基于CCD的微小角度測量方法

李 亮，孫華燕

(裝備學院，北京 101416)

微小角度的精確測量是標校光電轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)靜態(tài)性能指標過程中經(jīng)常面臨的技術(shù)難題。目前的測試方法多是采用自準直儀，但其對準時間長、測量過程復(fù)雜、判讀存在人為誤差等，給實際的應(yīng)用帶來了不便［1-2］。

隨著激光技術(shù)及CCD 技術(shù)的發(fā)展，激光器及CCD 器件已相當常見，并被廣泛應(yīng)用與各個領(lǐng)域，兩者相互配合，完全可以解決一般工程中對微小角度的精確測量［3］。但目前采用CCD 的測角系統(tǒng)多是結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)多、造價昂貴、算法復(fù)雜［2-7］。本文中所介紹的方法使用普通光學鏡頭，經(jīng)圖像處理即可得到較優(yōu)的結(jié)果，有結(jié)構(gòu)簡單、對準要求低、操作簡單、精度高等特點。

1 測量方法

1.1 測量系統(tǒng)與原理

測量系統(tǒng)見圖1 所示，有6 部分組成:激光器、反射鏡、半透半反鏡、接收鏡頭、CCD、圖像處理計算機。其中平面反射鏡貼于被測轉(zhuǎn)臺可與其一起轉(zhuǎn)動。

由于激光光束準直性較好，可認為激光器的出射光為平行光束。測量時，激光器發(fā)出的光束經(jīng)半透半反鏡到達平面反射鏡，經(jīng)其反射后再次經(jīng)半透半反鏡進入CCD 光學接收鏡頭，在CCD 靶面上得到其光點圖像，經(jīng)計算機處理后得到帶有轉(zhuǎn)臺移動角度信息的光斑位置。通過計算光斑在靶面上的移動量，可得到轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度。

如圖2 所示，當轉(zhuǎn)臺水平轉(zhuǎn)動Δθ 角度時，平面鏡也轉(zhuǎn)動Δθ，出射光束與入射光束夾角改變2Δθ，轉(zhuǎn)動前后光束在CCD 焦平面上的光點位置改變的位移量大小Δx 與2Δθ 有對應(yīng)關(guān)系。相當于兩入射平行光束夾角為Δθ，其焦平面上所成光斑距離為Δx。

設(shè)鏡頭焦距為f，則:

圖1 測量系統(tǒng)

圖2 激光反射示意圖

在水平、高低二維轉(zhuǎn)動情況下，需要同時考慮平面鏡方位、俯仰角度變化量Δθx、Δθy。此時需同時判讀光斑中心水平、豎直方向位移量Δx、Δy，其相互關(guān)系為［6］

此方法結(jié)構(gòu)簡單，各系統(tǒng)無需嚴格光軸對準，只需保證反射光線能進入CCD 視場既可。由式(1)可知，影響檢測精度的主要因素是光點質(zhì)心位置，即光心的提取精度。實際上，受CCD 象元尺寸及加工工藝的制約，CCD 采集到的圖像分辨率不能無限制提高。加之CCD 暗電流噪聲、電子線路噪聲等也影響了CCD 圖像的質(zhì)量。這些都加大了檢測過程中光心的提取的難度。

1.2 光心檢測方法

為避免噪聲等對光心位置的影響，對CCD 所采集的圖像進行濾波處理。中值濾波、均值濾波、高斯濾波等方法能有效地降低噪聲［8］，繼而可采用邊界閾值的方法對光斑進行分割，得到光斑在像面上的分布。通過圖像細分，能有效地提高測量系統(tǒng)的分辨率至亞像素級?，F(xiàn)階段針對光心提取的方法主要有基于灰度級的質(zhì)心法、基于邊緣檢測的Hough變換法、邊緣圓擬合法等［9］。鑒于光斑直徑較小(10 個像素點以內(nèi))，本文采用質(zhì)心提取的方法對光心進行提取。

按照測量要求，以光斑重心的位置表示光心位置，以圖像左上點作為坐標原點，向下建立y 軸坐標，向右建立x 軸坐標，建立二維平面坐標系。設(shè)CCD 象元(i，j)對應(yīng)灰度值為Pi，j，像面上光斑重心為(x，y)。設(shè)分割閾值為T，圖像尺寸為m×n，則光斑的重心可定義為:

由于對準等因素影響，光斑內(nèi)部光強分布不均，不易準確提取光心位置?？紤]到激光光斑光強的分布的特點，光斑上光強較強的位置更接近光心位置，可采用灰度級作為權(quán)值對灰度級進行加權(quán)［8］，經(jīng)灰度級加權(quán)的光斑重心改進:

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 測量實驗

依上文搭建測量系統(tǒng)如圖3 所示，激光器選用平均功率為200 mW 的532 nm 半導(dǎo)體激光器。CCD 選用型號為MTV-188EX，其CCD 總像素795(H) ×596(V)，像元尺寸8 μm。選用接收鏡頭最大焦距270 mm。當焦距最大時，光斑每移動一個像素，其對應(yīng)的平面鏡移動的角度Δθ:

采集一組(7 個)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)方位隨機小角度步進的光斑圖像。使用激光器測量時，盡量將激光調(diào)弱，以減少CCD 由于激光照射所產(chǎn)生的雜散光噪聲。應(yīng)用普通質(zhì)心法及灰度級加權(quán)質(zhì)心法求取其光心位置。

圖3 試驗實物圖

圖4 光斑圖像( 全景)

圖5 光斑圖像( 處理后放大)

選取不同的閾值，所得數(shù)據(jù)分別如表1、表2 所示。

2.2 結(jié)果分析

轉(zhuǎn)臺僅做方位運動，認為其俯仰方向沒有運動，則可認為y 方向的誤差即為測量系統(tǒng)的誤差。分別求取不同方法所得y 值的算數(shù)平均值，并記做y 值真實值，計算各組值y 方向的偏差，所得誤差曲線如圖6 所示。每組統(tǒng)計特性見表3(ˉx 為算術(shù)平均值，S2為方差)。

表1 普通質(zhì)心法提取光心位置( pixel)

表2 灰度級加權(quán)法質(zhì)心提取光心位置( pixel)

圖6 誤差曲線

通過比較可得出結(jié)論:灰度級加權(quán)質(zhì)心法的精度明顯優(yōu)于普通質(zhì)心法。選取合適的閾值對系統(tǒng)測量的精度影響較大。針對本次實驗，閾值T=120 時效果最佳，結(jié)合灰度級加權(quán)質(zhì)心法提取光心位置，測量系統(tǒng)的圖像判讀精度優(yōu)于0.2個像素點，測量系統(tǒng)的最小分辨率可達2.96 μrad(0.6″)。此時結(jié)合x 方向所得數(shù)據(jù)，可求解轉(zhuǎn)臺方位小角度步進過程，見表4。

表3 各組統(tǒng)計特性

表4 微小角度求解

3 結(jié)束語

本文介紹的這種方法，應(yīng)用了CCD、激光器，結(jié)合圖像處理實現(xiàn)了對微小角度的測量。雖然這種基于CCD 的微小角度測量方法應(yīng)用簡便、精度較高。但也存在一些不足和需要繼續(xù)研究的地方。應(yīng)用時，為獲得較優(yōu)光斑激光光強要盡可能弱，限制了其使用條件;所選閾值對系統(tǒng)精度影響較大，參考文獻［9］中提出了合理選取閾值的方法，對該方法具有一定的參考意義，但沒有確定最佳閾值的簡便易行的方法;系統(tǒng)結(jié)果受到多種因素的影響，系統(tǒng)最小分辨率易隨實驗條件變化而改變。除此之外，受到CCD 靶面尺寸等的影響，該方法測角量程約為10 mrad，限制了該方法的使用范圍。

［1］汪立新，李忠科，戚堂友.高精度二維激光測角裝置的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.彈箭與制導(dǎo)學報，2007，27(3):290-294.

［2］劉鵬飛，呂勇，劉力雙，等.基于CCD 的空間光束投影夾角測量［J］. 北京信息科技大學學報，2011，26(4):73-76.

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