CN102967261B - 一种基于数字散斑相关法的激光位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字散斑相关法的新型激光位移测量方法，具体为：激光经聚焦垂直入射移动中的被测物体表面；接收被测物体表面入射光点处的散射光，并通过成像透镜成像在CCD的敏感面上得到散射光斑；当散射光斑的信号带宽小于等于带宽阀值时，则表明被测物体表面为弱散射界面，采用平均加权重心法测量散射光斑在CCD上的位移；当散射光斑的信号带宽大于带宽阀值时，则表明被测物体表面为强散射截面，采用相关法测量散射光斑在CCD上的位移；根据散射光斑在CCD上的位移计算被测物体的位移。本发明实现对各种粗糙度物面位移的精确测量，具有测量快速性和精确性。

Description

一种基于数字散斑相关法的激光位移测量方法

技术领域

本发明涉及位移传感测量领域，具体涉及一种基于数字散斑相关法的激光位移测量方法，适用于强散射、粗糙界面位移测量。

背景技术

激光三角法位移传感器是一种非接触测量位移的重要传感器，广泛应用于三维轮廓、厚度、宽度、料位、及振动等测量。它将激光束投射到被测物面形成的漫反射光斑作为传感信号，用透镜成像原理将收集到的漫反射光汇聚到焦平面的光接收器上形成像点。该接收器可为光点位置探测器（CCD），也可用位置敏感器件PSD。运用激光三角法理论测量物体表面的位移时，在弱散射情况下，经过硬件滤波和软件滤波之后，可以通过重心法求出位移前后光斑信号的重心变化，得到光斑在CCD上的位移值，进而求出物面的实际位移值。但是物体表面较粗糙，发生强散射时，CCD上所接收到的测点散射光斑将淹没在散斑噪声中，这时采取抑制散斑效应的技术措施将效果很差。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于数字散斑相关法的激光位移测量方法，，该方法能够实现在被测物面很粗糙的条件下的位移测量，并具有测量快速性和精确性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于数字散斑相关法的激光位移测量方法，具体为：

步骤1激光经聚焦垂直入射移动中的被测物体表面；

步骤2接收被测物体表面入射光点处的散射光，并通过成像透镜成像在CCD的敏感面上得到散射光斑；

步骤3当散射光斑的信号带宽小于等于带宽阀值F时，则表明被测物体表面为弱散射界面，采用平均加权重心法测量散射光斑在CCD上的位移δ；当散射光斑的信号带宽大于带宽阀值F时，则表明被测物体表面为强散射截面，采用相关法测量散射光斑在CCD上的位移δ；

步骤4根据散射光斑在CCD上的位移δ计算被测物体的位移Δ。

进一步地，所述带宽阀值F取值范围为150~250。

进一步地，所述步骤3中的平均加权重心法具体为：位移δ等于散射光斑的重心横坐标在前后移动的差值，散射光斑的重心横坐标计算公式为

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i=n_1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{f}^2\left(x_i\right)}{\underset{i=n_1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left(x_i\right)}$

其中，x_i为散射光斑的第i个象元的横坐标，f(x_i)为散射光斑的第i个象元的纵坐标，n₁为最小象元序号，n₂为最大象元序号。

进一步地，所述步骤3中的相关法具体为：

读取被测物***移前的散射光斑的光强，并转换成位移前一维象元光强矩阵，在位移前一维象元光强矩阵中选取包含主峰信息的样本子区间；

读取被测物***移后的散射光斑的光强，并转换成位移后一维象元光强矩阵，在位移后一维象元光强矩阵中选取多个与样本子区间宽度相同的目标子区间；

搜寻与样本子区间相似系数最大的目标子区间，并辅以插值处理得到散射光斑位移。

进一步地，按照如下方式计算所述相似系数 $C=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[p\left(x_j\right)-\stackrel{\‾}{p}]\×[q\left(x_j^{\′}\right)-\stackrel{\‾}{q}]}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[f\left(x_j\right)-\stackrel{\‾}{f}]}^2}\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[g\left(x_j^{\′}\right)-\stackrel{\‾}{g}]}^2}},$ 其中， $\stackrel{\‾}{p}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}p\left(x_j\right)/m,$ $\stackrel{\‾}{q}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}q\left(x_j^{\′}\right)/m,$ p(x_j)为样本子区间，x_j为样本子区中的第j个象元，q(x'_j)为目标子区间，x′_j为目标子区间中的第j个象元，m为象元总数。

进一步地，所述步骤4采用直射式三角法计算被测物体的位移Δ，具体为：被测物体的位移其中，l为物距，l'为像距，θ为散射角，φ为CCD与入射光的夹角；若被测物体表面远离激光聚焦点移动则公式中±选取-，若被测物体表面靠近激光聚焦点移动则公式中±选取+。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明根据带宽阀值的大小，判定弱散射界面和强散射截面，待测物面是弱散射界面时自动采用重心法进行测量计算，待测物面是强散射界面时自动采用数字散斑相关法进行计算。这就弥补了传统激光三角法位移传感器在高粗糙、强反射物面情况下重心法失效，测量结果误差大的缺陷。实现了对各种粗糙度物面位移的精确测量。

2、本发明能够在待测位移物面高粗糙度强散射条件下的测量，具有精度高和实时性好的特点。

3、本发明使用简单，操作方便，成本低。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为实施本发明的测量装置结构图。

其中，1-激光器；2-汇聚透镜；3-被测物体表面；4-成像透镜；5-CCD（电荷耦合元件）；φ-为CCD与入射光的夹角；δ-散射光斑在CCD上的位移；l′-像距；l-物距；θ-散射角；Δ-被测物体的位移。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

参考图1和2，本发明基于数字散斑相关法的激光位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1使用激光器1发出激光，激光经汇聚透镜2聚焦后，垂直入射到被测物体表面3上。

步骤2接收透镜接收来自被测物体表面的入射光点处的散射光，并通过成像透镜4成像在CCD5的敏感面上，得到散射光斑。

步骤3设定带宽阀值F，即CCD的象元间距，分析散射光斑的信号带宽，当散射光斑的信号带宽小于等于带宽阀值F时采用平均加权重心法测量散射光斑在CCD上的位移δ，当散射光斑的信号带宽大于带宽阀值F时采用相关法测量散射光斑在CCD上的位移δ。

所述的带宽阀值F为150～250。

平方加权重心法具体为：通过前后移动的散射光斑的重心横坐标的差值得到δ，重心横坐标基于如下公式：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i=n_1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{f}^2\left(x_i\right)}{\underset{i=n_1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left(x_i\right)}$

其中，为散射光斑的重心横坐标，x_i为散射光斑的第i个象元的的横坐标，f/(x_i)为散射光斑的第丁个象元的的纵坐标，n₁为最小象元序号，n₂为最大象元序号。

相关法具体为：

读取被测物***移前的散射光斑的光强，并转换成位移前一维像元光强矩阵，在位移前一维像元光强矩阵中选取包含主峰信息的样本子区间；

读取被测物***移后的散射光斑的光强，并转换成位移后一维像元光强矩阵，在位移后一维像元光强矩阵中选取与样本子区间宽度相同的目标子区间；

搜寻与样本子区间相似系数最大的目标子区间，当搜寻到与样本子区间相关系数最大值的位置，辅以插值理就可测得散射光斑位移。

在三角法位移测量中，CCD各像元所接受到的散射光斑的光强转换成一维数字矩阵，当散射光斑沿CCD像元排列方向位移时，这一维矩阵的数字分布基本不变，但各数字对应的空间坐标已发生改变。在位移前的一维数字矩阵中取一定宽度的窗函数将信号截断，取能反映散射界面信息的数据（例如包含主峰的300个象元宽度）作为样本子区间，运用相关运算在位移后的一维数字矩阵中寻找相同宽度的连续目标子区间（1-300，2-301，3-302，…，10251-10550）。通过一维数字相关运算，相似系数C是基于以下公式：

$C=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[p\left(x_j\right)-\stackrel{\‾}{p}]\×[q\left(x_j^{\′}\right)-\stackrel{\‾}{q}]}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[f\left(x_j\right)-\stackrel{\‾}{f}]}^2}\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[g\left(x_j^{\′}\right)-\stackrel{\‾}{g}]}^2}}$

其中： p(x_j)为样本子区间，x_j为样本子区中的象元，q(x'_j)为目标子区间，x′_j为目标子区间中的象元，m为象元总数。

步骤4根据δ和直射式三角法获得被测物体的位移Δ。

直射式三角法基于以下公式：

$\mathrm{\Δ}=\frac{l\×\mathrm{\δ}\×\sin \mathrm{\φ}}{l^{\′}\×\sin \mathrm{\θ}\±\×\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ})}$

其中，l为物距，l′为像距，θ为散射角；φ为CCD与入射光的夹角，若被测物体表面远离汇聚透镜移动则公式中±选取-；若被测物体表面靠近汇聚透镜移动则公式中±选取+；

实施例：

激光器选用采用功率可调激光器（型号DI650-1-3）作为光源，其输出功率为1mw，因此激光功率的调节范围为0-1mw。采用的光信号接收器为TCD1501D线阵CCD，其最大驱动频率为6MHZ，最小驱动频率为1MHZ，当驱动芯片的计数器值计到4570时，产生满信号，采样周期（1/驱动频率）乘以计数器值即为光积分时间，因而电路的光积分时间为0.77ms-4.57ms，。当CCD接收到的信号太弱时，需要进行信号放大，在电路设计中采用20kΩ数字电位计进行放大倍率的调节，前置电阻为1kΩ，因此调节CCD放大增益的调节范围为1-20倍。

成像透镜选用大恒光电生产的型号为GCL-304（焦距F=20mm）的透镜，根据放大率求出物距和像距分别为28mm和70mm。散射角θ过大则会导致像散和失真等问题，散射角θ设定为30度。

汇聚透镜焦距F=24mm。

CCD选用TCD1501D，象元距离4um，长度为55mm，高度为66mm。

带宽阀值F=180。

被测物体为光滑镜面，并在光滑镜面上涂上80目细铝粉模拟粗糙界面，此时处于强散射物面，对该被测物体进行10次不同的位移，分别用重心法和本发明方法对数据进行处理，结果如表1所示。

表1本发明方法与重心法测量结果比较

上表的实验数据表明，在强散射界面时应用本发明方法优于重心法处理结果，计算结果精确到微米级，误差在2%以内。

本文中所描述的具体实施实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于数字散斑相关法的激光位移测量方法，具体为：

步骤1 激光经聚焦垂直入射移动中的被测物体表面；

步骤2 接收被测物体表面入射光点处的散射光，并通过成像透镜成像在CCD的敏感面上得到散射光斑；

步骤3 当散射光斑的信号带宽小于等于带宽阀值F时，则表明被测物体表面为弱散射界面，采用平均加权重心法测量散射光斑在CCD上的位移δ；当散射光斑的信号带宽大于带宽阀值F时，则表明被测物体表面为强散射截面，采用相关法测量散射光斑在CCD上的位移δ；

步骤4 根据散射光斑在CCD上的位移δ计算被测物体的位移Δ。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字散斑相关法的激光位移测量方法，其特征在于，所述带宽阀值F取值范围为150～250。

3.根据权利要求1或2所述的激光位移测量方法，其特征在于，所述步骤3中的平均加权重心法具体为：位移δ等于散射光斑的重心横坐标在前后移动的差值，散射光斑的重心横坐标计算公式为

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i=n_1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{f}^2\left(x_i\right)}{\underset{i=n_1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2\left(x_i\right)}$

其中，x_i为散射光斑的第i个象元的横坐标，f(x_i)为散射光斑的第i个象元的纵坐标，n₁为最小象元序号，n₂为最大象元序号。

4.根据权利要求1或2所述的激光位移测量方法，其特征在于，所述步骤3中的相关法具体为：

读取被测物***移前的散射光斑的光强，并转换成位移前一维象元光强矩阵，在位移前一维象元光强矩阵中选取包含主峰信息的样本子区间；

读取被测物***移后的散射光斑的光强，并转换成位移后一维象元光强矩阵，在位移后一维象元光强矩阵中选取多个与样本子区间宽度相同的目标子区间；

搜寻与样本子区间相似系数最大的目标子区间，并辅以插值处理得到散射光斑位移。

5.根据权利要求4所述的激光位移测量方法，其特征在于，按照如下方式计算所述相似系数 $C=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[p\left(x_j\right)-\stackrel{\‾}{p}]\×[q\left({x^{\′}}_j\right)-\stackrel{\‾}{q}]}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[f\left(x_j\right)-\stackrel{\‾}{f}]}^2}\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[g\left({x^{\′}}_j\right)-\stackrel{\‾}{g}]}^2}},$ 其中， p(x_j)为样本子区间，x_j为样本子区中的第j个象元，q(x'_j)为目标子区间，x′_j为目标子区间中的第j个象元，m为象元总数。

6.根据权利要求1或2所述的激光位移测量方法，其特征在于，所述步骤4采用直射式三角法计算被测物体的位移Δ，具体为：被测物体的位移其中，l为物距，l'为像距，θ为散射角，φ为CCD与入射光的夹角；若被测物体表面远离激光聚焦点移动则公式中±选取-，若被测物体表面靠近激光聚焦点移动则公式中±选取+。