摘 要： 提出了測量高溫超導(dǎo)" title="高溫超導(dǎo)">高溫超導(dǎo)磁浮車懸浮高度的系統(tǒng)解決方案，著重介紹了尺寸測量" title="尺寸測量">尺寸測量信號的提取方法，詳細闡述了二值化" title="二值化">二值化處理方法和數(shù)字處理方法。
關(guān)鍵詞: 懸浮高度測量 線陣CCD? 激光
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磁懸浮列車" title="磁懸浮列車">磁懸浮列車作為目前最快速的地面交通工具，其技術(shù)有著其他地面交通技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，具有速度高、能耗低、噪音低、運行平穩(wěn)、乘坐舒適和綠色環(huán)保等特點。高溫超導(dǎo)磁懸浮列車更是一個新的突破，是我國“863”計劃的科研成果之一。在磁懸浮列車運行過程中，必須實時檢測列車的懸浮高度，這是列車運行的一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)，關(guān)系到列車的運行安全。磁懸浮列車具有極高的速度，并且高溫磁懸浮列車的懸浮高度只有20毫米左右，因此要求采用高速、高精度的非接觸測量方法對列車懸浮高度進行測量。
1 測量原理
CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件是一種高精度、高靈敏度的光電耦合器件。它具有自掃描特性，能夠?qū)纯臻g域分布的光學(xué)圖像信號變換成按時間域分布的離散電壓信號，繼而通過電子處理系統(tǒng)對這一信號進行處理。由于CCD具有非接觸性測量、分辨率高等特點，因此在非接觸尺寸測量方面應(yīng)用廣泛。激光具有高亮度、相干性好、方向性好等優(yōu)點，將激光技術(shù)與CCD器件結(jié)合起來進行尺寸測量是一個比較好的解決方案。圖1為激光反射測量法的原理圖(以列車為參照物，可以看作軌道在變化）。其工作原理是激光二極管發(fā)射光束照射在列車軌道上形成光斑，經(jīng)過半漫反射，光斑通過鏡頭成像在CCD器件上，CCD將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)列車和軌道之間的相對距離發(fā)生改變時，光斑在CCD上的成像也隨之變化。通過檢測光斑像在CCD上的變化，進而計算出列車和軌道之間距離的變化。為了簡化計算，將入射光束與鏡頭的光軸垂直。設(shè)列車和軌道之間相對變化的距離為d，其計算公式為：
M0為物方放大率，可見公式中只有△S′為未知量。由于CCD能把光敏面上影像的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成與光強成正比的電荷量，用一定頻率的驅(qū)動脈沖驅(qū)動CCD，因此在CCD輸出端便可獲得被測對象的視頻信號。視頻信號中每個離散電壓信號的大小對應(yīng)該光敏元所接受光強的大小，信號輸出時序則對應(yīng)光敏元位置的順序，從而完成信息從空間域到時間域的轉(zhuǎn)換。視頻輸出信號經(jīng)低通濾波后得到如圖2所示的波形。
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2 光學(xué)系統(tǒng)的選擇
光學(xué)系統(tǒng)負責(zé)傳遞目標光學(xué)信息，其功能直接關(guān)系到CCD像敏元上成像的穩(wěn)定性和準確性，進而關(guān)系到整個系統(tǒng)的工作距離、分辨率等性能參數(shù)。因此要求光學(xué)系統(tǒng)成像好、雜散光少、幾何畸變小。選擇物鏡時主要應(yīng)該考慮物鏡像場的大小、物鏡的焦距和工作物距等參數(shù)。物鏡的焦距可以根據(jù)公式f＝d0/(1+M0)求出。d0為系統(tǒng)的工作物距，M0為物方放大率。在其他參數(shù)不變的情況下，焦距越短，視場(即檢測距離)就越大，物方放大率就越大，檢測精度就降低；反之視場就越小，物方放大率就越少，檢測精度就越高。因此物鏡焦距選擇時一定要與整個系統(tǒng)設(shè)計要求相匹配，在測量范圍和測量精度" title="測量精度">測量精度間作出均衡處理。
3 CCD視頻信號的處理
通過對CCD視頻信號的處理可以準確找出光斑在光敏面上成像的準確位置，而CCD視頻信號處理的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的測量精度。根據(jù)CCD視頻信號應(yīng)用的差異，可以分為二值化處理和數(shù)字信號處理兩種數(shù)據(jù)處理方法。
3.1 二值化處理法
二值化處理法是指先對CCD視頻信號進行二值化處理以后，再提取出特征信號的數(shù)字量，如圖3所示。
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圖中：
是外同步信號，其上升沿對應(yīng)于CCD的第一個有效像素單元，Uo是視頻輸出信號。
硬件電路原理如圖4所示。
由于鎖存器是上升沿有效，鎖存器1和2分別存有N1和N2時刻計數(shù)器的值，因此光斑像中心位置所對應(yīng)的脈沖數(shù)N＝(N1+N2)/2。N乘上脈沖當(dāng)量就可以得到光斑在CCD上成像的位置，從而計算出列車相對于軌道的距離。提高計數(shù)脈沖的頻率能夠細分SN1、 SN2，從而提高系統(tǒng)的測量精度。
二值化處理方法的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、成本低、處理速度快等；缺點是抗干擾性能差，特別是對雜光的干擾比較敏感。
3.2 數(shù)字信號處理法
CCD視頻信號的數(shù)字化處理過程如圖5所示。先將CCD輸出的時序脈沖調(diào)制信號經(jīng)低通濾波器變換成在時間上連續(xù)的模擬信號；然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入DSP芯片進行數(shù)字處理。
由于本系統(tǒng)是一個實時測量系統(tǒng)，對測量速度要求較高，因此要求數(shù)據(jù)的處理算法簡單可靠。在計算光斑位置上，重心法具有重復(fù)計算精度高，數(shù)據(jù)量少，計算簡單，抗干擾等優(yōu)點。其原理的基本思想與在一維空間求物體的重心一致，如圖6所示。
數(shù)字處理方法具有靈活性好、精度高、抗雜光干擾強、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點；缺點是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，測量速度相對較慢。
上述兩種數(shù)據(jù)處理方法都能夠滿足磁懸浮列車懸浮高度測量的要求。采用嵌入式設(shè)計使測量儀器的功耗降低、體積減少、可靠性增強，因此其適用的場合更加寬泛，可以應(yīng)用到其他非接觸測量領(lǐng)域。
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基金資助：國家863計劃項目(2005AA306150)