CN114459592A - 一种基于卷帘快门式cmos的激光散斑微振动测量系统及方法 - Google Patents

一种基于卷帘快门式cmos的激光散斑微振动测量系统及方法 Download PDF

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王晓忠
郭威
余睿
黄学渊
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    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

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Abstract

本发明公开了一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统及方法，其中的激光散斑微振动测量系统包括空间光驱动器、散斑探测系统及微型计算机，所述散斑探测系统包括成像镜头和光探测器，所述成像镜头、光探测器及微型计算机依次光连接，所述空间光驱动器用于输出单频光信号至被测物体表面以产生空间散斑，所述成像镜头用于将所述空间散斑成像，所述光探测器采用卷帘快门式CMOS图像传感器用于接收空间散斑图像。本发明的系统和方法极大地提高了可探测频率，实现几khz量级频率的振动信号的探测。

Description

一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统及方法
技术领域
本发明涉及激光散斑测振技术领域，尤其涉及一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统及方法。
背景技术
激光散斑微振动测量是一种新兴的微振动测量方法，具有系统简单、操作容易、与被测对象非接触等优点，因此引起了广大研究人员的兴趣。根据现有的研究，激光散斑包含了足够的被测物体的信息，利用激光散斑进行微振动测量可以将被测物体的振动信息放大，从而提高微振动探测的精度及信号复原的质量。
激光照射被测物体引起的散斑图案基本是不变的，当被测物体和探测系统距离比较远时，振动引起的散斑的变化通常体现为观测平面的散斑图案的平移。现有的采用全局快门式CMOS进行探测的方法，其探测频率受限于每秒采集视频帧速，难以应用于高频信号探测，仅能实现khz以下量级振动信号的探测，难以实现声音引起的振动复原；若采用高速相机CCD进行探测，则价格十分昂贵，没有实际应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统及方法，以克服现有技术难以探测到高频信号的缺陷。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统，包括空间光驱动器、散斑探测系统及微型计算机，所述散斑探测系统包括成像镜头和光探测器，所述成像镜头、光探测器及微型计算机依次光连接，所述空间光驱动器用于输出单频光信号至被测物体表面以产生空间散斑，所述成像镜头用于将所述空间散斑成像，所述光探测器采用卷帘快门式CMOS图像传感器用于接收空间散斑图像。
优选地，所述空间光驱动器与被测物体位于同一轴线上，且所述被测物体、成像镜头以及光探测器位于另一轴线上。
优选地，所述微型计算机用于接收所述光探测器上的空间散斑图像并进行处理。
一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量方法，该方法利用上述的激光散斑微振动测量系统实现，包括以下步骤：
S1、调整空间光驱动器与光探测器的参数、位置，所述空间光驱动器产生激光经被测物体散射后产生空间散斑，所述空间散斑经成像镜头成像后形成空间散斑图像，所述空间散斑图像被光探测器接收；
S2、所述光探测器将接收到的所述空间散斑图像输入到微型计算机中进行信号处理；
S3、所述微型计算机根据所输入的空间散斑图像的变化，计算得出被测物体的微小位移信息；
S4、根据所述被测物体的微小位移信息，计算得出被测物体的微振动信息。
优选地，还包括步骤S5，所述步骤S5具体为：根据步骤S4中得到的微振动信息计算信噪比，若信噪比低于预先设定的阈值时，重复步骤S1,对所述空间光驱动器、成像镜头以及光探测器重新进行调节。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
本发明采用卷帘快门式CMOS作为光探测器，可探测频率仅受限于每秒采集视频帧数与行数的乘积，极大地提高了可探测频率，实现几khz量级频率的振动信号的探测，克服了现有的全局快门式CMOS无法探测khz以上量级振动信号的缺陷，且成本成本较低，利于推广使用。
附图说明
图1为本发明测量系统的结构示意图。
图2为本发明测量方法的流程示意图。
附图标记说明：
1、空间光驱动器；2、被测物体；3、散斑探测系统；31、成像镜头；32、光探测器；4、微型计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
请参阅图1，本实施例公开了一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统，包括空间光驱动器1、被测物体2、散斑探测系统3、微型计算机4，其中：所述散斑探测系统3包括成像镜头31和光探测器32，所述成像镜头31、光探测器32及微型计算机4依次光连接，所述空间光驱动器1用于输出单频光信号至被测物体2表面以产生空间散斑，所述成像镜头31用于将所述空间散斑成像，所述光探测器32用于接收空间散斑图像，所述微型计算机4用于接收所述光探测器32上的空间散斑图像并进行处理。
所述空间光驱动器1与被测物体2位于同一轴线上，且所述被测物体2、成像镜头31以及光探测器32位于另一轴线上；双轴设置装置可确保空间光驱动器1与散斑探测系统3的空间光路相互不干涉。
测量时，空间光驱动器1输出单频光信号至被测物体2表面以产生空间散斑，成像镜头31将空间散斑成像，光探测器32采集所成空间散斑图像并将空间散斑图像输出至微型计算机4进行处理，微型计算机4最终提取并输出振动信号。在本实施例中，光探测器32采用卷帘快门相机，而成像镜头31需根据光探测器32进行选用，二者匹配可提高成像质量，有利于微型计算机4处理空间散斑图像时，提高输出振动信号的信噪比。
一方面，微型计算机4通过对空间散斑图像的计算，最终可以得到被测物体2的微振动信息，实现对于微振动的实时高灵敏度、高精度测量；另一方面，利用卷帘快门相机的时移特性，相较于全局快门式相机，可以低廉的价格实现高频信号的提取。
实施例二
请参阅图1和图2，本发明还公开了一种高精度激光散斑微振动测量方法，包括以下步骤：
一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量方法，该方法利用实施例一中所述的激光散斑微振动测量系统实现，包括以下步骤：
S1、调整空间光驱动器1与光探测器32的参数、位置，所述空间光驱动器1产生激光经被测物体2散射后产生空间散斑，所述空间散斑经成像镜头31成像后形成空间散斑图像，所述空间散斑图像被光探测器32接收；
S2、所述光探测器32将接收到的所述空间散斑图像输入到微型计算机4中进行信号处理；
S3、所述微型计算机4根据所输入的空间散斑图像的变化，计算得出被测物体2的微小位移信息；
S4、根据所述被测物体2的微小位移信息，计算得出被测物体2的微振动信息。
S5、根据步骤S4中得到的微振动信息计算信噪比，若信噪比低于预先设定的阈值时，重复步骤S1,对所述空间光驱动器1、成像镜头31以及光探测器32重新进行调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统，其特征在于：包括空间光驱动器、散斑探测系统及微型计算机，所述散斑探测系统包括成像镜头和光探测器，所述成像镜头、光探测器及微型计算机依次光连接，所述空间光驱动器用于输出单频光信号至被测物体表面以产生空间散斑，所述成像镜头用于将所述空间散斑成像，所述光探测器采用卷帘快门式CMOS图像传感器用于接收空间散斑图像。
2.如权利要求1所述的一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统，其特征在于：所述空间光驱动器与被测物体位于同一轴线上，且所述被测物体、成像镜头以及光探测器位于另一轴线上。
3.如权利要求2所述的一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统，其特征在于：所述微型计算机用于接收所述光探测器上的空间散斑图像并进行处理。
4.一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量方法，其特征在于：该方法利用如权利要求1-3任一项所述的一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量系统实现，包括以下步骤：
S1、调整空间光驱动器与光探测器的参数、位置，所述空间光驱动器产生激光经被测物体散射后产生空间散斑，所述空间散斑经成像镜头成像后形成空间散斑图像，所述空间散斑图像被光探测器接收；
S2、所述光探测器将接收到的所述空间散斑图像输入到微型计算机中进行信号处理；
S3、所述微型计算机根据所输入的空间散斑图像的变化，计算得出被测物体的微小位移信息；
S4、根据所述被测物体的微小位移信息，计算得出被测物体的微振动信息。
5.如权利要求4所述的一种基于卷帘快门式CMOS的激光散斑微振动测量方法，其特征在于：还包括步骤S5，所述步骤S5具体为：根据步骤S4中得到的微振动信息计算信噪比，若信噪比低于预先设定的阈值时，重复步骤S1,对所述空间光驱动器、成像镜头以及光探测器重新进行调节。
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