基于CCD測量技術(shù)的激光指向器作用距離檢測

王楠，　吳亮生，　楊陽，　盧杏堅

(1.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點實驗室, 廣東 廣州　510070；

2.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術(shù)公共實驗室, 廣東 廣州　510070)

基于CCD測量技術(shù)的激光指向器作用距離檢測

王楠1,2，吳亮生1,2，楊陽1,2，盧杏堅1,2

(1.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點實驗室, 廣東 廣州510070；

2.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術(shù)公共實驗室, 廣東 廣州510070)

摘要：針對現(xiàn)有小功率半導(dǎo)體激光指向器的作用距離檢測方法存在穩(wěn)定性差、效率低的缺點,提出了一種基于CCD測量技術(shù)的激光指向器作用距離檢測方法。該方法采用CCD傳感器及圖像處理技術(shù)，對基于人眼為接收器的激光指向器作用距離公式進行了理論推導(dǎo)及建模，建立了CCD傳感器接收光功率和輸出灰度之間的函數(shù)關(guān)系，并運用最小二乘法求解出關(guān)系式中的相關(guān)系數(shù)，通過相關(guān)系數(shù)求解出作用距離，實現(xiàn)了小功率激光指向器作用距離的定量檢測。實驗證明了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：激光指向器； 作用距離； CCD傳感器； 光功率； 灰度

0引言

激光指向器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦山巷道掘進時的指向定位。激光指向器的作用距離是指激光指向器在打開的狀態(tài)下，人眼能清晰可辨激光光斑的最遠距離[1]，它是考核激光指向器性能的一個重要參數(shù)，因此,對其進行準確測量有著重要的意義。

目前,激光指向器作用距離的檢測方法主要有立靶法，即在距離激光指向器激光出射口一定距離處放置一個靶標，將指向器激光打到靶上，以能否清晰看到靶標上的激光光斑作為檢測其作用距離的標準。這種方法因受個體人眼差異影響比較大，檢測存在穩(wěn)定性差、效率低的缺點。為此，筆者提出了一種基于CCD測量技術(shù)的激光指向器作用距離檢測方法。該方法首先對基于人眼的激光指向器作用距離公式進行推導(dǎo)并建模，然后得出激光指向器作用距離與CCD灰度的關(guān)系，進而實現(xiàn)小功率激光指向器作用距離的定量檢測，提高了檢測效率[2]。

1基于人眼的激光指向器作用距離公式推導(dǎo)

由于激光指向器是用人眼觀察的，所以，其作用距離與人眼對環(huán)境的感受有關(guān)，即在亮背景和暗背景下，其作用距離的值是不同的。激光指向器作用距離的計算不能采用一般形式的雷達方程[3]。距激光出射口R處光斑面積的計算如圖1所示。假設(shè)激光器指向器的激光出射口徑為D，束散角為θ，則在距離激光指向器出射口R處光斑的面積A為

(1)

式中r為光斑的半徑。

圖1　距激光出射口R處光斑面積的計算

由光照度公式[4]可計算出激光光通量φv。

(2)

式中：Ev為光照度；E為背景照度，由于巷道內(nèi)的亮度很低，根據(jù)不同背景下照度閾值與背景亮度之間的關(guān)系[5](表1)，E取夜晚狀態(tài)。

表1　不同背景下照度閾值與背景亮度之間的關(guān)系

光通量和輻射量之間的關(guān)系式為

(3)

式中：Km為最大光譜光視效能；V(λ)為光譜光效率值[6]；φe(λ)為輻射量;λ為波長。

由式(3)可知，在距激光指向器激光出射口R處激光輻射量φe(λ)為

(4)

將最大光譜光視效能Km=683 lm/W，背景照度E=8×10-7lx代入式(4)，得

(5)

在距離激光指向器激光出射口R處激光光斑的散射功率Pr為

(6)

式中：Pt為發(fā)射功率；τ為激光單程水平大氣衰減系數(shù)。

距激光指向器激光出射口R處的激光幅射量與距激光指向器激光出射口R處的功率相等[6]，即

(7)

由于小功率激光指向器的作用距離多為100 m以內(nèi)，距離短，所以，可將大氣衰減系數(shù)視為1，即

(8)

將式(5)、式(7)代入式(8)，得到激光指向器作用距離R與在R處功率Pt之間的關(guān)系式如下：

(9)

2CCD檢測理論建模

從式(9)可知，只要測出束散角θ和激光的發(fā)射功率Pt就可以求解出作用距離R。實測中，可采用焦斑法和CCD傳感器測出θ值和光斑圖像灰度值。激光指向器光功率與CCD灰度兩者間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

(10)

(11)

將式(11)代入式(10)，得

(12)

將式(12)代入式(9)，可得作用距離R與平均灰度值G之間的關(guān)系：

(13)

作用距離R與束散角θ、平均灰度值G、光譜光效率值V(λ)、波長λ、孔徑D之間的關(guān)系為

(14)

3實例驗證

實驗采用OPHIR激光功率計、敏通22K9HC型CCD相機、4通道圖像采集卡Picolo 2、衰減系數(shù)為10-3的衰減片及2片偏振片構(gòu)成衰減系統(tǒng)，實驗裝置實物如圖2所示。

圖2　實驗裝置實物

激光通過衰減系統(tǒng)后，照射到CCD相機的光敏面及光功率計上，光功率計和CCD在同一平面，實驗原理如圖3所示。

圖3　實驗原理

(15)

將式(11)代入式(15)得出激光的發(fā)射功率Pt與CCD的平均灰度值G之間的函數(shù)關(guān)系為

(16)

圖4　CCD接收的光功率與平均灰度值的擬合關(guān)系直線

以某型波長為635 nm、出射孔徑為4 mm的半導(dǎo)體激光指向器為例進行實測，由光譜光效函數(shù)得出光譜光效率值V(λ)=0.25；實驗選用8位視頻采集卡，即G的最大值為255[7-9]。

取實測值θ=1 mrad，G=32.111 28，τ=10-4，由式(15)得

203.734 1

(17)

按照以上方法重復(fù)測量100次，利用本文方法測得的平均值為203.65 m，結(jié)果范圍為202.38～203.97 m，誤差為1.59 m；而利用立靶法測量100次，測得的平均值為202.42 m，結(jié)果范圍為200.68～204.57 m，誤差為3.89 m。2種方法測得的結(jié)果相近，證明2種方法均可以實現(xiàn)對小功率半導(dǎo)體激光指向器作用距離的檢測，且本文方法測量的誤差范圍小于立靶法，穩(wěn)定性優(yōu)于立靶法。

4結(jié)語

基于CCD測量技術(shù)的激光指向器作用距離檢測方法對基于人眼的作用距離公式進行推導(dǎo)并建模，得出激光指向器作用距離與CCD灰度的關(guān)系，實現(xiàn)了小功率激光指向器作用距離的定量檢測。實驗證明，該方法測量結(jié)果完全滿足激光指向器作用距離檢測精度要求，且測量誤差小于立靶法，具有穩(wěn)定性好、效率高的優(yōu)點。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1548.015.html

Measurement of detection distance of laser pointer based on CCD detection technology

WANG Nan1,2,WU Liangsheng1,2,YANG Yang1,2,LU Xingjian1,2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Control Technology, Guangdong Provincial

Institute of Automation, Guangzhou 510070, China;

2.Guangdong Province Modern Control and Electromechanical Technology Public Laboratory,

Guangdong Provincial Institute of Automation, Guangzhou 510070, China)

Abstract:In view of the problem of poor stability, low efficiency existed in distance detection method of low power semiconductor laser pointer, a measurement method of detection distance of laser pointer based on CCD detection technology was put forward. The detection distance equation of laser pointer with human eye as the receiver was deduced and modeling by using the CCD sensor and image processing technology. The function mathematical model between the two parameters of optical power and gray scale was also established. The least square method was used to solve correlation coefficient of the equation，the detection distance can be solved by correlation coefficient. The method realizes quantitative detection of detection distance of low power semiconductor laser pointer. The feasibility of the method is verified by experiment.

Key words:laser pointer; detection distance; CCD sensor; optical power; gray scale

作者簡介：王楠(1989-)，女，吉林大安人，助理工程師，碩士，主要研究方向為儀器科學(xué)與技術(shù)，E-mail:352137396@qq.com。 張勇(1991-)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向為直流微網(wǎng)能量管理系統(tǒng),E-mail:zyong@cumt.edu.cn。通信作者：徐瑞東(1979-)，男，江蘇啟東人，副教授，主要研究方向為可再生能源發(fā)電與微網(wǎng)技術(shù)，E-mail:ruidongxu@163.com。

基金項目：廣東省科技計劃項目(2011A060901026，2013B060600004，2013B091300013)。

收稿日期：2015-10-15；修回日期：2015-11-12；責(zé)任編輯：張強。 2015-11-24；修回日期：2015-12-21；責(zé)任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD655

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-01-26 15:48

文章編號：1671-251X(2016)02-0058-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.015

王楠，吳亮生，楊陽，等.基于CCD測量技術(shù)的激光指向器作用距離檢測[J].工礦自動化，2016,42(2)：58-61.