的外部一般包括多个油漆层和/或其它涂层，诸如电涂层、底漆、底涂层和透明涂层。每个层具有最小成膜，最小成膜被设计成抑制因例如uv和可见光而造成的外部的劣化和潜在分层，并且为车辆提供了防腐保护，而且增强车辆的外观。

虽然各种油漆厚度测量技术可用于测量单个油漆层，但是存在用于测量多个层的有限数量的非破坏性测量技术。一种这样的测量技术利用超声技术，其中超声换能器(ultrasonictransducer)放置在外表面上，并且发送超声信号通过外表面。液体耦合剂(通常是水)用于将信号传输到涂层材料中。超声信号在层界面处产生回波，并且基于连续回波之间的时间差而确定厚度。声速值在不同涂层间有所不同，因此除了各种底涂层颜色之外，还对所有层执行校准。

虽然超声技术是有效的，但是这种技术存在一些问题。例如，换能器大小和与换能器一起使用的工具可能不允许测量某些车辆表面，诸如挡风玻璃凸缘，并且因此，通常采用单独过程来获得那些区域的数据。另一个问题是换能器需要大的(例如，10mm直径)平坦区域，以便产生足够波形。这需要基于车辆上的点的平坦度而对这些点进行选择，而不是能够选择车辆上的感兴趣但可能不平坦的位置。此外，换能器与车辆物理地接触。虽然换能器可能不会发生损坏，但是留在车辆的车身上的水影响其它质量控制过程，诸如污垢检测质量检查。

用于测量多层表面的另一种技术包括使用具有太赫兹(thz)的辐射束。在使用thz光源产生thz辐射束的情况下，thz辐射头定位在指定的偏移处并且在执行测量之前垂直于车辆的目标表面。例如，辐射头可以附接到机器人或一些其它自动化件，以允许其勾画表面轮廓和复杂的几何形状。thz辐射束从thz辐射头发射并且因折射率的变化而从车辆反射。发射与反射之间的时间差用于计算厚度。

由于thz头相当地紧凑并且不接触车辆表面，因此它可以用于测量不能被超声换能器测量的位置，诸如挡风玻璃凸缘。thz辐射束的直径典型地是1mm，这使得能够测量具有该大小的平坦截面的多个区。

然而，为了进行最佳测量，thz辐射头应垂直于车辆的目标表面对准，使得辐射头的发射器与辐射头的检测器对准。当发射器和检测器对准时，来自检测器的被反射的辐射信号的振幅通常处于最大值。如果辐射头不垂直于表面，那么被反射的辐射信号可能不与检测器对准，这造成较低的峰值振幅。信号的这种损失可能影响厚度测量的结果。在校准期间的未对准也会产生不正确的校准文件和不良数据。通过本公开的教导解决了这些和其它问题。

技术实现要素：

本节提供本公开的一般概述，并且不是本公开的全部范围或其所有特征的全面公开。

在一种形式中，本公开涉及一种用于将太赫兹传感器系统的辐射头与目标表面对准的方法。所述方法包括：用由所述辐射头发射的太赫兹辐射束扫描所述目标表面的选定区域；感测来自由所述辐射头在对所述选定区域的所述扫描期间接收的多个被反射的辐射信号的每个被反射的辐射信号的峰值振幅；以及基于来自所述被反射的辐射信号的所述峰值振幅中的最大峰值振幅而识别所述辐射头相对于所述目标表面的垂直位置。

在另一种形式中，所述方法还包括确定所述辐射头相对于所述目标表面的估计法线，其中所述选定区域围绕所述估计法线。

在另一种形式中，对所述选定区域的所述扫描还包括扫描所述选定区域中的多个点，其中所述估计法线是所述多个点中的一个点。

在一种形式中，所述多个点以选定步长分布在所述选定区域中，从而形成围绕所述估计法线的二维区。

在另一种形式中，所述确定所述估计法线还包括：通过光源朝向所述目标表面发射可见光束以在所述目标表面上产生一个或多个照射点；以及当一个照射点在所述目标表面上可见时，将所述辐射头相对于所述目标表面的位置识别为所述估计法线。

在又一种形式中，所述方法还包括生成所述选定区域的位移控制图。所述位移控制图将所述被反射的辐射信号的所述峰值振幅与所述选定区域的所述被反射的辐射信号所源自的区相关联。

在一种形式中，与来自所述峰值振幅中的所述最大峰值振幅相关联的所述区指示所述辐射头相对于所述选定区域的所述垂直位置。

在另一种形式中，对所述选定区域的所述扫描还包括：通过可移动构件调整所述辐射头相对于所述目标表面的角位置以扫描分布在所述选定区域中的多个点；以及在所述多个点中的每个点处，发射所述太赫兹辐射束并接收来自所述多个被反射的辐射信号的所述被反射的辐射信号中的至少一个。

在一种形式中，所述方法还包括生成位移控制图，所述位移控制图将所述多个点与相应的峰值振幅相关联。

在一种形式中，本公开涉及一种太赫兹传感器系统，所述太赫兹传感器系统包括：可移动构件；以及太赫兹传感器。所述太赫兹传感器包括辐射头，所述辐射头附接到所述可移动构件。所述辐射头可操作以发射辐射束并接收从目标表面反射的一个或多个被反射的辐射束。所述太赫兹传感器包括控制器，所述控制器被配置为分析指示所述被反射的辐射束的被反射的辐射信号的峰值振幅。所述控制器被配置为操作所述可移动构件以用所述辐射束扫描所述目标表面的选定区域，并且基于来自在所述扫描期间获得的多个被反射的辐射信号的多个峰值振幅中的最大峰值振幅而识别所述辐射头相对于所述目标表面的法线。

在另一种形式中，所述控制器被配置为识别所述辐射头相对于所述目标表面的估计法线，并且限定所述选定区域，使得所述估计法线在所述选定区域内。

在又一种形式中，所述控制器被配置为扫描所述选定区域中的多个点，其中所述估计法线是所述多个点中的一个点。

在一种形式中，所述系统还包括可见对准工具，所述可见对准工具包括与所述辐射头一起布置的光源。所述控制器被配置为操作所述光源以朝向所述目标表面发射可见光，并且当所述可见对准工具沿着所述目标表面产生一个可见点时，识别所述辐射头相对于所述目标表面的估计法线。

在另一种形式中，所述控制器被配置为通过所述可移动构件调整所述辐射头相对于所述目标表面的角位置，以扫描分布在所述选定区域中的多个点，并且在所述多个点中的每个点处，所述控制器操作所述辐射头以发射所述太赫兹辐射束并接收所述被反射的辐射束。

在另一种形式中，在所述辐射头与所述目标表面垂直地定位的情况下，所述控制器被配置为操作所述辐射头以发射所述辐射束并基于所述被反射的辐射束而确定所述目标表面上的一个或多个涂层的厚度。

在一种形式中，所述可移动构件是用于调整所述辐射头的位置的机械臂。

在一种形式中，本公开涉及一种用于对准太赫兹辐射头的方法。所述方法包括：经由所述辐射头用太赫兹辐射束扫描目标表面的选定区域；感测在对所述选定区域的所述扫描期间的多个被反射的辐射信号的每个被反射的辐射信号的峰值振幅；以及基于来自所述峰值振幅中的最大峰值振幅而识别所述辐射头相对于所述目标表面的法线。

在另一种形式中，对所述选定区域的所述扫描还包括：通过可移动构件调整所述辐射头的角位置以扫描分布在所述选定区域中的多个点；以及在所述多个点中的每个点处，发射所述辐射束并检测来自所述多个被反射的辐射信号的所述被反射的辐射信号中的至少一个。

另外的应用领域将从本文提供的描述中显而易见。应理解，描述和特定示例旨在仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本公开，现在将通过示例的方式参考附图描述其各种形式，其中：

图1a和图1b示出了视觉对准工具，其包括用于对准太赫兹传感系统的辐射头的激光装置；

图2是根据本公开的教导的太赫兹传感系统的示意图；

图3是根据本公开的教导的太赫兹传感系统的辐射头的示意图；

图4是根据本公开的教导的示出被反射的辐射信号的波形的图；

图5示出了根据本公开的教导的具有多个扫描点的选定区域；

图6示出了根据本公开的教导的位移控制图；

图7是根据本公开的教导的辐射头对准例程的流程图；以及

图8是图7的辐射头对准例程的扫描例程的流程图。

本文所述的附图仅用于说明的目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制本公开、其应用或用途。应理解，贯穿附图，对应的附图标号指示相似或对应的部分和特征。

太赫兹辐射束对于人眼是不可见的，并且因此可能难以对准辐射头，使得其垂直于目标表面。一些太赫兹传感系统可以包括视觉对准工具，视觉对准工具包括与辐射头对准的单个可见激光束以用于对准辐射头。例如，参考图1a和图1b，发射视觉激光束101的激光装置100定位在具有发射器104和检测器106的辐射头102内。镜108与激光装置100一起定位，使得视觉激光束101穿过镜108中的孔110并到达目标表面112上。如果辐射头102垂直于目标表面112，那么视觉激光束101在一个反射点处从目标表面112反射，并且被反射的激光束将返回向上行进以穿过镜108的孔110。如果辐射头102不垂直于目标表面112，那么被反射的激光束不会穿过孔110而替代地撞击镜108以在目标表面112(图1b)上产生可见的第二反射点。虽然激光束技术提供用于对准辐射头的视觉工具，但是该技术可能因例如视觉激光束与来自辐射头的辐射束之间的不准确的对准而无法识别最佳垂直位置。

本公开涉及一种用于将辐射头与目标表面对准以识别辐射头相对于目标表面的最佳法线的方法和系统。如本文还描述的，在一种形式中，用辐射束执行目标表面的选定区域的扫描，并且基于由辐射头接收的一个或多个被反射的辐射信号的峰值振幅而确定辐射头的最佳垂直位置(即，法线位置)。

参考图2，提供用于测量车辆车身202上的一个或多个油漆层的厚度的太赫兹(thz)传感系统200。系统200包括thz光源206、耦接到光源206的辐射头208，以及控制器210。光源206可操作以产生在thz频率范围内的辐射束212。因此，辐射束212处于包括微波和红外光波的电磁波谱区中。辐射束212可以穿透各种各样的材料并在视线中行进。

在一种形式中，辐射头208通过光缆耦接到光源206，并且布置并附接到可移动构件214，诸如机械臂。可移动构件214可操作以调整辐射头208的定向和位置。参考图3，辐射头208包括发射器302和检测器304。发射器302沿着车辆车身202朝向目标表面308发射或辐射由光源206产生的辐射束212。检测器304接收从车辆车身202反射的一个或多个被反射的辐射束310。辐射头208通过例如接线通信地耦合到控制器210，并且将指示被反射的辐射束310的一个或多个被反射的辐射信号传输到控制器210。

控制器210是包括例如处理器、计算机可读介质和其它电子部件的计算机。控制器210还连接到一个或多个用户接口215，诸如键盘和监视器(例如，液晶显示器)，以允许操作者查看用于操作系统200的一个或多个图形用户界面。

控制器210被配置为通过操作光源206和辐射头208以朝向目标表面发射thz辐射束212来执行油漆厚度分析(即，成膜分析)。基于被反射的辐射信号，控制器210被配置为确定目标表面308的一个或多个油漆层的厚度。申请人的2015年8月19日提交的标题为“roboticvehiclepaintinginstrumentincludingaterahertzradiationdevice”的共同未决的申请美国序列号14/829,888中提供了这种分析的示例，该申请与本申请一起被共同拥有并且其内容以引用方式整体并入本文。

一般，由于折射率的变化，辐射束212从油漆层反射，并且反射的时间差用于计算厚度。在一种形式中，对应于被反射的辐射信号的波形的峰值与从透明涂层表面反射的第一束和从基材反射的第二束一致。例如，图4是被反射的辐射信号的示例波形的图。两个峰值振幅表示来自两个不同层的被反射的束。可以使用根据匹配的单个或全部成膜面板获得的测量和数据开发的模型来对波形进行去卷积。该模型涉及在各种成膜场景中(在多层系统中)循环，直到所计算的波形匹配所生成的波形。因此，识别其它层的厚度。

在执行油漆厚度分析之前，控制器212被配置为对准辐射头208，使得它垂直于目标表面308。参考图5，在一种形式中，控制器212被配置为用辐射束扫描目标表面308的选定区域502并将法线识别为检测到最大峰值振幅的位置。在扫描选定区域502时，控制器212测量在以扫描步长(s)分布在选定区域502内的多个扫描点504处的峰值振幅。更具体地，控制器212通过操作可移动构件214使辐射头与对象扫描点对准，发射辐射束212，并且分析接收到的被反射的辐射信号以确定对象扫描点的峰值振幅。基于所测量的峰值振幅，与来自峰值振幅测量中的最大峰值振幅相关联的扫描点被识别为沿着目标表面的法线位置。

在一种形式中，选定区域502由沿着两个垂直轴线的角范围限定(例如，αx和αy)以形成二维区，其中扫描点504中的一个是选定区域502的中心点504c。例如，x轴和y轴两者的角范围可以是3度(例如，αx＝αy＝3)。两个轴线的角范围可能不同(即，αx≠αy)并且可以是任何其它合适的范围。在一种形式中，扫描步长和/或角范围可由操作者通过用户接口215进行调整。

在一种形式中，多个扫描点504在选定区域502内形成方形网格。由扫描点504形成的其它合适的图案也在本公开的范围内，诸如三角形、矩形和圆形。另外，多个扫描点504的图案可由操作者经由用户接口215设定，或可由控制器210预限定和存储。

在一种形式中，中心扫描点504c表示辐射头208相对于目标表面308的估计法线。估计法线使用如上所述的激光装置确定。或者，通过使用可移动构件214将辐射头208对准于目标表面308，直到辐射头208看起来垂直于目标表面308，由操作者在不使用激光装置的情况下视觉上确定估计法线。在任一方法中，控制器210围绕估计法线限定选定区域502并扫描包括估计法线的区域502。

在使用峰值振幅的情况下，控制器210还被配置为生成位移控制图，位移控制图也可以被称为等高线图(contourmap)，其示出了在选定区域502中测量的峰值振幅。例如，图6示出了选定区域的这种位移控制图。在图中，估计法线设定在扫描点(0,0)处；然而，具有3.6至3.7之间的最大峰值振幅的最佳法线处于在x轴上为-0.25°的旋转度(w)且在y轴上为约0.5°的旋转度(p)处。然后，可移动构件214可以被偏移那些量，以便正确地定向辐射头208。

位移控制图还示出了因与法线的偏移而造成的峰值振幅的变化。例如，在x轴上为0.25且在y轴上为0的旋转度具有约3.4至3.5的峰值振幅，其与最大峰值振幅相比下降约5％。因此，在一种形式中，在扫描期间收集的数据用于在网格中的任何点上运行校准并确定偏离法线如何影响在油漆厚度分析期间收集的数据。另外，角度的允许变化也受到层的颜色影响。因此，确定来自针对受小角度的变化影响最大的颜色的油漆厚度分析的数据，并且可以将那些角度偏移使用于系统。

参考图7和图8，提供由系统200执行的辐射头对准例程700。在702处，系统确定辐射头相对于目标表面的估计法线。例如，控制器210操作视觉对准工具，诸如配备有辐射头208的激光装置，以识别估计法线。在704处，系统200用辐射束执行目标表面的选定区域的扫描以识别最佳法线。

更具体地，在一种形式中，系统200从704开始执行图8的扫描例程800来扫描具有多个扫描点的选定区域，多个扫描点包括估计法线。在802处，控制器210将计数器设定为1(即，i＝1)以在第一扫描点处开始扫描。在一种形式中，基于选定区域的角度范围、扫描步长和由扫描点形成的图案(这些可由操作者选择)而确定各种扫描点的位置。在804处，在使用可移动构件214的情况下，控制器210将辐射头208与来自数量为n的扫描点中的第i扫描点对准。在806处，控制器210操作辐射头208以朝向第i扫描点发射辐射束212，并且测量并存储被反射的辐射信号的峰值振幅。

在808处，控制器210确定第i扫描点的所测量的峰值振幅是否大于其它所存储的峰值振幅。如果是，那么在810处，控制器210将第i扫描点识别为最佳法线，并进行到812。如果不是，那么在812处，控制器210通过确定i是否等于扫描点的总数(即，n)来确定是否已经扫描所有扫描点。如果扫描未完成，那么在814处，控制器210递增计数器，并且然后进行到804以扫描下一个扫描点。如果扫描完成，那么控制器210返回到图7的704。

从704，控制器210进行到706以基于由扫描例程800使用可移动构件214识别的最佳法线而将辐射头208相对于目标表面308对准并执行油漆厚度分析。

用于对准辐射头的例程可以以其它合适的方式配置。例如，在一种形式中，控制器210扫描所有扫描点以测量峰值振幅，并且然后确定最大峰值振幅。另外，估计法线可以由操作者设定。

系统200被配置为通过在不使用新的对准工具的情况下执行对所限定的选定区域的扫描来识别辐射头相对于目标表面的最佳法线。另外，通过基于被反射的辐射信号的强度而识别最佳法线，典型地影响这种校准例程的偏移从例程中去除，因为系统200基于信号强度而识别法线。例如，在确定最佳法线时不考虑由可移动构件导致的辐射头的位置变化。而是，系统200辨认出最佳法线处于接收道最大峰值振幅的位置。

本公开的描述本质上仅是示例性的，因此，不脱离本公开的实质的变型旨在落入本公开的范围内。不应将这些变型视为脱离本公开的精神和范围。

根据本发明，一种用于将太赫兹传感器系统的辐射头与目标表面对准的方法，所述方法被提供为：用由所述辐射头发射的太赫兹辐射束扫描所述目标表面的选定区域；感测来自由所述辐射头在对所述选定区域的所述扫描期间接收的多个被反射的辐射信号的每个被反射的辐射信号的峰值振幅；以及基于来自所述被反射的辐射信号的所述峰值振幅中的最大峰值振幅而识别所述辐射头相对于所述目标表面的垂直位置。

根据一个实施例，以上发明的特征还在于确定所述辐射头相对于所述目标表面的估计法线，其中所述选定区域围绕所述估计法线。

根据一个实施例，对所述选定区域的所述扫描还包括扫描所述选定区域中的多个点，其中所述估计法线是所述多个点中的一个点。

根据一个实施例，所述多个点以选定步长分布在所述选定区域中，从而形成围绕所述估计法线的二维区。

根据一个实施例，所述确定所述估计法线还包括：通过光源朝向所述目标表面发射可见光束以在所述目标表面上产生一个或多个照射点；以及当一个照射点在所述目标表面上可见时，将所述辐射头相对于所述目标表面的位置识别为所述估计法线。

根据一个实施例，以上发明的特征还在于生成所述选定区域的位移控制图，其中所述位移控制图将所述被反射的辐射信号的所述峰值振幅与所述选定区域的所述被反射的辐射信号所源自的区相关联。

根据一个实施例，与来自所述峰值振幅中的所述最大峰值振幅相关联的所述区指示所述辐射头相对于所述选定区域的所述垂直位置。

根据一个实施例，对所述选定区域的所述扫描还包括：通过可移动构件调整所述辐射头相对于所述目标表面的角位置以扫描分布在所述选定区域中的多个点；以及在所述多个点中的每个点处，发射所述太赫兹辐射束并接收来自所述多个被反射的辐射信号的所述被反射的辐射信号中的至少一个。

根据一个实施例，以上发明的特征还在于生成位移控制图，所述位移控制图将所述多个点与相应的峰值振幅相关联。

根据本发明，提供一种太赫兹传感器系统，所述太赫兹传感器系统具有：可移动构件；太赫兹传感器，所述太赫兹传感器包括：辐射头，所述辐射头附接到所述可移动构件，并且可操作以发射辐射束并接收从目标表面反射的一个或多个被反射的辐射束，以及控制器，所述控制器被配置为分析指示所述被反射的辐射束的被反射的辐射信号的峰值振幅，其中控制器被配置为操作所述可移动构件以用所述辐射束扫描所述目标表面的选定区域，并且基于来自在所述扫描期间获得的多个被反射的辐射信号的多个峰值振幅中的最大峰值振幅而识别所述辐射头相对于所述目标表面的法线。

根据一个实施例，所述控制器被配置为识别所述辐射头相对于所述目标表面的估计法线，并且限定所述选定区域，使得所述估计法线在所述选定区域内。

根据一个实施例，所述控制器被配置为扫描所述选定区域中的多个点，其中所述估计法线是所述多个点中的一个点。

根据一个实施例，以上发明的特征还在于可见对准工具，所述可见对准工具包括与所述辐射头一起布置的光源，其中所述控制器被配置为操作所述光源以朝向所述目标表面发射可见光，并且当所述可见对准工具沿着所述目标表面产生一个可见点时，识别所述辐射头相对于所述目标表面的估计法线。

根据一个实施例，所述控制器被配置为通过所述可移动构件调整所述辐射头相对于所述目标表面的角位置，以扫描分布在所述选定区域中的多个点，并且在所述多个点中的每个点处，所述控制器操作所述辐射头以发射所述太赫兹辐射束并接收所述被反射的辐射束。

根据一个实施例，在所述辐射头与所述目标表面垂直地定位的情况下，所述控制器被配置为操作所述辐射头以发射所述辐射束并基于所述被反射的辐射束而确定所述目标表面上的一个或多个涂层的厚度。

根据一个实施例，所述可移动构件是用于调整所述辐射头的位置的机械臂。

根据本发明，一种用于对准太赫兹辐射头的方法，所述方法被提供为：经由所述辐射头用太赫兹辐射束扫描目标表面的选定区域；感测在对所述选定区域的所述扫描期间的多个被反射的辐射信号的每个被反射的辐射信号的峰值振幅；以及基于来自所述峰值振幅中的最大峰值振幅而识别所述辐射头相对于所述目标表面的法线。

根据一个实施例，对所述选定区域的所述扫描还包括：通过可移动构件调整所述辐射头的角位置以扫描分布在所述选定区域中的多个点；以及在所述多个点中的每个点处，发射所述辐射束并检测来自所述多个被反射的辐射信号的所述被反射的辐射信号中的至少一个。

根据一个实施例，以上发明的特征还在于确定所述辐射头相对于所述目标表面的估计法线，其中所述选定区域围绕所述估计法线。

根据一个实施例，所述扫描所述选定区域还包括扫描所述选定区域中的多个点，其中所述估计法线是所述多个点中的一个点。