摘 要： 提出了測(cè)量高溫超導(dǎo)" title="高溫超導(dǎo)">高溫超導(dǎo)磁浮車(chē)懸浮高度的系統(tǒng)解決方案，著重介紹了尺寸測(cè)量" title="尺寸測(cè)量">尺寸測(cè)量信號(hào)的提取方法，詳細(xì)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(cè)量 線(xiàn)陣CCD? 激光
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磁懸浮列車(chē)" title="磁懸浮列車(chē)">磁懸浮列車(chē)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有速度高、能耗低、噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)、乘坐舒適和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)更是一個(gè)新的突破，是我國(guó)“863”計(jì)劃的科研成果之一。在磁懸浮列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)列車(chē)的懸浮高度，這是列車(chē)運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，關(guān)系到列車(chē)的運(yùn)行安全。磁懸浮列車(chē)具有極高的速度，并且高溫磁懸浮列車(chē)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(cè)量方法對(duì)列車(chē)懸浮高度進(jìn)行測(cè)量。
1 測(cè)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?huà)呙杼匦?，能夠?qū)纯臻g域分布的光學(xué)圖像信號(hào)變換成按時(shí)間域分布的離散電壓信號(hào)，繼而通過(guò)電子處理系統(tǒng)對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行處理。由于CCD具有非接觸性測(cè)量、分辨率高等特點(diǎn)，因此在非接觸尺寸測(cè)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(diǎn)，將激光技術(shù)與CCD器件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行尺寸測(cè)量是一個(gè)比較好的解決方案。圖1為激光反射測(cè)量法的原理圖(以列車(chē)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(chē)軌道上形成光斑，經(jīng)過(guò)半漫反射，光斑通過(guò)鏡頭成像在CCD器件上，CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)列車(chē)和軌道之間的相對(duì)距離發(fā)生改變時(shí)，光斑在CCD上的成像也隨之變化。通過(guò)檢測(cè)光斑像在CCD上的變化，進(jìn)而計(jì)算出列車(chē)和軌道之間距離的變化。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將入射光束與鏡頭的光軸垂直。設(shè)列車(chē)和軌道之間相對(duì)變化的距離為d，其計(jì)算公式為：
M0為物方放大率，可見(jiàn)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(qiáng)成正比的電荷量，用一定頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)CCD，因此在CCD輸出端便可獲得被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)中每個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)該光敏元所接受光強(qiáng)的大小，信號(hào)輸出時(shí)序則對(duì)應(yīng)光敏元位置的順序，從而完成信息從空間域到時(shí)間域的轉(zhuǎn)換。視頻輸出信號(hào)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(fù)責(zé)傳遞目標(biāo)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(zhǔn)確性，進(jìn)而關(guān)系到整個(gè)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(shí)主要應(yīng)該考慮物鏡像場(chǎng)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(chǎng)(即檢測(cè)距離)就越大，物方放大率就越大，檢測(cè)精度就降低；反之視場(chǎng)就越小，物方放大率就越少，檢測(cè)精度就越高。因此物鏡焦距選擇時(shí)一定要與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求相匹配，在測(cè)量范圍和測(cè)量精度" title="測(cè)量精度">測(cè)量精度間作出均衡處理。
3 CCD視頻信號(hào)的處理
通過(guò)對(duì)CCD視頻信號(hào)的處理可以準(zhǔn)確找出光斑在光敏面上成像的準(zhǔn)確位置，而CCD視頻信號(hào)處理的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。根據(jù)CCD視頻信號(hào)應(yīng)用的差異，可以分為二值化處理和數(shù)字信號(hào)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(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理以后，再提取出特征信號(hào)的數(shù)字量，如圖3所示。
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圖中：
是外同步信號(hào)，其上升沿對(duì)應(yīng)于CCD的第一個(gè)有效像素單元，Uo是視頻輸出信號(hào)。
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(shí)刻計(jì)數(shù)器的值，因此光斑像中心位置所對(duì)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(jì)算出列車(chē)相對(duì)于軌道的距離。提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率能夠細(xì)分SN1、 SN2，從而提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
二值化處理方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、處理速度快等；缺點(diǎn)是抗干擾性能差，特別是對(duì)雜光的干擾比較敏感。
3.2 數(shù)字信號(hào)處理法
CCD視頻信號(hào)的數(shù)字化處理過(guò)程如圖5所示。先將CCD輸出的時(shí)序脈沖調(diào)制信號(hào)經(jīng)低通濾波器變換成在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)；然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入DSP芯片進(jìn)行數(shù)字處理。
由于本系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量速度要求較高，因此要求數(shù)據(jù)的處理算法簡(jiǎn)單可靠。在計(jì)算光斑位置上，重心法具有重復(fù)計(jì)算精度高，數(shù)據(jù)量少，計(jì)算簡(jiǎn)單，抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，測(cè)量速度相對(duì)較慢。
上述兩種數(shù)據(jù)處理方法都能夠滿(mǎn)足磁懸浮列車(chē)懸浮高度測(cè)量的要求。采用嵌入式設(shè)計(jì)使測(cè)量?jī)x器的功耗降低、體積減少、可靠性增強(qiáng)，因此其適用的場(chǎng)合更加寬泛，可以應(yīng)用到其他非接觸測(cè)量領(lǐng)域。
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基金資助：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2005AA306150)