（1．東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004；2北京航空航天大學(xué)自動(dòng)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(yáng) 110004；2北京航空航天大學(xué)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)小角度測(cè)量的精密測(cè)量?jī)x器，是一種應(yīng)用廣泛的瞄準(zhǔn)及測(cè)量?jī)x器。本文針對(duì)光電自準(zhǔn)直儀的光路結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理算法三部分進(jìn)行研究，，其中重點(diǎn)研究了四種光點(diǎn)位移檢測(cè)算法，降低示值誤差、實(shí)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(shí)現(xiàn)的小角度測(cè)量的重要儀器，是角度測(cè)量最重要的儀器之一，應(yīng)用非常廣泛，在精密、超精密測(cè)量方面有極為重大的作用。尤其是在實(shí)現(xiàn)小角度的多維測(cè)量、非接觸測(cè)量中具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌平臺(tái)的直線度、精密平臺(tái)的平面度等精密測(cè)量領(lǐng)域，是機(jī)械、計(jì)量、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等部門必備的常規(guī)測(cè)量?jī)x器之一，各級(jí)計(jì)量的定標(biāo)都是需要通過(guò)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(cè)的計(jì)量工具[2]。

目前，國(guó)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(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。國(guó)外的自準(zhǔn)直儀雖然精度高、性能好，但是價(jià)格昂貴且維護(hù)不便。本文基于工程實(shí)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(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙線陣光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)利用了自準(zhǔn)直原理，將測(cè)量反射鏡反射光束分光分別照射在兩個(gè)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(duì)應(yīng)于兩個(gè)線陣CCD器件上的線量變化，通過(guò)對(duì)CCD器件輸出信號(hào)的采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出線量變化量，利用自準(zhǔn)直原理公式計(jì)算角度變化，從而實(shí)現(xiàn)高精度二維角度變化的測(cè)量。系統(tǒng)主要由光學(xué)部分，硬件電路部分和計(jì)算機(jī)軟件部分組成。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的測(cè)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(cè)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(dòng)電路的作用下，CCD器件將內(nèi)部像素信號(hào)順序輸出，數(shù)據(jù)采集電路對(duì)CCD器件輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和采集，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化，最后將采集數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示（或通過(guò)DSP處理核心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后將最終結(jié)果通過(guò)液晶屏顯示）。

3 光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)于儀器的測(cè)量距離和測(cè)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(diǎn)在物鏡光軸上，那么由它發(fā)出的光線通過(guò)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(shí)，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(shí)，光線按反射定律與原光線成2α返回，通過(guò)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(shí)時(shí)測(cè)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?yàn)槲镧R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(jì)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(cè)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(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)器件用來(lái)單獨(dú)測(cè)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(guò)物鏡為平行光并射向反射鏡；反射光線再次經(jīng)過(guò)物鏡形成匯聚光線，通過(guò)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(cè)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(cè)器件（CCD）上。當(dāng)反射鏡垂直主光軸時(shí)，反射光線正好匯聚在兩個(gè)探測(cè)器件（CCD）的中心位置;當(dāng)反射鏡有一個(gè)空間偏轉(zhuǎn)時(shí)，反射光線的匯聚點(diǎn)都將偏離探測(cè)器件的中心位置，測(cè)量匯聚點(diǎn)偏離中心位置的距離，利用式（1）即可求出兩個(gè)偏轉(zhuǎn)角α、β的角度值。

4 數(shù)據(jù)處理單元

圖5為實(shí)際光點(diǎn)局部的灰度分布圖。

光點(diǎn)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(jiǎn)單的一種定位算法，理論上計(jì)算出的結(jié)果有很高的精確程度，但實(shí)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(diǎn)內(nèi)灰度分布、光點(diǎn)形狀、光點(diǎn)區(qū)域識(shí)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(lái)講，灰度值越大，像素對(duì)光點(diǎn)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(lái)計(jì)算，即

重心法與改進(jìn)重心法將光點(diǎn)區(qū)域的所有點(diǎn)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(gè)噪聲點(diǎn)就有可能對(duì)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(duì)于一個(gè)LED光源來(lái)說(shuō)，能量分布可以用理想高斯模型來(lái)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?yàn)槔?，發(fā)光點(diǎn)的能量分布數(shù)學(xué)模型為

高斯擬合接近于實(shí)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(shí)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(guò)擬合光點(diǎn)灰度實(shí)際分布情況，求得光點(diǎn)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(jì)算速度。

4.4 拋物線擬合

光點(diǎn)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(diǎn)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(cè)量方法用拋物面來(lái)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(shí)際，且計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有計(jì)算對(duì)數(shù)，相對(duì)減少了計(jì)算量和誤差累計(jì)；但仍需要進(jìn)行廣義逆矩陣求解，適用于實(shí)時(shí)性要求不高的情況。

4.5 實(shí)際測(cè)量與真實(shí)值比較

圖7中，波形為5340個(gè)像素點(diǎn)的電壓值，橫軸為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱軸為像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值。可以看到，除重心法外，幾種方法的測(cè)量結(jié)果差距在1個(gè)像素點(diǎn)以內(nèi)，轉(zhuǎn)換為角度在1″之內(nèi)。

5 硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)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(cè)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(cè)量反射鏡反射光束分光分別照射在兩個(gè)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(duì)應(yīng)于兩個(gè)線陣CCD器件上的線量變化，通過(guò)對(duì)CCD器件輸出信號(hào)的采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出線量變化量，利用自準(zhǔn)直原理公式計(jì)算角度變化，從而實(shí)現(xiàn)高精度二維角度變化的測(cè)量。這樣，就完美地解決了線陣CCD作二維測(cè)量時(shí)可能會(huì)不精確的問(wèn)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(guò)分光棱鏡的光線照射在CCD芯片上，通過(guò)CCD驅(qū)動(dòng)電路正常工作的CCD產(chǎn)生相應(yīng)的5340個(gè)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(guò)RS-422轉(zhuǎn)232發(fā)送到89C51單片機(jī)上；單片機(jī)起一個(gè)串口轉(zhuǎn)并口的作用，把數(shù)據(jù)原封不動(dòng)通過(guò)并口發(fā)送至液晶屏加以顯示。

5.1 CCD驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移柵中；SP是像元同步脈沖信號(hào)，一位SP對(duì)應(yīng)一個(gè)CCD光敏元輸出信號(hào)；Φ是移位脈沖，它將轉(zhuǎn)移柵當(dāng)中的信號(hào)逐位轉(zhuǎn)移出來(lái)；RS是復(fù)位信號(hào)；DOS是CCD信號(hào)輸出；OS是輸出信號(hào)補(bǔ)償。

本文擬采用CPLD芯片，結(jié)合TCD1500C的時(shí)序圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)CCD驅(qū)動(dòng)電路。圖9為TCD1500C的時(shí)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(hào)是由DOS（信號(hào)輸出）和OS（輸出信號(hào)補(bǔ)償）兩部分組成的，故此，在將信號(hào)輸入DSP2812之前要先對(duì)2路信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到角度值，并通過(guò)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(guò)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(gè)串口-并口的過(guò)渡。89C51不對(duì)數(shù)據(jù)做任何處理，只是單純的作為一個(gè)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于線陣CCD的光電自準(zhǔn)直儀專用檢測(cè)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(cè)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(yàn)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(jì)指標(biāo)。參考文獻(xiàn)

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