光電自準(zhǔn)直儀關(guān)鍵技術(shù)研究

（1．東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004；2北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

光電自準(zhǔn)直儀關(guān)鍵技術(shù)研究

凌東堯1沈東凱2

（1．東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004；2北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

自準(zhǔn)直儀是利用光學(xué)自準(zhǔn)直的原理，實現(xiàn)小角度測量的精密測量儀器，是一種應(yīng)用廣泛的瞄準(zhǔn)及測量儀器。本文針對光電自準(zhǔn)直儀的光路結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計和數(shù)據(jù)處理算法三部分進(jìn)行研究，，其中重點研究了四種光點位移檢測算法，降低示值誤差、實現(xiàn)寬量程、高分辨率的高精度光電自準(zhǔn)直儀提供了關(guān)鍵技術(shù)支持和保障。

光電自準(zhǔn)直儀;CCD;重心法;拋物線法

1 概述

自準(zhǔn)直儀[1]是利用光學(xué)自準(zhǔn)直原理實現(xiàn)的小角度測量的重要儀器，是角度測量最重要的儀器之一，應(yīng)用非常廣泛，在精密、超精密測量方面有極為重大的作用。尤其是在實現(xiàn)小角度的多維測量、非接觸測量中具有顯著的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌平臺的直線度、精密平臺的平面度等精密測量領(lǐng)域，是機(jī)械、計量、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等部門必備的常規(guī)測量儀器之一，各級計量的定標(biāo)都是需要通過自準(zhǔn)直儀作為參考標(biāo)準(zhǔn)之一，還經(jīng)常被用作各種零部件生產(chǎn)控制和質(zhì)量檢測的計量工具[2]。

目前，國內(nèi)自主研制的光電自準(zhǔn)直儀還尚未有成熟的產(chǎn)品上市，各研究所使用的多為國外進(jìn)口產(chǎn)品。國外的自準(zhǔn)直儀雖然精度高、性能好，但是價格昂貴且維護(hù)不便。本文基于工程實踐自主研發(fā)了一種寬量程、高分辨率的雙線陣光電自準(zhǔn)直儀，其分辨率可達(dá)0.8″量程±0.6°，有著非常重大的實際工程應(yīng)用價值。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙線陣光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)利用了自準(zhǔn)直原理，將測量反射鏡反射光束分光分別照射在兩個不同的線陣CCD器件上，使反射鏡的二維角度變化轉(zhuǎn)化為對應(yīng)于兩個線陣CCD器件上的線量變化，通過對CCD器件輸出信號的采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出線量變化量，利用自準(zhǔn)直原理公式計算角度變化，從而實現(xiàn)高精度二維角度變化的測量。系統(tǒng)主要由光學(xué)部分，硬件電路部分和計算機(jī)軟件部分組成。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的測量原理是:光源發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)透鏡組后形成平行光射向反射鏡（反射鏡位于被測物體上），反射鏡將入射光束反射回光學(xué)透鏡組，并照射在CCD器件上，在驅(qū)動電路的作用下，CCD器件將內(nèi)部像素信號順序輸出，數(shù)據(jù)采集電路對CCD器件輸出信號進(jìn)行調(diào)理和采集，實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化，最后將采集數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)，在計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示（或通過DSP處理核心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后將最終結(jié)果通過液晶屏顯示）。

3 光路結(jié)構(gòu)設(shè)計

光源是光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)的重要組成部分，光源的發(fā)光強(qiáng)度、光強(qiáng)穩(wěn)定性及光源的發(fā)熱量等特性對于儀器的測量距離和測量精度都有很大的影響。光電自準(zhǔn)直儀的光路原理如圖2所示：

當(dāng)光源發(fā)出光線照明位于物鏡焦平面上的分劃板，o點在物鏡光軸上，那么由它發(fā)出的光線通過物鏡后，成一束與光軸平行的平行光束射向反射鏡，當(dāng)反射鏡面垂直于光軸時，光線仍然按原路返回，經(jīng)物鏡后仍成像在分劃板上o處，與原目標(biāo)重合。如圖3所示。

當(dāng)反射鏡面與光束不垂直，而是有小偏轉(zhuǎn)角度α，當(dāng)平行光軸的光線射向反射鏡時，光線按反射定律與原光線成2α返回，通過物鏡后成像在分劃板上的o′處，與原目標(biāo)不重合而有X的位移量。根據(jù)三角關(guān)系可推算出: X=2f*tanα （1）

式中，α為反射鏡偏轉(zhuǎn)角，X為光斑回像位移，f為物鏡焦距。

圖1 光電自準(zhǔn)直儀組成

圖2 光路結(jié)構(gòu)組成

圖3 光路傾斜圖例

圖4 改進(jìn)型光路結(jié)構(gòu)組成

圖5 灰度分布圖

圖6 高斯分布圖

圖7 CCD光電自準(zhǔn)直儀實時測量軟件

圖8 光電自準(zhǔn)直儀綜合電路原理圖

表1 TCD1500C型線陣CCD圖像傳感器指標(biāo)

因為物鏡是固定的，所以f是一固定常數(shù)。如果已知了X的數(shù)值，就可以根據(jù)式（1）計算出反射偏角α的大小。

基于此，本文采用的自準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些調(diào)整。為了避免光路干涉，必須將光源從水平光軸上調(diào)離，故此應(yīng)用分光棱鏡使光源光路與探測器件位于分光棱鏡相互垂直的兩條光路上而互不干擾；為了實現(xiàn)測量反射鏡二維角度變化，要增加一塊分光棱鏡，將回射光路分成兩路，每一路上安裝探測器件用來單獨測量相應(yīng)一維角度變化，原理圖如圖4所示：

從光源射出的光線經(jīng)分光棱鏡分光后，透過物鏡為平行光并射向反射鏡；反射光線再次經(jīng)過物鏡形成匯聚光線，通過分光棱鏡1后被分光棱鏡2分成光強(qiáng)相同、光路垂直的兩路。兩塊探測器件（CCD）安裝在分光棱鏡光束輸出的兩路上，并且位于物鏡的共扼焦面，反射光正好成像在探測器件（CCD）上。當(dāng)反射鏡垂直主光軸時，反射光線正好匯聚在兩個探測器件（CCD）的中心位置;當(dāng)反射鏡有一個空間偏轉(zhuǎn)時，反射光線的匯聚點都將偏離探測器件的中心位置，測量匯聚點偏離中心位置的距離，利用式（1）即可求出兩個偏轉(zhuǎn)角α、β的角度值。

4 數(shù)據(jù)處理單元

圖5為實際光點局部的灰度分布圖。

光點中心的位置的確定有許多方法，本文采用四種方法：重心法、改進(jìn)重心法、高斯分布擬合法、橢圓擬合法進(jìn)行分析比較。

4.1 重心法

重心法即灰度重心法，屬于比較簡單的一種定位算法，理論上計算出的結(jié)果有很高的精確程度，但實際的精度情況很復(fù)雜，容易受各種不確定因素的干擾影響精度，如背景干凈程度、光點內(nèi)灰度分布、光點形狀、光點區(qū)域識別準(zhǔn)確程度等，所以使用灰度質(zhì)心作為定位亞像素中心精度略有欠缺。重心法原理如下式：

4.2 改進(jìn)重心法

一般來講，灰度值越大，像素對光點定位的貢獻(xiàn)也就越大。在此基礎(chǔ)上，把重心法所采用的線性關(guān)系推廣為非線性關(guān)系，以灰度的平方作為權(quán)重來計算，即

重心法與改進(jìn)重心法將光點區(qū)域的所有點都以加權(quán)的方式進(jìn)行平均容易受到噪聲的干擾，任意一個噪聲點就有可能對結(jié)果造成比較大的影響，適合在噪聲較低情況下的定位。

4.3 高斯擬合

對于一個LED光源來說，能量分布可以用理想高斯模型來描述，如圖6所示：

其在x、y方向上的投影均為高斯分布。以x方向為例，發(fā)光點的能量分布數(shù)學(xué)模型為

高斯擬合接近于實際情況，設(shè)矩形窗口內(nèi)像素灰度分布同能量分布類似，為

圖9 TCD1500C的時序圖

可得出

同理，可得到y(tǒng)方向中心位置。

高斯擬合算法通過擬合光點灰度實際分布情況，求得光點中心，具有比較高的理論精度。但這種方法需要進(jìn)行廣義逆矩陣的求解將影響計算速度。

4.4 拋物線擬合

光點的能量分布為中心高，越接近邊緣越暗，可以用拋物線近似擬合法用拋物線近似擬合光點區(qū)域里的灰度分布。

設(shè)窗口內(nèi)像素灰度符合

同理，可得到y(tǒng)方向中心位置。

這種測量方法用拋物面來近似能量分布，比用直接灰度或灰度的直接變換作為權(quán)重更加接近實際，且計算過程中沒有計算對數(shù)，相對減少了計算量和誤差累計；但仍需要進(jìn)行廣義逆矩陣求解，適用于實時性要求不高的情況。

4.5 實際測量與真實值比較

圖7中，波形為5340個像素點的電壓值，橫軸為像素點個數(shù)，縱軸為像素點對應(yīng)的電壓值。可以看到，除重心法外，幾種方法的測量結(jié)果差距在1個像素點以內(nèi)，轉(zhuǎn)換為角度在1″之內(nèi)。

5 硬件電路設(shè)計及實現(xiàn)

目前,常用的光學(xué)傳感器主要有以下幾類：線陣CCD、面陣CCD、四象限探測器、PSD、CMOS等。本文采用雙線陣CCD光電自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)，利用自準(zhǔn)直原理，將測量反射鏡反射光束分光分別照射在兩個不同的線陣CCD器件上，使反射鏡的二維角度變化轉(zhuǎn)化為對應(yīng)于兩個線陣CCD器件上的線量變化，通過對CCD器件輸出信號的采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出線量變化量，利用自準(zhǔn)直原理公式計算角度變化，從而實現(xiàn)高精度二維角度變化的測量。這樣，就完美地解決了線陣CCD作二維測量時可能會不精確的問題。

本文擬選用TOSHIBA公司生產(chǎn)的TCD1500C型線陣CCD圖像傳感器，其基本指標(biāo)如表1所示：

物鏡焦距為870mm，自準(zhǔn)直儀分辨率為

光電自準(zhǔn)直儀的整體電路結(jié)構(gòu)如圖8所示：

光學(xué)系統(tǒng)部分透過分光棱鏡的光線照射在CCD芯片上，通過CCD驅(qū)動電路正常工作的CCD產(chǎn)生相應(yīng)的5340個敏感電壓值并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給基于DSP2812的數(shù)據(jù)處理、采集電路，DSP2812將這些數(shù)據(jù)存放在片外RAM中并進(jìn)行處理，將最終得到的角度數(shù)據(jù)通過RS-422轉(zhuǎn)232發(fā)送到89C51單片機(jī)上；單片機(jī)起一個串口轉(zhuǎn)并口的作用，把數(shù)據(jù)原封不動通過并口發(fā)送至液晶屏加以顯示。

5.1 CCD驅(qū)動電路

CCD芯片的管腳中，SH是轉(zhuǎn)移脈沖，它將感光元件產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移柵中；SP是像元同步脈沖信號，一位SP對應(yīng)一個CCD光敏元輸出信號；Φ是移位脈沖，它將轉(zhuǎn)移柵當(dāng)中的信號逐位轉(zhuǎn)移出來；RS是復(fù)位信號；DOS是CCD信號輸出；OS是輸出信號補(bǔ)償。

本文擬采用CPLD芯片，結(jié)合TCD1500C的時序圖設(shè)計實現(xiàn)CCD驅(qū)動電路。圖9為TCD1500C的時序圖。

5.2 基于DSP2812的數(shù)據(jù)采集和處理電路

由于線陣CCD產(chǎn)生的輸出信號是由DOS（信號輸出）和OS（輸出信號補(bǔ)償）兩部分組成的，故此，在將信號輸入DSP2812之前要先對2路信號進(jìn)行差分放大，再將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)由DSP2812存放于片外RAM中；將數(shù)據(jù)存好后，再應(yīng)用上文中的各種軟件算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到角度值，并通過RS-422轉(zhuǎn)RS-232發(fā)送給液晶屏顯示電路。

5.3 基于89C51的液晶屏顯示電路

由于DSP2812輸出的數(shù)據(jù)是通過RS-422串口發(fā)送的，而本論文選用的240128液晶屏模塊只有并口接口，故此要用89C51作為一個串口-并口的過渡。89C51不對數(shù)據(jù)做任何處理，只是單純的作為一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，將數(shù)據(jù)發(fā)送至

液晶屏模塊顯示。

結(jié)語

本文設(shè)計并制作一個基于線陣CCD的光電自準(zhǔn)直儀專用檢測儀器。此自準(zhǔn)直儀將使用兩塊線陣CCD傳感器進(jìn)行二維角度的測量，并采用DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行顯示。DSP中將采用一些算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，上下位機(jī)之間的通信采用RS-422串口進(jìn)行通信。仿真和試驗結(jié)果都表明該光電自準(zhǔn)直儀已經(jīng)達(dá)到預(yù)定設(shè)計指標(biāo)。參考文獻(xiàn)

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