CN108414052A - 基于红外激光的物位计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外激光的物位计，该物位计主要由多模光纤激光耦合器、可变衰减器、天文望远镜、CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端共5个模块组成；多模光纤激光耦合器用于提供测量用的激光光源，天文望远镜通过调节焦距实现远距离测量，CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端实现光源捕捉，用于图像分析，实现位移测量，该物位计通过5个模块实现500m的最大测量距离及精度为0.2mm的高精度位移测量。本发明能够适用于轨道交通施工和运营的变形监测以及高铁、桥梁和隧道的变形监测，是一种全新的基于红外激光图像处理的物位计，其具有高精度、高稳定性、测量距离远和安装方便等特点，适用于不同变形监测领域的各种监测环境。
Description
技术领域
本发明属于物位仪表技术领域，具体的说是涉及一种全新的基于红外激光图像处理的物位计。
背景技术
物位测量技术的迅速发展是从20世纪70年代后期起，由微电子技术的迅速发展而带动起来的。首先是微电子技术促进了工业自动化的发展，PLC、PC、DCS等的应用对物位计及其它各种现场检测仪表提出了巨大的需求。同时微电子技术又使非电量电测技术有了飞跃进步，发展了许多新型的物位检测方法以及电子型的物位检测仪表，使整个物位仪表领域有了非常巨大的改观，使原来以机械式原理为主的物位仪表，发展为以应用微电子技术的智能仪表为主。现有技术中的主要物位产品种类包括：雷达物位计、超声波物位计、导波雷达物位计、电容式物位计、阻旋物位开关、振动棒物位开关和放射性物位计等。但是现有技术中的物位计通常都存在测量精度较低、稳定性较差、测量距离范围较小和安装过程较繁琐等缺陷，以至于现有技术中的物位仪表还不能够很好的适应各种不同变形监测领域的监测环境。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种全新的基于红外激光图像处理的物位计，其具有高精度、高稳定性、测量距离远和安装方便等特点，适用于不同变形监测领域的各种监测环境。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于红外激光的物位计，该基于红外激光的物位计主要由多模光纤激光耦合器、可变衰减器、天文望远镜、CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端共5个模块组成；多模光纤激光耦合器分别与可变衰减器和天文望远镜连接，CMOS工业相机与嵌入式数据处理终端连接；多模光纤激光耦合器用于提供测量用的激光光源，天文望远镜通过调节焦距实现远距离测量，CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端实现光源捕捉，用于图像分析和实现位移测量。
多模光纤激光耦合器包含激光发射器、驱动电源、光纤准直器和光纤。激光发射器为980nm的激光发射器，激光发射器固定在可移动的平台上。可变衰减器为能够实现大范围调节的圆形可调衰减器。
本发明的有益效果是：本发明基于红外激光的物位计能够适用于轨道交通施工和运营的变形监测，还能够适用于高铁、桥梁和隧道的变形监测，同时还可用于土木结构物或其它混凝土结构物的变形监测。本发明是一种全新的基于红外激光图像处理的物位计，其具有高精度、高稳定性、测量距离远和安装方便等特点，适用于不同变形监测领域的各种监测环境。本发明基于红外激光的物位计通过多模光纤激光耦合器、可变衰减器、天文望远镜、CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端这5个模块能够实现500m的最大测量距离以及精度为0.2mm的高精度位移测量。
附图说明
图1是本发明基于红外激光的物位计的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于红外激光的物位计，该基于红外激光的物位计主要由多模光纤激光耦合器、可变衰减器、天文望远镜、CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端共5个模块组成；多模光纤激光耦合器分别与可变衰减器和天文望远镜连接，CMOS工业相机与嵌入式数据处理终端连接；多模光纤激光耦合器用于提供测量用的激光光源，天文望远镜通过调节焦距实现远距离测量，CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端实现光源捕捉，用于图像分析和实现位移测量。
多模光纤激光耦合器包含激光发射器、驱动电源、光纤准直器和光纤。激光发射器为980nm的激光发射器，激光发射器固定在可移动的平台上。可变衰减器为能够实现大范围调节的圆形可调衰减器。
本发明基于红外激光的物位计的工作原理为：激光发射器固定在可移动的平台上，激光发射器发射激光，经过可变衰减器后再通过一个空间滤波器得到一个无杂波的激光。经过空间滤波器的激光可以看成一个点光源，点光源发出的激光在空气中传播，在远处用CMOS工业相机进行接收，接收到的信号送到图像采集卡，图像采集卡采集图像，然后将数据传送到计算机中进行图像处理及计算。当激光发射器随着平台发生水平或者竖直方向位移的时候，CMOS工业相机接收光斑信号并通过计算机接口传入计算机；计算机软件系统对采集到的光信号进行光斑位置的运算，并与预先设定的零位移点进行比较，计算出相对零点的位移大小，并加以处理和存储。
光斑位置的运算算法包括寻找二值图像的连通域算法和最大类间方差法。
寻找二值图像的连通域算法为：二值图像分析最重要的方法就是连通区域标记，它是所有二值图像分析的基础，它通过对二值图像中白色像素目标的标记，让每个单独的连通区域形成一个被标识的块，进一步的我们就可以获取这些块的轮廓、外接矩形、质心和不变矩等几何参数。
设某像素点f(x,y),则f(x-1,y),f(x+1,y),f(x,y-1),f(x,y+1)为其四邻域左、右、上、下的像素点。设merge(x,y)是f(x,y)像素点连通域标号。当扫描f(x,y)时,已完成了f(x-1,y)和f(x,y-1)扫描,merge(x-1,y)和merge(x, y-1)为已知数。因此在4-邻域内,f(x,y)像素点连通域标号merge(x,y)仅和像素点f(x-1,y)、f(x,y-1)及其像素点连通域标号merge(x-1,y)、merge(x,y-1)有关,如式（1）所示。
式（1）：；
1）当像素点f(x,y)=f(x-1,y)且f(x,y)!f(x,y-1),即f(x,y)和左邻域像素点值相等时，表明f(x,y)与左邻域像素点是连通的,则f(x,y)的像素点连通域标号merge(x,y)与merge(x-1,y)标号相同。
2）当像素点f(x,y)!f(x-1,y)且f(x,y)=f(x,y-1)时,表示f(x,y)与上邻域连通,但与左邻域不连通,则f(x,y)的像素点连通域标号merge(x,y)与merge(x,y-1)标号相等。
3）当像素点f(x,y)=f(x,y-1)且f(x,y)=f(x-1,y)时,则f(x,y)与上邻域、左邻域在同一个连通域内, 则需考虑：
若merge(x,y-1)=merge(x-1,y)，则表明f(x,y)的上邻域和左邻域连通域标号一致，仅需merge(x,y)=merge(x,y-1)即可；
若merge(x,y-1)!merge(x-1,y),则表明f(x,y)的上邻域和左邻域连通域标号冲突,需处理冲突标号，然后merge(x,y)=merge(x,y-1)。
4）若f(x,y)! f(x-1,y)且f(x,y)!f(x,y-1)时，表明像素点f(x,y)属于新的连通域，因此连通域标号自动加1，即 Newlabel=Newlabel+1，并将新的连通域标号Newlabel赋予merge(x,y)。
最大类间方差法：最大类间方差法是由日本学者大津于1979年提出的,是一种自适应的阈值确定方法，又叫大津法，简称OTSU。它是按图像的灰度特性，将图像分成背景和目标两部分。背景和目标之间的类间方差越大说明构成图像两部分的差别越大，当部分目标错分为背景或部分背景错分为目标都会导致两部分的差别变小。因此，使用类间方差最大的分割意味着错分概率最小。
对于图像I(x,y)，前景（目标）和背景的分割阈值记作T，属于前景的像素点数占整幅图像的比例记为ω0，其平均灰度μ0；背景像素点数占整幅图像的比例为ω1，其平均灰度为μ1，图像的总平均灰度记为μ，类间方差记为g。
假设图像的背景较暗，并且图像的大小为M×N，图像中像素的灰度值小于阈值T的像素个数记作N0，像素灰度大于阈值T的像素个数记作N1，则有：
ω0=N0/M×N (1)；
ω1=N1/M×N (2)；
N0+N1=M×N (3)；
ω0+ω1=1 (4)；
μ=ω0*μ0+ω1*μ1 (5)；
g=ω0(μ0-μ)^2+ω1(μ1-μ)^2 (6)；
将式(5)代入式(6)，得到等价公式：g=ω0ω1(μ0-μ1)^2 (7)，采用遍历的方法得到使类间方差最大的阈值T，即为所求。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (4)
1.一种基于红外激光的物位计，其特征在于：所述基于红外激光的物位计主要由多模光纤激光耦合器、可变衰减器、天文望远镜、CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端共5个模块组成；所述多模光纤激光耦合器分别与所述可变衰减器和所述天文望远镜连接，所述CMOS工业相机和所述嵌入式数据处理终端连接；所述多模光纤激光耦合器用于提供测量用的激光光源，所述天文望远镜通过调节焦距实现远距离测量，所述CMOS工业相机和嵌入式数据处理终端实现光源捕捉，用于图像分析和实现位移测量。
2.根据权利要求1所述的基于红外激光的物位计，其特征在于：所述多模光纤激光耦合器包含激光发射器、驱动电源、光纤准直器和光纤。
3.根据权利要求2所述的基于红外激光的物位计，其特征在于：所述激光发射器为980nm的激光发射器，所述激光发射器固定在可移动的平台上。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于红外激光的物位计，其特征在于：所述可变衰减器为能够实现大范围调节的圆形可调衰减器。
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