高精度雙線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)*

于之靖, 劉月林, 諸葛晶昌

(1．中國民航大學 地面特種設備科研基地,天津 300300；

2.中國民航大學 航空自動化學院,天津 300300)

0 引 言

近年來，線陣CCD在非接觸測量領(lǐng)域中得到了廣泛應用[1]。傳統(tǒng)的測量方法存在一定的局限性，存在對工件造成磨損，測量精度不高，不能實現(xiàn)實時測量的缺陷。因此，非接觸式測量的優(yōu)勢逐漸顯得更為重要[2]。

在光學系統(tǒng)中，采用雙線陣CCD對工件進行多次測量，通過多通道測量取平均計算出工件的直徑。硬件電路的核心部分采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件實現(xiàn)，利用FPGA在并行數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，為線陣CCD提供驅(qū)動并且作為圖像數(shù)據(jù)處理的核心單元[3]。在線陣CCD一維圖像數(shù)據(jù)處理中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理常常采用閾值法，其測量精度往往受到像元大小限制，精度停留在像元級別[4]。本文設計采用亞像元細分算法[5]，并對其做了相應改進，有效提高了測量系統(tǒng)的測量精度。

1 測量原理和系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 光學系統(tǒng)原理

光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，入射光經(jīng)透鏡形成平行光束，垂直照射在圓型工件上，由于工件的不透光性將工件成像投影在線陣CCD上。系統(tǒng)對一幀數(shù)據(jù)進行邊緣檢測，即得到圓型工件的直徑。根據(jù)所選線陣CCD的光譜特性，入射光波長為55 mm時，線陣CCD響應最強烈，所以，系統(tǒng)選擇一字線狀藍色激光光源作為光學系統(tǒng)的目標檢測光源。

圖1 光學成像原理

利用圖1簡單的透視投影關(guān)系，將獲得的陰影邊緣點位置，按照確定的比例關(guān)系， 即可得到工件直徑D

D=(f1/f2)·d.

(1)

其中，d為影響陰影在像元上的尺寸，f1，f2為焦距。

1.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、線陣CCD 驅(qū)動、模擬信號預處理、數(shù)字信號直徑計算單元組成。采用FPGA作為系統(tǒng)核心驅(qū)動控制芯片，完成線陣CCD驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動和圖像處理。

線陣CCD采用東芝公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低暗電流、具有5000個有效像元的雙溝道兩相線陣CCD圖像傳感器TCD1501，帶有采樣保持功能。A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司生產(chǎn)的TLC5510，工作電源為5.0V，推薦工作條件下功耗為130mV，具有高阻抗內(nèi)部并行接口和內(nèi)部基準電壓，最大采樣頻率為20MSPS。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

線陣CCD在相應驅(qū)動脈沖作用下，輸出一維圖像的模擬信號，信號經(jīng)過預處理后，送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，在A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動脈沖的作用下，A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字圖像信號，F(xiàn)PGA接收到數(shù)字圖像數(shù)據(jù)即開始進行圖像處理。

2 軟件設計

2.1 TCD1501驅(qū)動設計

在設計中，重點要突出圖像的邊緣特征，所以，CCD要盡量工作在較大的動態(tài)范圍，以提高輸出信號的信噪比，即亮點與暗點的差值要盡量大，突出圖像的邊緣特征。CCD信號的輸出受到現(xiàn)場環(huán)境的干擾，CCD光積分時間決定像元輸出信號的強弱，要讓CCD工作在最佳的動態(tài)范圍，就要根據(jù)CCD像元輸出的亮點信號和暗點信號的差值調(diào)節(jié)CCD光積分時間[6]。

(2)

(3)

(4)

將T與設定的閾值比較，當T大于等于設定閾值時，即CCD工作在較理想的動態(tài)范圍，輸出圖像特征點清晰;否則,應增加光積分時間，以增強圖像信號的邊緣信息。

根據(jù)T值的大小，設計通過增加無效移位脈沖的個數(shù)來調(diào)節(jié)光積分時間以增大CCD亮點像素與暗點像素的差值。設每次調(diào)節(jié)光積分時間的增量為δt，δt不可太小，太小會增加光積分時間調(diào)節(jié)次數(shù);亦不可太大，太大會使亮點信號發(fā)生溢出。設計中，CCD移位脈沖頻率設定為0.5 MHz，每幀數(shù)據(jù)含有5 076個像元，所以,需要2 538個移位脈沖，所需時間為5 076 μs。轉(zhuǎn)移脈沖需要2 μs時間，所以，采集一幀數(shù)據(jù)頻率最快約為196.85 Hz，采集一幀數(shù)據(jù)至少需要5 078 μs，這也是能夠達到的最小光積分時間。以時鐘頻率計算，增量δt以200個CCD移位脈沖周期為單位，每次增加積分時間為100 μs。

圖3 線陣CCD驅(qū)動仿真

2.2 TLC5510驅(qū)動設計

2.3 數(shù)據(jù)處理

圖像邊緣檢測的精確度是決定工件直徑檢測精度的關(guān)鍵。在以往對圖像數(shù)據(jù)處理中，常采用閾值法，這種方法檢測精度受到線陣CCD像元尺寸大小的限制，檢測精度不高。系統(tǒng)采用亞像元邊緣檢測算法對采集到的一維圖像數(shù)據(jù)進行處理，這種方法能夠顯著提高測量精度[7]。

亞像元邊緣檢測算法包括高斯濾波、差值計算、邊緣檢測和差值細分4個模塊(圖4)。圖像經(jīng)過高斯濾波平滑器后對其求梯度，圖像梯度峰值的位置即為圖像邊緣點，檢測出邊緣點后即可采用差值細分方法求出圖像邊緣點的精確位置，其值如公式(5)所示，具體計算步驟請參見參考文獻[6]

(5)

圖4 線陣CCD邊緣檢測

在上面的亞像元邊緣檢測系統(tǒng)中，采用對5000個有效像元點進行處理。這種方法計算量大，浪費資源，為了減少計算量，系統(tǒng)對以往的亞像元檢測算法做了改進。線陣CCD輸出一幀數(shù)據(jù)含有5 000個有效像元點信息，最關(guān)心的是邊緣點附近的信息，因此，如果能直接提取出圖像的邊緣點信息，則可簡化計算量，節(jié)省資源。由上面公式(2)～式(3)所確定的亮點灰度值和暗點灰度值為閾值，找出灰度值在二者之間的像元點，這些點即為圖像的邊緣信息點。對這些邊緣點做邊緣檢測，再利用亞像元邊緣檢測算法，計算邊緣點位置，可減少后續(xù)的計算量。

3 誤差分析與改進

在實際測量中，測量誤差受到多種原因的影響，包括CCD器件制造誤差、光源的不穩(wěn)定、透鏡的畸變、鏡頭的焦距和孔徑的選取、工件位置的放置、放大鏡的放大倍數(shù)，這些問題都會降低直徑測量的精度。其中可采用雙目視覺技術(shù)提高工件位置的放置精度。圓型工件由于具有截面投影各向同性特征，測量多通道均可獲得截面頂點位置(即始終為測量圓形工件兩平行切線位置，光路中除頂點外無遮擋)，測量結(jié)果中直徑為多通道剔除粗大誤差后的均值，因此，配置較簡單，測量結(jié)果準確。

(6)

(7)

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圖5 多通道測量原理圖

4 系統(tǒng)測量結(jié)果與精度

為了分析系統(tǒng)的檢測精度，系統(tǒng)對一個已知精度的、直徑為12.732 mm的工件進行測量3次測量，測量結(jié)果如表1。

表1 實驗測量結(jié)果

從表1中可以看出：單通道的單次測量誤差在4 μm左右，單通道多次測量誤差也大于2 μm，采用雙通道多次測量技術(shù)時，系統(tǒng)測量誤差降低到2 μm以內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種高精度雙線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)的組成、原理及具體實現(xiàn)方法。重點介紹了通過改變光積分時間增強線陣CCD輸出信號邊緣特征，通過線陣CCD亮點和暗點像素值迅速找出邊緣點的方法，為了減

小誤差，采用雙線陣CCD多通道多次測量取平均以提高測量精度，系統(tǒng)最小誤差小于2 μm，滿足工業(yè)應用高精度測量的要求。

參考文獻:

[1]馬登極，朱善安，王長軍.線陣CCD在高精度測量系統(tǒng)中的應用[J].計算機測量與控制,2006,14(2).

[2]王曉麗，段春霞，周 陽.高精度非接觸式自動外徑測量方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(8):79-81.

[3]徐光憲，張 慶，付 曉.基于FGPA的模擬視頻采集控制器的研究與實現(xiàn)[J].儀表技器,2012(3):41-43.

[4]張建輝，宋平崗.線陣CCD技術(shù)及其在非接觸測量中的應用[J].機械與電子,2004(8):63-65.

[5]胡曉東，馬 娜.亞像元邊緣檢測的FPGA實現(xiàn)[J].光子學報,2010,39(1):173-176.

[6]劉 艷，趙 紅，于效宇.一種可調(diào)線陣CCD信號采集處理系統(tǒng)[J].半導體光電,2009,30(2):294-299.

[7]谷 林，胡曉東，陳良益.基于FPGA的線陣CCD亞像元邊緣檢測片上系統(tǒng)[J].光子學報,2004,33(5):618-621.