基于CCD的動態光電測角儀的設計與實現

楊志丹 ， 王 縝

（1 海裝天津局 北京 100076；2 北京航天發射技術研究所 北京 100076）

0 引言

在海洋中測量，船舶上經常使用測量方位的監測設備，該設備要實時監測目標的方位角度變化。大部分高精度的監測設備是靜態下的檢測，而海洋測量是船舶在航行的動態條件下監測，目前動態條件下角度監測的精度不高。本文提出采用CCD電子技術為核心，通過光、機、電的有機結合實現方位角度的實時動態高精度測量。

1 設計方案及實現

1.1 總體方案

本系統由兩部分組成：測量部分和控制部分。如圖1所示。

1.2 結構原理

激光光源發出的光經分光鏡一、調焦鏡、分光鏡二、物鏡至被測棱鏡，其中一路光經過物鏡、分光鏡二至光電耦合器（CCD），另一路光經物鏡、分光鏡二、調焦鏡、分光鏡一至目鏡。被測棱鏡與光軸之間的夾角θ可在目鏡處觀察該角度，同時通過CCD進行光電轉換，再經計算機處理在顯示器上顯示該角度，精確到秒級。

圖1 總體結構示意圖

該儀器涉及光學、機械和電子技術，實際產品結構復雜。其結構原理如圖2所示。

圖2 結構原理示意圖

1.3 光電測角原理

該檢測儀器的光源發出的光會聚在狹縫上，狹縫在物鏡焦面上，經過分光棱鏡一并通過物鏡變成一束平行光。如果平面反射鏡法線與物鏡主光軸平行，平行光經反光鏡原路返回會聚在物鏡焦點X0處。此時采集CCD的像素位置，作為檢測儀的電零位。當平面反光鏡偏轉一個角度A時，平行光返回后會聚在物鏡焦面Xl上。

根據光學原理,有下面關系式：

如果精確測量出此時光斑在CCD上的位置Xl，就可以計算出偏移量L,從而根據公式計算出反光鏡的偏轉角A，實現測角功能，如圖3所示。

圖3 測角原理示意圖

CCD（Charge Coupled Device）又稱為電荷耦合器件，是在半導體材料上精確刻度了光敏感像素，兩兩相鄰的像素具有相同的間距（就像一把直尺上的刻線）。每個像素都是一個光電敏感部件，它能將接收的光能量轉換成相應的電荷并存貯。如圖9所示的CCD光敏面局部放大。在轉移時鐘的驅動下，CCD按照像素的排列順序依次輸出每個像素上存貯的電荷。CCD具有光電轉換、存貯和光電掃描的功能。可以根據每個像素輸出的信號，確定光斑在CCD上的像素位置，再通過光能量積分確定光斑的中心位置，進而解算出被測平面的轉動角度。

1.4 測角電路

測角電路電原理圖如圖4所示。

圖4 測角電路電原理圖

通過配置CPU的管腳，使T1PWM輸出如圖5的場同步信號，使T2PWM輸出如圖4的主時鐘信號，主時鐘信號通過計數器54HCT161四分頻后，得到如圖5的CCD時鐘信號。A/D時鐘信號是通過54HCT161二分頻后得到的，與CCD時鐘嚴格同步。A/D轉換器設計成自動轉換模式，通過A/D時鐘觸發，轉換后的A/D數據自動輸出。A/D時鐘和A/D數據與CCD驅動時鐘對應關系見圖5。

圖5 時鐘信號時序

1.5 具體實現過程

硬件測角電路分析， CCD測角的軟件模塊共兩個：一個是初始化模塊；一個是讀CCD信號模塊。

初始化模塊涉及CCD部分的流程圖如圖6所示。設備開機或軟件復位后，首先置IOPC7管腳低電平，使54HCT161計數器復位，即54HCT161所有輸出管腳均為低電平狀態。其次，配置T1PWM和T2PWM管腳為輸出可編程脈寬調制管腳，并使二者同步輸出，設置CPU內部計數器T1、T2，使計數器周期和相位滿足圖5的要求。最后，同時啟動計數器T1、T2開始計數，并對應選通T1PWM和T2PWM的輸出，給外部CCD芯片提供驅動時鐘。

讀CCD信號模塊的流程圖如圖7所示。軟件首先檢測場同步信號的下降沿，之后按照A/D時鐘的速率，以嚴格的程序執行時間來讀取A/D轉換的數據，像素計數器記錄對應于A/D轉換結果的CCD像素位置。讀CCD信號模塊實現的時序如圖5所示。圖中軟件讀數據時序（D0、D1、……，S1、S2、……S1024）與CCD信號輸出是一一對應的。

2 精度分析

通過光學基準傳遞、光電測量控制、動態數據合成，然后傳遞給計算機，實現實時動態方位角度測量。因此，精度主要由光傳遞精度、動態數據處理精度組成。這里重點討論動態數據處理精度，它由船舶姿態信號采集時刻和CCD信號采集時刻的不同步誤差、采樣點積分誤差、船舶姿態信號采集時刻與測量信號發出時刻不同步誤差組成。

圖6 初始化流程

圖7 讀信號流程

2.1 動態數據處理精度

2.1.1動態數據時序關系處理誤差

船舶慣導信號輸出及CCD測角信號處理的時序關系見圖8。

圖中：

t1: 船舶姿態信號采集時刻到同步信號有效輸出的間隔時間，小于300μs；圖中：

圖8 慣導信號與CCD信號時序關系

t2：船舶姿態信號在線路上的通信時間，通過通信波特率和幀字節數可計算出通信時間， t2=6.875ms；

t3：微處理器接收到船舶姿態同步信號，到檢測到CCD場同步信號的間隔時間，不大于CCD場時鐘周期（2ms）；

t4：CCD信號采集及處理時間，不大于2ms；

t5：被測平面鏡偏差角計算及結果判斷時間，不大于2ms。

2.1.2 船舶姿態信號采集時刻和CCD信號采集時刻不同步產生的最大計算誤差

兩個數據不同步時間為t1與t3之和，橫搖最大角速度1.5°/s，縱搖最大角速度1.0°/s，航向變化最大角速度0.4°/s, 最大橫搖角4.5°，最大縱搖角5.0°。

CCD實時測出被測平面鏡法線與光管光軸的夾角(在大地水平面投影(t) ，微處理器接收船舶姿態角信息，計算出船舶的搖擺對基準光線在水平方位上的偏差ΔR(t)，用ΔR(t)對(t) 進行修正，便得出被測平面鏡法線與基準光線的夾角 Δ(t)：

測角偏差角ΔR修正算法：

式中：R為船舶的橫搖角速度；P為船舶的縱搖角；t為信號不同步時間。

船舶姿態信號采集時刻和CCD信號采集時刻的不同步，兩個數據不同步時間為t1與t3兩者之和，若橫搖最大角速度1.5°/s，最大縱搖角5.0°，產生的測角偏差角修正ΔR最大計算誤差簡化為：

2.1.3 CCD信號采集及處理誤差

在CCD的積分時間T內，載有被測信號的光點從XO運動到XL，這兩點的中點位置即是采樣點，如圖3所示。在實際測量中，以在積分時間內光點掃過的線段中點對應的位移為采樣點，它與積分時間中點對應的位移的差值△L為信號采集處理誤差。

由于船舶、被測平面鏡均是動態的，相對CCD而言，ω角速度是偏航角、橫搖角、縱搖角及被測平面鏡轉動角角速度的合成，其值不易確定。在實際工作中，往往通過仿真確定誤差范圍，并通過實驗驗證。

本產品在偏航角幅值AH=0.7°，周期TH=8s；橫搖角幅值AR=3.5°，周期TR=4s；縱搖角AP=2°，TP=10s；被測平面鏡轉動角幅值Az=3°，周期Tz=3.5s時，測得其信號采集處理誤差為10.12″～13.51″。

2.1.4 船舶姿態信號采集時刻與準直信號發出時刻不同步產生的誤差

兩個數據不同步時間為t1、t2與t5三者之和，若偏航角最大角速度不大于0.4°/s，則最大誤差為：

0.4 °×(t1+t2+t5)= 0.4°×(0.3+6.875+2)ms=13.21″

2.2 光傳遞誤差

CCD器件輸出電信號受光敏面上的光能量即曝光量的影響，因此與光敏面的照度有關，確定光斑在CCD上的幾何中心是通過光敏面上光能量分布進行積分求出能量中心在CCD上的位置。如圖9所示，光斑2、3在光敏面上的能量分布分別為4、5 。光傳遞誤差主要有兩種情況形成。一種情況是光斑切割等原因導致光能分布不均勻，導致的誤差，如圖9中的4為正常情況下光能量分布，5為照度不均情況下的能量分布，△x為實際測量值與真實光斑中心的誤差。另一種情況是照度不匹配帶來的誤差，即當照度過高導致曝光量超過飽和曝光量使描述的被測信號發生畸變，或當照度過低導致曝光量低于CCD靈敏閥值使被測信號無法提取，導致小信號無輸出引起的被測信號發生畸變。

圖9 光能分布誤差示意圖

本產品中通過增加光闌、磨毛光源出光玻璃和鍍增透膜等光學設計減少光的分布不均勻，并通過采用可調半導體激光光源和添加濾光鏡等方法使曝光量控制在靈敏閾值和飽和曝光量之間。

本測角儀誤差計算公式：

式中：△為總誤差，σi為各誤差項。

經分析計算和試驗檢測△為34～40″。

3 結束語

當海況在三級以下、被測物角度變化頻率≤5Hz，本文研制的動態測角儀測角總誤差不大于40″。該儀器具有體積小、動態精度高、性能穩定可靠等特點，適用于船舶等海上動態作業平臺上進行實時角度測量。

[1]王慶有.CCD應用技術[M].天津:天津大學出版社，2002.

[2]徐家驊.工程光學基礎[M].北京： 機械工業出版社，1988.

[3]楊志丹,張治杰.某光電檢測儀典型問題的分析解決[J].宇航計測技術，2010(4).

[4]金 寧，李 力，曹紅曲，明景謙.對光電系統中的光學系統二次成像的分析計算[J].紅外技術，2007(7).

[5]石順祥，劉繼芳.光電子技術及其應用[M].北京 : 科學出版社, 2010.

[6]劉淑英.電子技術與實踐[M].北京 : 機械工業出版社, 2010.