（光学工程专业论文）非接触海浪潮位测量技术的研究.pdf

中文摘要 潮位是海洋水文学的基本要素，是物理海洋学的重要的研究内容，是变化最 快最大要素之一。在开发利用海洋过程及海洋防灾防害建设中，潮位要素扮演着 非常重要的角色，也是海洋观测的重点观测对象。现有的潮位测量方法或多或少 存在着测量精度低、自动化程度不高、环境适应能力低、成本偏高等缺点。本文 基于光电检测技术，设计了适用于海洋环境的潮位测量系统，实现了对海水潮位 的自动准确测量，测量误差不超过一个标尺码元，从而提高了测量的精度。 本文主要完成了以下几个方面的工作： 1 、在分析各种测量方法的特点和发展现况的基础上，提出了非接触海浪潮 位测量系统的整体设计方案。 2 、完成测量系统各部分的设计和研制。包括光学系统、c c d 采集部分、嵌 入式控制系统和数据处理单元。 3 、完成基于a r m 7l p c 2 2 1 4 的嵌入式控制软件，提出了基于频谱滤波拟合 的标尺自动判读算法。完成了上位机操作软件的设计和调试。 4 、完成了相关的测试实验，验证了非接触海浪潮位测量系统的功能和性能 指标。 关键词：潮位测量；均码标尺；频谱滤波拟合；自动判读；嵌入式控制 a b s t r a c t t i d a ll e v e l ，ab a s i ce l e m e n to ft h em a r i n eh y d r o l o g y , o n eo ft h eb i g g e s ta n df a s t e r c h a n g i n gf a c t o r s ，i sai m p o r t a n tc o n t e n to ft h ep h y s i c a lo c e a n o g r a p h y i n t h e d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fm a r i n ep r o c e s s ，t h et i d ee l e m e n tp l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l e ，a n di ti st h ef o c u st a r g e to ft h eg o o so b s e r v a t i o n t h et r a d i t i o n a lm a n u a l m e t h o di sn o tv e r ys a t i s f a c t o r y , w h i c hh a st h ed i s v a n t a g eo fl o wp r e c i s i o n ，l o wd e g r e e o fa u t o m a t i o n ，l o wa d a p t a t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t , h i g hc o s t s ，a n ds oo n i nt h i sp a p e r , a l le x a c tm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e df o rm e a s u r i n gt h et i d a ll e v e l sa n dw a v e s ， b a s e do nt h en o - c o n t a c to p t i c a lm e a s u r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sa p p l i c a b l et ot h e c o m p l e xm a r i n ee n v i r o n m e n t t h es y s t e mr e a c h e dp r e c i s em e a s u r e m e n to f t i d a ll e v e l s a n dw a v e s ，t h em e a s u r e m e n te r r o ri sl e s st h a no n es t a n d a r ds i z e ，a n dg r e a t l ya d v a n c e d t h ea c c u r a c yo ft h et i d em e a s u r e m e n t i nt h i st h e s i s ，t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 、b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ev a r i o u sm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h es t a t u so ft h e d e v e l o p m e n t ，as e to fm e t h o da n ds y s t e mo fm e a s u r e m e n to ft h et i d a ll e v e l sa n d w a v e sw e r es c h e m e do u t ； 2 、a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fa l lp a r t so ft h es y s t e m , i n c l u d e so p t i c a ls y s t e m , c c da c q u i s i t i o nd e p a r t m e n t ，e m b e d d e dc o n t r o lh a r d w a r ea n dd a t ap r o c e s s i n g d e p a r t m e n t ； 3 、c o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fe m b e d d e ds o f t w a r e ，p r e s e n t e da l l a u t o - - r e a d i n ga l g o r i t h mo fe v e n - - c o d i n gg a u g eb a s e do nt h es p e c t r u mf i l t e r i n ga n d f i t t i n g ，i m p l e m e n t e dt h eh o s tm a c h i n es o f t w a r eb a s e do nt h ea r m 7l p c 2 2 14 ； 4 、v e r i f i e dt h es y s t e mf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r sb ya n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n tw h i c hr e a c h e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n tv e r yw e l l k e yw o r d s ： t i d e l e v e l ；e v e n c o d i n gr u l e r ；s p e c t r u mf i l t e r i n ga n df i t t i n g ； a u t o r e a d i n g ；e m b e d d e dc o n t r o l ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做储繇徐篆姝签字吼卅年。7 月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储虢锨敞 签字日期：2 印7 年口7 月西日 导师签名： 伊 酗去 签字日期：2 舶7 年d 厂月够日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 海洋，地球上分布最广泛的自然地理要素。海洋是包括人类在内的一切生命 之源：是云雨的故乡，天气的调节器；人类索取资源的宝库；世界各地交通联系 的枢纽；现代通讯的中继站；军事上的必争之地。随着经济可持续发展战略实施， 海洋更是人类急于开发的首选重要目标。 要合理开发利用海洋，构建和谐人海关系，就需要对海洋有一个全面准确的 认识，认识海洋的基础就是对变幻莫“测海洋进行观测，记录海洋资料，作为 人类开发利用海洋的科学依据。潮位，就是受潮汐影响周期性涨落的水位。潮位 是海洋水文学的基本要素，是物理海洋学的重要的研究内容口，是变化最快最大 要素之一。在开发利用海洋过程中，潮位要素扮演着非常重要的角色，也是海洋 观测的重点观测对象。 1 2 海浪潮位测量技术概述 潮位测量就是测量某固定点的水位随时间的变化，实际上就是测量该点的水 的深度变化。潮位测量的手段很多，主要包括传统水尺法、浮子式潮位仪、引压 钟式潮位仪、声学式潮位仪、压力式潮位仪等潮位测量设备。这些验潮手段目前 国内均有使用，而g p s 潮位仪及潮位遥感测量等技术研究国内外正在开展。所 有这些潮位测量技术各有自己的特点。 1 、传统水尺【2 j 传统水尺潮位测量法是将特制的水尺安装于水中，在码头可直接安装在港池 壁上，在野外一般要竖一个木桩，再将水尺固定在桩上。此种方法最为原始，但 简单而直观便于水准联测，而且无需能源一旦安装完毕，可长时间免维护， 设备费用低但需人工定时读数记录，人力投入较大，且数据无法直接进入自动 化的流程。目前国内外已很少使用，但国内一些单位在较偏远、条件差地区的短 期验潮仍还采用。 2 、浮子式与引压钟式 这两种潮位测量法均属于有井验潮测量法，浮子式潮位测量法是利用一个漂 第一章绪论 浮于海面的浮子，它随海面而上下浮动，其随动机构将浮子的上下运动转换为记 录纸滚轴的旋转记录笔则在记录纸上留下潮汐变化的曲线d 3 。引压钟式潮位测 量法是将引压钟放置于水底，将海水压力通过管路引到海面以上，由自动记录器 进行记录【5 1 。为了消除波浪的影响，需在水中建立验潮井，即从海底竖立一井至 海面，其井底留有小孔与井外的海水相通，采用这种“小孔滤波的方法将滤 除海水的波动，这样井外的海水在涌浪的作用下起伏变化，而由于小孔的“阻挡” 作用，使井内的海面几乎不受影响，它只随着潮位而变，井上一般要建屋以保证 设备的工作环境。这两种测量方法由于安装复杂，须打井建站，适用于岸边的长 期定点验潮。其特点是精度较高，维护方便，但一次性投入费用较高，不机动灵 活对环境要求高( 如供电、防风防雨等) 。国内的长期验潮站大多采用这两种设 备。 3 、声学式 声学式潮位测量法属无井验潮法，根据其声探头( 换能器) 安装在空气中或水 中而分为两类。 探头安置在空气中的声学式潮位仪( 如国家海洋局海洋技术研究所生产的声 学式潮位仪) 是在海面以上固定位置安放一个声学发射接收探头，探头定时垂直 向下发射超声脉冲，声波通过空气到达海面并经海面反射返回到声学探头，通过 检测声波发射与海面回波返回到声探头的历时来计算出探头至海面的距离，从而 得到海面随时间的变化潮位数据可存放于存贮器内。待测量结束后提取出来其 潮高为： 日：办一c v t 2 式中日是潮位高度，h 是声探头在深度基准面以上的高度( m ) ，v t 是声脉冲在 声探头与瞬时海面之间的往返时间，c 是超声脉冲在空气钟的传播速度( m s ) ， c 为已知量，是大气压力，温度和湿度的函数。 这种潮位仪的安装一般需在海底打桩将验潮仪安装在桩的顶部，并保证高 潮时不被淹没。通过联测的方法找到大地基准面与验潮仪零点的关系。这种验潮 仪特点在于：由于设备安装在水上，因此可通过岸电即使在无岸电而采用电池 时，更换电池也较方便。且这种设备成本较低。但是由于需打桩，使它需以海岸 作为依托，不能离岸较远，因此测量水深一般较浅。 探头安置在水中的声学式潮位测量法一是将一声学探头安放在海底，定时垂 直向上发射声波，并接收海面的回波以测量安放点的水深。此种方法由于声探头 需有电缆连接，因此不能离岸较远。二是采用类似于测深仪的原理，选一块平坦 的海区将声探头放置于海面固定载体上，一般为船或固定漂浮物定时向海底 发射声波，通过检测海底回波以检测载体所在位置的水深。这两种声学潮位测量 第一章绪论 方法的特点是，精度较低，首先仪器本身存在至少几厘米的固有误差，另外测量 精度与由声探头的姿态有关，同时一般水声换能器有一定的盲区因此根据换能 器的不同，安放位置需要有一定的水深。而在此深度内，海水中的声速不是恒定 的，它随海水温度及盐度的变化而改变同时还受到海水中的悬浮物等因素的影 响，水深越浅则影响越大。因此声速误差将影响到测深精度。 声学式验潮仪在离岸较远的验潮点不便使用，在冬季岸边海水结冰后，声学 式验潮仪一般无法工作。 4 、压力式 压力式潮位仪是一种较新型的潮位测量设备， 目前已逐步成为常用的潮位 测量设备，它是将潮位仪安置于水下固定位置，通过检测海水的压力变化而推算 出海面的起伏变化h 1 。它的适用范围较前几种潮位仪要广，它不需要打井建站， 无须海岸作依托，不但适用于沿岸，码头，而且对于远离岸边及较深的海域的验 潮，它同样能胜任。同时这种潮位仪轻便灵活，对于测量作业机动、灵活、且时 间较短的应用场合，这种验潮仪较为合适。 压力式验潮仪所采用的测压部件压力传感器又分为表压型和绝压型。 其工作原理略有不同，但其基本测量原理是一样的，即检测出海水的静压力，将 压力换算成水位。其公式为： h = p l a g 式中h 是水深，p 是海水静压强，p 是海水密度，g 是重力加速度。 潮位仪以一定的时间间隔定时启动工作，由此可测出不同时刻的水位，这些 不同时刻的水位值就是潮汐数据。但对于不同类型的传感器，具体计算方法也有 所不同，表压型传感器由于直接测出海水的静压强，因此水位可直接按上式计算， 而绝压型传感器所测压力并非海水静压强，而是海水与大气压的合成压强，因此 其计算公式应为： h = ( 见一p 。) 1 p g 式中h 是水深，见是传感器测得的压强，p a 是测量时当地的大气压强，p 是海 水密度，g 是测量时当地的重力加速度。 压力式验潮仪的第一个特点是适应性强，测量水深为0 2 0 0 m ，能适应不同 深度的海区。即使海面结冰也仍能测量潮位。在较浅水域，一般小于l o m 时，可 安装水尺，将潮位仪与水尺安装在一起，零点归算到水尺上，通过联测的方法找 到大地基准面与水尺零点的关系，从而找到验潮仪零点与大地基准面的关系。同 时还可将潮位仪的数据通过无线发射的方式由其天线发射出去，使l o h n 内的用 户均能实时收到潮位数据。当在较深水域潮位测量时，可使潮位仪工作在自容状 态，按预置的时问间隔定时启动工作测得的潮位数据记在仪器内部的存储器中， 第一章绪论 待测量任务结束后，由潜水员将设备捞出，再通过接口读出所记的潮位数据。水 过深，潜水员无法打捞的水域，可在验潮仪上加装声学释放器测量任务结束要 打捞时，通过声代码发射接收机向潮位仪发出声学指令，潮位仪在接到指令后， 控制声学释放器释放，自动脱钩上浮到海面。其缺点是设备工作于自容方式，设 备没有电缆通到水上，因此其供电只能靠电池，由于其有水密要求，因此更换电 池不方便，其次是这种潮位仪较声学式潮位仪成本高。压力式潮位仪数据在计算 时如果已进行了联测，即找到了潮位仪零点与大地基准面的关系，就可直接将 潮汐数据归算到任一已知基准面( 如黄海平均海平面) 。如果布放点水深较深，无 法进行联测，则潮位仪的工作时间应长一些，一般为半个月或一个月甚至更长， 对长时间的潮位数据进行处理，算出调和常数，找出整个测量期间的平均海面。 以此面作为基准面给出潮位数据。 5 、g p s 式 g p s 潮位测量法是随着差分g p s ( d g p s ) 技术的不断成熟和发展而逐步发展 起来的新技术，它是目前g p s 技术发展的主攻方向之一，目前尚处于试验阶段 6 7 1 。它是应用- j g p s 实时动态( r e a lt i m ek i n e m a t i r r l x ) 测量技术，是g p s 测量技术与数据传输技术相结合，而构成系统。其工作原理是，在基准站安置一 台g p s 接收机，对所有可见g p s 卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无 线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户机上。g p s 接收机在接收g p s 卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对 定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标。 d g p s 潮位测量分为静态法与动态法。静态法是将d g p s 潮位站的g p s 接收 天线安置在靠近岸边或海上固定处的浮筒或测量船上，与岸上g p s 接收机实施 动态载波相位差分测量，求得d g p s 潮位站瞬时海面高度的一种潮位测量方法。 动态法是将d g p s 潮位站的g p s 接收天线安置在船上，与岸上g p s 接收机实施 动态载波相位差分测量，求得测量船所处瞬时海面高度的一种潮位方法。测点的 g p s 测得的海面高度( 位置) 计算公式为： d = h n d o 式中，d 是海面在某高程系统中的高度，h 是g p s 天线的w g s 8 4 椭球高度， 是w g s 8 4 参考椭球与所采用高程系统大地水准面的差值，以是g p s 天线到海 面的高度。 值得注意的是，g p s 测出的是其在w g s 8 4 椭球中的位置，与以往所采用的 潮位仪进行潮位测量有所不同，潮位仪所测出的是相对与海底的水深，显然g p s 潮位测量不但包含了海水的潮位变化，还包含了地壳的固体潮。在天体引力潮力 的作用下，地壳的起伏可达十几至几十厘米，因此在采用g p s 进行潮位测量时， 第一章缝论 要设法修正或者减小固体潮的影响。 6 、遥感式 潮位遥感测量是指利用卫星的雷达高度计来测量海面的起伏变化船。卫星测 高技术可提供全球、特别是偏远地区的潮使资料，其特点是速度快，经济，毽糟 度较低。它可检测全球的海洋潮位，为建立全球海洋潮汐模型提供了依据。 其测高原理是雷达高度计商海面发射极短的雷达脉冲，测量该脉冲从高度计 传输到海面的往返时间，通过必要的改正，便可求出卫星到海面的距离，如果卫 星轨道为已知，那么即可得知海面的高度。潮位遥感测量与g p s 验潮一样，同 样存在固体潮黔影响。 综上所述，现代潮位测量的手段很多，但是都或多或少的存在这样或者那样 的缺点，如传统的承尺测量法需要占用大量嚣人力资源，且测量数据有一定兹主 观性；浮子式和引压钟式需要建立专门的验潮井，对工作环境要求高；声学式受 海水温度、盐度舱影响比较大，且会受到海水中的悬浮物影响产生较大误差；压 力式潮位仪由于要置于水中，密封性要求比较高，电池更换不方便，且重力加速 度因地而异，不同季节，不同时间，不同海域的海水的盐度密度不一，天气变化 等会造成大气压的交化，两这凡个因素都是压力法测量中豹计算参数，因此每次 测量前都需要对这些参数进行预测标定，操作复杂，适应能力差；g p s 及遥感潮 。位测餐法，成本葛，且会由于测量出的海浪潮位变化还包含着地球固体潮位变化 量，也存在较大误差。另一方面，上述的种种方法测量精度最高是厘米量级，而 作为史料利用_ 和保存的潮位数据，旨在求真求准，测量数据越准确越好。 本文基于线阵c c d 传感器测量技术及频谱滤波拟合算法，设计一种精度高、 稳定性好、适应能力强、成本低、自动化程度高的非接触海浪潮位测量系统方案。 1 3 论文的主要工作 本课题以海浪潮位测量作为研究对象，根据其高糟度、高可靠性、适应能力 强、爨动化程度高的特点设访了葛# 接触海浪满位测量系统。 本文主要完成了以下几个方面的工作： l 、在分析各种溅量方法的特点帮发展现况鲍基础上，提磁了j # 接触海浪潮 位测量系统的整体设计方案。 2 、完成测量系统各部分的设计和研制。包括光学系统、c c d 采集部分、嵌 入式控制系统和数据处理单元。 3 、完成基于a r m 7l p c 2 2 1 4 的嵌入式控制软件，将频谱滤波拟合的算法应 第一章绪论 用在标尺的自动判读。并完成了上位机操作软件的设计和调试。 4 、完成了相关的测试实验，验证了非接触海浪潮位测量系统的功能和性能 指标。 第二章测最原理及总体方案设计 第二章测量原理及总体方案设计 2 1 潮位测量的基本原理 图2 1 标尺测高原理图 系统采用相对高度测量法，即预先标定标尺的项部高度日，以此作为测量 的基准，通过测量目标物与基准的相对距离日。来算得目标的绝对高度 日。= 日。一片。系统主要由均码标尺、长焦成像单元、c c d 图像采集单元、数据 处理和结果显示等组成，如图2 1 所示，测量系统工作时，未被遮挡物遮挡的标 尺码部分经长焦镜头成等比例缩小像于c c d 器件面，只需通过数据处理单元自 动判读出c c d 面上标尺像，就可得潮位实际高度日值。 2 2 测量系统的总体设计 潮位测量究其根本是对高度尺寸、位置信息的测量。测量系统的信号捕捉采 用线阵c c d 图像传感器，线阵c c d 用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触测 量技术，被广泛的应用于各种尺寸的在线监测和高精度、高速度的监测技术领域。 由c c d 图像传感器、光学系统、数据采集和处理系统构成的c c d 光电尺寸检测 仪器的实用范围和优越性是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器都无法比拟的。 这与c c d 本身所具有的高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其 自扫描的特性密切相关。这种测量方法往往直接捕获目标信号，无须配置复杂的 第二章测量原理及总体方案设计 机械运动结构，从而减少产生误差来源，使测量更准确、更方便。 根据实际测量的需要，系统需要达到以下基本的参数指标。 1 、测量距离 典型距离为2 0 0 m ，可根据当地具体环境做小幅度调整； 2 、测量范围 0 6 m ，海浪及潮位的起落幅度6 m 内的均可测； 3 、测量分辨率 3 衄，也就是标尺上的最小刻度划分单位为3 衄 4 、测量精度 5 - l 嘶皿目前太范围内使用的测量仪器其测量精度都是厘米量级 5 、测量环境 白天和夜晚，具备基本的能见度情况下，要求均能工作。 根据指标要求，设计测量总体方案如图2 - 2 ，主要由标尺、光学系统、控制 处理电路等组成。标尺是本方案的目标物：光学系统用来实现成像功能和对标尺 的照明功能：控制处理电路部分完成数据的采集、控制、存储、显示；电源部分 对整个系统供电。 标尺光学系统控制处理电路 同轴 一 i 裔 二匹 圈2 - 2 系统基奉组成结构圈 第二章测量原理及总体方案设计 2 2 1 标尺设计 1 、标尺的编码规则和读数原理 檀ir 11 1 i fi妇l l l i i i i l iii | 1 第一章测景原理及总体方案设计 组条码进行快速傅里叶变换后，可以获得在标尺某一部位的相位差。 翼abr ab i i c l ik x il i l il | l | ll l lll | l l i i i l | 誓l 圈i l | l q 翻嫩 图2 4r a b 码图 该标尺的判读方法为相位法。a 、b 两种信息码的码元宽度按正弦规律变化， 因而在标尺长度增加方向就形成了按正弦规律变化的亮度波。当水准仪照准标尺 时，就会截取a 波和b 波的一段，其亮度变化通过线阵c c d 转换成相应电信号， 再通过快速傅里叶变换( f f t ) 就可以获得频率和相位差，进而确定视距和高度。 3 、双相位码 i iij l l i ll ii 一呱iii 门r n 厂 二 z 。l 辨 图2 5 双相位码 z e i s s 标尺采用的是双相位码。标尺上每2 0m l n 为一个测量单元间距，其中 的条码组成一个码组。每个码组的边界处为黑白明暗过渡，其下边界到标尺底部 的高度，可以通过该码组的码元判读出来。这种双相位码在整个视场上的分布是 最佳的，以便水准仪在一个3 0c m 的视场宽度内可以至少检测到1 5 个黑白过渡 值。 双相位码标尺的判读采用几何位置法进行读数。它在1 5 - - 1 0 0m 范围内用一 个仅为3 0c n l 的最小视场就足以确定高程和视距的大小。标尺上的码元只被用来 做粗测量，精测则是通过探测码元间边界的明暗过渡来进行的。 4 、随机双向码 s o k k i a 编码标尺采用的是随机双向码。每6 个码组成一个宽度变化的间隔， 其中每个码元的宽度和1 6n l l l l 的基码宽度存在某种对应关系，这种对应关系为 1 = 4 ：1 2 ，2 = 6 ：1 0 ，3 = 8 ：8 ，4 = 1 0 ：6 ，5 = 1 2 ：4 。通过这种对应关系，每个码的码元都 能被判读出来。 l 基墨舅l _ ii = 1 啻0 。1o 姆0 | oo0 茸oo i d 莓0 崮0 01 龄0 j 捌 气7 飞万1 7 气= r 弓代7 弋7 l 一如” 王3堡垒2三至 十进制 s o k k i a 图2 - 6随机双向码 s o k k i a 采用的读数方法和z e u s 很相似，它用最小为8c n l 的视场间隔来进行 第二章测量原理及总体方案设计 测量。 尽管各厂家的编码标尺具有不同的编码规则和读数方法，但编码标尺全是由 同一厂家，即德国的z e i s s 公司生产的。这也是目前世界上惟一能够生产数字编 码水准标尺的厂家。 测量精度是评价测量系统性能优劣的一个重要指标，标尺的编码规则及读数 方法直接影响着最终的读数精度，上述的几种标尺诚然能够获得高的读数精度， 但是高精度是相当严格条件下才能达到的。而这些严格的条件同时也就成为上述 标尺编码和读数原理的一些硬伤。 1 、码元宽度过细，不容易识别。测量精度取决于所使用的码元的宽度，宽 度越小，测量精度越高，而码元过细，对后续识别系统及处理系统的要求也就越 高，不容易识别。 2 、标尺刻画工艺要求高。过细的码元及复杂的编码规则对标尺的刻画工艺 要求高，也就造成了现在虽然有多种编码和读数原理，而实际能生产标尺的厂家 却只有一家，足见刻画之难。 3 、自相关性和互相关性要求苛刻。测量所用码的自相关特性为万函数，且互 相关函数为零。 2 、均码标尺及读数方案 基于上述分析，本文提出均码标尺方案和读数方法，该标尺制作容易，判读 方便，又不失精度要求。 顶部基码均码 图2 7 本测量系统采用的标尺码图 标尺的主体部分为黑白相问的条纹，黑条纹和白条纹的宽度相等，其具体值 大小根据测量系统的精度要求而定。在标尺的顶部有码宽加倍的标志，在测量时 候，该标志容易识别，作为测量的基准。 由于采用的是黑白条纹均码编码，规律性强，判读也就方便了。标尺条纹经 过光学成像系统成像于c c d 传感器的光敏面上，在理想情况下，c c d 传感器像 敏面上的像是标尺的等比例缩小像，亦为等问距的黑白条纹。c c d 传感器输出 的电信号，周期宽度加倍的对应标尺的顶部基码条纹，是测量计数的起点，再数 第二章测最原理及总体方案设计 c c d 输出信号中极值的个数就能够算得黑白条纹的周期数了，条纹周期长度乘 以条纹周期数，就得到未被遮挡的标尺部分长度，也就可以换算得到目标物海洋 潮位的高度。 2 2 2 光学系统 光学系统主要包括成像系统和照明系统。根据测量要求，光学系统需要将 远距离物体成像在c c d 像敏面上，采用望远系统作为成像单元：根据全天候的 工作要求，在照明条件不是很好的情况下，需要用照明单元来增加标尺面的照度。 l 、望远成像系统 望远系统是用来观测远距离物体的光学系统。它是由物镜和目镜组成，并且 物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隔a = 0 。因此，它是使入射的 平行光束仍能保持平行地出射出的光学系统1 2 】。其成像原理如下图2 8 所示，无 限远处物体经物镜成像于物镜的像方焦平面处，再经目镜成像于无线远。若接收 器为图像传感器c c d 器，则可将接收器置于实像平面a i b l 处。 影响望远系统成像特性的主要是望远物镜。望远物镜的光学特性用焦距厂、 相对孔径d 厂和视场角2 0 ) 表示，对同一位置目标物成像时，焦距厂决定成像 大小、相对孔径d 厂。决定了望远系统的分辨率、成像照度并影响成像质量，视 场角2 0 ) 决定了能在接收器上成良好像的空间范围，它与物镜的焦距有关。 据参数要求，成像系统需要将物距约2 0 0 米，宽度为3 m m 的条纹，成像在 c c d 像敏面上，且单个条纹像大小应大于c c d 传感器的最小像元7 u m ，所以选 用的望远系统焦距需要满足条件：f 4 6 7 m m 。系统需要全天候工作，满足对若光 的探测要求，相对口径d 今1 8 。 本测量系统中的望远系统采用牛顿反射式望远成像系统，如图2 - 9 所示，利 用一个凹面的抛物面反射镜将进入镜头的光线汇聚后反射到位于镜筒前端的一 个平面镜上，然后再由这个平面镜将光线反射到镜筒外，这样就可以把标尺的像 第二章测景原理及总体方案设计 成在筒外的c c d 传感器的像敏面上。 图2 - 9 牛顿反射式望远成像系统 该望远系统的分辨率就是指望远物镜的分辨率。在望远系统中，分辨率是用 极限分辨角来表示。把刚好能被分辨开的两点对物镜入瞳中心的张角，称为最小 分辨角。其计算公式为 沙”：旦( 2 1 ) 沙= 一 l z lj d 式中，d 为望远系统入瞳直径，单位为毫米，在本光学系统中，反射式望远镜的 直径就是孔径光阑，也是系统的入瞳，其大小就是入瞳直径。 接收器为c c d 传感器，在c c d 传感器上分辨的线距离万与物镜分辨角之问 的关系为 “f 。= 万( 2 - 2 ) 式中厂为物镜的焦距。 由此可见，当物镜的分辨角一定时候，想要在c c d 器件上得到比较大的分 辨线距离万，就必须要加大物镜的焦距，这样又会使系统的结构尺寸增大。 望远系统的视场是用视场角即物体的边缘对入瞳中心的张角2 0 ) 来表示的。 由图2 7 知，视场角可用下式来计算 一 辔国= 每 ( 2 3 ) 式中z 为物镜的焦距；2 y 为c c d 传感器敏感区尺寸的大小。 选用智通公司的l 1 6 8 8 l 反射式望远系统，该系统焦距为7 5 0 m m 4 6 7 m m ， 相对孔径为1 6 1 8 ，由式2 - 1 及2 2 可算得c c d 传感器上分辨的线距离为3 u m ， 小于所选用的c c d 的最小像元大小7 u m 。由上述计算知，所选用系统参数满足 设计的参数要求。 2 、主动照明 由于本非接触潮位测量系统要求全天候二十四小时工作，环境光变化剧烈， 白天和夜晚的环境光的最大照度和最小照度之差远远超过c c d 传感器相应的动 第二章测量原理及总体方案设计 态范围，因此在晚上或者天气条件不好的情况下，需要采用人工光源对自然光源 进行辅助照明。由自然过程产生的辐射源称为自然光源，各种天体( 包括太阳、 月亮、星体等) 都是自然光源。人工光源主要是为了在夜晚或者天气不佳的情况 下，创造良好、稳定的观察和测量条件，本系统拟在激光照明或l e d 照明中选 择一种，并展开了相应的后续实验。 激光照明，具有单色性好、相干性好，光束准直精度高等特点，c c d 器件的 光谱响应范围为0 2 1 1 u m ，峰值响应波长多为0 5 5 u r n ，在诸多激光器中，半 导体激光器又由于其效率高，体积小，制造技术比较成熟，结构简单，使用方便， 价格便宜。在使用激光照明目标时，须合理选择激光光源的功率及有关参数，调 节被观察对象亮度值，以保证所须要的像面亮度，半导体激光器的发散角都很大， 单位角度内能量就非常的小，为了能使系统在黑暗中能看见更远的目标，它的发 散角做一定的压缩，保证目标表面的照度【1 3 - 1 4 1 。 l e d 照明作为一种新型的照明方式，也存在其独特的优势。一是外型设计灵 活，l e d 照明系统可以由一组l e d 阵列的形式组成，在外型和尺寸方面有更大的 自由度；二是使用寿命长，l e d 照明系统在持续1 0 ，0 0 0 小时到3 0 ，0 0 0 小时以 后才进入半衰期，大大高于其他照明系统，如果采用开关控制，间歇使用可抑制 温度升高，且l e d 的寿命能增加数倍；三是照度控制方便，采用l e d 阵列，可将 阵列分成若干等级，这样就能获得若干等级的照度条件，以适应不同的外界照明 条件1 5 6 1 。 3 、照度匹配 c c d 是积分型器件，输出电流型号既和c c d 器件光敏面上的照度有关，也 和两次取样的间隔时问，即积分时间有关。若以i 代表其输出电流信号，e 代表 光敏面的照度，t 代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有 i=ket=kq(2-4) 式中，k 为比例常数，q = e t ，称为曝光量，单位为i x s o 对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝光量如。 对于摄像和以光照度测量为基础的c c d 应用系统，光敏面上任何光敏单元上的曝 光量q 均应当低于，否则将产生画面亮度失真，或产生大的测量误差【1 7 】。 因为q = e t ，所以可以通过适当选择c c d 器件光敏面上照度e 和两次采样 间隔时间t 两个参数来达到q 如。但是，采样间隔时问t 一般由驱动器的转移 脉冲周期不确定，常为一确定值。所以调节曝光量是通过调节c c d 光敏面上 的光照度来实现。要求光敏面上的任何点的照度应满足 e z u j 0 1 ；复位脉冲信号r s ，用来清除输出 极输出一个单元的电荷后所剩电荷，以保证下一个单元的电荷电压的输出正确， 每复位一次输出一个信号；钳位脉冲信号c p ，该脉冲使输出信号钳制在零信号 电平上；采样保持控制脉冲即，加有采样保持信号控制脉冲后，c c d 的输出信 号去掉了调幅脉冲成分，它的幅度直接反映了像敏单元的照度。 图3 2 中的另两个信号和d o s ，其中o s 是c c d 的输出信号，而d o s 是 c c d 的输出补偿信号，这两路信号送大差分放大器的正、反输入两端进行差分放 大，可抑制共模的复位信号引起的干扰【1 丌。 ，h 1t _ 州辱乞骷a o 譬p 砷啪 叮盎办1 。 - 破，：歹气 t tt 5 r s 。 二三蜓凹8 - u 。- - o 。- u o s “ ， s p 图3 - 3 驱动时序脉销与延时关系 在s h 高电平期间，c c d 传感器积累的信号电荷包通过转移栅进入移位寄 存器，二相时钟驱动脉冲缟、妒2 要求保持一个高和低的电平状态，、f 5 为缟相 对于册的建立保持时间，参图3 - 3 所示，其最小值不应该小于l o o n s ，此外， 转移栅船的脉冲宽度f 3 不得小于5 0 0 n s ，复位脉冲信号髂、钳位脉冲信号c p 、 采样保持控制脉冲s p 的脉宽岛、t 1 8 、：均不得小于2 0 n s ，满足了这些最基本的 时序要求，c c d 传感器件才能正常工作。 c c d 传感器的六路脉冲信号均由可编程逻辑器件c p l d 提供。在设计时，采 用同一时钟对几路脉冲进行控制，以保证相互问确定的时间关系。用分频器对时 钟脉冲进行分频以产生各路脉冲所需要的波形f 1 8 1 。时序发生原理图如图4 4 所 示，在本c c d 的时序驱动设计中，z c l r 作为清零信号低电平有效；从外部时钟 m c l k 获c p l d 的主时钟c l k ，对c p l d 时钟进行分频，得到二分频朋翰、四分 频尥、八分频朋鲮、十六分频m q ，对肘q 、m q , 、朋鲮经过组合逻辑电路 第三章测量系统硬件设计 l 进行逻辑组合，就可以分别得到面、面、历信号，三个信号的频率为主频c 丛 的1 8 ，占空比为1 ：3 ；从外部时钟分频得到的另一路计数时钟t c l k ，t c l k 经 过计数器与逻辑组合电路2 可以获取转移栅舛；又缟与跗之间有着特定的时 序延时保持要求，从组合逻辑2 中分出一路信号与坞相或，得到二相时钟驱动 脉冲磊，欢可通过对萌取反的方法获得。 图3 4 时序发生原理组成框图 系统在全天候昼夜条件下工作时，外界的光照条件差距比较大。在一个光 照条件下调整校准好的c c d 驱动，在一个相对较弱的光照条件下，可能会电荷 溢出导致信号失真，而在另一个光强较强的情况下，又会输出幅度相对较小，不 利于提高系统的信噪比，影响探测系统的探测能力。c c d 传感器对光的感知能 力，受其工作频率和积分时间的影响，采用c p l d 可编程逻辑器件，可以实现积 分时间和频率同时可以调整的驱动，可根据工作现场的实际情况，实时进行调整， 使得c c d 传感器达到最佳探测状态。 3 3 2 信号放大电路设计 在驱动脉冲的作用下，c c d 传感器输出信号o s 及补偿输出信号d o s ，这 两个信号较弱，且受到共模的复位脉冲信号船、钳位脉冲信号c p 、采样保持 控制脉冲印的干扰，在本系统中采用差分多级放大器l m h 6 6 4 4 来放大信号并 抑制共模干扰。 l m h 6 6 4 4 是美国国家半导体公司生产的l m h 6 6 4 x 系列中的四运放，是应 用与单电源的电压反馈型运算放大器，在点电压电源供给的情况下能够提供高转 换速率、宽频、低谐波失真和高输出电流f 4 1 】。 在放大器的第一级采用电路结构完全对称的差分放大方式，有利于抑制共 模干扰( 提高电路的共模抑制比) 和减小温度漂移【3 1 ，即该方式对差模信号有较 强的放大能力，而对共模信号有较强的抑制能力，差模放大倍数大，而共模 放大倍数如小，可以提高共模抑制比k d 坦= 如如，k c m r 越大越好。采用 四级放大，增加了整个电路的放大率调整空间，还可以获得较高的信噪比。四级 放大的最末级的输出信号与模数转换器a d c 相连，为了使得a d c 能表现出最优 第三章测量系统硬件设计 秀的性能，放大器必须要保证处理传送到a d c 的信号具有正确的偏置和幅度，而 要保证信号的完整，放大器必须具有完成该工作所需要的带宽和交流性能，放大 器到模数转换器a d c 的差分接口如图4 - 6 所示，在运放的输出和模数转换器a d c 的输入阻容组合。这个阻容组合 t 1 2 具有多种功能f 2 0 】：电容是a d c 的 一个局部电量储存设备，通常， 一个小电容就可以提供所需要的 暂态电量储存，用来消除由于 a d c 内部开关电路引起的电流尖 峰；电阻用来隔离a d c 的容性负 载和放大器来确保稳定；另电阻 和电容合起来形成了一个a d c 输 入的低通滤波器。 放大器的电压增益大小 彳：r o + r b ，为了能够适应外界 兄 环境光强的变化，需要能够及时 调整放大电路的电压增益a ，可 图3 5 筹分放大电路图 以通过多路模拟开关来改变电压增益a ， 图3 - 6 阻容组合电路图 选通信号a 0 ，a 1 ，a 2 ，从r i r 8 中 兄+ r 选择一个作为放大器的反向输入端接地电阻，改变 咒 值，从而改变信号的 放大倍率 a o a 1 a z v a 2a 1a 0e ns w i t ( 00o11 00 ll2 l013 01 1 14 1o01 5 10116 1l 0l 7 1li18 图3 7 多路模拟开关接线图 表3 - 1 多路模拟开关真值表 第三章测景系统硬件设计 3 3 3 模数转换 经过差分放大器放大后的c c d 信号是模拟信号，而微处理器只能对数字信号 进行处理，因此需要将c c d 的输出信号转换为数字信号。本系统中采用n 公司生 产的模数转换器件t l c 5 5 1 0 i ，t l c 5 5 1 0 是8 位高阻抗并行a d 芯片，采用5 v 供 电，带有内部采样保持电路 1 9 , 4 3 。 n y q u i s t 理论规定，信号必须被至少大于信号最高频率两倍的采样频率量化， 系统中c c d 信号输出的信号频率最大为6 m h z ，所以a d c 的采样频率至少要 1 2 m h z ，t c d 5 5 1 0 i 所能提供的最大采样率为2 0 m s p s ，满足系统的频率要求。 系统上电启动后，c c d 输出端输出信号，c p l d 产生a d 的转换控制时钟 a d c l k ，在a d c l k 的每一个下降沿采集模拟输入信号，t l c 5 51 0 就会将差分 放大、低通滤波后的c c d 模拟信号实时地转换为与其模拟幅值相对应的8 位数 字信号，送到内部数据总线上，t l c 5 5 1 0 的输出使能o e 接地置为低电平时， 模数转换器a d c 就不停的向外输出转换后的数字信号，以供后续电路接收处理。 3 4 信号接收与控制模块 3 4 1 c p l d 逻辑时序控制 整个电路部分的所有时序及逻辑控制功能，均是基于可变成逻辑器件 ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) c p l d 实现的。c p l d 是一种可以在制造 完成后由用户根据自己的需要定义其逻辑功能的一种器件。 i s p m a c h l c 4 2 5 6 v 是l a t t i c e 公司i s p m a c h t m 4 0 0 0 v 系列中的一款 c p l d ，工作电压是3 3 v ，最大工作始终是4 0 0 m h z ，内部有2 5 6 个宏单元，具 有低功耗特性，封装有1 0 0 1 删1 7 6 管脚，本系统选择的是1 4 4 管脚，有丰富的 i o 口资源，能实现在系统编程。 在本方案设计中，c p l d 主要实现的功能有以下几部分： l 、提供c