CN1746613A - 无线传输远距离测量位移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传输远距离测量位移的方法。该方法采用激光束发射单元，光电探测器，射频或光发射器和射频或光接收器及信号数据处理单元，实现测量位移过程是，光电探测器安装在被测点，激光束指向光电探测器；光电探测器输出的模拟信号直接调制到射频或光载波上，或经模/转换后调制到射频或光载波上；射频或光接收器接收射频或光载波信号，经解调得到被传输的光电探测器输出的模拟或数字信号；测量时采集被测物的变形过程中的光电探测器输出的模拟或数字信号，处理单元对收到的光电探测器的像素的灰度信号采用相关算法处理及通过高斯曲线拟合确定互相关系数的峰值位置，得到激光光斑在光电探测器上的位移。本发明具有测量精度高的特点。

Description

无线传输远距离测量位移的方法

                            技术领域

本发明涉及一种无线传输远距离测量位移的方法，属于位移的光电测试技术领域。

                            背景技术

位移的精确测量对许多工程技术应用都是十分重要的。例如在大型建筑(如桥梁)的施工及使用过程中，需要对其在各种承载条件下的形变以及振动进行实时监测。在许多工程应用中这种形变又称为挠度，是评价桥梁等建筑物安全状态的一个关键参数和重要依据。挠度以及振动的测量均可通过测量被测物相对某一参照物的位移来实现。现有的位移和挠度的测量方法和技术包括：(1)机械方法：采用百分表或位移计进行直接测量，或是采用连通管和液位检测的方法。机械方法具有仪器设备简单，可直接获得位移和挠度的测量值等优点，但测量费时费力，无法实现动态位移和挠度的测量，更无法进行自动化测量。(2)光学方法：将网格靶或其它标识置于被测点，采用照相机或摄像机记录标识的图像，经图像处理得到位移和挠度的测量值。光学方法是一种远距离、非接触式测量方法，可以进行多点同时检测。(3)光电方法：将激光源固定在测量参考点(或是被测点)，光电探测器安装在被测点(或是测量参考点)。经准直的激光束直接或是经成像透镜照射在光电探测器上，测量参考点与被测点之间的相对位移可由光电探测器的输出得到。采用光电方法可实现远程无接触位移和挠度测量，具有高速实时、可获得位移和挠度的动态测量值等优点，同时易于实现测量过程的自动化和长期监测。由于上述特点，激光位移和挠度测量技术和测量仪器得到迅速发展，并在工程上得到应用。

现有的激光位移和挠度测量***多采用半导体激光器作光源，以线阵或面阵CCD器件作为光电探测器，位移和挠度是通过检测激光光斑在光电探测器上的位置变化而获得。因此，准确获取激光光斑在光电探测器上的位置对于精确测量位移和挠度是至关重要的。理论上讲，激光光斑在光电探测器上的位置可通过确定光斑最大强度或光斑边缘的位置来得到。但由于激光束存在发散角，光束经一段距离特别是长距离的传输后，激光光斑直径变大，强度减弱，并产生衍射和散斑现象，所以实际测量中要采用一些特殊算法以准确获取激光光斑在光电探测器上的位置。现有的技术是采用重心法由激光光斑的像素灰度分布计算出光斑中心在光电探测器上的位置。采用该方法可获得数个像素量级的精度。进一步提高精度是很困难的。除此之外，在远距离位移和挠度测量中，一个突出的问题是信号和测量数据的传输。现有的激光位移和挠度测量***中均采用有线传输，给实际应用带来不便。

                               发明内容

本发明的目的是提供一种无线传输远距离测量位移的方法。该方法具有测量精度高的特点。

本发明是通过下述技术方案加以实现的。一种无线传输远距离测量位移的方法，该方法采用由半导体激光器和扩束准直器构成的激光束发射单元，经准直后的激光束输入CCD阵列光电探测器照射被测物，再经射频或光发射器和射频或光接收器及信号数据处理单元，得到激光光斑在CCD阵列光电探测器上的位移，从而实现远距离测量位移，其特征在于包括以下过程：

1.置于测量参考点的半导体激光器发出的激光束经扩束准直后发射，CCD阵列光电探测器安装在被测点，激光束指向CCD阵列光电探测器。

2.CCD阵列光电探测器输出的模拟信号被直接调制到射频或光载波上，或经模/转换后调制到射频或光载波上。

3.射频或光接收器在测量参考点接收射频或光载波信号，经解调得到被传输的CCD阵列光电探测器输出的模拟或数字信号。

4.在测量开始时，首先记录一幅CCD阵列光电探测器的模拟或数字信号作为光斑基准或参考位置，然后开始采集被测物的变形过程中CCD阵列光电探测器输出的模拟或数字信号。被测物的变形过程中产生的位移和挠度均为相对该参考位置而言。

5.接收端的信号数据处理单元对所收到的CCD阵列光电探测器的像素的灰度信号采用下面描述的互相关算法进行处理。对于M像素线阵CCD，若设参考光斑第m像素的灰度为f₀(m)，其它时刻的相应像素的灰度为f_d(m)。由下式计算f₀(m)与f_d(m)的互相关系数 $c_d\left(m\right)=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_0\left(i\right)f_d(i+m)}{{\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_0^2\left(i\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_d^2\left(i\right)\right)}^{1/2}}.$ 由互相关系数的分布，通过高斯曲线拟合确定互相关系数的峰值位置，以此得到激光光斑在CCD阵列光电探测器上的位移；对于MxN面阵CCD，设参考光斑图像第m行第n列像素的灰度为f₀(m，n)，其它时刻的相应像素的灰度为f_d(m，n)。由下式计算f₀(m，n)与f_d(m，n)的互相关系数 $c_d(m,n)=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_0(i,j)f_d(i+m,j+n)}{{\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_0^2(i,j)g\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_d^2(i,j)\right)}^{1/2}},$ 由互相关系数c_d(m，n)的分布，通过高斯曲线拟合确定互相关系数的峰值位置，以此得到激光光斑在CCD阵列光电探测器上的位移。

本发明的优点在于，采用上述方法可以无线传输的方式实现对远距离物***移和挠度的动态测量，测量精度与现有技术相比有显著提高，可使激光光斑位移的测量误差减小到小于一个像素的尺度。

                                附图说明

图1为实现本发明的方法的装置结构框图。图中：101为由半导体激光器和扩束准直器构成的激光束发射单元；102为准直后的激光束；103为CCD阵列光电探测器；104为被测物；105为射频或光发射器；106为射频或光接收器；107为信号数据处理单元。

                               具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，由半导体激光器和扩束准直器单元101发出的激光束102直接投射到CCD阵列光电探测器103上。半导体激光器的功率为5mW，波长为670nm。光电探测器为2700像元的线阵CCD，其像元尺寸为7微米，驱动频率为4MHz。射频发射器105的载频为2.4GHz，可同时传送三个不同信道的信号，分别用于传送像元同步信号，行同步信号和CCD模拟输出信号。射频接收器106将上述三个信道的信号解调恢复成与发射端相同的信号输出。信号数据处理单元107将CCD模拟输出信号进行模/数转换，然后采用 $c_d\left(m\right)=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_0\left(i\right)f_d(i+m)}{{\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_0^2\left(i\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_d^2\left(i\right)\right)}^{1/2}}$ 进行互相关处理，并计算激光光斑相对光斑基准或参考位置的变化量，由此得到被测目标物体的位移和挠度测量值。测量数据可实时显示，并可以数据文件的形式存储，或是通过数据接口与计算机或其它设备相联。

除采用上述以射频为载波的实施方式外，本发明还可以光为载波实现无线传输远距离位移和挠度的测量。此外也可以将CCD模拟输出信号先进行模/数转换，再通过无线传输方式将数据传送接收端。

Claims (1)

1.一种无线传输远距离测量位移的方法，该方法采用由半导体激光器和扩束准直器构成的激光束发射单元，经准直后的激光束输入CCD阵列光电探测器照射被测物，再经射频或光发射器和射频或光接收器及信号数据处理单元，得到激光光斑在CCD阵列光电探测器上的位移，从而实现远距离测量位移，其特征在于包括以下过程：

1)置于测量参考点的半导体激光器发出的激光束经扩束准直后发射，CCD阵列光电探测器安装在被测点，激光束指向CCD阵列光电探测器；

2)CCD阵列光电探测器输出的模拟信号被直接调制到射频或光载波上，或经模/转换后调制到射频或光载波上；

3)射频或光接收器在测量参考点接收射频或光载波信号，经解调得到被传输的CCD阵列光电探测器输出的模拟或数字信号；

4)在测量开始时，首先记录一幅CCD阵列光电探测器的模拟或数字信号作为光斑基准或参考位置，然后开始采集被测物的变形过程中CCD阵列光电探测器输出的模拟或数字信号，被测物的变形过程中产生的位移和挠度均为相对该参考位置而言；

5)接收端的信号数据处理单元对所收到的CCD阵列光电探测器的像素的灰度信号采用下面描述的互相关算法进行处理，对于M像素线阵CCD，若设参考光斑第m像素的灰度为f₀(m)，其它时刻的相应像素的灰度为f_d(m)，由下式计算f₀(m)与f_d(m)的互相关系数 $c_d\left(m\right)=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_0\left(i\right)f_d(i+m)}{{\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_0^2\left(i\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{f}_0^2\left(i\right)\right)}^{1/2}},$ 由互相关系数的分布，通过高斯曲线拟合确定互相关系数的峰值位置，以此得到激光光斑在CCD阵列光电探测器上的位移；对于MxN面阵CCD，设参考光斑图像第m行第n列像素的灰度为f₀(m，n)，其它时刻的相应像素的灰度为f_d(m，n)，由下式计算f₀(m，n)与f_d(m，n)的互相关系数 $c_d(m,n)=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_0(i,j)f_d(i+m,j+n)}{{\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_0^2(i,j)g\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{f}_d^2(i,j)\right)}^{1/2}},$ 由互相关系数c_d(m，n)的分布，通过高斯曲线拟合确定互相关系数的峰值位置，以此得到激光光斑在CCD阵列光电探测器上的位移。

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