摘 要:为使直线度准直测量一次性自动完成,提出了一种结合M型分划丝,采用单线阵CCD器件,应用激光准直原理测量二维小位移和第三维小角度的全新方案,阐述了测量的基本原理、系统组成及硬件设计。实验表明,直线度准直仪在70m距离内准直精度可达13μm,在±20°测角范围内测角精度达0.7″。
1 引 言
CCD按其像敏元素的排列方式可分为线阵CCD和面阵CCD。面阵CCD价格昂贵,其分辨率也远不如线阵CCD,光学机械结构和处理电路也要比采用线阵CCD器件复杂得多。在这种情况下,如何应用单线阵CCD同时测量多个自由度数据,就成为值得深入研究的问题。
2 测量的基本原理
目前,在CCD准直测量系统中,一般都是采用一维CCD器件测量一维坐标,采用二维CCD器件测量二维坐标。例如,分划板采用十字型分划线,在共轭物镜焦平面上放置一片二维CCD图像探测器件,即可接收对应于二维坐标的分划丝十字图像。
如果想使用一维CCD器件来测量二维坐标,可以把入射光束经分光棱镜分成两束光线,在两个共轭焦平面处分别放置一片一维CCD器件。但采用这种方法,十字线影像接近视场中心时,无法克服十字线的盲区问题。当x向的十字线影像在零位上时,刻线影像在y向上完全罩住CCD,此时,十字线影像在y方向上的位移则探测不到,即零位附近存在盲区,同样,在x方向上也存在零位盲区问题。因此,为了简化准直系统的光学机械结构并降低成本,提出采用一片CCD器件同时探测二维坐标图像信息的方案。另外,采用此方案后,不仅可以测量二维坐标x、y,而且可以测量第三个自由度θz。下面对基于单线阵CCD的M型分划丝的测量原理进行分析。
如图1(a)所示,SE为CCD线阵,它的方向设为x轴方向,其中垂线设为y方向,当M型分划的中心O位于坐标原点时为初始参考位置,此时与CCD的交点分别为A、B、C、D,设∠AFB =α,AD = d,则有AB = BO =OC = CD = d/4,设∠BFO =β,则β可由α、d计算得出:β=arctg(2tgα)-α。
如图1(b)所示,当M型分划丝在x、y坐标平面上发生平移并旋转后,其位置在O′,M型分划丝与CCD线阵的交点为A′、B′、C′、D′。过O′做x轴平行线A″O′,则有
如图1(b)所示,经证明可知,分划丝向左或向右偏转时,A′B′与C′D′的长度比例发生变化,向右偏转时A′B′> C′D′,向左偏转时A′B′< C′D′,故由A′B′- C′D′之值即可判断θ取值
从以上分析过程可知,在求θ时用到C′、D′两点,但求x、y时没有用到。为了充分利用测量数据,亦可以利用C′、D′两点求出x、y,再与以前的结果进行平均,可使测量精度进一步得到提高。
3 系统组成
系统如图2所示,主要由准直光管(a)、平行平板玻璃测微器(b)和CCD探测器(c)及计算机(d)组成。测量使用时,首先将准直光管和CCD探测器放在与导轨或平面大体平行的位置上,将测微器放在平行光管和CCD探测器的中间。对CCD进行校零以确定初始零位,然后根据不同的测量要求,移动相应的器件。当测量导轨的直线度时,可固定平板玻璃测微器(或移去),移动CCD探测器,则M型分划丝在CCD探测器的上下左右移动,甚至围绕光轴发生转动。通过计算M型分划丝在CCD上的偏移量以及偏转角度,即可得到测量点的直线度误差。当测量导轨上某段处的斜率时,可将准直光管和CCD探测器都轴向滚动90°,固定CCD探测器不动,移动平板玻璃测微器,当导轨在测量段存在斜度时,测微器发生偏转,根据平行平板玻璃的测微原理,M型分划丝将上下平移。CCD通过测量这个平移的数值来计算测微器发生的偏转角度。
4 硬件设计
硬件电气系统实现对CCD视频信号的采集、处理、运算和通讯。其原理框图如图3所示,主要由单片机系统、CCD驱动电路、信号处理电路、微分边缘提取、方波形成与提取、边缘脉冲生成、脉宽合成、脉冲延滞、方波振荡器、脉冲插值、计数锁存、RS232串行接口和显示部分等部分组成。其简要工作过程是:由准直光管发出的载有型分划信号的平行光束通过平板玻璃测微器,照射到CCD探测器上,在驱动电路的作用下,产生敏感有光束位移偏差和偏转角的视频信号,经信号放大、微分边缘提取、方波形成与提取、边缘脉冲生成、脉宽合成等一系列电路进行处理后,形成一脉宽信号。用方波振荡器产生的高频方波信号对脉宽信号进行脉冲插值处理,得到反映位移偏差和偏转角信息的数字信号,经计数锁存电路传给单片机,由单片机运行相应程序,通过显示电路显示出位移偏差及偏转角的大小和方向,同时还可以通过RS232接口将测量结果传到其它的计算机系统进行处理。
5 实验结果
在系统设计中,光源采用He-Ne激光器,其发散角达1 mrad,经准直望远镜后,发散角压缩至0·1 mrad。单线阵CCD器件使用日本东芝公司生产的TCD106C。此器件具有5 000个像素,每个像素尺寸为7×7μm2,动态频响达500 Hz。M型分划丝夹角α按15°设计。实验结果表明,基于M型分划丝的单线阵CCD直线度准直仪在20m内的准直精度可达6μm,70 m内可达13μm。测角范围在±20°内测角精度达0.7″。仪器的动态测试频响大于350 Hz。
6 结 论
本文提出的采用单线阵CCD器件和M型分划丝相结合实现二维小位移和第三维小角度测量的原理方案新颖可行,测量精度及测量自动化程度大大提高。以CCD器件为光电转换器件,取代了传统的四象限探测器,实现了用单线阵CCD进行三个自由度的同时测量,可大大简化系统结构、降低生产成本。
参考文献:
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[2]张志利,谭立龙. CCD在光电准直系统中的应用[C],1997年第五专业信息网年会论文集,1997
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[4]王建林,朱明武,崔秀华.一种新颖的单线阵CCD双坐标自准直仪[J].仪器仪表学报, 2000,21(3).
作者简介:马福禄(1972-),男,河北人,西安第二炮兵学院硕士研究生,从事兵器发射理论与技术研究。
