利用LD激光器和線陣CCD實現(xiàn)亞毫米級絕對距離測量

張樹才

(裝備學(xué)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(yuǎn)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(dá)皮米級，目前在產(chǎn)品級別只能進(jìn)行相對距離測量[1]。雖然干涉法在實驗室有進(jìn)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(jìn)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(dāng)被測目標(biāo)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(biāo)B1點后被反射到線陣CCD的C1點，當(dāng)被測目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)的絕對空間距離與線陣CCD感光點建立了一一對應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)被測目標(biāo)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(yùn)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(biāo)進(jìn)行亞像素細(xì)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(dāng)。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(yīng)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(yīng)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(yán)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(jī)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(zhǔn)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(jī)狀態(tài)，當(dāng)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(jìn)行初始化，模塊完成初始化后首先對被測目標(biāo)進(jìn)行距離測量，完成后控制器向上位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)上傳請求，上位機(jī)應(yīng)答后上傳數(shù)據(jù)，完成后等待上位機(jī)發(fā)出新的測距指令。測距完成后上位機(jī)通過關(guān)閉可控電源使模塊進(jìn)入待機(jī)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(dá)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(biāo)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(dǎo)體激光測距系統(tǒng)的優(yōu)化研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，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(xué)技術(shù)，2008,（9）：77-78.

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