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        利用LD激光器和線陣CCD實現(xiàn)亞毫米級絕對距離測量

        2013-08-31 02:32:02張樹才
        裝備制造技術(shù) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:和線感光光斑

        張樹才

        (裝備學院,北京101416)

        激光測距主要有脈沖式、相位式和干涉式三種方法[1]。脈沖式主要針對遠距離測量,精度約在1m量級;相位式主要針對中近距離測量,精度約在毫米量級;干涉法有很高的測量精度可達皮米級,目前在產(chǎn)品級別只能進行相對距離測量[1]。雖然干涉法在實驗室有進行絕對距離測量的相關(guān)論文[2],但對光源及其外圍器件要求太高無法進行商品化生產(chǎn)。本文提出了利用LD激光器和線陣CCD實現(xiàn)亞毫米級絕對距離測量。

        1 利用LD激光器和線陣CCD實現(xiàn)絕對距離測量

        1.1 基本測量原理

        基本測量原理如圖1所示。

        LD光源與線陣CCD安裝在同一平面上,當被測目標位于初始位置b1時,從LD光源發(fā)出的光以α角度射向被測目標B1點后被反射到線陣CCD的C1點,當被測目標移動到b2位置時,從LD光源發(fā)出的光以同樣角度射向被測目標B2點后被反射到線陣CCD的C2點形成三角形AB2C2,由于被測目標反射面的安裝與LD光源和線陣CCD安裝平面平行,則:

        上式中C1C2是線性CCD通過相關(guān)電路測出的相對長度,AB1、AC1和激光發(fā)射角α 是初始常量,通過式(2)可解算出B1B2,將其代入式(1)即可解算出測試距離b1b2,這樣被測目標的絕對空間距離與線陣CCD感光點建立了一一對應的關(guān)系,當被測目標位移較短時可得到較高的精度。

        1.2 利用亞像素技術(shù)實現(xiàn)精度保證

        圖像幾何測量的基本原理是通過運用數(shù)字圖像處理方法處理被測對象的邊緣而獲得被測對象的幾何參數(shù)。為提高測量精度,可以通過改變硬件和優(yōu)化軟件兩種方法實現(xiàn)。改變硬件主要是提高CCD的分辨率,但CCD的分辨率是有限的,而且分辨率越高其價格也越昂貴,將極大地增加系統(tǒng)的成本。優(yōu)化軟件則是通過采用高精度的邊緣提取算法—亞像素定位方法,對圖像中目標進行亞像素細分處理。

        所謂亞像素測量即測量精度優(yōu)于硬件像素的分辨率。通常測量判斷光斑中心點采用閾值判斷,電平高于某值輸出“1”,低于某值輸出“0”,得到的分辨率與像素數(shù)量相當。亞像素則是利用A/D變換器作為像素感光值輸出,假設(shè)有兩個像素存在感光,左邊的感光值為20,右邊的感光值為100,采用計算像素的感光值所占的權(quán)重比,在此為20/100=1/5,則得出光斑中心應處于右邊像素偏左1/5像素間隔處,如果A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為8位則理論上精度可提高255倍,由于線陣CCD像素是離散的即其輸出并不能完全反映光點的絕對位置,經(jīng)實際驗證采用亞像素技術(shù)精度提高2~5倍時數(shù)據(jù)是可信的[3]。

        圖2 實際線陣CCD激光光斑成像圖

        圖2為實際線陣CCD激光光斑成像圖,輸出采用8位A/D采樣,下面一行數(shù)字為對應像素單元的亮度值,可以看出亮度值是一個漸變的過程而且左右漸變并不嚴格對稱。本文采用的方法是先尋找到最大值,然后在最大值兩邊各取同樣數(shù)量的像素值算術(shù)求和,最后用力矩平衡計算光斑中心位置。

        2 系統(tǒng)實現(xiàn)

        本文是某機器設(shè)備平衡控制系統(tǒng)平衡錘位置感知模塊,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。模塊由LD激光器、準直鏡、反射鏡、線陣CCD、A/D轉(zhuǎn)換器、控制器和受控電源組成。使用受控電源是為滿足系統(tǒng)節(jié)電需求。

        模塊工作過程如下:平時模塊處在待機狀態(tài),當設(shè)備平衡控制系統(tǒng)要調(diào)整平衡錘位置時首先發(fā)出指令打開模塊受控電源,模塊上電進行初始化,模塊完成初始化后首先對被測目標進行距離測量,完成后控制器向上位機發(fā)出數(shù)據(jù)上傳請求,上位機應答后上傳數(shù)據(jù),完成后等待上位機發(fā)出新的測距指令。測距完成后上位機通過關(guān)閉可控電源使模塊進入待機狀態(tài)完成一個測距循環(huán)。

        圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3 結(jié)束語

        本文提出了利用LD激光器和線陣CCD實現(xiàn)了亞毫米級的非接觸絕對距離測量,測長可達2m,但本方法只能在近距離得到較高的精度,而且對合作目標要求有一定的軸向穩(wěn)定性,因而也限制了使用范圍。

        [1]李 梟.半導體激光測距系統(tǒng)的優(yōu)化研究[D].北京:北京郵電大學,2010.

        [2]梁 晶,龍興武,張 斌,等.一種新型多波長絕對距離干涉測量系統(tǒng)的研究[J].光學技術(shù),2008,(9):77-78.

        [3]王后順.ATOS光學測量技術(shù)[J].寶力機械,2012,(5):169-170.

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