CCD测量位移的数据处理
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CCD
测量位移的数据处理
汪 涛,李现华,董建新,刘开伟,谢 文
(重庆大学数理学院,重庆400044)
提要:利用CCD及相应的硬件得到物体始末位置的数据,通过插值,利用两点非均匀性校正对数据进行处理,利用函数相关计算出位移
,
计算结果的精度很高。
关键词:CCD;位移;非均匀性校正;函数相关
中图分类号:NO443 文献标识码:A 文章编号
:0253-2743(2005)04-0064-02
ThedataprocessingfordisplacementmeasuringusingCCD
WANGTao,LIXian-hua,DONGJian-xin,LIUKai-wei,XIEWen
(MathematicalandPhysicalCollege,ChongqingUniversity,Chongqing,400044,China)
Abstract:Inthispaper,thebeginningandendingdataofobjectisobtainedbyusingCCDandcorrespondinghardware.Thedataisprocessedbyinterpolation
andtwo-pointnon-uniformitycorrection.Anddisplacementiscalculatedbyusingfunctionalcorrelation.Thecalculatingresultisveryprecise.
Keywords:CCD;displacement;non-uniformitycorrection;functionaldependence.
收稿日期
:2005-02-05
作者简介:汪涛(1972-),男,四川省阆中市人,讲师,博士,主要从
事红外器件及光学仪器方面的研发工作。
1
引言
〔1〕
CCD
应用技术是光、机、电和计算机结合的高新技术。
CCD作为一种自扫描式光电接收器件,
由于其具有尺寸小、
重量轻、功耗小、超低噪声、动态范围较大、线性好、光计量精
确、光谱响应范围宽、几何结构稳定、工作可靠和耐用等优
点,且其线扫描输出光电信号有利于其后续信号处理,在物
体几何尺寸的测量、位置测量、图样识别、光学测量等方面得
到了广泛的应用。由CCD传感器、光学系统、信号采集与处
理构成的CCD光电非接触式尺寸测量系统的使用范围和优
越性是现有其他测量方法无法比拟的。这里利用CCD对位
移进行测量,并结合两点非均匀性校正和函数相关两种方法
来计算位移,精度很高。
2 CCD
系统结构及数据处理方法
2.1
系统测量结构
图1 利用投影进行测量的结构
测量结构如图1所示,一束平行光照在待测物体上,后
面用CCD检测光强可以确定物体的起始位置,沿光源与
CCD
连线的垂直方向移动物体,物体停下来后可以确定出此时的
位置,通过这两个位置是可以计算出物体运动的这段位移
的〔2〕。但是,因为平行光的不均匀性和硬件系统产生或多或
少的噪声以及无法对物体的边缘精确定位等原因,用一般的
处理方法测量出来的位移往往可靠性不高,精确度不好。本
文提供的数据处理方法是通过实验证明了的,对测量位移有
很高的精确度和很广的实用范围。本实验用的是一维线性
CCD,计算机可以接收2048
个象元点的数据。首先用三次样
条插值处理离散数据,进行插值后的曲线如图2示,从图形
可以看出:曲线存在着很多毛刺,如果这样进行测量,一定会
影响测量精度,所以必须再采取一些特殊处理。
图2 插值后的曲线
2.2
两点非均匀性校正
产生毛刺主要原因是系统噪声和CCD器件的非均匀性
,
在进行测量时,先要尽量消除毛刺。在光源和CCD相对位置
不变的前提下,可以通过求多次测量值的平均来减小系统噪
声。CCD器件的非均匀性是由于制作材料的缺陷、掺杂的非
均匀性以及在生产工艺工程控制的不稳定等造成的,这里采
用两点非均匀性校正对其进行校正,此方法原理简单,计算
量小,实现起来也比较容易,同时还可以达到比较理想的效
果〔3〕。
两点非均匀性校正是利用函数Y=K×X+B进行校正
,
其中K为校正系数,B为偏移量,X为校正前的数据,Y为校
正后的数据。在光源和CCD相对位置不变的前提下,分别在
两种不同光强下,采集多组平行光数据,并计算其相应的平
均值V1和V2(这样可以有效的消除随机噪声,其中V1和V2都
是含有2048个元素的数组),再分别计算出V1和V2中各个
元素的平均值T1与T2(其中T1=12048ρ2047i=0V1(i),T2同理
)
,
用T1与T2的值分别作为两组标准光强值,即V1和V2校正
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《激光杂志》2005年第26卷第4期
LASERJOURNAL(Vol.26.No.4.2005
)
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后分别应该得到的光强值。将T1、T2、V1和V2四组数据代入校正函数,可以分别求出每个象元点的校正系数Ki=|T22T1||V2(i)-V1(i)|,偏移量Bi=T1-Ki×V1(i)(i=0,1,2…,2047)。在光源与CCD的相对位置不变的前提下,测得一组光强数据X1用X′1(i)=Ki×X1(i)+Bi(i=0.1,2…,2047)计算,X′1即为校正后的数据。如图3,即为将图2用此方法进行了系统校正后的图形。由两个图形可以看出,校正过后的毛刺基本消除,更接近外界的真实光强分布。图3 校正后的曲线2.3 利用函数相关计算位移一般测量位移方法是找物体的同一边缘,计算两个边缘的距离,即可以得到物体的位移,但是CCD测量时不容易准确检测到物体的边缘,曲线相关的定义如下:f(x)・g(x)=∫+∞-∞f(α)g(x+α)dα 计算相关,就是简单的将g(x)平移过f(x),并对每个平移量x,将其乘积在无穷域上求积分.计算函数相关主要用于比较两个函数的相似程度,计算出的相关值越大,说明两个函数越相似。如图4所示,两条曲线最相似的地方正是两个凹处重合的地方,计算出平移到此情况的平移量即为实验所要测量的位移。但是,我们不能直接用相关的定义来计算,因为已知的两曲线是有限区域内的,如果将其他区域视为0处理,那么两曲线最相似的地方有可能不是凹处重合的地方。为了解决这个问题,我们在软件编程的时候进行了如下处理,如图4所示,我们对g(x)进行平移,g(x)前端平移过零点的值依次赋予后端因平移而没有取值的点,也就是将g(x)首尾相接,形成一个环对g(x)进行平移,平移的范围是〔0,2047〕。如图5示,为图4两曲线用上述方法计算相关得到的曲线,求出曲线相关后最大值处的x的值,即为物体的位移。3 实验及实验结果表1 实验结果 次数 实验方法1234千分尺测量位移(mm)5.3255.5686.0326.625本系统测量位移(mm)5.3215.5706.0326.624鉴于以上分析,我们做了一个对比实验,将需要测量位移的物体放在一个带有千分尺的滑座上,利用千分尺将物体
的始末位置读出,算出物体的位移,同时用我们的系统及处
理方法进行相应的测量。我们进行了多次测量,得出的数据
如表1所示
(mm)
:
图4 物体移动前后的光强分布
由以上的实验结果可以看出,系统的处理方法有相当高
的精确度。
另外,我们用计算机终端得到的始末位置的图象进行手
动平移,利用两图象凹处恰好重合可以得到物体的位移,此
位移的值与用函数相关处理出来的结果完全一致,以此证明
了处理方法的正确性及合理性。
图5 函数相关后结果
4
总结
此数据处理方法可以很准确地测量出物体的位移,精确
度可以达到
1
μ
m,
同时还可以很好的测量不规则物体的位
移.其中两点非均匀性校正弥补了CCD器件以及光源的一些
不足,可以应用于CCD的很多其他实际测量中以提高测量的
精确度;相关来测量位移综合利用了所有和物体有关的数
据,使得测量的位移更可靠、更准确。
参考文献
〔1〕 王庆有.CCD应用技术〔M〕.天津:天津大学出版社
,2000,20-
52.
〔2〕 俞明.线阵CCD的应用〔J〕.辽宁师专学报
,2000,2(4):96-97.
〔3〕 胡晓梅.红外焦平面探测器的非均匀性与校正方法研究〔J〕.红
外与激光工程
,1999,28(3):9-12.
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