CN109141273A - 一种基于dmd的高速运动目标形变测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统及方法，属于高速运动目标形变测量技术领域。本发明的系统包括激光器、准直扩束模块、DMD扫描一级子系统、投射屏、反射板、接收探测一级子系统、激光测距仪；利用DMD对调制图案高频加载的方法模拟位置不变的高速运动目标，通过采用系统标定与模拟位置不变的高速运动目标形变测量的方式固定光路结构与参数，采用线阵CCD采样频率协调DMD频率实现目标尺寸强度‑像素采集，即实现对高速运动目标外部物理形变量的数据采集。本发明还公开基于所述系统实现的目标形变测量方法。本发明能够实现对高速运动目标外部物理形变量的非接触式准确测量，具测量精度高、时间快的优点。

Description

一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统及方法
技术领域
本发明属于高速运动目标形变测量技术领域，特别涉及一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统及方法。
背景技术
近年来，随着国家工业化水平的不断攀升，精密工程测量领域需要具有测量范围大、精度高、良好的动态测量特性等优点的高水平评估体系。精密/超精密加工技术已经成为先进加工制造技术的主要发展方向和重要研究领域，综合机械技术、测量技术、现代电子技术和计算机技术等不同学科领域的最新科技成果，在航空航天、国防、生物医学、通讯、微电子等高科技领域中的应用越来越广泛。超精密技术市场是国家尖端技术集中的市场，先进生产国都将它看成技术和经济的命脉，准确测量和评价超精密加工器件的表面形貌，不但能正确识别加工过程中的变化和缺陷，控制和改进加工方法，而且对于研究表面几何特性与使用性能的关系，提高加工表面的质量和产品性能都有着重要意义。
现代工业生产的发展对工件直径、表面轮廓、几何尺寸的测量提出了新要求。常见的测量方式有接触式测量与非接触式测量，传统的接触式测量方法虽然具有通用性强(对被测物的材质和色泽无特殊要求)、精度高(通常可达微米量级)、有效可靠等优点，在先进制造与科学研究中得到广泛应用，但也存在其固有的局限性，如：探针与工件表面接触，容易对高精度器件表面造成划伤，无法测量运动工件；工件的微小震动，材料的软硬度等都会造成测量的误差问题；测量速度慢、对环境要求高、造价昂贵等不足，限制了其在快速测量领域中的应用。因此，非接触测量方法越来越受到业界的普遍关注。非接触轮廓测量速度快，由于不与工件接触，能做到无损伤，而且能够对运动目标完成测量工作。
发明内容
本发明公开的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统及方法要解决的技术问题是：在目标高速运动的条件下，实现对高速运动目标外部物理形变量的非接触式准确测量，具测量精度高、时间快的优点。本发明的系统及方法的应用领域包括高速目标形变测试、高温形变量测试、高压形态测试、工业检测等领域。
所述的目标高速运动的速度范围为0至4马赫。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统，包括激光器、准直扩束模块、DMD扫描一级子系统、投射屏、反射板、接收探测一级子系统、激光测距仪。所述的DMD扫描一级子系统用于标定实验中提供在视场内的均匀光照与测量模拟高速目标实验中生成模拟高速运动目标。所述的接收探测一级子系统用于接收高速运动目标的形变信号，并将目标形变信息转换为探测器上的像素变化量。激光器用于发射激光束；准直扩束模块用于将激光器出射的激光束予以准直并扩束至DMD扫描一级子系统；激光测距仪用于测量接收探测一级子系统中汇聚透镜至投射屏之间的距离，即汇聚透镜与高速运动目标之间的距离；反射板用于将DMD扫描一级子系统发射的背景光反射至接收探测一级子系统以外，减少背景光反射至接收探测一级子系统，提高接收探测一级子系统的信噪比。
所述的DMD扫描一级子系统包括DMD、DMD控制器、电源、变焦透镜；DMD用于接收并反射经准直扩束模块的光束，通过变焦镜头在投射屏上生成清晰的模拟高速目标形态变化序列；DMD控制器用于控制DMD的工作模式，形成模拟高速目标形态变化序列，并输入给DMD；电源用于向DMD控制器供电。所述的DMD工作模式取决于DMD控制器对调制图案的加载，调制图案通过编码的方式实现，不同的目标图案通过加载相应的编码即实现在模拟目标形态的高速变化。
为提高基于DMD的高速运动目标形变测量系统中模拟高速运动目标的模拟速度，所述的编码方式优选二值编码。
所述的接收探测一级子系统包括滤光片、会聚透镜、孔径光阑、线阵CCD，线阵CCD采集卡，计算机、电源；滤光片用于过滤背景杂散光，需要根据激光器的波长选择；会聚透镜用于会聚经过滤光片的光束；孔径光阑用于限制视场内的通光量，进一步限制杂散光的进入，抑制杂散光对线阵CCD采集数据的干扰；线阵CCD用于探测目标信号的光强度值；线阵CCD采集卡用于采集线阵CCD探测到的目标光强度值，并将采集到的目标光强度模拟信号转变为数字信号，便于计算机完成后续的信号处理工作；计算机用于处理由采集卡采集的线阵CCD探测到的目标光强度值，并提取线阵CCD采集到的目标光强度值所对应的像素数；电源用于向线阵CCD、线阵CCD采集卡、计算机供电。
基于所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实现的一种基于DMD的高速运动目标形变测量方法，包括如下步骤：
步骤一、搭建一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实验平台，进行静态目标尺寸测量数据采集，实现静态目标尺寸测量的系统误差标定。
对高速运动目标进行形变测量时，由于被测物形变量较小，往往属于微尺寸测量，需要较高的系统稳定性和测量精度，所以在测量前需要对系统进行误差标定，排除系统噪声带来的测量误差。
步骤一具体实现方法包括如下步骤：
步骤1.1：搭建一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实验平台。
步骤1.1.1：CCD垂直固定于光学平台的一端，并保持汇聚透镜的光轴与光学平台平行；
步骤1.1.2：DMD目标固定于线阵CCD正上方，DMD镜头的光轴与汇聚镜头的光轴平行，两条光轴所在的平面与光学平台垂直；
步骤1.1.3：静态目标位于线阵CCD的正前方，且与汇聚镜头光轴垂直，固定于投射屏上，与汇聚镜头距离为l，静态目标尺寸为Dz。静态目标表面贴有逆反材料，以提高反射率，增强静态目标在线阵CCD光敏元件上的响应度；
步骤1.1.4：将反射板固定于静态目标后d处，反射板与水平面夹角为δ，用以确保通过目标的光束不被反射至线阵CCD所在空间中，防止背景光等杂散光被线阵CCD响应，消除背景光等杂散光对目标尺寸测量的影响。
步骤1.1.5：为了满足对小视场持续照射的需要，首先在数学分析制图软件中编码，图案中心为亮条纹的调制图案，用以在之后的基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验中将该调制图案加载于DMD控制器，确保经DMD反射的激光束照射至静态目标区域。
步骤1.1.5所述的数学分析制图软件优选MATLAB。
步骤1.2：基于DMD的高速运动目标形变测量系统采集静态目标尺寸数据。
步骤1.2.1：打开计算机与DMD扫描一级子系统，利用计算机将在步骤1.1中由数学分析制图软件中编码，中心为亮条纹的调制图案加载于DMD控制器，使DMD生成中心为亮条纹的调制图案，并在DMD控制器上更改参数：
步骤1.2.2：打开激光器，激光器射出均匀光束经准直扩束模块后，经过加载调制图案后的DMD反射，用加载的编码中心为亮条纹的小视场激光束照射目标；
步骤1.2.3：调节会聚透镜参数，运行线阵CCD数据采集软件，采用线阵CCD采集被目标反射的激光束，得到关于目标的强度-像素曲线，将得到的关于目标的强度-像素曲线储存在计算机中，以备步骤1.3进行数据处理。
步骤1.3：通过计算机处理步骤1.2采集到的静态目标强度-像素数据，实现对基于DMD的高速运动目标形变测量系统的静态目标尺寸测量的系统误差标定。
接收探测一级子系统中的会聚透镜将目标成像在线阵CCD光敏元上，由于目标与背景在光强上有明显的变化，反映在基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据中即为所对应的目标尺寸边界处会有明显的电平变化。通过对采集到的数据进行二值化处理，将基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据中目标尺寸部分与背景部分分离成二值电平。
步骤1.3所述实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据二值化方法有很多，常用的有固定阈值法、浮动阈值法和微分法。
基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验中对数据进行二值化处理所使用的方法为微分法。微分是对函数的局部变化率的一种线性描述，分析基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据输出波形能够看出：目标强度—像素曲线呈类高斯形状，所述类高斯形状的理想状态为矩形，背景区域像素的数据强度低、数据趋于平缓，目标区域像素的数据强度高、数据亦趋于平缓，而在目标与背景的交界处，强度呈固定变化率逐渐增大。目标边界应为在强度-像素曲线中，斜率变化率最大的点。因此，在基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验中能够利用微分的办法找到曲线斜率最大变化率所对应的点。
步骤1.3所述对数据进行二值化处理所使用的方法为微分法，具体实现方法如下：
对基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据进行高斯滤波处理，滤除背景杂散光影响；截取经高斯滤波后强度-像素曲线的上升沿和下降沿数据，为防止在求整个上升沿或下降沿的斜率时在顶端出现斜率突变的现象，上升沿和下降沿分别求至半幅高处即可，分别使用微分法求取斜率；然后取上升沿和下降沿处斜率变化最大的两点，即为目标的边界，并求取目标的像素数N。
根据线阵CCD参数手册查询，CCD像元尺寸为d。根据像素数N乘以像元尺寸d得到目标在线阵CCD光敏元上的成像尺寸，公式如(1.1)所示：
D'＝N*d (1.1)
其中D′目标经过汇集透镜后在线阵CCD光敏元成像的尺寸。
使用激光测距仪测出目标与汇集透镜之间的距离，即物距为l。又已知汇聚透镜的焦距为f，根据高斯成像公式(1.3)得：
其中l'为像距，即线阵CCD光敏元与汇集透镜之间的距离。即得到：
静态目标经汇集透镜后在线阵CCD光敏元上成像，其中目标尺寸测量值Dc与像的尺寸D′有如公式(1.4)的关系：
所以可得：
带入公式(1.2)与(1.4)得：
通过公式(1.1)至(1.6)计算，得到目标尺寸测量值Dc，通过与目标的真实值Dz相比较，得到基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差Δ：
Δ＝Dc-Dz (1.7)
至此，完成基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验。
将系统误差带入式(1.6)得到修正的测量值：
步骤二、通过DMD扫描一级子系统，加载模拟高速运动目标调制图案，实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，完成对模拟高速运动目标形变测量，得到并固定光学结构及其各项参数。
为了实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，步骤二具体实现方法如下：
步骤2.1：在数学分析制图软件中编码目标调制图案，将目标调制图案顺序加载于DMD控制器中，模拟高速运动目标。
步骤2.1.1：首先在数学分析制图软件中编码目标调制图案，并且对多张目标调制图案人为设定不同的形变量，以模拟目标在高速运动中的形变量；
步骤2.1.2：同时将在数学分析制图软件中编码多张目标调制图案按一定顺序加载于DMD控制器，使得多张调制图案以频率fDMD切换，当经过准直扩束之后的激光束照射至DMD时，调节DMD变焦透镜，便可在贴有逆反材料的投射屏上投射出清晰的模拟高速运动目标。
步骤2.2:利用线阵CCD采集模拟高速运动目标的强度-像素曲线。
根据香农采样定律，要采集模拟高速运动目标完整的强度-像素曲线。首先设置线阵CCD的采样频率fCCD大于DMD调制频率fDMD的2倍。由于外界噪声的干扰，实际中多采用fCCD＝4fDMD。
高速运动目标的长度为X。则此系统能够测量的模拟高速运动目标的最大模拟速度v为，模拟高速运动目标巧合只有头部与尾部数据被线阵CCD采集。其公式为：
v＝X*fDMD (1.9)
即其余与步骤1.2相同。基于DMD的高速运动目标形变测量系统采集模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据。
步骤2.3：利用计算机处理步骤2.2采集到的高速运动目标尺寸测量实验数据，完成对模拟高速运动目标形变测量，得到并固定光学结构及其各项参数。
步骤2.3所述对数据进行二值化处理与步骤1.3相同，选用微分法进行二值化处理。
首先将基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据进行高斯滤波，滤除基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据中的杂散光与背景噪声。再使用微分法求取模拟高速运动目标在线阵CCD光敏元上成像所占的像素数Ni，i为数学分析制图软件中编码的多张模拟高速目标调制图案的序号。
再通过由基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验得到的(1.8)函数关系，得到：
Dci＝F(Ni) (1.10)
其中Dci为第i张模拟高速目标调制图案测量的测量值。
完成基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，使基于DMD的高速运动目标形变测量系统能够模拟速度为v的高速运动目标，最后固定光学结构及其各项参数。
步骤三、通过DMD扫描一级子系统照射高速运动目标所在空间，测量照射视场内真实高速运动目标形变量。
步骤3.1：将步骤1.1中在数学分析制图软件中编码的小视场调制图案加载于DMD控制器中，经过准直扩束后激光束通过DMD反射，投射至步骤二中投射屏所在空间。
步骤3.2：高速运动目标以速度V通过步骤3.1中所述激光照射空间，采用与步骤2.2相同的步骤，使用线阵CCD采集高速运动目标通过步骤3.1中所述空间的数据，即基于DMD的高速运动目标形变测量系统对高速运动目标尺寸的测量数据。
步骤3.3：在取得一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统对高速运动目标尺寸的测量数据后，对采集到的测量数据进行数据处理，得到高速运动目标形变量。
步骤3.3所述对数据进行二值化处理与步骤1.3、2.3相同，选用微分法进行二值化处理，得到模拟高速运动目标在在线阵CCD光敏元上的成像所占的像素数N。
再通过由基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验得到的(1.8)函数关系，得到：
Dc＝F(N) (1.11)
其中Dc为高速目标调制图案测量的测量值。
至此，在目标高速运动的条件下，实现对高速运动目标外部物理形变量的非接触式准确测量。
本发明的系统及方法的应用领域包括高速目标形变测试、高温形变量测试、高压形态测试、工业检测等领域。
有益效果：
1、本发明专利公开的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统及方法，利用DMD对调制图案高频加载的方法模拟位置不变的高速运动目标，通过采用系统标定与模拟位置不变的高速运动目标形变测量的方式固定光路结构与参数，采用线阵CCD采样频率协调DMD频率实现目标尺寸强度-像素采集，即实现对高速运动目标外部物理形变量的数据采集。
2、本发明专利公开的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统及方法，采用斜率变化率最大的方式提取目标尺寸像方像素数，先对采样到的类高斯曲线高斯滤波，再求取滤波后曲线上升沿和下降沿斜率(只计算强度最低处至半幅高处的斜率)，取斜率最大点为目标边界，计算两点间的像素数，得到目标尺寸像方像素数。即实现对高速运动目标外部物理形变量的数据处理。
3、本发明专利公开的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统及方法，能够测量高速运动目标尺寸及尺寸形变量，实现高速运动目标的实时在线测量，因此，本发明可应用于：高速目标形变测试、高温形变量测试、高压形态测试、工业检测等。
附图说明
图1为本发明的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统原理图；
图2为本发明的位置不变的动态目标形变测量示意图；
图3为本发明的线阵CCD采集目标尺寸计算像素数示意图；
图4为本发明的高速运动目标形变测量流程图；
图5为本发明的静态目标系统误差标定流程图；
图6为本发明的位置不变的动态目标形变测量流程图；
图7为本发明的线阵CCD采集目标尺寸计算像素数流程图；
其中：1-激光器、2-准直扩束模块、2.1-目镜、2.1-物镜、3-DMD扫描一级子系统、3.1-DMD、3.2-DMD控制器、3.3-电源、3.4-变焦镜头、4-投射屏、5-反射板、6-探测接收一级子系统、6.1-滤光片、6.2-会聚透镜、6.3-孔径光阑、6.4-线阵CCD、6.5-线阵CCD控制器、6.6-计算机、7-激光测距仪、8-一号宽度条纹、9-二号宽度条纹、10-三号宽度条纹。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1，本是实施例公开的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统，包括DMD扫描一级子系统3和接收探测一级子系统6，激光器1，准直扩束模块2，激光测距仪7，投射屏4，反射板5。所述的DMD扫描一级子系统3用于标定实验中提供在视场内的均匀光照与测量模拟高速目标实验中生成模拟高速运动目标。所述的接收探测一级子系统6用于接收高速运动目标的形变信号，并将目标形变信息转换为探测器6.5上的像素变化量。激光器1用于发射激光束；准直扩束模块2用于将激光器1出射的激光束予以准直并扩束至DMD扫描一级子系统3；激光测距仪7用于测量接收探测一级子系统中汇聚透镜6.2至投射屏4之间的距离，即汇聚透镜6.2与高速运动目标之间的距离；反射板5用于将DMD扫描一级子系统3发射的背景光反射至接收探测一级子系统6以外，减少背景光反射至接收探测一级子系统6，提高接收探测一级子系统6的信噪比。
所述的DMD扫描一级子系统3包括DMD3.1、DMD控制器3.2、电源3.3、变焦镜头3.4；DMD3.1用于接收并反射经准直扩束模块2的光束，在投射屏4上生成模拟高速运动目标；DMD控制器3.2用于控制DMD3.1的工作模式，通过变焦镜头3.4在投射屏4上生成清晰的模拟高速目标形态变化序列；电源3.3用于向DMD控制器3.2供电。所述的DMD3.1工作模式取决于DMD控制器3.2对调制图案的加载，调制图案可以通过二值编码的方式实现，不同的目标图案通过加载相应的二值编码即可实现在模拟目标形态的高速变化。
所述的接收探测一级子系统6包括滤光片6.1，会聚透镜6.2，孔径光阑6.3，线阵CCD6.4，线阵CCD采集卡6.5，计算机6.6，电源3.3；滤光片6.1用于过滤背景杂散光，需要根据激光器1的波长选择；会聚透镜6.2用于会聚经过滤光片的光束；孔径光阑6.3用于限制视场内的通光量，进一步限制杂散光的进入，抑制杂散光对线阵CCD6.4采集数据的干扰；线阵CCD6.4用于探测目标信号的光强度值；线阵CCD采集6.5卡用于采集线阵CCD6.4探测到的目标光强度值，并将采集到的目标光强度模拟信号转变为数字信号，便于计算机6.6完成后续的信号处理工作；计算机6.6用于处理由采集卡采集的线阵CCD探测到的目标光强度值，并提取线阵CCD6.4采集到的目标光强度值所对应的像素数；电源3.3用于向线阵CCD6.4，线阵CCD采集卡6.5，计算机6.6供电。
基于所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实现的一种基于DMD的高速运动目标形变测量方法，包括如下步骤：
步骤一、搭建一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实验平台，进行静态目标尺寸测量数据采集，实现静态目标尺寸测量的系统误差标定。
对高速运动目标进行形变测量时，由于被测物形变量较小，往往属于微尺寸测量，需要较高的系统稳定性和测量精度，所以在测量前需要对系统进行误差标定，排除系统噪声带来的测量误差。
步骤一具体实现方法包括如下步骤：
步骤1.1：搭建一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实验平台，实验平台的具体搭建过程如下：
步骤1.1.1：将线阵CCD6.4垂直固定于光学平台的一端，并保持汇聚透镜6.2的光轴与光学平台平行；
步骤1.1.2：DMD3.1(用于生成模拟高速运动目标，在基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定的实验中用于提供一个均匀光源)固定于线阵CCD6.4正上方，DMD镜头的光轴与汇聚镜头的光轴平行，两条光轴所在的平面与光学平台垂直；
步骤1.1.3：静态目标位于线阵CCD6.4的正前方，且与汇聚镜头6.2光轴垂直，固定于投射屏4上，与汇聚镜头6.2距离为l＝498mm。静态目标尺寸为Dzi，i为静态目标的序号。静态目标表面贴有逆反材料，用以提高反射率，增强静态目标在线阵CCD6.4光敏元件上的响应强度；
基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验中使用的静态目标的规格为：长度30mm，厚度4mm，宽度10mm-21mm(步长为1mm)变化的12个标准长方体。
步骤1.1.4：将反射板固定于静态目标后d＝5cm处，反射板5与水平面夹角为δ＝45°，用以确保通过目标后的光束不被反射至线阵CCD6.4所在空间中，防止背景光等杂散光被线阵CCD6.4响应，消除背景光等杂散光对目标尺寸测量的影响。
步骤1.1.5：为了满足对小视场持续照射的需要，首先在MATLAB中编码中心为亮条纹的调制图案，用以在之后的基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定的实验中将该调制图案加载于DMD控制器3.2，确保经DMD3.1反射的激光束照射至静态目标区域。
步骤1.2：基于DMD的高速运动目标形变测量系统采集静态目标尺寸数据。
步骤1.2.1：打开计算机6.6与DMD扫描一级子系统3，利用计算机6.6将在步骤1.1中由MATLAB中编码中心为亮条纹的调制图案加载于DMD控制器3.2，使DMD3.1生成中心为亮条纹的调制图案，并在DMD控制器3.2上更改参数：GREEN＝100；
步骤1.2.2：打开激光器1，激光器1射出均匀光束经准直扩束模块2后，经过加载调制图案后的DMD3.1反射，用加载的编码中心为亮条纹的小视场激光束照射目标；
步骤1.2.3：调节会聚透镜参数至f＝50mm，F＝22(即光圈数最小)。运行线阵CCD数据采集软件，采用线阵CCD6.4采集被目标反射的激光束，得到关于目标的强度—像素曲线，将得到的关于目标的强度—像素曲线储存在计算机中，以备后续步骤进行数据处理。
步骤1.3：通过计算机处理步骤1.2采集到的静态目标强度—像素数据，实现对基于DMD的高速运动目标形变测量系统的静态目标尺寸测量的系统误差标定。
接收探测一级子系统6中的会聚透镜2将目标成像在线阵CCD6.4光敏元上，由于目标与背景在光强上有明显的变化，反映在基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据中即为所对应的目标尺寸边界处会有明显的电平变化。通过对采集到的数据进行二值化处理，将基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据中目标尺寸部分与背景部分分离成二值电平。
步骤1.3所述实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据二值化方法有很多，常用的有固定阈值法、浮动阈值法和微分法。
基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验中对数据进行二值化处理所使用的方法为微分法。微分是对函数的局部变化率的一种线性描述，分析基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据输出波形能够看出：目标强度—像素曲线呈类高斯形状，所述类高斯形状的理想状态为矩形，背景区域像素的数据强度低、数据趋于平缓，目标区域像素的数据强度高、数据亦趋于平缓，而在目标与背景的交界处，强度呈固定变化率逐渐增大。目标边界应为在强度—像素曲线中，斜率变化率最大的点。因此，在基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验中能够利用微分的办法找到曲线斜率最大变化率所对应的点。
步骤1.3所述对数据进行二值化处理所使用的方法为微分法，具体实现方法如下：
对基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据进行高斯滤波处理，滤除背景杂散光影响；截取经高斯滤波后强度-像素曲线的上升沿和下降沿数据，为防止在求整个上升沿或下降沿的斜率时在顶端出现斜率突变的现象，上升沿和下降沿分别求至半幅高处即可，分别使用微分法求取斜率；然后取上升沿和下降沿处斜率变化最大的两点，即为目标的边界，并求取目标的像素数N。
根据线阵CCD6.4参数手册查询，CCD像元尺寸为d＝8μm。就可以根据像素数N乘以像元尺寸d得到目标在线阵CCD6.4光敏元上的成像尺寸，公式如(1.12)所示：
D'＝N*d (1.12)
其中D′目标经过汇集透镜后在线阵CCD6.4光敏元成像的尺寸。
使用激光测距仪测出目标与汇集透镜之间的距离，即物距为l。又已知汇聚透镜的焦距为f，根据高斯成像公式(1.13)可得：
其中l'为像距，即线阵CCD6.4光敏元与汇集透镜之间的距离。即可得到：
静态目标经汇集透镜后在线阵CCD6.4光敏元上成像，其中目标尺寸测量值Dc与像的尺寸D′有如公式(1.15)的关系：
所以可得：
带入公式(1.14)与(1.16)得：
通过公式(1.12)至(1.17)计算，得到目标尺寸测量值Dc，通过与目标的真实值Dz相比较，得到基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差Δ：
Δ＝Dc-Dz (1.18)
对基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验中所使用的静态目标进行标定测量，得到的实验数据如下表所示：
得到基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差Δ＝-3.0249mm。
将系统误差带入式(1.18)得到修正的测量值：
最终得到目标测量值Dc与目标在线阵CCD6.4上成像所占的像素数N之间的函数关系：
Dc＝0.0461N-3.0249 (1.20)
步骤二、通过DMD扫描一级子系统3，加载模拟高速运动目标调制图案，实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，固定光路结构与参数。
为了实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，需要完成以下工作：
步骤2.1：为了实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，需要完成以下工作：
步骤2.1.1：首先在MATLAB中编码如图2目标调制图案，并且对多张目标调制图案人为设定不同的形变量，以模拟目标在高速运动中的形变量；
步骤2.1.2：同时将在MATLAB中编码多张目标调制图案按一定顺序加载于DMD控制器3.2，使得多张调制图案以频率fDMD切换，当经过准直扩束之后的激光束照射至DMD3.1时，调节DMD变焦透镜，便可在贴有逆反材料的投射屏4上投射出清晰的模拟高速运动目标。
生成8个模拟高速运动目标的实际测量数据如下表所示：
步骤2.2：利用线阵CCD采集模拟高速运动目标的强度-像素曲线。
根据香农采样定律，要采集模拟高速运动目标完整的强度-像素曲线。首先设置线阵CCD6.4的采样频率fCCD大于DMD调制频率fDMD的2倍。由于外界噪声的干扰，实际中多采用fCCD＝4fDMD，fCCD＝5KHz，fDMD＝1.25KHz。
即假设高速运动目标的长度为X＝1m。则此系统能够测量的模拟高速运动目标的最大模拟速度v为，模拟高速运动目标巧合只有头部与尾部数据被线阵CCD6.4采集。其公式为：
v＝X*fDMD (1.21)
则可以得出此系统能够测量的模拟高速运动目标的最大模拟速度v＝1.25Km/s。
即其余与步骤1.2一样。完成基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据采集工作。
步骤2.3：利用计算机处理步骤2.2采集到的高速运动目标尺寸测量实验数据，完成对模拟高速运动目标形变测量，得到并固定光学结构及其各项参数。
基本步骤与步骤1.3一样，首先将基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据进行高斯滤波，滤除基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据中的杂散光与背景噪声。再使用微分法求取模拟高速运动目标在线阵CCD6.4光敏元上的成像所占的像素数Ni，i为MATLAB中编码的多张模拟高速目标调制图案的序号。
再通过由基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验得到的(1.19)函数关系，得到：
Dci＝F(Ni) (1.22)
其中Dci为第i张模拟高速目标调制图案测量的拟合值。
基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验中所得到的公式(1.22)函数关系，得到实验数据如下表所示：
完成基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，并固定整个系统的各项参数。
步骤三、在步骤二的基础上，通过DMD扫描一级子系统照射高速运动目标所在空间，测量照射视场内真实高速运动目标形变量。
步骤3.1：将步骤1.1中在MATLAB中编码的小视场调制图案加载于DMD控制器中，经过准直扩束后激光束通过DMD3.1反射，投射至步骤二中投射屏4所在空间。
步骤3.2：高速运动目标以速度V通过步骤3.1中所述激光照射空间，采用与步骤2.2相同的步骤，使用线阵CCD6.4采集高速运动目标通过步骤3.1中所述空间的数据，即基于DMD的高速运动目标形变测量系统对高速运动目标尺寸的测量数据。
步骤3.3：在取得一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统对高速运动目标尺寸的测量数据后，对采集到的测量数据进行数据处理，得到高速运动目标形变量。
步骤3.3所述对数据进行二值化处理与步骤1.3、2.3相同，选用微分法进行二值化处理，得到模拟高速运动目标在在线阵CCD6.4光敏元上的成像所占的像素数N。
再通过由基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验得到的函数关系，得到：
Dc＝F(N) (1.23)
其中Dc为高速目标调制图案测量的拟合值。
完成基于DMD的高速运动目标形变测量系统对高速运动目标尺寸的测量实验。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统，其特征在于：包括激光器(1)、准直扩束模块(2)、DMD扫描一级子系统(3)、投射屏(4)、反射板(5)、接收探测一级子系统(6)、激光测距仪(7)；所述的DMD扫描一级子系统(3)用于标定实验中提供在视场内的均匀光照与测量模拟高速目标实验中生成模拟高速运动目标；所述的接收探测一级子系统(6)用于接收高速运动目标的形变信号，并将目标形变信息转换为探测器上的像素变化量；激光器(1)用于发射激光束；准直扩束模块(2)用于将激光器(1)出射的激光束予以准直并扩束至DMD扫描一级子系统(3)；激光测距仪(7)用于测量接收探测一级子系统(6)中汇聚透镜至投射屏(4)之间的距离，即汇聚透镜与高速运动目标之间的距离；反射板(5)用于将DMD扫描一级子系统(3)发射的背景光反射至接收探测一级子系统(6)以外，减少背景光反射至接收探测一级子系统(6)，提高接收探测一级子系统(6)的信噪比。
2.如权利要求1所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统，其特征在于：所述的DMD扫描一级子系统(3)包括DMD(3.1)、DMD控制器(3.2)、电源(3.3)、变焦透镜(3.4)；DMD(3.1)用于接收并反射经准直扩束模块(2)的光束，通过变焦镜头在投射屏(4)上生成清晰的模拟高速目标形态变化序列；DMD控制器(3.2)用于控制DMD(3.1)的工作模式，形成模拟高速目标形态变化序列，并输入给DMD(3.1)；电源(3.3)用于向DMD控制器(3.2)供电；所述的DMD(3.1)工作模式取决于DMD控制器(3.2)对调制图案的加载，调制图案通过编码的方式实现，不同的目标图案通过加载相应的编码即实现在模拟目标形态的高速变化。
3.如权利要求1所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统，其特征在于：所述的接收探测一级子系统(6)包括滤光片(6.1)、会聚透镜(6.2)、孔径光阑(6.3)、线阵CCD(6.4)，线阵CCD采集卡(6.5)，计算机(6.6)、电源(3.3)；滤光片(6.1)用于过滤背景杂散光，需要根据激光器(1)的波长选择；会聚透镜(6.2)用于会聚经过滤光片(6.1)的光束；孔径光阑(6.3)用于限制视场内的通光量，进一步限制杂散光的进入，抑制杂散光对线阵CCD(6.4)采集数据的干扰；线阵CCD(6.4)用于探测目标信号的光强度值；线阵CCD采集卡(6.5)用于采集线阵CCD(6.4)探测到的目标光强度值，并将采集到的目标光强度模拟信号转变为数字信号，便于计算机(6.6)完成后续的信号处理工作；计算机(6.6)用于处理由采集卡采集的线阵CCD(6.4)探测到的目标光强度值，并提取线阵CCD(6.4)采集到的目标光强度值所对应的像素数；电源(3.3)用于向线阵CCD(6.4)、线阵CCD采集卡(6.5)、计算机(6.6)供电。
4.基于如权利要求1、2或3所述的系统实现的一种基于DMD的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、搭建一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实验平台，进行静态目标尺寸测量数据采集，实现静态目标尺寸测量的系统误差标定；
对高速运动目标进行形变测量时，由于被测物形变量较小，往往属于微尺寸测量，需要较高的系统稳定性和测量精度，所以在测量前需要对系统进行误差标定，排除系统噪声带来的测量误差；
步骤二、通过DMD扫描一级子系统(3)，加载模拟高速运动目标调制图案，实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，完成对模拟高速运动目标形变测量，得到并固定光学结构及其各项参数；
步骤三、通过DMD扫描一级子系统(3)照射高速运动目标所在空间，测量照射视场内真实高速运动目标形变量。
5.如权利要求4所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：步骤一实现方法包括如下步骤，
步骤1.1：搭建一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统实验平台；
步骤1.1.1：CCD垂直固定于光学平台的一端，并保持汇聚透镜的光轴与光学平台平行；
步骤1.1.2：DMD(3.1)目标固定于线阵CCD(6.4)正上方，DMD镜头的光轴与汇聚镜头的光轴平行，两条光轴所在的平面与光学平台垂直；
步骤1.1.3：静态目标位于线阵CCD(6.4)的正前方，且与汇聚镜头光轴垂直，固定于投射屏(4)上，与汇聚镜头距离为l，静态目标尺寸为Dz；静态目标表面贴有逆反材料，以提高反射率，增强静态目标在线阵CCD(6.4)光敏元件上的响应度；
步骤1.1.4：将反射板(5)固定于静态目标后d处，反射板(5)与水平面夹角为δ，用以确保通过目标的光束不被反射至线阵CCD(6.4)所在空间中，防止背景光等杂散光被线阵CCD(6.4)响应，消除背景光等杂散光对目标尺寸测量的影响；
步骤1.1.5：为了满足对小视场持续照射的需要，首先在数学分析制图软件中编码，图案中心为亮条纹的调制图案，用以在之后的基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验中将该调制图案加载于DMD控制器(3.2)，确保经DMD(3.1)反射的激光束照射至静态目标区域；
步骤1.2：基于DMD的高速运动目标形变测量系统采集静态目标尺寸数据；
步骤1.2.1：打开计算机(6.6)与DMD扫描一级子系统(3)，利用计算机(6.6)将在步骤1.1中由数学分析制图软件中编码，中心为亮条纹的调制图案加载于DMD控制器(3.2)，使DMD(3.1)生成中心为亮条纹的调制图案，并在DMD控制器(3.2)上更改参数：
步骤1.2.2：打开激光器(1)，激光器(1)射出均匀光束经准直扩束模块(2)后，经过加载调制图案后的DMD反射，用加载的编码中心为亮条纹的小视场激光束照射目标；
步骤1.2.3：调节会聚透镜(6.2)参数，运行线阵CCD数据采集软件，采用线阵CCD(6.4)采集被目标反射的激光束，得到关于目标的强度-像素曲线，将得到的关于目标的强度-像素曲线储存在计算机(6.6)中，以备步骤1.3进行数据处理；
步骤1.3：通过计算机(6.6)处理步骤1.2采集到的静态目标强度-像素数据，实现对基于DMD的高速运动目标形变测量系统的静态目标尺寸测量的系统误差标定；
接收探测一级子系统(6)中的会聚透镜(6.2)将目标成像在线阵CCD(6.4)光敏元上，由于目标与背景在光强上有明显的变化，反映在基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据中即为所对应的目标尺寸边界处会有明显的电平变化；通过对采集到的数据进行二值化处理，将基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据中目标尺寸部分与背景部分分离成二值电平；
步骤1.3所述实现基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据二值化方法有很多，常用的有固定阈值法、浮动阈值法和微分法；
基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验中对数据进行二值化处理所使用的方法为微分法；微分是对函数的局部变化率的一种线性描述，分析基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据输出波形能够看出：目标强度-像素曲线呈类高斯形状，所述类高斯形状的理想状态为矩形，背景区域像素的数据强度低、数据趋于平缓，目标区域像素的数据强度高、数据亦趋于平缓，而在目标与背景的交界处，强度呈固定变化率逐渐增大；目标边界应为在强度-像素曲线中，斜率变化率最大的点；因此，在基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验中能够利用微分的办法找到曲线斜率最大变化率所对应的点；
步骤1.3所述对数据进行二值化处理所使用的方法为微分法，具体实现方法如下，
对基于DMD的高速运动目标形变测量系统对目标尺寸测量的系统误差标定实验数据进行高斯滤波处理，滤除背景杂散光影响；截取经高斯滤波后强度-像素曲线的上升沿和下降沿数据，为防止在求整个上升沿或下降沿的斜率时在顶端出现斜率突变的现象，上升沿和下降沿分别求至半幅高处即可，分别使用微分法求取斜率；然后取上升沿和下降沿处斜率变化最大的两点，即为目标的边界，并求取目标的像素数N；
根据线阵CCD(6.4)参数手册查询，CCD像元尺寸为d；根据像素数N乘以像元尺寸d得到目标在线阵CCD(6.4)光敏元上的成像尺寸，公式如(1.1)所示：
D'＝N*d (0.1)
其中D′目标经过汇集透镜后在线阵CCD(6.4)光敏元成像的尺寸；
使用激光测距仪(7)测出目标与汇集透镜之间的距离，即物距为l；又已知汇聚透镜的焦距为f，根据高斯成像公式(1.3)得：
其中l'为像距，即线阵CCD(6.4)光敏元与汇集透镜之间的距离；即得到：
静态目标经汇集透镜后在线阵CCD(6.4)光敏元上成像，其中目标尺寸测量值Dc与像的尺寸D′有如公式(1.4)的关系：
所以得：
带入公式(1.2)与(1.4)得：
通过公式(1.1)至(1.6)计算，得到目标尺寸测量值Dc，通过与目标的真实值Dz相比较，得到基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差Δ：
Δ＝Dc-Dz (0.7)
至此，完成基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验；
将系统误差带入式(1.6)得到修正的测量值：
。
6.如权利要求5所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：步骤二具体实现方法如下，
步骤2.1：在数学分析制图软件中编码目标调制图案，将目标调制图案顺序加载于DMD控制器(3.2)中，模拟高速运动目标；
步骤2.1.1：首先在数学分析制图软件中编码目标调制图案，并且对多张目标调制图案人为设定不同的形变量，以模拟目标在高速运动中的形变量；
步骤2.1.2：同时将在数学分析制图软件中编码多张目标调制图案按一定顺序加载于DMD控制器(3.2)，使得多张调制图案以频率fDMD切换，当经过准直扩束之后的激光束照射至DMD(3.1)时，调节DMD变焦透镜(3.4)，便可在贴有逆反材料的投射屏(4)上投射出清晰的模拟高速运动目标；
步骤2.2:利用线阵CCD采集模拟高速运动目标的强度-像素曲线；
根据香农采样定律，要采集模拟高速运动目标完整的强度-像素曲线；首先设置线阵CCD(6.4)的采样频率fCCD大于DMD(3.1)调制频率fDMD的2倍；由于外界噪声的干扰，实际中多采用fCCD＝4fDMD；
高速运动目标的长度为X；则此系统能够测量的模拟高速运动目标的最大模拟速度v为，模拟高速运动目标巧合只有头部与尾部数据被线阵CCD(6.4)采集；其公式为：
v＝X*fDMD (0.9)
即其余与步骤1.2相同；基于DMD的高速运动目标形变测量系统采集模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据；
步骤2.3：利用计算机(6.6)处理步骤2.2采集到的高速运动目标尺寸测量实验数据，完成对模拟高速运动目标形变测量，得到并固定光学结构及其各项参数；
步骤2.3所述对数据进行二值化处理与步骤1.3相同，选用微分法进行二值化处理；
首先将基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据进行高斯滤波，滤除基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验的数据中的杂散光与背景噪声；再使用微分法求取模拟高速运动目标在线阵CCD(6.4)光敏元上成像所占的像素数Ni，i为数学分析制图软件中编码的多张模拟高速目标调制图案的序号；
再通过由基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验得到的(1.8)函数关系，得到：
Dci＝F(Ni) (0.10)
其中Dci为第i张模拟高速目标调制图案测量的测量值；
完成基于DMD的高速运动目标形变测量系统对模拟高速运动目标尺寸的测量实验，使基于DMD的高速运动目标形变测量系统能够模拟速度为v的高速运动目标，最后固定光学结构及其各项参数。
7.如权利要求6所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：步骤三具体实现方法为，
步骤3.1：将步骤1.1中在数学分析制图软件中编码的小视场调制图案加载于DMD控制器(3.2)中，经过准直扩束后激光束通过DMD(3.1)反射，投射至步骤二中投射屏(4)所在空间；
步骤3.2：高速运动目标以速度V通过步骤3.1中所述激光照射空间，采用与步骤2.2相同的步骤，使用线阵CCD(6.4)采集高速运动目标通过步骤3.1中所述空间的数据，即基于DMD的高速运动目标形变测量系统对高速运动目标尺寸的测量数据；
步骤3.3：在取得一种基于DMD的高速运动目标形变测量系统对高速运动目标尺寸的测量数据后，对采集到的测量数据进行数据处理，得到高速运动目标形变量；
步骤3.3所述对数据进行二值化处理与步骤1.3、2.3相同，选用微分法进行二值化处理，得到模拟高速运动目标在在线阵CCD(6.4)光敏元上的成像所占的像素数N；
再通过由基于DMD的高速运动目标形变测量系统对静态目标尺寸测量的系统误差标定实验得到的(1.8)函数关系，得到：
Dc＝F(N) (0.11)
其中Dc为高速目标调制图案测量的测量值；
至此，在目标高速运动的条件下，实现对高速运动目标外部物理形变量的非接触式准确测量。
8.如权利要求7所述的一种基于DMD的高速运动目标形变测量方法，其特征在于：为提高基于DMD的高速运动目标形变测量系统中模拟高速运动目标的模拟速度，所述的编码方式选二值编码；
所述的数学分析制图软件选MATLAB。
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