基于雙正弦編碼的數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)研究

王 英，馮連合

(天津市神威汽車零部件有限公司技術(shù)質(zhì)量部，天津 300112)

水準(zhǔn)測(cè)量是指測(cè)量相距一定距離的兩地高程差。傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量采用人工目視讀數(shù)，該方法存在測(cè)量速度慢、讀數(shù)易受人為影響、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低、測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)處理不便且難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外作業(yè)一體化等缺點(diǎn)。數(shù)字水準(zhǔn)儀是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的新型幾何水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器[1]，具有測(cè)量自動(dòng)化、速度快、精度高和讀數(shù)客觀等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)幾何水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的突破，代表了現(xiàn)代水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。然而，由于國(guó)外公司的專利壟斷，我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域一直呈現(xiàn)空白的局面，因此獲得一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字水準(zhǔn)儀迫在眉睫。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字水準(zhǔn)儀的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，國(guó)內(nèi)各大廠家如南方、北光、蘇一光等也積極進(jìn)行數(shù)字水準(zhǔn)儀的研究。但是，數(shù)字水準(zhǔn)儀是集編碼技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，技術(shù)上有一定難度，目前還沒(méi)有國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品上市。因此，研究和開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀，對(duì)于填補(bǔ)國(guó)產(chǎn)數(shù)字水準(zhǔn)儀的空白，具有十分重要的意義。

1 雙正弦條碼標(biāo)尺的編碼原理[2]

設(shè) 2 個(gè)正 弦信 號(hào)：ya(x)=Asin(2πx/Ta+φa)+d，yb(x)=Asin(2πx/Tb+φb)+d，對(duì)于周期滿足 Ta>Tb，其最小公倍數(shù)為z=TaTb/(Ta-Tb)，2個(gè)信號(hào)的相位差 Δθ可表示為：

可見(jiàn)，在小于z的長(zhǎng)度內(nèi)，Δθ與 x具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 根據(jù)采樣理論，以間距 ΔL(ΔL>2Ta，ΔL>2Tb)對(duì)以上2個(gè)信號(hào)等間隔采樣，以各采樣點(diǎn)為中心、采樣值為寬度繪制 A、B條碼。 設(shè)由 ya(x)得到 A碼，由 yb(x)得到 B碼。為了區(qū)分A、B條碼，增加一種 R碼，由3條等間距相同寬度的黑色碼條組成，將它們等間隔交替排列，以確定一個(gè)采樣周期長(zhǎng)度的定位，從而提高標(biāo)尺讀數(shù)精度和利于求視距。建立的條碼標(biāo)尺如圖1所示，3種碼沿著一維方向等間距(ΔL/3)交替排列。以R碼中間黑碼條中心線為準(zhǔn)，每隔ΔL有一組R碼重復(fù)；每組碼右邊ΔL/3處有一條A碼；在每組R碼左邊ΔL/3處有一條B碼。由上述可知，每2組R碼之間的A、B碼相位值不存在相同的組合。

測(cè)量時(shí)，在小于z的長(zhǎng)度內(nèi)，由于A碼、B碼的變化周期不同，它們?cè)跇?biāo)尺上的組合具有唯一性。只要測(cè)出進(jìn)入CCD視場(chǎng)中某一組A碼、B碼的條碼寬度，再與儀器內(nèi)存儲(chǔ)的基準(zhǔn)碼相比較，就可確定此處碼距標(biāo)尺底部的高度。然后再求出此處R碼距CCD中心線的距離，最后將兩者進(jìn)行加或減運(yùn)算，就可知道該處到標(biāo)尺底部的高度。

2 數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的基本原理

數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量系統(tǒng)原理如圖2所示。在傳統(tǒng)的光學(xué)自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上，在望遠(yuǎn)系統(tǒng)上加裝分光鏡，水準(zhǔn)尺上的編碼圖像經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、調(diào)焦鏡和分光鏡后分成2路。一路成像在分劃板上，通過(guò)目鏡人工對(duì)水準(zhǔn)尺進(jìn)行照準(zhǔn)和調(diào)焦；另一路在線陣CCD上經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，再經(jīng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后由DSP微處理器根據(jù)選定的數(shù)字濾波算法和邊緣檢測(cè)算法對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼識(shí)別，并將識(shí)別出的條碼組合與儀器內(nèi)保存的條碼組合參考信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得CCD中絲處對(duì)應(yīng)的A、B碼組合，最終計(jì)算出視距和視線高。采用碼寬匹配法是根據(jù)編碼標(biāo)尺中任意一組條碼寬度的組合與標(biāo)尺的高度值具有單值性這一特點(diǎn)測(cè)量定位的。它在編碼時(shí)存在A、B碼的條碼寬度需同時(shí)匹配和表征標(biāo)尺高度的基準(zhǔn)設(shè)置2個(gè)問(wèn)題，前者需精心選取正弦信號(hào)參量，以使相鄰條碼的寬度值變化明顯；后者要求便于幾何中心定位，可選A、B碼的中心為基準(zhǔn)。

測(cè)量系統(tǒng)中，CCD器件采用日本東芝公司生產(chǎn)的TCD1206SUP型線陣CCD，該器件靈敏度高、暗電流噪聲低，器件自帶驅(qū)動(dòng)電路，有 2 160像元，像元尺寸 14 μm×14 μm，采用兩相脈沖驅(qū)動(dòng)；A/D轉(zhuǎn)換器選用的是 TI公司生產(chǎn)的10位高速串行逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器TLV 1572，該器件采用5 V單電壓供電，最高采樣速率可達(dá)1.25 MS/s，可通過(guò)多通道緩沖串口 McBSP與 DSP處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接；DSP微處理器選用TI公司的TMS320VC5502定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)字信號(hào)處理器，該處理器同C54x系列處理器相比具有更高的性能和更低的功耗，其最高主頻可達(dá)300 MHz，片內(nèi)集成 32 K×16 bit的片內(nèi)RAM、16 K×16 bit的片內(nèi) ROM、3個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)、定時(shí)器和32位外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口(EMIF)等，從而大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路。為了獲得更多的數(shù)據(jù)信息和調(diào)試信息，DSP處理器和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信選用MAX232。

3 條碼識(shí)別

條碼識(shí)別是正確解碼和高精度定位的前提，內(nèi)容包括各條碼寬度的提取，R、A、B碼的區(qū)分，以及條碼中心相對(duì)圖像中絲位置的定位，可見(jiàn)關(guān)鍵是條碼寬度值的提取。條碼寬度提取通常基于邊緣檢測(cè)，兩邊緣之間的距離即是條碼寬度。系統(tǒng)中條碼圖像的邊緣檢測(cè)方法采用基于相鄰尺度小波變換乘積的邊緣檢測(cè)方法[3]。對(duì)于一維信號(hào)，小波變換與尺度之間的關(guān)系是[4]：

其中：f(x)為一維信號(hào)，|Wjf(x)|是尺度為j的小波變換，C為常數(shù)，α為 Lipschitz指數(shù)。邊緣的α為正常數(shù)，噪聲的α為負(fù)常數(shù)。顯然，可以根據(jù)邊緣和噪聲隨尺度的不同傳播特性檢測(cè)邊緣。若把相鄰尺度的小波變換相乘即Wjf(x)Wj+1f(x)，則有利于增強(qiáng)邊緣并抑制噪聲。定義一維信號(hào)相鄰尺度小波變換的乘積為：

Pjf(x)稱為尺度為j的歸一化尺度積，簡(jiǎn)稱尺度積。

對(duì)于離散的CCD數(shù)據(jù)f(n)，上式可表示為：

該方法使信號(hào)邊緣得到增強(qiáng)，噪聲得到抑制，邊緣和噪聲很好地分離，取單一閾值就可以去除噪聲，求得信號(hào)邊緣。

4 視距和視線高的計(jì)算

4.1 視距的計(jì)算[5]

標(biāo)尺條碼中的R碼是用來(lái)求視距的，視距不同，相鄰2組R碼成像在線陣CCD上的長(zhǎng)度不同，測(cè)量中只需保證CCD成像區(qū)至少有2組R碼即可求得視距。其計(jì)算公式如下：

式中，P為標(biāo)尺中 2組R碼的間距；L為相鄰2組 R碼在CCD上的成像長(zhǎng)度；N為相鄰2組R碼在線陣CCD上成像所占的像素個(gè)數(shù)；f為物鏡到CCD的焦距；b為CCD像素寬；D為標(biāo)尺到物鏡的水平距離。

4.2 視線高的計(jì)算

假設(shè)測(cè)量時(shí)，標(biāo)尺在CCD上的條碼影像如圖3所示。首先根據(jù)條碼識(shí)別算法對(duì)十字分劃線(CCD中心像元)處的 R、A、B碼進(jìn)行解碼，從而獲得A、B碼寬度以及CCD中心像元上側(cè)緊鄰的R碼中心對(duì)應(yīng)的像元值。由于任意2組R碼之間的A、B碼的條碼寬度組合具有唯一性，所以將該組條碼寬度值與事先存儲(chǔ)在儀器中的標(biāo)尺基準(zhǔn)條碼寬度值進(jìn)行比較，即可獲得十字分劃線下測(cè)得的R碼中心與標(biāo)尺底部的距離H。然后根據(jù)CCD中心像元與R碼中心對(duì)應(yīng)的像元差值、CCD像元尺寸和物像比關(guān)系，即可求得R碼到 CCD中心的距離 h，最后將 H和h相加，即可獲得視線高讀數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及原理的正確性和可行性，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件，在2 m～10 m之間等間隔設(shè)置了5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，每個(gè)視距點(diǎn)上連續(xù)測(cè)量10次，首先對(duì)各測(cè)量點(diǎn)條碼圖像中絲處的A、B碼組合進(jìn)行解碼，然后計(jì)算各點(diǎn)視距和視線高讀數(shù)的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)字水準(zhǔn)儀具有測(cè)量速度快、讀數(shù)客觀、精度高、測(cè)量數(shù)據(jù)便于輸入計(jì)算機(jī)和容易實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化等優(yōu)點(diǎn)，代表了水準(zhǔn)儀的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的基于DSP的數(shù)字水準(zhǔn)儀方案及測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)、編碼水準(zhǔn)尺圖像識(shí)別算法以及測(cè)量讀數(shù)方法，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法合理、可靠。

[1]王明善，肖學(xué)年.數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理及誤差分析[J].四川測(cè)繪，2000，23(4)∶168.

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