CN103196873A - 一种基于激光扫描的探测成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光扫描的探测成像系统，该成像系统以激光为光源，通过对物体的散射光的进行进行采集成像，包括激光扫描器、激光扫描探测器、低噪声前置放大器、信号调理电路、A/D转换模块、数字信号处理模块、采样控制模块、电机、图像采集卡和上位机。本发明提供的基于激光扫描的激光探测成像系统，解决了工业扫描系统中日光灯光源稳定性差，CCD相机接收信号动态范围窄、不能够高精度检测的不足，以及PIN管及APD管本身噪声过大，不适合在噪声大的工业场合中使用的不足。本发明使用激光扫描器对物体进行逐点扫描，稳定性高，利用激光扫描探测器接收信号动态范围宽，能够进行高精度检测，物体的成像精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于激光扫描的探测成像系统，应用于工业扫描成像系统对被扫描物体的分析与判断。
背景技术
一般工业扫描系统，使用的光源为日光灯，使用的信号接收装置为CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）相机。由于日光灯长时间使用不能处于一个稳定的状态，并且随着使用时间的延长变得愈发不稳定，因此该类的工艺扫描系统随着使用时间的延长误差就会越来越大，而激光能够在长时间使用时始终保持一个稳定的状态；由于CCD相机的动态范围不是足够宽，在精确检测物质上不如光电倍增管（PMT）好；探测器可用PIN管或APD管，但在工业应用中，环境噪声过大，对物体的检测需要不同的光谱，PIN管和APD管接收光谱范围较窄，且本身噪声过大，PMT在高精度检测中，具有较高的优势。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光扫描的探测成像系统，对物体的每个点进行扫描，可通过A/D采样信号的控制决定对物体取样的密度，进而可以有很高的分辨率，可以完成更清晰的图像，以便对物体进行分析和判断。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于激光扫描的探测成像系统，该成像系统以激光为光源，通过对物体的散射光的进行进行采集成像，包括激光扫描器、激光扫描探测器、低噪声前置放大器、信号调理电路、A/D转换模块、数字信号处理模块、采样控制模块、电机、图像采集卡和上位机：
所述电机，用于带动棱镜转动；
所述激光扫描器作为光源，将激光通过包括棱镜在内的光学组件打到物体上，对物体进行扫描；
所述激光扫描探测器，用于接收物体的散射光，并将接收到的散射光信号转换为电信号后输出；
所述低噪声前置放大器，将激光扫描探测器输出的电信号进行高增益、高带宽、低误差、低噪声的稳定放大后输出；
所述信号调理电路，将低噪声前置放大器输出的电信号进行调理并滤噪后输出，主体为积分电路和相加器；
所述A/D转换模块，将信号调理电路输出的电信号转换为适合ADC处理的电气特性信号后输出，即完成对A/D信号的驱动，将模拟信号转换为数字信号；
所述数字信号处理模块，将A/D转换模块输出的电气特性信号处理成适合的数据流后输出；
所述采样控制模块，用于控制扫描频率；
所述图像采集卡，将数字信号处理模块输出的数据流进行图像转换处理后输出；
所述上位机，用于完成图像显示控制和数据处理。
优选的，所述激光扫描器为连续型激光器，光谱为可见光和红外光。
优选的，所述激光扫描器为三个以上，为红色激光扫描器、蓝色激光扫描器、红外激光扫描器或绿色激光扫描器中的三种或四种组合。
优选的，所述激光扫描探测器为光电倍增管，接收光谱范围为可见光和红外线，激光扫描探测器的个数与激光扫描器的个数相匹配并一一对应。
优选的，所述低噪声前置放大器包括运算放大器A1、运算放大器A2、电阻R、电阻R1、电阻R2和电容C；所述运算放大器A1、电阻R和电容C构成第一级放大器，作为电流电压转换电路（将电流信号转化为电压信号），所述电阻R和电容C均跨接在运算放大器A1的反相输入端和输出端之间，运算放大器A1的反相输入端与相应的激光扫描探测器输出信号端相连接；所述运算放大器A2、电阻R1和电阻R2构成第二级放大器，运算放大器A1的输出端以直接耦合或者阻容耦合方式接入运算放大器A2的同相输入端，电阻R2跨接在运算放大器A2的反相输入端和输出端之间，电阻R1一端与电阻R2共同接入运算放大器A2的反相输入端，另一端与零参考点相接。这里低噪声前置放大器的个数与激光扫描探测器的个数相匹配并一一对应。
优选的，所述信号调理电路包括运算放大器A3、电阻R3、电容C1、模拟开关SW1和模拟开关SW2；所述运算放大器A3、电阻R3和电容C1构成积分电路（对电压信号进行积分采样，完成在一段时间内物体的总体特征），电阻R3一端与相应的低噪声前置放大器的输出端相连、另一端与模拟开关SW1相连，电容C1跨接在运算放大器A3的反相输入端与输出端之间；所述模拟开关SW1和模拟开关SW2由互相反向的时钟控制，模拟开关SW1一端与电阻R3相连、另一端与运算放大器A3的反相输入端相连，模拟开关SW2跨接在运算放大器A3的反相输入端和输出端之间。这里积分电路的个数与低噪声前置放大器的个数相匹配并一一对应，若存在两个以上的积分电路，则需要将几路信号通过加法器相加合成一路后接入A/D转换模块（将多路积分信号通过加法器进行组合，能够精确反应物体的信号特征）。
优选的，所述A/D转换模块包括ADC芯片，所述ADC芯片具备两个数据采集控制信号端，其中一个数据采集控制信号端作为模拟信号采集端，另一个数据采集控制信号端作为模拟信号转换成数字信号的时序控制端。
优选的，所述采样控制模块包括电机编码器、锁相环单元和FPGA模块；所述电机编码器对电机的位置和速度进行监测，电机编码器的输出端与锁相环单元的输入端相连；所述锁相环单元的输出端与A/D转换模块的模拟信号采集端相连，对编码器进行倍频、控制扫描频率；所述FPGA模块的输出端与A/D转换模块的时序控制端相连。这里还能够设计FPGA模块同时对信号调理电路进行处理。
优选的，所述图像采集卡与FPGA模块以Cameralink接口协议进行传输。
优选的，所述电机为直流伺服无刷电机，电机通过电机驱动器驱动、通过电机速度控制器调速。这里还能够设计FPGA模块同时对信号调理电路进行处理。这里电机速度控制器还能够设计通过FPGA模块或者另外采用NIOSⅡ进行处理。
通过FPGA模块能够实现实时控制和实时成像。
有益效果：本发明提供的基于激光扫描的激光探测成像系统，解决了工业扫描系统中日光灯光源稳定性差，CCD相机接收信号动态范围窄、不能够高精度检测的不足，以及PIN管及APD管本身噪声过大，不适合在噪声大的工业场合中使用的不足。本发明使用激光扫描器对物体进行逐点扫描，稳定性高，利用激光扫描探测器（光电倍增管）接收信号动态范围宽，能够进行高精度检测，物体的成像精度高，可以高分辨率低显示扫描物体，对物体进行分析。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明前端模拟信号处理的结构框图；
图3为低噪声前置放大器的原理图；
图4为信号调理电路的原理图；
图5为A/D转换模块的结构框图；
图6为锁相环单元的基本结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
公开号为102069077A、名称为“一种激光分选物料装置”的中国专利申请中，一种激光扫描系统，该激光扫描系统包括了不同波长的激光器，通过激光合束装置把激光聚在一处，通过旋转棱镜把激光反射至扫描物体上，散射的光依次通过多面棱镜、以及反射镜把激光反射到光电倍增管对光信号进行接收。
如图1所示为一种基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：该成像系统以激光为光源，通过对物体的散射光的进行进行采集成像，包括激光扫描器、激光扫描探测器、低噪声前置放大器、信号调理电路、A/D转换模块、数字信号处理模块、采样控制模块、电机、图像采集卡和上位机：所述电机，用于带动棱镜转动；所述激光扫描器作为光源，将激光通过包括棱镜在内的光学组件打到物体上，对物体进行扫描；所述激光扫描探测器，用于接收物体的散射光，并将接收到的散射光信号转换为电信号后输出；所述低噪声前置放大器，将激光扫描探测器输出的电信号进行高增益、高带宽、低误差、低噪声的稳定放大后输出；所述信号调理电路，将低噪声前置放大器输出的电信号进行调理并滤噪后输出，主体为积分电路和相加器；所述A/D转换模块，将信号调理电路输出的电信号转换为适合ADC处理的电气特性信号后输出，即完成对A/D信号的驱动，将模拟信号转换为数字信号；所述数字信号处理模块，将A/D转换模块输出的电气特性信号处理成适合的数据流后输出；所述采样控制模块，用于控制扫描频率；所述图像采集卡，将数字信号处理模块输出的数据流进行图像转换处理后输出；所述上位机，用于完成图像显示控制和数据处理。
所述激光扫描器将激光打到物体上，散射回的光由激光扫描探测器（光电倍增管）接收，激光扫描探测器（光电倍增管）输出的信号和低噪声前置放大器相连接，低噪声前置放大器输出的信号与信号调理电路的输入端相连接，信号调理电路输出的信号与A/D转换模块输入端相连接，A/D转换模块的输出端信号与数字信号处理模块相连接，数字信号处理模块输出的数字信号传送给图像采集卡，图像采集卡把处理好适合图像显示的信号传送给上位机。电机一方面带动旋转棱镜旋转，另一方面电机编码器对电机的的位置与速度信息进行监测，电机编码器的输出信号传送给采样控制模块，对信号进行倍频，然后把采样控制模块的输出信号传送给数字信号处理模块，数字信号处理模块把采样控制模块中包含位置与速度信息的信号进行处理，传送给A/D转换模块，进行A/D转换控制。
如图2所示，图中具体描述了本案前端模拟信号处理的电路框图，激光扫描器为三个以上，激光扫描器发出的激光经物体反射的光由光电倍增管对不同颜色的激光进行接收，光电倍增管窗口有滤光片，只对特定激光扫描器发出的激光进行接收。光电倍增管的输出信号由于太过微弱，不适合直接进行处理，所以把光电倍增管的输出信号传送给低噪声前置放大器，对信号进行放大，低噪声前置放大器的输出信号传送给信号调理电路。信号调理电路的三路以上输出信号传送给加法器，对信号进行相加，因为有些物体对同一激光的散射出来的光谱相同，其电信号也相同，但不是所有激光扫描器对同一物品散射信号相同，故可用多种激光扫描器对物体进行扫描，用不同光电倍增管对信号进行接收。故用加法器对信号进行相加，进而反应出物体的特征。加法器的信号传送给A/D转换模块，把模拟信号转换为数字信号，最后A/D转换模块的输出信号传送给FPGA模块进行数据流处理，其中FPGA模块具有高速数字处理能力，能够适应实时高速采集数据的需要。
如图3所示，为低噪声前置放大器的具体电路图，包括运算放大器A1、运算放大器A2、电阻R、电阻R1、电阻R2和电容C；所述运算放大器A1、电阻R和电容C构成第一级放大器，作为电流电压转换电路，所述电阻R和电容C均跨接在运算放大器A1的反相输入端和输出端之间，运算放大器A1的反相输入端与相应的光电倍增管输出信号端相连接；所述运算放大器A2、电阻R1和电阻R2构成第二级放大器，运算放大器A1的输出端以直接耦合或者阻容耦合方式接入运算放大器A2的同相输入端，电阻R2跨接在运算放大器A2的反相输入端和输出端之间，电阻R1一端与电阻R2共同接入运算放大器A2的反相输入端，另一端与零参考点相接。
所选的运算放大器A1、运算放大器A2的特性为：低噪声，即电压噪声谱密度和电流谱密度要小，偏置电流要小，失调电压小；在满足性能的情况下，带宽越小越好，从而尽可能的减小运放本身的噪声。所选的电阻R、电阻R1、电阻R2的特性为材料噪声小的电阻，如金属膜电阻，在此电路中电阻R和运算放大器A1完成电路的电流电压转换。所选的电容C用来进行超前相位补偿，若由电阻R和运算放大器A1完成电流电压转换容易使电路发生震荡。若第一级信号的放大不是足够大，可由运算放大器A2、电阻R1和电阻R2构成第二级同相放大电路，可以对电压信号进行进一步放大，以满足后面电路的电气要求。第一级放大器与第二级放大器之间的连接可为直接耦合或者阻容耦合。阻容耦合可把背景直流信号去掉，允许后面电路只对交流信号处理。
此外所选的运算放大器A1、运算放大器A2需为双电源供电，光电倍增管所输出的电流信号为负值，所以所选的运算放大器A1、运算放大器A2需同时处理正负信号。
如图4所示，为信号调理电路的具体电路图，包括运算放大器A3、电阻R3、电容C1、模拟开关SW1和模拟开关SW2；所述运算放大器A3、电阻R3和电容C1构成积分电路，电阻R3一端与相应的低噪声前置放大器的输出端相连、另一端与模拟开关SW1相连，电容C1跨接在运算放大器A3的反相输入端与输出端之间；所述模拟开关SW1和模拟开关SW2由互相反向的时钟控制，模拟开关SW1一端与电阻R3相连、另一端与运算放大器A3的反相输入端相连，模拟开关SW2跨接在运算放大器A3的反相输入端和输出端之间。
模拟开关SW1和模拟开关SW2可由一个比较器输出同时反相的两个信号来控制，该信号调理电路的原理为：在模拟开关SW1闭合的时候，模拟开关SW2打开，此时电容C1充电，在模拟开关SW1打开的时候，模拟开关SW2关闭，由于模拟开关SW2开关本身有一定的比较小的电阻，可对电容C1迅速放电。控制模拟开关SW1，模拟开关SW2的比较器的时钟可与A/D转换模块的采样信号相同，或对A/D转换模块采样信号进行延迟四分之一周期，可实现A/D转换模块对模拟信号采样的时间上的配合。
运算放大器A3是一个失调电压和失调电流以及偏置电流小、开环增益和增益带宽积大、输入电阻高的集成运算放大器。当积分时间的常数τ=RC确定以后，由于反相积分电路的输入电阻Ri=R，因此往往希望电阻R大一些。在电阻R的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的电容C值。模拟开关SW1、模拟开关SW2是一种有足够带宽、开关时间小、泄露电流小、导通电阻小的模拟开关。
所述A/D转换模块包括ADC芯片，所述ADC芯片具备两个数据采集控制信号端，其中一个数据采集控制信号端作为模拟信号采集端，另一个数据采集控制信号端作为模拟信号转换成数字信号的时序控制端。
如图5、图6所示所述采样控制模块包括电机编码器、锁相环单元和FPGA模块；所述电机编码器对电机的位置和速度进行监测，电机编码器的输出端与锁相环单元的输入端相连；所述锁相环单元的输出端与A/D转换模块的模拟信号采集端相连，对编码器进行倍频、控制扫描频率；所述FPGA模块的输出端与A/D转换模块的时序控制端相连。
工作时，电机编码器监测到电机的位置和速度信息，通过锁相环单元将电机编码器输出的信号Fref传送给PLL19，PLL19对信号进行倍频后，送给FPGA模块处理，FPGA模块对ADC芯片采样进行控制。这里，电机为直流伺服无刷电机，电机通过电机驱动器驱动、通过电机速度控制器调速；电机编码器输出的信号一般为电机每转一圈所输出的脉冲个数，而脉冲的个数一般不会很多，为了在电机每过一个角度或一定位置采样一定的点数，所以对Fref进行倍频，倍频之后的Fo输出信号送给FPGA模块。在电机上的棱镜高速旋转时，有一定的扫描域没有扫描到，对这部分区域信号可以用电机编码器输出信号对激光扫描点进行位置判定，在FPGA模块进行控制ADC芯片的采样时，可把未扫描到物体的扫描域的信号舍弃掉，从而完成对扫描物体信号的精确处理。
FPGA模块通过Cmeralink接口把ADC芯片的采样信号传送给图像采集卡，图像采集卡把处理好的信号传送给上位机，完成图像显示的控制。
本案中，激光扫描器为连续型激光器，光谱为可见光和红外光，且激光扫描器为红色激光扫描器、蓝色激光扫描器、红外激光扫描器或绿色激光扫描器中的三种以上组合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：该成像系统以激光为光源，通过对物体的散射光的进行进行采集成像，包括激光扫描器、激光扫描探测器、低噪声前置放大器、信号调理电路、A/D转换模块、数字信号处理模块、采样控制模块、电机、图像采集卡和上位机：
所述电机，用于带动棱镜转动；
所述激光扫描器作为光源，将激光通过包括棱镜在内的光学组件打到物体上，对物体进行扫描；
所述激光扫描探测器，用于接收物体的散射光，并将接收到的散射光信号转换为电信号后输出；
所述低噪声前置放大器，将激光扫描探测器输出的电信号进行高增益、高带宽、低误差、低噪声的稳定放大后输出；
所述信号调理电路，将低噪声前置放大器输出的电信号进行调理并滤噪后输出，主体为积分电路和相加器；
所述A/D转换模块，将信号调理电路输出的电信号转换为适合ADC处理的电气特性信号后输出，即完成对A/D信号的驱动，将模拟信号转换为数字信号；
所述数字信号处理模块，将A/D转换模块输出的电气特性信号处理成适合的数据流后输出；
所述采样控制模块，用于控制扫描频率；
所述图像采集卡，将数字信号处理模块输出的数据流进行图像转换处理后输出；
所述上位机，用于完成图像显示控制和数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述激光扫描器为连续型激光器，光谱为可见光和红外光。
3.根据权利要求1所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述激光扫描器为三个以上，为红色激光扫描器、蓝色激光扫描器、红外激光扫描器或绿色激光扫描器中的三种或四种组合。
4.根据权利要求1所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述激光扫描探测器为光电倍增管，接收光谱范围为可见光和红外线，激光扫描探测器的个数与激光扫描器的个数相匹配。
5.根据权利要求1所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述低噪声前置放大器包括运算放大器A1、运算放大器A2、电阻R、电阻R1、电阻R2和电容C；所述运算放大器A1、电阻R和电容C构成第一级放大器，作为电流电压转换电路，所述电阻R和电容C均跨接在运算放大器A1的反相输入端和输出端之间，运算放大器A1的反相输入端与相应的激光扫描探测器输出信号端相连接；所述运算放大器A2、电阻R1和电阻R2构成第二级放大器，运算放大器A1的输出端以直接耦合或者阻容耦合方式接入运算放大器A2的同相输入端，电阻R2跨接在运算放大器A2的反相输入端和输出端之间，电阻R1一端与电阻R2共同接入运算放大器A2的反相输入端，另一端与零参考点相接。
6.根据权利要求1所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述信号调理电路包括运算放大器A3、电阻R3、电容C1、模拟开关SW1和模拟开关SW2；所述运算放大器A3、电阻R3和电容C1构成积分电路，电阻R3一端与相应的低噪声前置放大器的输出端相连、另一端与模拟开关SW1相连，电容C1跨接在运算放大器A3的反相输入端与输出端之间；所述模拟开关SW1和模拟开关SW2由互相反向的时钟控制，模拟开关SW1一端与电阻R3相连、另一端与运算放大器A3的反相输入端相连，模拟开关SW2跨接在运算放大器A3的反相输入端和输出端之间。
7.根据权利要求1所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述A/D转换模块包括ADC芯片，所述ADC芯片具备两个数据采集控制信号端，其中一个数据采集控制信号端作为模拟信号采集端，另一个数据采集控制信号端作为模拟信号转换成数字信号的时序控制端。
8.根据权利要求7所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述采样控制模块包括电机编码器、锁相环单元和FPGA模块；所述电机编码器对电机的位置和速度进行监测，电机编码器的输出端与锁相环单元的输入端相连；所述锁相环单元的输出端与A/D转换模块的模拟信号采集端相连，对编码器进行倍频、控制扫描频率；所述FPGA模块的输出端与A/D转换模块的时序控制端相连。
9.根据权利要求8所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述图像采集卡与FPGA模块以Cameralink接口协议进行传输。
10.根据权利要求1所述的基于激光扫描的探测成像系统，其特征在于：所述电机为直流伺服无刷电机，电机通过电机驱动器驱动、通过电机速度控制器调速。
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