光斑中心實時檢測系統和檢測方法
2023-09-21 09:22:20 2
專利名稱：光斑中心實時檢測系統和檢測方法
技術領域：
本發明涉及雷射技術應用，具體涉及一種新型光斑中心檢測方法和應用該方法的 光斑中心實時檢測系統。
背景技術：
雷射是一種定向精度高、發散度極小的光，可以用來實現測距和準直。一些高性 能、高可靠、大功率的雷射技術首先應用於軍事裝備上。隨著雷射技術的發展，小功率脈衝 雷射器在民用行業上也廣泛應用。尤其是在測距、非接觸測量和衛星遙感等領域均應用了 雷射技術。在光束的散角測量、被測物體的微小旋轉角度、物體運動的非接觸測量等應用中 均需要確定一束雷射的光斑大小或者光斑的中心，通過一種檢測算法得到光束的散角、物 體的轉角、物體運動速度等信息。在獲得光斑信息時，最直接的解決方法是採用面陣或者線 陣光感元器件(如光電二極體、三極體等)實現對光斑中心的的檢測。採用面陣光感元器 件可以提高光斑中心的檢測精度，但是受到元器件的安裝尺寸以及靶板的面積影響。一般 來說面陣檢測方式將會使用大量的光感元器件，如此多的光感元器件應用不但增加了系統 成本，而且給器件安裝、電源布線以及數據處理等方面帶來諸多困難。此外，單一光感元件 的可靠性將極大影響檢測系統的可靠性，給系統維護帶來不便。線陣光感元器件的檢測雖 然可以降低傳感器數量、數據處理量等，但是會極大的降低光斑中心檢測精度，尤其是在大 面積光斑檢測中必須採用掃描方式，這樣會額外增加系統的處理時間。
發明內容
鑑於上述技術存在的問題，本發明專利的目的是提供一種低成本、高可靠的光斑 檢測方法和光斑中心實時檢測系統。該系統實現了光斑信息數位化，採用嵌入式實時系統 進行光斑檢測方法實時解算用以確定光斑中心信息，通過用戶指定的輸出形式給出實時檢 測結果。本發明的技術方案如下一種光斑中心實時檢測系統，由光靶、光學透鏡組、高速C⑶模塊、時序控制與驅 動模塊、網絡傳輸模塊、實時數據處理模塊、光斑信息輸出模塊、電源管理模塊以及光靶支 撐機構組成，其特徵在於所述的光靶由機械支撐和玻璃靶面組成，玻璃靶面鑲嵌在機械支 撐上，所述的玻璃靶面上具有鍍膜，玻璃靶面的鍍膜選擇某個或某幾個波段的光通過，吸收 其他波段的光，使符合要求的光進入光斑實時檢測系統；鍍膜根據光學傳輸的要求和應用 環境的不同，具有通過以650nm、1064nm、1300nm等不同波長為中心的鍍膜。所述的光學透鏡組和高速CCD模塊依次設置在所述光靶的前方光路上，所述的高 速CCD模塊為點陣CCD圖像傳感器，實現對進入的光波進行積分和量化，輸出數位化圖像； 所述的光學透鏡組由不同的凸透鏡和凹透鏡鏡片組合而成，用於對光學通路的調整，將所 述光靶匯聚成的具有適當縮放係數的像投射到點陣CCD圖像傳感器上。根據成像要求的不同，通過選擇不同焦距的透鏡，以便在CCD上獲得清晰的圖像。所述的高速CCD模塊信號輸出端依次通過所述的網絡傳輸模塊和實時數據處理 模塊與所述的光斑信息輸出模塊連接，其中所述的網絡傳輸模塊將所述高速CCD模塊採集 的數位訊號壓縮後經網絡傳輸至所述的實時數據處理模塊；所述的實時數據處理模塊由嵌 入式實時系統實現，將接收的網絡傳來的圖像數據按照光斑中心檢測方法解算出當前時刻 的光斑中心位置；嵌入式系統的硬體由嵌入式控制器及其外圍驅動電路實現，嵌入式系統 運行訂製的實時系統以滿足實時數據處理程序的應用要求，實現對數據的實時處理；所述的時序控制與驅動模塊實現定時計數功能，對所述的高速CCD模塊輸入時鐘 驅動信號，並將所述的高速CCD模塊採集的圖像數據經數據總線傳輸至所述的網絡傳輸模 塊；所述的光斑信息輸出模塊將光斑信息通過VGA接口輸出到系統監視器，或者根據 設置通過串口 RS232或者網絡接口輸出到監控計算機；所述的電源管理模塊為光斑中心實時檢測系統提供電源供電方式管理，實現蓄電 池供電、電池供電或者220V交流供電等方式。一種光斑中心檢測方法，其具體包括以下步驟假設雷射發射點中心為E，雷射發射點距光電檢測面的距離為1，分度點的直徑為
d，雷射發射器的三角大小為α，圓0是雷射垂直於檢測面形成的光斑，則光斑的直徑為D
^ -, aD = 21 tan —若雷射發射器以O。為中心進行旋轉，光斑中心由初始O1點移至O2點，雷射中心EO1
和EA與垂直入射雷射中心EO的水平方向的水平角分別為Z OEC和Z 0ΕΒ,設其大小分別
為1和β 2，在垂直方向上形成的垂直角Z O1Et^PZAEB,並設其大小為、和α2，則激
光發射器在一次移動過程中水平角和仰角的差值分別為
、,^2 ) - arcsi^-p^L·-^x12+!2^xf+I2 ^β = β2-β\ = arctan(年)-arctan(^-)== arctan(— arcsin(將光靶面上的一個符合要求的分度點簡化成一個邊長為d的正方形，一個像素設 為邊長為a的正方形，則分度點通過透鏡在點陣CCD圖像傳感器鏡面形成的投影為邊長為 Cl1正方形；設靶面至透鏡中心的距離為F，點陣CXD圖像傳感器鏡面至透鏡中心的距離為D， 且設點陣CCD圖像傳感器的縮放係數為
F d/ = - = -f ；
D a又設點陣CXD圖像傳感器光感面的尺寸為LXW，其中L是CXD長度，W是CXD的寬 度，同樣設光靶的尺寸為LtlXWtl,由上可以得出在寬度和長度上的縮放係數分別為
L
L0Λ=-
Wfw= —為了實現系統應用，在實際設計中應取兩者較小值作為系統的固定最小縮放係數，並設為f;則系統的測量誤差可由以下兩式導出
權利要求
1.一種光斑中心實時檢測系統，由光靶、光學透鏡組、高速CCD模塊、時序控制與驅動 模塊、網絡傳輸模塊、實時數據處理模塊、光斑信息輸出模塊、電源管理模塊以及光靶支撐 機構組成，其特徵在於所述的光靶由機械支撐和玻璃靶面組成，玻璃靶面鑲嵌在機械支撐 上，所述的玻璃靶面上具有鍍膜，玻璃靶面的鍍膜選擇某個或某幾個波段的光通過，吸收其 他波段的光，使符合要求的光進入光斑實時檢測系統；所述的光學透鏡組和高速CCD模塊依次設置在所述光靶的前方光路上，所述的高速 CCD模塊為點陣CCD圖像傳感器，實現對進入的光波進行積分和量化，輸出數位化圖像；所 述的光學透鏡組用於對光學通路的調整，將所述光靶匯聚成的具有適當縮放係數的像投射 到點陣CCD圖像傳感器上，以獲得清晰的圖像；所述的光學透鏡組由不同的凸透鏡和凹透鏡片組合而成。根據成像要求的不同，通過 選擇不同焦距的透鏡，以便在CCD上獲得清晰的圖像。鍍膜根據光學傳輸的要求和應用環 境的不同，具有分別通過以650nm、1064nm、1300nm為中心的等不同波長的鍍膜。所述的高速CCD模塊信號輸出端依次通過所述的網絡傳輸模塊和實時數據處理模塊 與所述的光斑信息輸出模塊連接，其中所述的網絡傳輸模塊將所述高速CCD模塊採集的數 字信號壓縮後經網絡傳輸至所述的實時數據處理模塊；所述的實時數據處理模塊，將接收 的網絡傳來的圖像數據按照光斑中心檢測方法解算出當前時刻的光斑中心位置；所述的時序控制與驅動模塊實現定時計數功能，對所述的高速CCD模塊輸入時鐘驅動 信號，並將所述的高速CCD模塊採集的圖像數據經數據總線傳輸至所述的網絡傳輸模塊；所述的光斑信息輸出模塊將光斑信息通過VGA接口輸出到系統監視器，或者根據設置 通過串口 RS232或者網絡接口輸出到監控計算機；所述的電源管理模塊為光斑中心實時檢測系統提供電源供電方式管理，實現蓄電池供 電、電池供電或者220V交流供電等方式。
2.一種光斑中心檢測方法，其特徵在於假設雷射發射點中心為E，雷射發射點距光電檢測面的距離為1，分度點的直徑為d，激 光發射器的三角大小為α，圓0是雷射垂直於檢測面形成的光斑，則光斑的直徑為D
3.根據權利要求1所述的光斑中心實時檢測系統，其特徵在於所述的機械支撐機構 為光靶、光學鏡組、CXD模塊、實時處理系統模塊提供物理支撐和空間定位。
全文摘要
本發明公開了一種光斑中心實時檢測系統和檢測方法，由光靶、光學透鏡組、高速CCD模塊、時序控制與驅動模塊、網絡傳輸模塊、實時數據處理模塊、光斑信息輸出模塊、電源管理模塊以及光靶支撐機構組成。本發明實現了光斑信息數位化，採用嵌入式實時系統根據光斑檢測方法實時解算光斑中心信息，按照用戶的要求輸出形式給出實時檢測結果；本發明可以解決雷射光斑中心等信息的檢測和記錄，實現了光斑隨時間和空間的變化量的在線檢測，可以廣泛應用於測距、非接觸測量和遙感等領域。
文檔編號H04N7/18GK102141373SQ201010588489
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者劉智民, 劉勝, 宋士花, 盛鵬, 胡純棟 申請人:中國科學院等離子體物理研究所