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基于线阵CCD的微位移装置设计 ——成金龙 311042159 激光近程动态测距技术是国防急需的关键技术之一，在民用领域也有广泛用途。 关键词：激光测距；三角法；CCD 引言 激光从1960年到现在已经有了，年来激光的理论与应用研究有了极大的发展，且对人类产生了深刻的影响，国外动态激光近程探测技术的研究工作大约开始于60年代末到70年代初，主要作为火箭弹及导弹近炸引信的距离测量装置现有动态测距方案根据三角法多点成像定位测距的理论分析，设计了一个 2.激光三角测距法基本原理 激光三角法测距的基本原理是基于平面三角几何，三角法测量原理图如所示 半导体激光器发出的平行光束垂直投射到被测物体表面，形成一个光斑，光斑在物体表面发生漫反射，其中一部分散射光经过接收透镜成像于CCD上，如果被测物体产生位移，将导致物体表面上的光点沿着激光束的方向产生移动，那么CCD上的成像点也会产生相应的移动。通过像移和实际位移之间的三角关系可以计算出实际位移。 图中O点为成像物镜中心，β是激光束与成像物镜光轴的夹角，AO是激光束与光轴交点到成像物镜中心的距离，BO是CCD芯片与光轴交点到成像物镜中心的距离，AY是实际的物体表面的偏移，BX是传感器上成像点的偏移，根据相似三角形原理，可得 由于在激光测距系统中，半导体激光器和成像物镜、CCD是一体化安装，因此，在式中距离AO、BO、SA、角度β在镜头标定时就已经确定，被测物体沿着AY方向移动时，物体所处位置不同，激光漫反射后在CCD上形成的有效像素也不同，只要物体在较短范围内移动，可以认为CCD上基本是最佳成像，因此根据有效像素产生的距离BX和上式，即可以计算出实际的物体位移AY，再加上固定长度SA,即可得出被测物体和激光测距仪之间的实际距离。 3. 微位移测量系统 在此实验装置的原型装置中，采用平面镜模拟被测物体，通过平面镜反射激光光束，并经过衰减后照到线阵CCD。然后通过CCD采集图像信号，分析其连续像素点处电压变化范围，得出光点照射在CCD表面后产生的位置曲线数据。最后通过后续电路实时采集分析一系列的位置变化数据，即等到光点在CCD表面的运动情况，同时逆推得到被测物体的运动情况。由于CCD的高分辨率特性给测量微小移动提供了可能。 图2 装置测量原理图 注：图中1为被测物体，2为遮光孔，3为透镜，4为激光器，5为衰减透镜，6为CCD接收面。 该系统由半导体激光器、准直透镜、光栏、聚焦透镜、高速线阵CCD 和实时信号处理电路组成。半导体激光器发生的发散激光经准直光路准直后成为平行光,经光栏调整光束直径后入射在被测物体表面上,其反射光经聚焦光路后聚焦成直径小于CCD 像元尺寸的光斑照射在线阵CCD 上;当被测物体转动时,反射激光光斑发生偏转,所照射的CCD的像元位置随之变化;实时信号处理电路产生时间长度为T的斜坡信号,并在时间T 内按次序读取CCD 的N个像元的输出视频信号,逐一分别与参考电压进行实时比较,当光斑照射在像元上,其输出视频信号超过参考电压时,实时输出该时刻的斜坡信号的电压值,该电压值与被测物体的角位移成正比。常用微位移传感器的会聚光直射式激光三角法,最小量程较大,而且被测物体必须精确放置在激光的焦点上,不适用于微小角位移的测量;该系统采用平行光斜射式激光三角法,由于采用平行光,被测物体的放置位置无严格要求,最小量程小,适用于微小位移的测量。采用光栏调整入射到被测物体表面的平行光束的直径,从而可以调整照射到CCD 上的光斑的直径,光斑直径和平行光束的直径成反比。该系统采实时信号处理电路代替通常的激光三角法微位移传感器的由DSP 和外围器件及其软件组成的后信号处理电路,并采用高速CCD ,提高了系统光电接收器件的最高采样频率,缩短了处理时间,从而提高了传感器的测量频率,使得系统应用于高频微位移的动态实时测量成为可能。测量装置实际图如下图所示： 图3 装置实际俯视图 其中A为半导体激光器，B是模拟被测物体的平面镜，C为加了衰减膜的线阵CCD，D是实验光学平台。 4. 系统硬件设计 本文介绍的CCD采集系统是由线阵CCD、机等组成。整个系统的框架图如下，单片机89C5负责接收键盘输入，并在显示器上显示处理后的结果。CCD器件接收到反射光信号，将光电转换后的数据通过模数转换器送到数字信号处理器，经过处理将结果传给单片机，由显示器显示信息 其中，CCD一个周期输出信号如下图所示： 注：A为 CCD死区，B为光电位置，C为无光照处 CCD输出为电压输出，即对应每个像素点的数据是连续的电压值，需要经过比较后转成矩形波才能被电路使用，处理后的图片如上图所示，在有光照处是一段低电平区，无光