閆思家，彭仁軍 ，馮 波，高建雙

(電子科技大學光電信息學院，成都610054)

近年來，激光以其優(yōu)越的相干特性在無損檢測和非接觸測量中得到越來越廣泛的應用。激光測量技術具有一般方法無法達到的精確度和靈敏度，可以遠距離、非接觸測量，且在軍事應用中具有抗干擾能力強、保密性好等優(yōu)點［1］。激光測振主要方法有:多普勒效應法、全息干涉計量法、散斑法。其中散斑法測量振動的方法分為:散斑照相術、散斑干涉測量術、電子散斑圖樣干涉測量術(ESPI)以及數(shù)字散斑相關測量術(DSCM)［2－3］。本文針對數(shù)字散斑相關測量技術提出了一種實時測量目標角振動的新方法。

數(shù)字散斑相關方法與其他散斑測量方法相比具有光路簡單、要求測量環(huán)境簡單，可以在野外應用等優(yōu)點。目前國內外利用數(shù)字散斑相關測量振動的方法主要是通過用CCD 攝像機探測散斑圖像并送入計算機進行圖像處理［4－6］。本文提出了一種基于FPGA 的激光散斑實時測量目標角振動的新方法，該方法的核心思想是利用線陣CCD 采集散斑圖像并送入FPGA 進行圖像處理，具有結構簡單、實時快速、遠距離測振等特點。

1 數(shù)字散斑相關法測振的原理

數(shù)字散斑相關方法是對物體變形前后采集物體表面的兩幅圖像(散斑場)進行相關處理，以實現(xiàn)物體變形場的測量［7］。

本方法主要是利用粗糙玻璃界面散射的激光散斑進行相關分析，運用數(shù)字散斑相關的方法，對變形前后的兩幅圖像作模板匹配，根據互相關運算最終實現(xiàn)對目標角振動變化的測量。其原理圖如圖1。

圖1 數(shù)字散斑相關法測量目標角振動原理圖

激光器發(fā)射出一束激光，激光束通過由透鏡組構成的光學發(fā)射天線P1 后，會聚照射到目標的粗糙表面，目標粗糙表面對激光束散射后在空間中形成散斑。將光電探測器(線陣CCD)置于空間散斑場中，首先通過一光纖傳像束將散斑面陣圖像轉換為線陣圖像，再通過由透鏡組構成的光學接收天線P2耦合入線陣CCD 進行散斑圖像采集。目標粗糙表面繞面內軸線進行微小角振動時，引起空間散斑的往復平移，從而引起探測器光敏面上的光強發(fā)生起伏。起伏的幅度和頻率分別反映了角振動的幅度和頻率。光強起伏被光電探測器轉化為電信號起伏，探測器輸出的電信號經調理及A/D 轉換后送入FPGA 進行相關運算，即可獲得目標的角振動頻率和相對幅度信息，并將結果送入計算機進行顯示。

2 數(shù)字散斑相關法測振的實現(xiàn)

數(shù)字散斑相關法測振的實現(xiàn)包括發(fā)射模塊、接收模塊以及信號處理模塊。

2.1 發(fā)射模塊

數(shù)字散斑相關方法所用光源可以是激光或者是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然紋理。本方法中發(fā)射模塊選用波長為680 nm 的紅光半導體激光器，發(fā)射功率約為5 mW。由于目標散射面照明光斑尺寸越小，目標散射面絕大多數(shù)微元的間距也就控制得越小，探測到的光功率交流分量起伏越大，也即信號越強，因此激光器的發(fā)散角應調節(jié)的越小越好。

2.2 接收模塊

電荷耦合器件(CCD)以其體積小、重量輕、電壓及功耗低、可靠、壽命長等一系列優(yōu)點，應用領域已涉及到生產生活及國防事業(yè)中，如航天、航空、遙感、衛(wèi)星偵察、相機、機器人視覺等各個領域。CCD 器件按其感光單元的排列方式分為線陣CCD 和面陣CCD兩類。傳統(tǒng)的數(shù)字散斑相關方法中采用面陣CCD 采集散斑圖像，但對利用面陣CCD 采集到的圖像進行相關匹配的做法雖然可以提高空間的采樣率，但相關處理運算量大，難以實現(xiàn)實時在線檢測。而線陣CCD結構簡單，成本較低，可根據實際需求增加單排感光單元數(shù)目，大大提高其測量范圍，并可保證測量精度。同時線陣CCD 實時傳輸?shù)墓怆娮儞Q信號和自掃描速度快、頻率響應高、能夠實現(xiàn)動態(tài)測量，并能在低照度下工作。因此，本方法選用高速線陣CCD 和大規(guī)模邏輯電路FPGA 完成信息采集和相關處理，以實現(xiàn)對目標角振動的快速實時測量。

本方法選用日本TOSHIBA 公司的TCD1209D線陣CCD 器件。該器件具有優(yōu)良的光電特性，由2088 個光電二極管構成光敏元陣列，其中有2048個有效像元，光敏元陣列總長為28.672 mm。該器件工作在12 V 電壓下，典型工作頻率為1 MHz，最高可工作在20 MHz。TCD1209D 正常工作所需的控制脈沖有:RS、CP、SH、F1、F2，輸出信號為:OS。其中SH 為轉移脈沖、F1 和F2 為驅動脈沖、RS 為復位脈沖、CP 為緩沖控制脈沖［8］。本方法中由FPGA為CCD 提供所需要的控制脈沖。TCD1209D 的驅動時序如圖2 所示。

圖2 TCD1209D 驅動時序圖

由于線陣CCD 所采集的信號只是某一條直線上的信息，所以一般需要借助于機械的手段實現(xiàn)CCD 對圖像的掃描。而本方法摒棄傳統(tǒng)思想，利用光纖傳像束將二維的散斑圖像轉換成一維圖像，再利用線陣CCD 采集光信號。光纖傳像束的一端是32×32 的光纖面陣，用以接收空間中的散斑圖像，另一端將面陣光纖的每一行按照從上往下的順序依次排開，并且保持原光纖在每一行中的位置不變，即實現(xiàn)一一對應(以方便在信號處理時對原圖像進行還原)，組成1×1024 的線陣光纖。

2.3 信號處理模塊

在信號處理中，主要的功能模塊包括:信號調理模塊、A/D 轉換模塊以及FPGA 處理模塊，其結構如圖3 所示。

2.3.1 信號調理模塊

圖3 信號處理模塊結構圖

信號調理模塊用以消除CCD 輸出信號的噪聲和干擾，改善圖像質量，在CCD 的動態(tài)范圍內盡量保證圖像信號隨被測目標亮度呈線性變化。在本方法中，選用AD623 差分放大器實現(xiàn)差分放大，并在其輸出端連接射極跟隨器以增強信號的驅動能力，之后再接一級RC 低通濾波器，進一步濾除噪聲，其原理如圖4 所示。經過上述處理后的信號就可以送入A/D 芯片進行量化。

圖4 差分放大電路部分原理圖

2.3.2 A/D 轉換模塊

A/D 轉換模塊則完成對CCD 輸出信號的數(shù)字化，以便送入FPGA 進行處理。本方法中A/D 芯片選用ADI 公司的AD9283。AD9283 是一款8 位單芯片采樣模數(shù)轉換器(ADC)，內置一個片內采樣保持電路，轉換速率50 Msample/s、80 Msample/s 和100 Msample/s 可選，在整個工作范圍內都具有出色的動態(tài)性能。AD9283 只需一個3. 0 V(2. 7 V～3.6 V)單電源和一個編碼時鐘就能充分發(fā)揮工作性能，對于大多數(shù)應用來說，無需外部基準電壓源或驅動器件［9］。本方法選用50 Msample/s 的轉換速率工作，編碼時鐘由FPGA 提供。

2.3.3 FPGA 處理模塊

在實時圖像處理中，圖像的濾波、直方圖統(tǒng)計及均衡、圖像增強、灰度變換等信號處理的處理數(shù)據量大，并且對于一些實時性要求比較高的系統(tǒng)，處理速度往往是要考慮的關鍵因素。目前在圖像處理方面主要采用DSP 或者FPGA 實現(xiàn)，對于普通的DSP，當進行比較復雜的運算時需要循環(huán)幾百次才能完成，因此速度較慢。而FPGA 是并行處理結構，可同時進行不同性質的運算，具有速度快、靈活性高等特點，因此用FPGA 進行硬件實現(xiàn)可以大大提高系統(tǒng)的性能。

FPGA 處理模塊的核心思想是:CCD 輸出的信號經信號調理模塊處理及A/D 芯片量化后送入FPGA，先存入異步FIFO，通過乒乓傳輸結構來滿足高速圖像采集與傳輸同步的要求，之后存入RAM，再將散斑圖像的線陣信息還原為面陣信息后進行相關運算，找到相關系數(shù)極值點，進而得到角振動的變化信息。

目標粗糙表面對激光束散射后在空間中形成散斑，在空間任意處探測到的散斑都具有相同的特性。散斑平均尺寸與照明光斑的大小以及探測器與目標照射面的距離有關。根據理論估算散斑的大小，本方法采用32×32 的面陣光纖探測散斑，不用像傳統(tǒng)的數(shù)字散斑相關算法那樣需要尋找一目標圖像的子區(qū)，而是直接可以利用這個32 pixel×32 pixel 的散斑圖像進行相關。相關運算的極值就是振動前后的變化量，可根據前1024 組圖像的相關運算得出散斑圖像的中心位置，進而根據下一時刻的散斑圖像與之相關得到的變化量就可以計算出該時刻散斑圖像的中心位置坐標，并將結果送入計算機顯示。

本方法采用Altera 公司Cyclone Ⅲ系列的EP3C25F256 芯片，其邏輯門、存儲資源足夠本方案使用并有充足的擴展余地。

3 仿真及實驗結果

根據線陣CCD－TCD1209D 的驅動時序圖，采用VerilogHDL 語言編寫驅動脈沖，并結合Modelsim6.4進行功能仿真，得到仿真波形如圖5、圖6 所示。

圖5 SH 置高時各驅動脈沖的波形

圖6 SH 置低時各驅動脈沖的波形

利用本方法做了初步實驗，用收音機做激勵源激振玻璃窗。根據數(shù)字散斑相關方法在應用中需要滿足的條件，首先選用具有粗糙表面的玻璃面作為照射面，然后使發(fā)射激光束與照射面近乎垂直，并將光纖傳像束以及線陣CCD 置于離照射面20 mm 左右的地方，其中保持光纖傳像素的面陣那邊與照射面近乎平行，線陣那邊與CCD 保持平行并通過透鏡將光耦合入線陣CCD。計算機最終顯示的是散斑圖像中心位置的坐標信息，表1 給出了實驗系統(tǒng)開始工作后的前十組數(shù)據。

表1 振動時散斑圖像中心位置坐標

數(shù)據1 是系統(tǒng)開始工作后，F(xiàn)PGA 接收到的前1024 組數(shù)據進行相關運算得出相關系數(shù)的極值并求平均后得到的散斑圖像的中心位置坐標，數(shù)據2 ～10 是之后的下一組數(shù)據與前一組數(shù)據進行相關運算得到變化量后與原中心位置坐標比較得出此刻的散斑圖像的中心位置坐標。

與此同時將線陣CCD 輸出信號另經后續(xù)處理電路處理，用耳機還原信號，獲得了失真較小的原始信號。由此證明，用該方法進行實時振動測量是可行的。

4 結論

本文提出的激光散斑測振方法具有數(shù)字散斑相關測量技術測量系統(tǒng)簡單、表面處理簡便、對測量環(huán)境要求低以及數(shù)據采集自動化程度高等優(yōu)點，解決了現(xiàn)有激光非接觸測量振動方法和儀器存在的實時性不好、系統(tǒng)結構復雜、對器件要求較高和近距離測量等缺陷。將各種時序控制、存儲器模塊以及信號處理模塊都由一片F(xiàn)PGA 芯片來實現(xiàn)，達到了節(jié)省功耗、降低成本、減小系統(tǒng)尺寸的目的。仿真結果及實驗表明本文提出的這種方法是可行的，為數(shù)字散斑相關法用于竊聽器的設計提供了一條新思路。

［1］ 金國藩，李景鎮(zhèn). 激光測量學［M］. 北京:科學出版社，1998:697－700.

［2］ Yamaguchi. Simplified Laser－Speckle Strain Gauge［J］. Optical Engineering，1982，21(3):436－440.

［3］ Peters W H，Ranson W F.Digital Imaging Techniques in Experiment［J］.Optical Engineering，1982，21(3):427－431.

［4］ 金觀昌，孟利波，陳俊達，等. 數(shù)字散斑相關技術進展及應用［J］.實驗力學，2006，21(6):690－695.

［5］ 郭勇.遠距離數(shù)字散斑相關測量系統(tǒng)的研制與在結構工程中的應用［D］.浙江:浙江大學工程力學，2004:6－25.

［6］ 熊倫. 激光散斑相關計量系統(tǒng)的研究［D］. 華東師范大學，2007，5－22.

［7］ 金觀昌.計算機輔助光學測量［M］:第2 版.北京:清華大學出版社，2007，141－183.

［8］ TOSHIBA.TCD1209D Datasheet［S］.1997.

［9］ ADI.AD9283 Datasheet［S］.1999.