一種基于FPGA 的激光散斑實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)角振動(dòng)的新方法*

閆思家，彭仁軍 ，馮 波，高建雙

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

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

數(shù)字散斑相關(guān)方法與其他散斑測(cè)量方法相比具有光路簡(jiǎn)單、要求測(cè)量環(huán)境簡(jiǎn)單，可以在野外應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外利用數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量振動(dòng)的方法主要是通過用CCD 攝像機(jī)探測(cè)散斑圖像并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理［4－6］。本文提出了一種基于FPGA 的激光散斑實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)角振動(dòng)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(jìn)行圖像處理，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)快速、遠(yuǎn)距離測(cè)振等特點(diǎn)。

1 數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)振的原理

數(shù)字散斑相關(guān)方法是對(duì)物體變形前后采集物體表面的兩幅圖像(散斑場(chǎng))進(jìn)行相關(guān)處理，以實(shí)現(xiàn)物體變形場(chǎng)的測(cè)量［7］。

本方法主要是利用粗糙玻璃界面散射的激光散斑進(jìn)行相關(guān)分析，運(yùn)用數(shù)字散斑相關(guān)的方法，對(duì)變形前后的兩幅圖像作模板匹配，根據(jù)互相關(guān)運(yùn)算最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)角振動(dòng)變化的測(cè)量。其原理圖如圖1。

圖1 數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)量目標(biāo)角振動(dòng)原理圖

激光器發(fā)射出一束激光，激光束通過由透鏡組構(gòu)成的光學(xué)發(fā)射天線P1 后，會(huì)聚照射到目標(biāo)的粗糙表面，目標(biāo)粗糙表面對(duì)激光束散射后在空間中形成散斑。將光電探測(cè)器(線陣CCD)置于空間散斑場(chǎng)中，首先通過一光纖傳像束將散斑面陣圖像轉(zhuǎn)換為線陣圖像，再通過由透鏡組構(gòu)成的光學(xué)接收天線P2耦合入線陣CCD 進(jìn)行散斑圖像采集。目標(biāo)粗糙表面繞面內(nèi)軸線進(jìn)行微小角振動(dòng)時(shí)，引起空間散斑的往復(fù)平移，從而引起探測(cè)器光敏面上的光強(qiáng)發(fā)生起伏。起伏的幅度和頻率分別反映了角振動(dòng)的幅度和頻率。光強(qiáng)起伏被光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)起伏，探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)調(diào)理及A/D 轉(zhuǎn)換后送入FPGA 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即可獲得目標(biāo)的角振動(dòng)頻率和相對(duì)幅度信息，并將結(jié)果送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。

2 數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)振的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)振的實(shí)現(xiàn)包括發(fā)射模塊、接收模塊以及信號(hào)處理模塊。

2.1 發(fā)射模塊

數(shù)字散斑相關(guān)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(zhǎng)為680 nm 的紅光半導(dǎo)體激光器，發(fā)射功率約為5 mW。由于目標(biāo)散射面照明光斑尺寸越小，目標(biāo)散射面絕大多數(shù)微元的間距也就控制得越小，探測(cè)到的光功率交流分量起伏越大，也即信號(hào)越強(qiáng)，因此激光器的發(fā)散角應(yīng)調(diào)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(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到生產(chǎn)生活及國(guó)防事業(yè)中，如航天、航空、遙感、衛(wèi)星偵察、相機(jī)、機(jī)器人視覺等各個(gè)領(lǐng)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(guān)方法中采用面陣CCD 采集散斑圖像，但對(duì)利用面陣CCD 采集到的圖像進(jìn)行相關(guān)匹配的做法雖然可以提高空間的采樣率，但相關(guān)處理運(yùn)算量大，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。而線陣CCD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，可根據(jù)實(shí)際需求增加單排感光單元數(shù)目，大大提高其測(cè)量范圍，并可保證測(cè)量精度。同時(shí)線陣CCD 實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓怆娮儞Q信號(hào)和自掃描速度快、頻率響應(yīng)高、能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)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(guān)處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)角振動(dòng)的快速實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)光電二極管構(gòu)成光敏元陣列，其中有2048個(gè)有效像元，光敏元陣列總長(zhǎng)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(hào)為:OS。其中SH 為轉(zhuǎn)移脈沖、F1 和F2 為驅(qū)動(dòng)脈沖、RS 為復(fù)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(qū)動(dòng)時(shí)序如圖2 所示。

圖2 TCD1209D 驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖

由于線陣CCD 所采集的信號(hào)只是某一條直線上的信息，所以一般需要借助于機(jī)械的手段實(shí)現(xiàn)CCD 對(duì)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(zhuǎn)換成一維圖像，再利用線陣CCD 采集光信號(hào)。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(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)(以方便在信號(hào)處理時(shí)對(duì)原圖像進(jìn)行還原)，組成1×1024 的線陣光纖。

2.3 信號(hào)處理模塊

在信號(hào)處理中，主要的功能模塊包括:信號(hào)調(diào)理模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊以及FPGA 處理模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

2.3.1 信號(hào)調(diào)理模塊

圖3 信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)調(diào)理模塊用以消除CCD 輸出信號(hào)的噪聲和干擾，改善圖像質(zhì)量，在CCD 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)盡量保證圖像信號(hào)隨被測(cè)目標(biāo)亮度呈線性變化。在本方法中，選用AD623 差分放大器實(shí)現(xiàn)差分放大，并在其輸出端連接射極跟隨器以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，之后再接一級(jí)RC 低通濾波器，進(jìn)一步濾除噪聲，其原理如圖4 所示。經(jīng)過上述處理后的信號(hào)就可以送入A/D 芯片進(jìn)行量化。

圖4 差分放大電路部分原理圖

2.3.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

A/D 轉(zhuǎn)換模塊則完成對(duì)CCD 輸出信號(hào)的數(shù)字化，以便送入FPGA 進(jìn)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(zhuǎn)換器(ADC)，內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)采樣保持電路，轉(zhuǎn)換速率50 Msample/s、80 Msample/s 和100 Msample/s 可選，在整個(gè)工作范圍內(nèi)都具有出色的動(dòng)態(tài)性能。AD9283 只需一個(gè)3. 0 V(2. 7 V～3.6 V)單電源和一個(gè)編碼時(shí)鐘就能充分發(fā)揮工作性能，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，無需外部基準(zhǔn)電壓源或驅(qū)動(dòng)器件［9］。本方法選用50 Msample/s 的轉(zhuǎn)換速率工作，編碼時(shí)鐘由FPGA 提供。

2.3.3 FPGA 處理模塊

在實(shí)時(shí)圖像處理中，圖像的濾波、直方圖統(tǒng)計(jì)及均衡、圖像增強(qiáng)、灰度變換等信號(hào)處理的處理數(shù)據(jù)量大，并且對(duì)于一些實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)，處理速度往往是要考慮的關(guān)鍵因素。目前在圖像處理方面主要采用DSP 或者FPGA 實(shí)現(xiàn)，對(duì)于普通的DSP，當(dāng)進(jìn)行比較復(fù)雜的運(yùn)算時(shí)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(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行不同性質(zhì)的運(yùn)算，具有速度快、靈活性高等特點(diǎn)，因此用FPGA 進(jìn)行硬件實(shí)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(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)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(jié)構(gòu)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(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，找到相關(guān)系數(shù)極值點(diǎn)，進(jìn)而得到角振動(dòng)的變化信息。

目標(biāo)粗糙表面對(duì)激光束散射后在空間中形成散斑，在空間任意處探測(cè)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(cè)器與目標(biāo)照射面的距離有關(guān)。根據(jù)理論估算散斑的大小，本方法采用32×32 的面陣光纖探測(cè)散斑，不用像傳統(tǒng)的數(shù)字散斑相關(guān)算法那樣需要尋找一目標(biāo)圖像的子區(qū)，而是直接可以利用這個(gè)32 pixel×32 pixel 的散斑圖像進(jìn)行相關(guān)。相關(guān)運(yùn)算的極值就是振動(dòng)前后的變化量，可根據(jù)前1024 組圖像的相關(guān)運(yùn)算得出散斑圖像的中心位置，進(jìn)而根據(jù)下一時(shí)刻的散斑圖像與之相關(guān)得到的變化量就可以計(jì)算出該時(shí)刻散斑圖像的中心位置坐標(biāo)，并將結(jié)果送入計(jì)算機(jī)顯示。

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

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)線陣CCD－TCD1209D 的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，采用VerilogHDL 語言編寫驅(qū)動(dòng)脈沖，并結(jié)合Modelsim6.4進(jìn)行功能仿真，得到仿真波形如圖5、圖6 所示。

圖5 SH 置高時(shí)各驅(qū)動(dòng)脈沖的波形

圖6 SH 置低時(shí)各驅(qū)動(dòng)脈沖的波形

利用本方法做了初步實(shí)驗(yàn)，用收音機(jī)做激勵(lì)源激振玻璃窗。根據(jù)數(shù)字散斑相關(guān)方法在應(yīng)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(jì)算機(jī)最終顯示的是散斑圖像中心位置的坐標(biāo)信息，表1 給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開始工作后的前十組數(shù)據(jù)。

表1 振動(dòng)時(shí)散斑圖像中心位置坐標(biāo)

數(shù)據(jù)1 是系統(tǒng)開始工作后，F(xiàn)PGA 接收到的前1024 組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得出相關(guān)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(biāo)，數(shù)據(jù)2 ～10 是之后的下一組數(shù)據(jù)與前一組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算得到變化量后與原中心位置坐標(biāo)比較得出此刻的散斑圖像的中心位置坐標(biāo)。

與此同時(shí)將線陣CCD 輸出信號(hào)另經(jīng)后續(xù)處理電路處理，用耳機(jī)還原信號(hào)，獲得了失真較小的原始信號(hào)。由此證明，用該方法進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)測(cè)量是可行的。

4 結(jié)論

本文提出的激光散斑測(cè)振方法具有數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單、表面處理簡(jiǎn)便、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低以及數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有激光非接觸測(cè)量振動(dòng)方法和儀器存在的實(shí)時(shí)性不好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)器件要求較高和近距離測(cè)量等缺陷。將各種時(shí)序控制、存儲(chǔ)器模塊以及信號(hào)處理模塊都由一片F(xiàn)PGA 芯片來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了節(jié)省功耗、降低成本、減小系統(tǒng)尺寸的目的。仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)表明本文提出的這種方法是可行的，為數(shù)字散斑相關(guān)法用于竊聽器的設(shè)計(jì)提供了一條新思路。

［1］ 金國(guó)藩，李景鎮(zhèn). 激光測(cè)量學(xué)［M］. 北京:科學(xué)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(dá)，等. 數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2006，21(6):690－695.

［5］ 郭勇.遠(yuǎn)距離數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的研制與在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用［D］.浙江:浙江大學(xué)工程力學(xué)，2004:6－25.

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

［7］ 金觀昌.計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)測(cè)量［M］:第2 版.北京:清華大學(xué)出版社，2007，141－183.

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

［9］ ADI.AD9283 Datasheet［S］.1999.