CN102141373B - 光斑中心实时检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光斑中心实时检测系统和检测方法，由光靶、光学透镜组、高速CCD模块、时序控制与驱动模块、网络传输模块、实时数据处理模块、光斑信息输出模块、电源管理模块以及光靶支撑机构组成。本发明实现了光斑信息数字化，采用嵌入式实时系统根据光斑检测方法实时解算光斑中心信息，按照用户的要求输出形式给出实时检测结果；本发明可以解决激光光斑中心等信息的检测和记录，实现了光斑随时间和空间的变化量的在线检测，可以广泛应用于测距、非接触测量和遥感等领域。

Description

光斑中心实时检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及激光技术应用，具体涉及一种新型光斑中心检测方法和应用该方法的光斑中心实时检测系统。

背景技术

激光是一种定向精度高、发散度极小的光，可以用来实现测距和准直。一些高性能、高可靠、大功率的激光技术首先应用于军事装备上。随着激光技术的发展，小功率脉冲激光器在民用行业上也广泛应用。尤其是在测距、非接触测量和卫星遥感等领域均应用了激光技术。

在光束的散角测量、被测物体的微小旋转角度、物体运动的非接触测量等应用中均需要确定一束激光的光斑大小或者光斑的中心，通过一种检测算法得到光束的散角、物体的转角、物体运动速度等信息。在获得光斑信息时，最直接的解决方法是采用面阵或者线阵光感元器件(如光电二极管、三极管等)实现对光斑中心的的检测。采用面阵光感元器件可以提高光斑中心的检测精度，但是受到元器件的安装尺寸以及靶板的面积影响。一般来说面阵检测方式将会使用大量的光感元器件，如此多的光感元器件应用不但增加了系统成本，而且给器件安装、电源布线以及数据处理等方面带来诸多困难。此外，单一光感元件的可靠性将极大影响检测系统的可靠性，给系统维护带来不便。线阵光感元器件的检测虽然可以降低传感器数量、数据处理量等，但是会极大的降低光斑中心检测精度，尤其是在大面积光斑检测中必须采用扫描方式，这样会额外增加系统的处理时间。

发明内容

鉴于上述技术存在的问题，本发明专利的目的是提供一种低成本、高可靠的光斑检测方法和光斑中心实时检测系统。该系统实现了光斑信息数字化，采用嵌入式实时系统进行光斑检测方法实时解算用以确定光斑中心信息，通过用户指定的输出形式给出实时检测结果。

本发明的技术方案如下：

一种光斑中心实时检测系统，由光靶、光学透镜组、高速CCD模块、时序控制与驱动模块、网络传输模块、实时数据处理模块、光斑信息输出模块、电源管理模块以及光靶支撑机构组成，其特征在于：所述的光靶由机械支撑和玻璃靶面组成，玻璃靶面镶嵌在机械支撑上，所述的玻璃靶面上具有镀膜，玻璃靶面的镀膜选择某个或某几个波段的光通过，吸收其他波段的光，使符合要求的光进入光斑实时检测系统；镀膜根据光学传输的要求和应用环境的不同，具有通过以650nm、1064nm、1300nm等不同波长为中心的镀膜。

所述的光学透镜组和高速CCD模块依次设置在所述光靶的前方光路上，所述的高速CCD模块为点阵CCD图像传感器，实现对进入的光波进行积分和量化，输出数字化图像；所述的光学透镜组由不同的凸透镜和凹透镜镜片组合而成，用于对光学通路的调整，将所述光靶汇聚成的具有适当缩放系数的像投射到点阵CCD图像传感器上。根据成像要求的不同，通过选择不同焦距的透镜，以便在CCD上获得清晰的图像。

所述的高速CCD模块信号输出端依次通过所述的网络传输模块和实时数据处理模块与所述的光斑信息输出模块连接，其中所述的网络传输模块将所述高速CCD模块采集的数字信号压缩后经网络传输至所述的实时数据处理模块；所述的实时数据处理模块由嵌入式实时系统实现，将接收的网络传来的图像数据按照光斑中心检测方法解算出当前时刻的光斑中心位置；嵌入式系统的硬件由嵌入式控制器及其外围驱动电路实现，嵌入式系统运行订制的实时系统以满足实时数据处理程序的应用要求，实现对数据的实时处理；

所述的时序控制与驱动模块实现定时计数功能，对所述的高速CCD模块输入时钟驱动信号，并将所述的高速CCD模块采集的图像数据经数据总线传输至所述的网络传输模块；

所述的光斑信息输出模块将光斑信息通过VGA接口输出到系统监视器，或者根据设置通过串口RS232或者网络接口输出到监控计算机；

所述的电源管理模块为光斑中心实时检测系统提供电源供电方式管理，实现蓄电池供电、电池供电或者220V交流供电等方式。

一种光斑中心检测方法，其具体包括以下步骤：

假设激光发射点中心为E，激光发射点距光电检测面的距离为l，分度点的直径为d，激光发射器的三角大小为α，圆O是激光垂直于检测面形成的光斑，则光斑的直径为D：

$D=2l\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}$

若激光发射器以O₀为中心进行旋转，光斑中心由初始O₁点移至O₂点，激光中心EO₁和EO₂与垂直入射激光中心EO的水平方向的水平角分别为∠OEC和∠OEB，设其大小分别为β₁和β₂，在垂直方向上形成的垂直角∠O₁EC和∠O₂EB，并设其大小为α₁和α₂，则激光发射器在一次移动过程中水平角和仰角的差值分别为：

$\mathrm{\Δ\α}={\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1=\arctan \left(\frac{y_2}{\sqrt{x_2^2+l^2}}\right)-\arcsin \left(\frac{y_1}{\sqrt{x_1^2+l^2}}\right)$

$\mathrm{\Δ\β}={\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1=\arctan \left(\frac{x_2}{l}\right)-\arctan \left(\frac{x_1}{l}\right)$

将光靶面上的一个符合要求的分度点简化成一个边长为d的正方形，一个像素设为边长为a的正方形，则分度点通过透镜在点阵CCD图像传感器镜面形成的投影为边长为d₁正方形；设靶面至透镜中心的距离为F，点阵CCD图像传感器镜面至透镜中心的距离为D，且设点阵CCD图像传感器的缩放系数为：

$f=\frac{F}{D}=\frac{d_1}{d};$

又设点阵CCD图像传感器光感面的尺寸为L×W，其中L是CCD长度，W是CCD的宽度，同样设光靶的尺寸为L₀×W₀，由上可以得出在宽度和长度上的缩放系数分别为：

$f_L=\frac{L}{L_0}$

$f_W=\frac{W}{W_0}$

为了实现系统应用，在实际设计中应取f_W与f_L两者较小值作为系统的固定最小缩放系数，并设为f；

则系统的测量误差可由以下两式导出：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ\α}}=2\arctan \left(\frac{d_1}{\sqrt{d_1^2+f^2{l}^2}}\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ\β}}=2\arctan \left(\frac{d_1}{\mathrm{fl}}\right)$

通过该检测方法可以实现对光斑中心信息的解算，并给出光斑中心实时检测系统的测量误差。

所述的光斑中心实时检测系统，其特征在于：所述的机械支撑机构为光靶、光学镜组、CCD模块、实时处理系统模块提供物理支撑和空间定位。

本发明的有益效果：

本发明实现了光斑信息数字化，采用嵌入式实时系统根据光斑检测方法实时解算光斑中心信息，按照用户的要求输出形式给出实时检测结果；本发明可以解决激光光斑中心等信息的检测和记录，实现了光斑随时间和空间的变化量的在线检测，可以广泛应用于测距、非接触测量和遥感等领域。

附图说明

图1为本发明结构原理框图。

图2为激光发射器在光检测面上形成光斑示意图，图中小圆代表靶面分度点，大圆和椭圆代表激光器发射的激光在检测面上形成的光斑大小。

图3为本发明光斑中心检测方法原理图。

具体实施方式

参见图1、2，一种光斑中心实时检测系统，由光靶10、光学透镜组11、高速CCD模块12、时序控制与驱动模块13、网络传输模块14、实时数据处理模块15、光斑信息输出模块16、电源管理模块17以及光靶支撑机构18组成，光靶由机械支撑和玻璃靶面组成，玻璃靶面镶嵌在机械支撑上，玻璃靶面上具有镀膜，玻璃靶面的镀膜选择某个或某几个波段的光通过，吸收其他波段的光，使符合要求的光进入光斑实时检测系统；镀膜根据光学传输的要求和应用环境的不同，具有通过以650nm、1064nm、1300nm等不同波长中心的镀膜。

光学透镜组和高速CCD模块依次设置在光靶的前方光路上，高速CCD模块为点阵CCD图像传感器，实现对进入的光波进行积分和量化，输出数字化图像；光学透镜组由不同的凸透镜和凹透镜片组合而成。根据成像要求的不同，通过选择不同焦距的透镜，光学透镜组用于对光学通路的调整，将光靶汇聚成的具有适当缩放系数的像投射到点阵CCD图像传感器上，以获得清晰的图像；

高速CCD模块信号输出端依次通过网络传输模块和实时数据处理模块与光斑信息输出模块连接，其中网络传输模块将高速CCD模块采集的数字信号压缩后经网络传输至实时数据处理模块；实时数据处理模块由嵌入式实时系统实现，将接收的网络传来的图像数据按照光斑中心检测方法解算出当前时刻的光斑中心位置；嵌入式系统的硬件由嵌入式控制器及其外围驱动电路实现，嵌入式系统运行订制的实时系统以满足实时数据处理程序的应用要求，实现对数据的实时处理；

时序控制与驱动模块实现定时计数功能，对高速CCD模块输入时钟驱动信号，并将高速CCD模块采集的图像数据经数据总线传输至网络传输模块；

光斑信息输出模块将光斑信息通过VGA接口输出到系统监视器，或者根据设置通过串口RS232或者网络接口输出到监控计算机；

电源管理模块为光斑中心实时检测系统提供电源供电方式管理，实现蓄电池供电、电池供电或者220V交流供电等方式。

机械支撑机构为光靶、光学镜组、CCD模块、实时处理系统模块提供物理支撑和空间定位。

一种光斑中心检测方法，具体包括以下步骤：

假设激光发射点中心为E，激光发射点距光电检测面的距离为l，分度点的直径为d，激光发射器的三角大小为α，圆O是激光垂直于检测面形成的光斑，则光斑的直径为D：

$D=2l\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}$

若激光发射器以O₀为中心进行旋转，光斑中心由初始O₁点移至O₂点，激光中心EO₁和EO₂与垂直入射激光中心EO的水平方向的水平角分别为∠OEC和∠OEB，设其大小分别为β₁和β₂，在垂直方向上形成的垂直角∠O₁EC和∠O₂EB，并设其大小为α₁和α₂，则激光发射器在一次移动过程中水平角和仰角的差值分别为：

$\mathrm{\Δ\α}={\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1=\arctan \left(\frac{y_2}{\sqrt{x_2^2+l^2}}\right)-\arcsin \left(\frac{y_1}{\sqrt{x_1^2+l^2}}\right)$

$\mathrm{\Δ\β}={\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1=\arctan \left(\frac{x_2}{l}\right)-\arctan \left(\frac{x_1}{l}\right)$

将光靶面上的一个符合要求的分度点简化成一个边长为d的正方形，一个像素设为边长为a的正方形，则分度点通过透镜在点阵CCD图像传感器镜面形成的投影为边长为d₁正方形；设靶面至透镜中心的距离为F，点阵CCD图像传感器镜面至透镜中心的距离为D，且设点阵CCD图像传感器的缩放系数为：

$f=\frac{F}{D}=\frac{d_1}{d};$

又设点阵CCD图像传感器光感面的尺寸为L×W，其中L是CCD长度，W是CCD的宽度，同样设光靶的尺寸为L₀×W₀，由上可以得出在宽度和长度上的缩放系数分别为：

$f_L=\frac{L}{L_0}$

$f_W=\frac{W}{W_0}$

为了实现系统应用，在实际设计中应取f_W与f_L两者较小值作为系统的固定最小缩放系数，并设为f；

则系统的测量误差可由以下两式导出：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ\α}}=2\arctan \left(\frac{d_1}{\sqrt{d_1^2+f^2{l}^2}}\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ\β}}=2\arctan \left(\frac{d_1}{\mathrm{fl}}\right)$

通过该检测方法可以实现对光斑中心信息的解算，并给出光斑中心实时检测系统的测量误差。

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

光斑中心实时检测系统由光靶、光学透镜组、高速CCD模块、时序控制与驱动模块、网络传输模块、实时数据处理模块、光斑信息输出模块、电源管理模块、光靶支撑机构组成，如图1所示。

光靶由靶支撑机构及玻璃靶面组成。本实例中玻璃靶面采用面积为30cm*40cm的光学玻璃制成，镶嵌在支撑机构上。根据光斑的光学特性选择合适的带通滤光膜，如光波中心为650nm的镀膜，通过镀膜技术改变光学玻璃的光学特性，从而使符合要求的光波进入光斑实时检测系统。

光学透镜组主要由凸透镜和凹透镜镜片组组成，提供对光学通路的调整，将光靶面及光斑会聚成适当的缩放系数的像投射到CCD图像传感器上，以使光斑实时检测系统获得清晰的图像。在实施过程中采用三套透镜组实现将靶面以适合的尺寸缩放在CCD模块1/3”的感光面上。

高速CCD模块采用点阵CCD图像传感器。本实例CCD感光面采用1/3”芯片，可以实现1280*720像素分辨率下不低于60fps速率拍照，并可获得清晰的数字图像。该CCD模块实现对进入实时检测系统的光波进行积分和量化，输出系统需要的数字化图像。

时序控制与驱动模块主要分为时序控制与总线驱动两个部分。时序控制电路主要实现高速定时与计数，该功能主要采用FPGA现场门阵列器件实现，该定时器可以实现5ns的精确定时和50MHz的速率计数。时序控制模块实现对高速CCD模块的时序控制与触发同步控制，用于图像数据到总线驱动模块的数据传输同步。总线驱动模块主要实现数字信号的锁存与驱动，并负责将CCD模块采集的图像数据经数据总线传输至网络传输模块。

网络传输模块负责将CCD采集的数字信号压缩后经网络传输至实时数据处理模块，网络传输模块采用100Mbps芯片实现数据的传输，该网络数据传输速率可以实现30fps视频图像的实时传输。

实时数据处理模块由嵌入式实时系统实现。嵌入式系统采用实时Linux系统，通过编写实时监控程序，将接收的网络传来的图像数据按照光斑中心检测方法解算出当前时刻的光斑中心位置。实时监控程序主要包括：主控程序、网络传输程序、输入输出控制程序、光斑实时检测算法解算程序。主控程序主要实现系统的启动、资源管理、系统的停止、实时线程的调度等功能。网络传输程序主要负责完成100Mbps网卡驱动、图像数据的接收工作。输入输出控制程序负责与用户的交互，并可实现实验结果的存储、打印、实时显示等功能。光斑实时检测算法解算程序主要实现图像数据的格式化、数据的转换与处理、检测算法的执行等功能。

光斑信息输出模块将根据用户指定的输出模式，通过VGA接口输出到系统监视器，或者根据用户设置的通讯速率通过串口RS232或者网络接口输出到监控计算机。

电源管理模块为光斑中心实时检测系统提供电源供电方式管理，可以实现蓄电池供电、电池供电或者220V交流供电等方式。

机械支撑机构为光靶、光学透镜组、CCD模块、实时处理系统等模块提供物理支撑和空间定位。机械支撑结构可以做成固定式的基座与调节机构结合的方式，亦可以做成以某种移动支撑机构，例如带轮式、履带或者轨道等形式的移动基座。

以上所述的光斑实时检测系统，仅为发明专利较佳的具体实施方式与具有代表性的具体实施方式，同时所述的光斑检测系统的结构也仅是有代表性的结构；但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明专利的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种光斑中心实时检测系统，由光靶、光学透镜组、高速CCD模块、时序控制与驱动模块、网络传输模块、实时数据处理模块、光斑信息输出模块、电源管理模块以及光靶支撑机构组成，其特征在于：所述的光靶由机械支撑和玻璃靶面组成，玻璃靶面镶嵌在机械支撑上，所述的玻璃靶面上具有镀膜，玻璃靶面的镀膜选择某个或某几个波段的光通过，吸收其他波段的光，使符合要求的光进入光斑实时检测系统；

所述的光学透镜组和高速CCD模块依次设置在所述光靶的前方光路上，所述的高速CCD模块为点阵CCD图像传感器，实现对进入的光波进行积分和量化，输出数字化图像；所述的光学透镜组用于对光学通路的调整，将所述光靶汇聚成的具有适当缩放系数的像投射到点阵CCD图像传感器上，以获得清晰的图像；

所述的光学透镜组由不同的凸透镜和凹透镜片组合而成，根据成像要求的不同，通过选择不同焦距的透镜，以便在高速CCD模块上获得清晰的图像，镀膜根据光学传输的要求和应用环境的不同，能分别通过以650nm、1064nm、1300nm为中心的不同波长的光；

所述的高速CCD模块信号输出端依次通过所述的网络传输模块和实时数据处理模块与所述的光斑信息输出模块连接，其中所述的网络传输模块将所述高速CCD模块采集的数字信号压缩后经网络传输至所述的实时数据处理模块；所述的实时数据处理模块，将接收的网络传来的图像数据按照光斑中心检测方法解算出当前时刻的光斑中心位置；

所述的时序控制与驱动模块实现定时计数功能，对所述的高速CCD模块输入时钟驱动信号，并将所述的高速CCD模块采集的图像数据经数据总线传输至所述的网络传输模块；

所述的光斑信息输出模块将光斑信息通过VGA接口输出到系统监视器，或者根据设置通过串口RS232或者网络接口输出到监控计算机；

所述的电源管理模块为光斑中心实时检测系统提供电源供电方式管理，实现电池供电或者220V交流供电方式。

2.一种光斑中心检测方法，其特征在于：

假设激光发射点中心为E，激光发射点距光电检测面的距离为l，分度点的直径为d，激光发射器的三角大小为α，圆O是激光垂直于检测面形成的光斑，则光斑的直径为D：

$D=2l\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}$

若激光发射器以O₀为中心进行旋转，光斑中心由初始O₁(x₁，y₁)点移至O₂(x₂，y₂)点，激光中心EO₁和EO₂与垂直入射激光中心EO的水平方向的水平角分别为∠OEC和∠OEB，设其大小分别为β₁和β₂，在垂直方向上形成的垂直角∠O₁EC和∠O₂EB，并设其大小为α₁和α₂，则激光发射器在一次移动过程中水平角和仰角的差值分别为：

$\mathrm{\Δ\α}={\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1=\arctan \left(\frac{y_2}{\sqrt{x_2^2+l^2}}\right)-\arcsin \left(\frac{y_1}{\sqrt{x_1^2+l^2}}\right)$

$\mathrm{\Δ\β}={\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1=\arctan \left(\frac{x_2}{l}\right)-\arctan \left(\frac{x_1}{l}\right)$

将光靶面上的一个符合要求的分度点简化成一个边长为d的正方形，一个像素设为边长为a的正方形，则分度点通过透镜在点阵CCD图像传感器光感面形成的投影为边长为d₁正方形；设光靶面至透镜中心的距离为F，点阵CCD图像传感器光感面至透镜中心的距离为D，且设点阵CCD图像传感器的缩放系数为：

$f=\frac{F}{D}=\frac{d_1}{d};$

又设点阵CCD图像传感器光感面的尺寸为L×W，其中L是点阵CCD图像传感器长度，W是点阵CCD图像传感器的宽度，同样设光靶面的尺寸为L₀×W₀，由上可以得出在长度和宽度上的缩放系数分别为：

$f_L=\frac{L}{L_0}$

$f_W=\frac{W}{W_0}$

为了实现系统应用，在实际设计中应取f_W与f_L两者较小值作为系统的固定最小缩放系数，并设为f；

则系统的测量误差可由以下两式导出：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ\α}}=2\arctan \left(\frac{d_1}{\sqrt{d_1^2+f^2{l}^2}}\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δ\β}}=2\arctan \left(\frac{d_1}{\mathrm{fl}}\right)$

通过该检测方法可以实现对光斑中心信息的解算，并给出光斑中心实时检测系统的测量误差。

3.根据权利要求1所述的光斑中心实时检测系统，其特征在于：所述的光靶支撑机构为光靶、光学透镜组、高速CCD模块、实时数据处理模块提供物理支撑和空间定位。

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