二維激光衍射法在直徑測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、二維激光衍射法在直徑測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用黃見(jiàn)洪,史斐,李錦輝,鄭暉,許燦 時(shí)間:2008年07月02日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:? 摘 要：關(guān)鍵詞： 菲涅爾衍射? 直徑測(cè)量? DSP? CPLD? CCD? 本文提出一種利用激光衍射效應(yīng)測(cè)量工件直徑的方法。該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描法中的轉(zhuǎn)鏡、準(zhǔn)直及聚焦透鏡等元件，具有測(cè)量精度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用窄光譜線(xiàn)寬的激光二極管LD（Laser Diode）作為照射工件的光源，以線(xiàn)陣CCD采集工件的衍射圖樣，以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP）作為數(shù)據(jù)處理芯片，并用大規(guī)模可編程邏輯（CPLD）拓展DSP系統(tǒng)功能及控制CCD的時(shí)序。本系統(tǒng)適用

2、于電纜、光纜及管線(xiàn)的過(guò)程測(cè)量與控制。1 測(cè)量原理? 圖1為本系統(tǒng)的測(cè)量原理圖。該測(cè)量系統(tǒng)由處于相互垂直位置的兩組LD和線(xiàn)陣CCD組成，激光二極管LD_X照射工件產(chǎn)生的衍射圖樣由CCD_X采集，激光二極管LD_Y照射工件產(chǎn)生的衍射圖樣由CCD_Y采集。由于光在傳播過(guò)程中遇到障礙物后會(huì)產(chǎn)生菲涅爾衍射現(xiàn)象，并且光源的光譜線(xiàn)寬越窄，得到的衍射圖樣越清晰。圖2為CCD采集的典型衍射圖樣。在本系統(tǒng)中，LD位置及CCD位置固定不變，其相對(duì)于（0，0）原點(diǎn)的坐標(biāo)已知，CCD上像素間距固定；利用激光照射工件后產(chǎn)生的精細(xì)衍射圖像，可計(jì)算出工件投影邊界的精確坐標(biāo)，通過(guò)幾何的方法可以計(jì)算出工件X向及Y向的直徑。?2

3、系統(tǒng)概述3 基本硬件組成4 CPLD時(shí)序設(shè)計(jì)4.1 圖像采集板CPLD時(shí)序設(shè)計(jì)? EPM7128S芯片輸出信號(hào)為4V左右的TTL電平并帶有毛刺。為了提高系統(tǒng)電路可靠性，本系統(tǒng)所有CPLD控制信號(hào)通過(guò)反相器整形為5V TTL電平后，再輸出控制CCD、LD及A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)序。圖4為CPLD圖像時(shí)序圖。ILX751B線(xiàn)陣CCD有CLK、SHUT、ROG、RS四個(gè)控制信號(hào)。CPLD輸出控制線(xiàn)陣CCD_X和CCD_Y時(shí)序的信號(hào)分別為CLK_X、SHUT_X、ROG_X、RS和CLK_Y、SHUT_Y、ROG_Y、RS，這里兩塊CCD共用一個(gè)RS信號(hào)。在CCD輸出的像元信號(hào)中前33個(gè)和后6個(gè)為虛假的像元

4、信號(hào)，中間的2 048個(gè)為真實(shí)的像元信號(hào)；在本系統(tǒng)中，A/D采樣器采集了全部的2 087個(gè)像元信號(hào)，在DSP中進(jìn)行處理時(shí)，只使用其中2 048個(gè)有用信號(hào)。LDC_X、LDDC_X、LDC_Y、LDDC_Y為兩個(gè)LD發(fā)光電路的控制信號(hào)；LDC_X和LDC_Y為L(zhǎng)D的充電信號(hào)，LDDC_X 和LDDC_Y為L(zhǎng)D的放電信號(hào)。MUX_XY為信號(hào)選擇器的選通控制信號(hào)。AD_CLK為A/D采樣器的時(shí)鐘信號(hào)。圖4 圖像采集板CPLD時(shí)序圖?4.2 數(shù)字板CPLD設(shè)計(jì)? 數(shù)字板CPLD有兩方面功能。一方面該CPLD作為DSP 芯片功能擴(kuò)展，即作為DSP芯片的地址譯碼器，產(chǎn)生片選及讀寫(xiě)信號(hào)控制外部擴(kuò)展芯片的讀寫(xiě)

5、，其控制的芯片有：通訊接口芯片、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、系統(tǒng)內(nèi)存、雙口內(nèi)存（左側(cè)讀寫(xiě)控制）等；另一方面，該CPLD作為雙口內(nèi)存CY7C025的右側(cè)控制信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生片選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)和地址信號(hào)，把雙口內(nèi)存劃分為高4KB區(qū)及低4KB區(qū)，以MUX_XY通過(guò)CPLD控制兩塊區(qū)域的選擇，AD_CLK作為時(shí)鐘信號(hào)累加地址控制存儲(chǔ)的位置，把圖像采集板上A/D轉(zhuǎn)換器輸出的圖像數(shù)據(jù)存入雙口內(nèi)存指定地址。5 圖像數(shù)據(jù)處理算法5.1 圖像濾波? 由于原始圖像信號(hào)存在雜散光噪聲，為了提高圖像衍射峰判別的準(zhǔn)確度，首先對(duì)原始圖像進(jìn)行快速傅立葉變換，把時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)；采用四階巴特沃斯低通數(shù)字濾波器對(duì)圖像頻域信號(hào)進(jìn)行濾波

6、，有效地消除圖像上的高頻干擾；最后再進(jìn)行快速反傅立葉變換得到基本沒(méi)有失真的圖樣。這里，不能使用理想的低通濾波器進(jìn)行圖像濾波，因?yàn)槔硐氲屯V波器會(huì)使圖像產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象，從而在圖像上出現(xiàn)虛假的衍射峰信息，造成測(cè)量精度降低。巴特沃斯低通濾波器可以避免產(chǎn)生這種錯(cuò)誤。巴特沃斯數(shù)字濾波器的低頻截止頻率不能過(guò)低或過(guò)高，過(guò)低會(huì)使有用信號(hào)丟失，過(guò)高則不能有效地抑制干擾信號(hào)。本系統(tǒng)中，取2f為濾波器的截止頻率，f=N/T，N為CCD像元總數(shù)2 048，T為一二級(jí)衍射峰像素間距。5.2 投影邊界判定? 在判定投影邊界位置之前，先采用閾值法進(jìn)行衍射邊界的判定，即相當(dāng)于在圖像上合適的位置畫(huà)一條水平直線(xiàn)，這條直線(xiàn)與圖像

7、衍射邊界有兩個(gè)交點(diǎn)，第一個(gè)交點(diǎn)左邊和第二個(gè)交點(diǎn)右邊所有像素值大于設(shè)定的閾值，而兩個(gè)交點(diǎn)之間的像素值則小于設(shè)定的閾值，這樣就得到衍射邊界的位置。? 投影邊界位置的確定是數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要任務(wù)。根據(jù)半邊屏衍射理論，一級(jí)衍射峰光強(qiáng)幅值為投影邊界光強(qiáng)幅值的5.48倍。投影邊界位置計(jì)算過(guò)程如下：(1)用簡(jiǎn)單的掃描法逐點(diǎn)掃描衍射圖樣來(lái)識(shí)別一級(jí)衍射峰，從衍射邊界開(kāi)始掃描，左衍射邊界向左掃描，右衍射邊界向右掃描。如果掃描到一個(gè)點(diǎn)的像素值大于其前后相鄰兩點(diǎn)的值，則該像素值為衍射峰幅值。(2)考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中存在背景噪聲，兩衍射邊界中間部分其光強(qiáng)幅值不為零，計(jì)算時(shí)需扣除背景噪聲的影響。(3)得到投影邊界的光強(qiáng)

8、幅值后，重新從衍射邊界掃描，得到與投影邊界的光強(qiáng)幅值最接近的像素。(4)應(yīng)用最小二乘法對(duì)此像素位置前后共7點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從而確定投影邊界的精確位置。5.3 直徑計(jì)算? 工件直徑可通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何方法計(jì)算。計(jì)算方法如下：在本系統(tǒng)中，兩個(gè)LD和兩個(gè)CCD的位置固定，其坐標(biāo)已知，CCD上每個(gè)像素的坐標(biāo)也是已知的；通過(guò)LD與工件在CCD上的投影邊界可建立4條直線(xiàn)方程，經(jīng)過(guò)同一個(gè)LD的兩條直線(xiàn)可計(jì)算出經(jīng)過(guò)CCD的兩條角平分線(xiàn)，兩角平分線(xiàn)的交點(diǎn)即為工件的圓心坐標(biāo)；計(jì)算從圓心到4條直線(xiàn)的距離并兩兩相加，算出工件的X向及Y向直徑。6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果? 該測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)簡(jiǎn)單校準(zhǔn)后，對(duì)直徑為10.0mm、7.5mm、5.0mm、3.0mm、1.0mm的五種標(biāo)準(zhǔn)桿進(jìn)行測(cè)量，每種標(biāo)準(zhǔn)桿在不同位置共測(cè)量10次。測(cè)量結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)量誤差小于3m，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量穩(wěn)定性小于0.5m。利用激光菲涅爾衍射效應(yīng)，綜合了高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理