（信号与信息处理专业论文）基于二维图像的准直测量技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 角度测量是计量科学的重要组成部分，特别是微小角度的测量，在精密 加工、航天航空、军事和通讯等许多领域都具有极其重要的意义和作用。角 度测量的方法多是根据自准直原理，通过光学系统，将角度的微小变化以出 射光的形式反映出来。通过光电转换器件，将包含有角度变化信息的光信号 变换为电信号，再对电信号进行后期的处理。 根据自准直原理，可将角度测量分为三部分。首先，光源的确定。现今 半导体激光器以普遍应用于各种测量领域，完全可以取代传统的l e d 光源； 其次，光学接收器件的选择。如今应用于光电测量的光电转换器件有c c d 、 p s d 、四象限光电探测器等，本课题将就其特点做出选择；最后是电信号的 后期处理，可以说是整个测量最为重要的部分。 在对电信号的后期处理中，自准直仪的角度测量实际上可以转换为对光 学接收器件上位置测量，根据光学准直的特点，光斑识别算法的优劣对测量 精度和准确度将产生很大影响。 本课题将采用激光作为准直光源，面阵c c d 作为光电转换器，应用自准 直测量原理，并分别采用重心法，圆拟合法和匹配方法求光斑位置，以求得 被测物角度变化。同时比较三种方法在精度，抗干扰能力，运算速度，适应 性等方面的差异，提出对其中圆拟合方法的几点改进，并最终确定最佳算法。 关键词：重心法；圆拟合；迭代阈值；图像匹配 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t a n g u l a rm e a s u r e m e n t i sa n i m p o r t a n tp o r t i o n o fm e t r o l o g ys c i e n c e ； e s p e c i a l l ym i n u t ea n g l em e a s u r e m e n th a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n ga n da c t i o na t m a n ya s p e c t ss u c ha sp r e c i s i o np r o c e s s i n g ，a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，m i l i t a r y a n dc o m m u n i c a t i o n t h em e t h o do fa n g u l a rm e a s u r e m e n tm o s tb a s e do na u t o c o l l i m a t i o nt h e o r y ，w i t ho p t i c a ls y s t e m ，t h ec h a n g eo fa n g u l a ri sa p p e a r e d t h e l i g h ts i g n a lw i t ha n g u l a ri n f o r m a t i o nb ec o n v e r t e di n t o e l e c t r i c a ls i g n a lb y p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nd e v i c e t h ee l e c t r i c a ls i g n a lt h e ni sp r o c e s s e da f t e r a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fa u t o - c o l l i m a t i o n ，a n g l em e a s u r e m e n tc a nb e d i v i d e di n t ot h r e e p a r t s f i r s t o fa l l ，t h ed e t e r m i n a t i o no ft h el i g h ts o u r c e s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa r ec o m m o n l yu s e di nav a r i e t yo fm e a s u r e m e n t ；t h e yc a n f u l l yr e p l a c et h et r a d i t i o n a ll e dl i g h ts o u r c e s e c o n d l y ，t h ec h o i c eo fo p t i c a l r e c e i v i n gd e v i c e s p h o t o e l e c t r i ct r a n s f e rd e v i c e sf o rm e a s u r e m e n ti n c l u d ec c d ， p s d ，q u a d r a n tp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r sa n de t c t h i sa r t i c l em a k e s ac h o i c eb a s e d o nt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y ，t h es i g n a lp r o c e s s i n g ，t h i si st h em o s ti m p o r t a n t p a r to ft h em e a s u r e m e n t i nt h es i g n a lp r o c e s s i n g ，t h ea n g l em e a s u r e m e n tc a l lb e c o n v e r t e dt ot h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n to nt h eo p t i c a lr e c e i v e rd e v i c e t h e a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ff a c u l ar e c o g n i t i o na l g o r i t h mw i l lp l a ya s i g n i f i c a n tr o l ei nt h ep r e c i s i o na n da c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t t h i sa r t i c l ew i l lp u ta u t o c o l l i m a t i o np r i n c i p l ei nu s ew i t hs e m i c o n d u c t o r l a s e ra sl i g h tr e s o u r c e ，a n dm a t r i xc c da so p t i c a lr e c e i v e rd e v i c e i tr e c o g n i z e s f a c u l ad i s p l a c e m e n tw i t hg r a yc e n t r o i dm e t h o d ，c i r c l ef i t t i n gm e t h o da n d m a t c h i n gm e t h o d t h i sa r t i c l ea l s og i v e st h ec o m p a r i s o no ft h r e em e t h o d so n p r e c i s i o n ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，s p e e do fo p e r a t i o n ，a n da d a p t a b i l i t y i tr a i s e s s e v e r a lp o i n t so fc i r c l ef i t t i n gm e t h o do fi m p r o v e m e n t ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n e t h eb e s ta l g o r i t h m k e yw o r d s ：g r a v i t ym o d e l ；c i r c l ef i t t i n g ；i t e r a t i v et h r e s h o l d ；i m a g em a t c h i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承望。 作者( 签字) ：互竹2 日期：砷年3 月2 6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文吻在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：虹砸导师( 签- - 7 - ) ：踢助 日期：眈哆年岁月日7 翻刁年弓月6 日 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 小角度测量 1 1 1 小角度测量的概念、用途和意义 角度是机械、仪器仪表和电子产品制造业中的重要几何参数之一，它的 准确度直接影响着产品的质量与寿命，因而角度测量在几何量测量中占有重 要地位。角度测量是计量科学的重要组成部分，特别是微小角度的测量在精 密加工、航空航天、军事和通讯等许多领域都具有极其重要的意义和作用。 小角度多指1 0 。以下，几分、甚至几十秒。小角度测量的特点是测量范围 小和要求测量精度高，测量误差一般在1 ”2 ”，有时达0 1 ”或更小【1 1 。小角度 测量主要应用于一些具有角度要素的机械加工零件和部件，如导轨的倾斜角、 凸轮、花键、工件轴线、平面间的垂直度、倾斜度、工作台与水平面的角度 等。 随着工业生产和科学技术的发展，对小角度测量技术提出了高精度和新 方法的要求。许多小角度测量技术已非一般机械式量具和仪器所能解决，因 此要求设计出更好的小角度测量方法和提供技术新、精度高的小角度测量仪 器和方法。光学测角技术随着激光光源、光电材料和器件的发展而迅速发展 起来的。光学测角方法比一般的机械和电磁方法有更高的精度，而且更容易 实现细分和测量过程的自动化。 1 1 2 小角度测量方法 目前国内对于小角度的精密测量方法主要有多种。近年来，特别是随着 电子计算机和激光技术的蓬勃发展，使得角度测量技术实现了自动化，扩充 了角度测量的应用领域。据不完全统计，角度测量方法大致可以按测量原理 分为1 6 大类，在过去的2 0 年中，角度测量的精度也提高了近1 0 倍。角度测量 技术按照测量原理可以分为三大类：机械式测角技术、电磁式测角技术和光 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i r f i i i 赢i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 学测角技术；按测量方式可分为静态测量和动态测量两种1 7 j 。 由于本课题所用的为光学测量，因此这里着重介绍光学角度测量。光学 测角法由于具有非接触、高精度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，成为 角度测量技术领域中发展最快的热门领域，各种新的测量理论和测量方法不 断涌现，尤其是随着稳定的激光光源的出现和精密传感器的发展使工业生产 现场测量易于实现，从而使光学测角法的应用越来越广泛。目前，光学测角 法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、 衍射法、自准直法、光纤法、圆光栅法、光学内反射法以及激光干涉法等。 其中的很多方法在小角度的精密测量中已经得到了成功的应用，并得到了较 高的测量精度和测量灵敏度。 1 2自准直 1 2 1自准直概念 目前在小角度测量方面应用最为广泛的是自准直仪。自准直仪是利用光 学自准直原理，用于小角度测量或可转化为小角度测量的一种常用计量测试 仪器。它将被测件上反射镜旋转角度量变换成自准直仪接收器件上的线量变 化，通过测出线量变化，间接检测出反射面微小角度变化的。自准直仪具有 结构简单、精度高、使用方便、可靠、仪器体积小、便于携带等优点。自准 直仪广泛应用于精密机械加工、计量、科研、设备安装和军事工程中。 自准直仪自开始应用，发展到现在已形成一套较完整的系列，品种比较 齐全。按其精度和检测方法，自准直仪可分为目视、光电和伺服三种。一般 光电自准直仪精度比目视自准直仪高，读数方便，对环境要求较高，故目视 自准直仪作为一般测量使用，而光电自准直仪一般用在计量室等环境要求较 高，测试精度要求也较严的场合，至于伺服准直仪，有自动寻找目标和自动 跟踪的能力，常用在特殊的场合。 2 堕尘薹圭堡奎茎至圭兰篁鎏圣 1 2 2 自准直发展现状 光学自准直仪诞生于4 0 到5 0 年代，自准直技术可追溯到更早的时期。到 8 0 年代，特别是9 0 年代以来，随着新型光电器件与计算机技术的飞速发展， 经典的自准直技术又焕发了青春。数字显示取代鼓轮读数，双轴测量取代单 轴测量，新型光电器件取代光电二极管、光敏电阻，而且大都通过标准接口， d r s - - 2 3 2 等与计算机相连，由计算机直接采集数据并进行数据处理。仪器 的分辨力、重复性、准确度等指标已大幅度提高。 国际上能生产光电自准直仪的国家主要有英国、德国、美国、日本等。 而据作者所能查阅到的资料，推向市场的光电自准直仪中精度最高的要算德 国m o l l e r 公司生产的e l c o m a t - 3 0 0 0 如图1 1 所示，精度为在任何2 0 秒内 + - 0 1 ”，全程o 2 5 ”，测量范围大至- 1 0 0 0 ”1 3 i ，和e l c o m a t h r 如图1 2 所示， 精度为在任何1 0 ”范围i 勾- + 0 0 l ”：任何4 0 “范围内0 0 2 ”；全程内1 0 0 3 ”，测量 范围：3 0 0 ”。这两个型号均采用高分辨力c c d 相机，均带有r s 一2 3 2 接口。 该仪器最近己开始打入中国市场。 图1 1e l c o m a t - 3 0 0 0 型自准直仪 图1 2e l c o m a t - h r 型自准直仪 英国泰勒，霍普森( t a y l o r h o b s o n ) 公，我国从6 0 年代开始就大量引进该 公司的产品，如1 a 5 3 ，t a 5 4 ，t a 5 7 ，t a 5 8 ，t a b 0 ，t a 8 1 等型号，从单坐 标到双坐标，从鼓轮读数到数字读数，可谓型号齐全。近年来，它淘汰了多 年生产的上述所有旧型号，推出7 d a 2 0 女n 图1 3 所示，d a 4 0 0 如图1 4 所示两 种新型号，测量范围为4 0 ”和8 0 0 ”，最小读数值为0 0 1 ”和01 ”，误差为- + 01 ” 至尘鎏三彗奎兰至圭兰堡鎏圣 和2 ”，均带r s - - 2 3 2 接f i l l 4 1 。 图1 3d a 2 0 型准直仪图14d a 4 0 0 型自准直仪 德国t r i o p t i c s 公司十几年来一直致力于光学检测仪器的研究、开发和 生产。公司集中研究和开发高精度、全自动电脑控制光学检测仪器，其产品 在全球的加工企业和科研院所得到了广泛的应用，并己成为世界的工业标准。 其生产的1 协蚰e 系列电子自准直仪如图1 5 所示，测量精度从0 2 ”到2 5 ”，分 辨率从0 0 1 ”n 01 ”。 图1 5t r i a n g ；e 电子自准直仪 美国自动精密工程公n ( a p l 公司) 是刘锦潮博士在自主专利技术的基础 上，于1 9 8 7 年创建的，总部位于美国马里兰州的洛克威尔城。a p i 公司自成 立以来，始终致力于机械制造领域精密测量仪器和高性能传感器的研发和生 产产品己广泛应用于美国及世界各国的先进制造领域，并在坐标测量和机 床性能测试的高精度标准方面处于领先地位。其生产的a p l 光电自准直仪测 量范围达到4 0 0 ”，分辨率为0 1 ”，误差为1 1 ”。产品图片如图1 6 所示： 錾至鎏圭垒奎兰至圭茎篓兰圣 图1 6a p i 光电自准直仪 表1 1 国外自准直仪型号及参数 全程精度分辨率工作距 厂商型号量程( 秒) ( 秒)( 秒)离f 米) 伽9 0 01 0 5 l t a y l o r i - l o b s o n 1 a 5 16 0 020 29 ( 英国) d a 2 01 2 00200 15 d a 4 0 0- + 4 0 04 0 15 0 册5 一1 0 e l c o m 蛆3 0 0 01 0 0 0 - + 02 5 2 5 m o b e r 公司可调节 ( 德国)0 0 0 1 1 0 e l c o m 肚h r1 5 00 0 5 可调节 a p i 公司( 美 a p 】4 0 010 l1 5 国) i ”0 0 3 80 7 500 1 w 0 0 0 707 500 1 t r l 0 p _ 兀c s 1 a 5 0 0 5 70 4d 0 1 ( 德国) 1 a 1 0 0 0 1 1 50200 1 1 a 一1 0 0 1 4 002o0 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 我国光电自准直仪的研制工作起步于7 0 年代，现在大多数的产品属于光 学自准直仪器，读数还基于目测，和国际先进水平还有较大差距。最早研制 成功的光电自准直仪是北京计量仪器厂与天津大学精密仪器系联手，于7 0 年 代末推出的7 0 2 型光电自准直仪，该类型的光电自准直仪共生产了5 0 台投放国 内市场，该仪器测量范围为6 0 0 ”，误差为1 ”，但目前该型号的自准直仪已基 本被淘汰。 8 0 年代以后，天津大学精密仪器系与北京计量仪器厂合作，在国家技术 监督局的资助下，研制成功c 2 4 型光栅数字自准直仪，c 2 4 型光栅数字自准直 仪以光栅取代精密丝杆作为测量元件，仪器数字显示，测量范围为6 0 0 ”，误 差为o 2 5 ”。l d a 8 0 3 型自跟踪双轴光电自准直仪它的双坐标线性工作范围为 1 2 0 ”，误差为1 ”。 北京交通大学的匡萃方等人提出的一种共路补偿激光漂移的直线度测量 方法，将角锥棱镜作为位置敏感器，四象限探测器探测角锥棱镜逆向反射光 所携带的直线度误差，二维p s d 矛f l 透镜用来检测空气扰动所带来的角度漂移。 通过补偿，空气扰动所带来的附加位置误差可以减少大约7 5 。四j i l 大学光 电科学技术系研制出一种新的基于离轴成像技术的远距离、大范围二维直线 度测量仪。仪器的直线基准为整形的十字线激光光束，光电二维位置敏感元 件采用互相正交的线阵c c d ，所设计的带有狭缝的离轴光学系统，避开激光 十字线光束的能量中心，以使线阵c c d 输出信号不会出现饱和现象，从而扩 大了测量距离，保证了测量精度。该仪器能在0 2 0 m 泱j 量范围连续测量二维 直线度，其直线度可达6 0 7 0 r a m 。南京工业职业技术学院针对深孔轴线的直 线度的测量，设计了一种远距离，二维直线度的激光测量方法。这种方法以 经过单模光纤耦合【3 4 】的单一、准直的激光束作为测量基准，光电二维位置敏 感元件采用四象限光电探测器，实现了水平和竖直方向直线度的同时测量和 同时显示，并对信号进行处理和直线度误差评定。 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的林玉池等人设计了一种 电磁驱动的微机械结构，实现了自准直仪双坐标光电信号的自动跟踪，采用 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 跟踪与读数分离的方法，提高仪器的测量精度。设计方案合理，稳定可靠， 双坐标工作范围为+ - 1 0 0 ”，仪器具有绝对零点，分辨力0 1 ”，瞄准定位精度 0 1 ”，非线性误差小于0 5 ”。我国的大多的高精度自准直仪器处在研发阶段 有些成型的仪器还并为市场化投产。 现在投入生产的，性能优良的有国产光电自准直仪有天津奥特梅尔光电 有限公司的a u t o m a t - 1 0 0 0 t 2 】系列见图1 7 双轴光电自准直仪。自主研发并 获得国家自主创新奖的有江西九江精密测试技术研究所生产的c s z - 1 型 c c d 光电自准直仪( 见图18 ) 。这两款准直仪相关参数详( 见表12 ) 。 。寅艟毒 图17a u t o m a t l 0 0 0 系列光电自准直仪 图1 8c s z - 1 型光电自准直仪 表1 2 国内一些自准直仪器的指标和参数 量程全程精度工作距离 厂商型号 分辨率( 秒) ( 秒)( 秒) ( 米) 7 0 2 6 0 02 北京计量仪器厂和 c 2 46 0 0：02 5 天津大学 l d a 8 0 3 1 2 0 1 中国计量研究院 + - 3 0 0 0500 】 天津大学和航天部m x 9 34 8 0- + 1 9 9 型光电准 - + 1 002 6 3 5 4 所 直仪1 1 0 02 - 1 503 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a u t o m a t _ + 1 2 0 010 11 0 天津奥特梅尔光电 1 0 0 0 u 3 0 5 0 有限公司 a u t o m a t 1 2 0 00 50 0 51 0 1 0 0 0 l - 3 0 5 0 九江精密测试技术 c s z 1 a- + 6 0 01 0 0 1 研究所 1 3 本文的主要内容 本课题是针对自准直算法的研究和改进，选用m a t l a b 软件为主要软件实 验平台，主要完成重心法，圆拟合法，匹配法三种光斑中心识别算法的比较 与改进。软件开发内容有： ( 1 ) 重心识别算法的实现； ( 2 ) 圆拟合算法实现； ( 3 ) 匹配算法实现； ( 4 ) 迭代阈值法图像二值化； ( 5 ) 形态学处理的边缘提取； ( 6 ) 类区域生长双光斑分离。 预期目标：通过本论文设计全面现有光斑中心识别算法实现，并适时的 提出算法间的优劣，比较得出比较适合的自准直光斑识别算法并得出结论。 考虑到现行的识别算法中重心法精度不高单算法简单已经普遍使用，匹 配法运算量大，不适合实时处理，本文将对圆拟合法提出几点改进。 本文将在第2 章、第3 章和第4 章分别阐述实验器件的选择，算法详细 内容和实验结果。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章设计原理和器件选择 2 1自准直原理与结构设计 、 反射物镜位置 ( 6 ) 光积分划板，于果番 准直透镜反射物镜位置 ( 1 )( 2 )( 3 ) ( 4 )( 5 ) 图2 1自准直原理示意图 自准直基本原型7 】【3 l 】：由光源( 1 ) 射出的光束经过分划板( 2 ) ，通过分 束器( 3 ) ，实际上分束器是一套半透半反镜组，光束经分束器后一部分光经 反射打在接收器件上成光源原像，另一部分光束通过分束器经直准透镜平行 后射在物体的反射镜上，当物体反射物镜与光束垂直时经反射的光沿原路返 回，映射在光学接收器件上和光源原像重和，此时反射物镜处于位置1 ，当 被测物体偏转一定角度，到达位置2 时，经直准透镜返回的光将在光学接收 器件上成像。这时在光学接收器件上两个光源像的位置如图2 2 所示。 y 轴 j b x 轴 图2 2 距离计算原理示意图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果采用激光作为光源，可以不经由分划板来寻找中心，中心光斑为目 标未发生角度变化时反射光斑位置也即零位置，当目标发生角度变化后，反 射光斑移到距离零位置一定距离某处，由图2 2 可得： p2 f 恤2 a ( 2 - 1 ) l b # f t a n 2 f l 口为目标x 方向的偏转角度。a 为x 方向的位移。 芦为目标y 方向的偏转角度。b 为y 方向的位移。 根据几何光学原理，位移量x 可按式( 2 2 ) 计算： z f t a n 2 a( 2 2 ) 式中，f 直准透镜焦距，单位为m m 。由于a 角很小，所以上式可近似为： z ；2 f 口( 2 3 ) 在自准直仪中，物镜焦距f 是一个常数。如果测得位移量x ，就可以计 算出反射镜偏角口的大小1 6 1 。 有一点需要说明，“自准直”是指仪器接收的是仪器自身发出的平行光， 而“准直”是指仪器接收的是另外一个光管发出的平行光。“准直”时，计算公 式中没有两倍关系，当角度很小时有x f 口。“自准直”和“准直”都应用平行 光，对纯平行运动的线位移是不敏感的。但自准直仪出射光束的不平行，因 此当小直径的反光面( 反光面小于物镜通光口径) 时，即使完全平行移动， 与物镜的不同部位自准直时，读数值也将产生变化。自准直仪使用时，自准 直仪光斑中心要和反光面中心尽量重合，自准直仪位置要固定不动，以免引 起附加误差。 2 2 光源的选择 光源是影响自准直仪测量精度和效果的重要部分，光源的热量对仪器测 量结果漂移的影响极大。普通的白炽灯，发热量太大，根本无法使用( 折算 成四小时漂移四十几秒) 。光源的亮度强弱直接关系到测量距离的长短，光源 亮度的均匀性也会影响测量的精度，在光电测试仪器中，光源更起着比较重 要的作用。以下是光学仪器中几种常用的光源： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 1 、传统光源 传统的光电自准直仪光源采用的是一般的白炽灯或卤钨灯加滤色片的形 式，但是这两种光源发热量大，过多的热量会引起仪器结构的形变，直接影 响测量精度。而且这两种光源的效率较低，较长的测量长度上光能损失较大， 不适合进行长距离的测量。因此，白炽灯和卤钨灯在自准直仪的研制过程中 逐渐地被淘汰。 2 、高性能l e d 光源 高性能l e d 不同于普通的l e d ，它体积小，工作电压低，耗电少，驱 动简便，发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整，在图像传感器应用中广 泛的作为光源使用。 3 、激光光源 激光光源作为一种新型、高效的光源，激光场的宏观特性是具有的极好 的空间方向性、单色性、相干性和高单色亮度等，而激光场的微观特征则是 通过高的平均光子简并度来体现的，激光被广泛用于精密测量中。近年来出 现了半导体激光器( l d ) ，除具有普通激光器特点外，而且体积小、效率高、 工作电压低、功率损耗小、驱动调整都很方便【引。下面介绍一下激光的特性： ( 1 ) 相干性 相干性的好坏取决于光源的单色性好坏。在激光出现前，人们很难找到 相干的光源来进行光的干涉的实验验证，因为普通光源由于单色性差，在普 通光源中，受激辐射过程总是小于自发辐射过程，由于后者总是占主导地位， 因而普通光源所发射的光相干性是很差的，相比之下，普通的h e n e 激光器 其相干长度达到了3 0 0m 。因此可以说激光是完全相干光。激光束的相干特 性可分为空间相干性和时间相干性。空间相干性单纯由光束的平面发射角所 决定，其相干长度较大，即在光束整个截面内任意两点间的光场振动是完全 相干的。激光束的时间相干性由相干时间表征，它的大小由激光束的频谱结 构所决定。由于激光辐射的单色性很高，所以相干时间可以很长，可以认为 光束经过的空间任意一点处两个不同时刻的光场振动是完全相干的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 方向性、光束平行性 与普通光源发射以四方向立体角不同，激光发射限定在很小的立体角内。 通过开放谐振腔的进一步设计，同时采取选模措施，可以获得近乎理想的平 行光，它可以传播很远而极少发散，其发散主要是由于光束本身的衍射特性 等造成的。波长为1 0 0 0n m 的激光，光束直径为lm i l l 时，发散角约为lm r d a 。 若在最好的情况下，激光束的定向性可达到光束截面大小所决定的衍射极限。 由于激光具有良好的方向性，因此经常被用作准直技术的基准，应用于各种 精密测量中。 ( 3 ) 单色性 单色性是指辐射光的波长范围，或是指谱线宽度范围，范围越小，单色 性越好。普通光源的光谱分布一般是多种频率的离散分布，甚至是连续分布， 波长有一个范围，因而单色性很差。与普通光源相比，激光器所发出的全部 光辐射集中在较窄的频率范围内，即激光辐射具有较高的单色性。普通光源 中的8 6 k r ( 氮气体同位素8 6 k r ) 做成的气体放电灯，它发射的红光( 波长只 有6 0 5 7n m ) 的单色性算是最好的，波长间隔九只有0 0 0 0 4 7n m ，而激光的 谱宽很窄，以输出红光的h e n e 激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到 2 x 1 0 一n m ，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器 的单色性远远超过任何一种单色光源1 9 】。 ( 4 ) 高亮度 激光器发出的激光是集中在沿轴线方向的一个极小发射角内( 仅十分之 一度左右1 ，激光的亮度比同功率的普通光源高出几亿倍。一般气体激光器可 达1 0 1 0 2 w ( e m 2 s t ) ( w ( c m 2 s 0 为辐射亮度) ，一般固体激光器的单色 亮度为1 0 1 0 3 w ( c m 2 s r ) ，而太阳辐射波长5 0 0 0 a 附近的单色定向亮度值 约为2 6 x 1 0 。2 w ( c m 2 s t ) 。可见激光束的高亮度特性是突出的。 由于激光具有的以上四种特点，很快被作为准直光源应用于准直技术中， 并在准直技术中发挥了重要的作用。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 接收器件的选择 随着科学技术的不断发展，对自准直仪也提出更高的精度要求，并实现 高速动态测量，所以自准直仪的数字化势在必行，而寻找一种合适的光电探 测器件是首要任务。近年来，人们开始进行各种光电探测器用于自准直仪的 探索性研究工作，并取得了很多成果。仪器的分辨力，测角精度以及在动态 测量方面都有了不同程度的进展。目前用于自准直仪的光电转换器件主要有 以下几种：面阵c c d 、线阵c c d 、四象限光电探测器、p s d 等。 2 3 1电荷耦合成像器件 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) 是美国贝尔实验室的 w s b o y l e 和c t e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提出的新型半导体器件。与其他大多 数光电探测器不同，c c d 最突出的特点是以电荷作为信号载体，集光电转换、 信息存储、自扫描转移、输出于一体的半导体非平衡态功能图像传感器件， 可以直接将光学信号转换为数字信号，实现图像的获取、存储、传输、处理 和复现。一般的c c d 分辨率即单个像素的大小为几z m 。其显著特点是： ( 1 ) 、体积小重量轻、功耗低、工作电压小、性能稳定、寿命长； ( 2 ) 、灵敏度高、噪声低、动态范围大； ( 3 ) 、响应速度快、有自扫描功能、图像畸变小、无残像； ( 4 ) 、空间分辨率高、像素集成度高、尺寸精确、商品化成本低。 c c d 从功能上可分为线阵c c d 、面阵c c d 和红外c c d 等三大类。线 阵c c d 有单沟道和双沟道两种，其光敏区是m o s 电容或光敏二极管结构。 它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理速度快，外围电路 简单，易实时控制，缺点是获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵c c d 结构复杂，由很多光敏区排列成一个方阵，以一定的形式连接成一个器件，、 获取信息量大，能处理复杂的图像。红外c c d 是用多元红外探测器阵列代替 光敏区部分，完成对目标红外辐射的光电转换，将光生电荷注入到c c d 寄存 哈尔滨 稃大学硕士学位论文 器中，再由c c d 完成延时、积分、传输等信号处理。 c c d 的基本工作原理：c c d 是由许多m o s ( 金属一氧化物一半导体) 电容按照一定的规律排列组成的新型器件。m o s 电容结构如图所示。在栅极 上加适当的时钟脉冲电压时，半导体表面能形成存储少量电荷的势阱。用光 学成像系统将入射光成在c c d 的像敏面上，像敏面将照在每一像敏单元 ( m o s 电容) 上的光信号转变为少数载流子( 电子) 密度信号存储于像敏单 元中，然后转移到c c d 的移位寄存器中，在时钟脉冲电压的作用下有顺序的 移出器件，转变为视频信号。可见，c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的 转移，因此c c d 工作基本过程是电荷的产生、存储、传输和检测。 p o l y s i l i c o ng a t e ( 金属1 s i l i c o nd i o x i d e ( 氧化物1 s i l i c o n ( 衬底1 图2 3m o s 电容器的结构 2 3 2 位置敏感成像器件 p s d 是位置敏感器件( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 的简称，它是一种对接 收器光点位置敏感的光电器件。自1 9 5 7 年由w a l l m i a r k 提出后，其研究与 应用不断，它与c c d 电荷耦合器件不同，属于非离散型器件。也可称为坐标 光电池，它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。 近年来，由于半导体激光器的迅速发展，使p s d 的光源在性能、体积上得到 了很好的改善，促进了p s d 器件广泛的实用研究。p s d 器件响应速度快、位 置分辨率高，输出与光强度无关，仅与光点位置有关，特别适用于对位置、 位移、角度等的实时测量。其独特的工作方式，在精密尺寸测量、三维空间 位置、机器人定位系统中有独到之处f 1 。p s d 的主要特点是位置分辨率高一 般为零点几m 、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路简单、 光敏面内无盲区，可同时检测位置的测量结果与光斑尺寸和形状无关。由于 1 4 聿 哈尔溟工程大学硕士学位论文 其特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，在位置、位移、距离、 角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。 p s d 一般做成p + i n 结构，具有一般p i n 光电二极管类似的优点，即由于 工区较厚而具有更高的光电转换效率，更高的灵敏度和响应速度。其基本工 作原理是基于横向光电效应【1 2 】。如图2 4 所示，表面p + 层为感光面，也是一 层均匀的电阻膜，两边各有一信号输出电极。中间为i 层，底层的公共电极 是用来加反偏电压的。当入射光照射到光敏面上某点，产生电荷，由于存在 平行于结面的横向电场作用，使光生载流子形成向两端电极流动的电流i l ， 1 2 ，它们之和等于总电流i o 。 l li ： 一 入射光点 2 4 刻线分划板的选择 图2 4p s d 结构原理 分划板有多种，常用的有十字线分划，v 型分划，n 型分划，m 型分划 等，下面将介绍这几种分划形式【8 】。 2 4 1 采用十字线分划 如图2 5 所示，采用十字分划是最简单的分划，如果采用面阵c c d 作为 接收器件，测量原理如下：假使原始位置的十字分划中心点位置在o ，为了 不使十字分划线和直角坐标系重叠，所以未把坐标原点定在o ，当反射镜面 有角度变化时，十字刻线移动到o ，测量a x 和y 可测量出物体移动的角 1 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 度。 j y o l - o x 2 4 2 采用v 型分划 j y o ， ， 八 ， 。 0 认 一 x 0 a z 图2 5 十字线分划原理示意图 如图2 6 所示，v 型分划丝通过光学系统成像于c c d 像面上( 图中绘出 了线阵c c d 的视场，实线表示初始时v 型的位置，虚线表示变化后的位置) ， 若v 型分划丝在x 、y 方向有二维位移a x 和a y ，则可通过v 型分划丝在 像面上所截距离，和：的变化得出相应的二维位移： a x = a a7 = b b ( 2 4 ) y ：a b - a b ：( a l a 2 ) c o t a 2 t a n a2 ( 2 5 ) 系统的可靠性和测量的准确度比较高，而且可以克服零点盲区的问题， 在测量范围不是要求特别大的情况下，这种方法被广泛地应用。 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 4 3采用n 型分划 图2 6v 型分划原理示意图 如图2 7 所示的n 型分划丝，即将两个v 型分划丝倒置连接，来提高测 量范围并辨别位移方向，这个时候可以将刻线夹角做得比较小，所以可以实 现较大的测量范围。假设s e 为c c d 线阵，它的方向设为x 轴方向，其中垂 线设为y 轴方向，当n 型分划丝的中心o 位于坐标原点时为初始参考位置， 此时与c c d 的交点分别为a 、b 、c ，设x a d f = a ，a c = d ，则有a b = b c = d 2 ； 当n 型分划丝在x 、y 坐标平面上发生位移并旋转后，其位置在b ，n 型分 划丝与c c d 线阵的交点为a 、b 、c 。过b 做x 轴平行线a ，b c 7 ，则有 口一a r c s i n ( d a c 9 ，由此公式求出的角度小于9 0 。，当口大于9 0 0 时( 即分划 丝向左偏转相同角度) ，有口一1 8 0 0 a r c s i n ( d a i c r ) 。如图所示，当分划丝向 左或向右偏转时，a b 与b ，c 的长度比例发生变化，向右偏转时，a ，b b ，c 7 ， 向左偏转时，a ，b 1 ) 称为平滑或内插。因此维纳过滤又常常被称为最佳线 性过滤与预测或线性最优估计。这里所谓最佳与最优是以最小均方误差为准 则的。这里只讨论过滤与预测问题。 如果我们以s ( 以) 与；( 咒) 分别表示信号的真值与估计值，而用e 0 ) 表示它 们之间的误差，即： e g ) 一s g ) 一j 0 ) ( 3 6 ) 显然，e ( n ) 可能是正的，也可能是负的，并且它是一个随机变量。因此， 用它的均方值来表达误差是合理的，所谓均方误差最小即它的平方的统计平 均值最小： e k 2 g ) l ：e 缸g ) 一j 0 圩k ( 3 7 ) 采用最小均方误差准则作为最佳过滤准则的原因还在于它的理论分析比 较简单，不要求对概率的描述。并且在这种准则下导出的最佳线性系统对其 它很广泛一类准则而言也是最佳的。 3 2 2图像二值化 二值化就是要使用图像分割的算法将图像中的前景目标像素点从背景像 素中分离开来，选择一个实用的图像二值化方法是很重要的一步。基于阈值 方法的图像二值化方法作为一种简单有效的图像二值化方法，也是图像二值 化中算法中被演化算法数量最多的一类，它也是图像分割算法中的一个主要 方法。 图像的二值化方法的基本思想是这样的一幅图像包括目标物体、背景还 有噪声，要想从数字图像中直接提取出目标物体，最常用的方法就是设定一 个阈值丁，用丁将图像的数据分成两部分：大于丁的像素群通常令其像素为 1 和小于丁的像素群通常令其像素为o 。这种方法称为图像的二值化。由此可 见，其中最关键的是丁值的选择，传统的有固定的阈值和自适应的阈值选取， 下面就介绍几种常用的二值化阈值选取算法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 、最大类间距离法 最大类间距离方法的设计思想是，在某个适当的阈值下，图像分割的前 景目标与背景两个类之间的差异最大为最佳分割。在这里两个类别( 目标和 背景) 的差异，用两个类别中心与阈值之间的距离差来度量。 根据以上的思想，该方法的具体步骤如下： ( 1 ) 给定一个初始阈值t h = t h 。，将图像分为c 1 和c ：两类； ( 2 ) 分别按照公式( 3 - 8 ) 计算两类中的灰度均值，和z ：； 舻壶( ，薹“) 。8 式中，c 为第f 类中的像素个数。 ( 3 ) 计算相对距离度量值s ： s ；蛀掣絮圳 协9 ， t z 2 一p 1 ， ( 4 ) 选择最佳的阈值t h 。t h ，使得图像按照该阈值分为c ，和c ：两类 后，满足： s l a 耐一m a x s ) ( 3 - 1 0 ) 在计算( 3 - 1 0 ) 式时，应用到数学中函数的方法，p ，t ：已经算出实际 数值，所以s 相当于砌的二次函数，实际上，就是计算二次函数极值的问题 可以归结到以下公式： 孤；丝! 丝：。砌 2 ( 3 1 1 ) s ：1 4 图3 6 是最大类间距离法阈值分割结果。 哈尔演工程大学硕士学位论文 图36 最大英间距离莹阚值分割 2 、迭代阅值法： 迭代闽值进行图像二值化也可以叫做循环分割是一种针对复杂图像的分 割方法，这种方法首先是根据图像的全局直方图，将取了阈值后得到区域看 成是子图像，在此对各子图像作直方图选峰值点及区域值，不断重复上述过 程，直到找不到新的峰值点或区域变得太小为止。这种循环中，每次选择最“显 著”的峰值，这种算法利用不断更新的子图像直方图，随着循环的增加，越来 越细的考虑了图像的局部特性。算法的步骤如下： 首先对光斑进行滤波处理，消除杂散光斑和噪声干扰：再采用迭代法计 算出晟佳闽值，对光斑进行分割。下面介绍一下迭代闽值法的具体步骤【1 9 】。 ( 1 ) 计算经滤波去