基于CCD的微小角度測(cè)量方法

李 亮，孫華燕

(裝備學(xué)院，北京 101416)

微小角度的精確測(cè)量是標(biāo)校光電轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)靜態(tài)性能指標(biāo)過(guò)程中經(jīng)常面臨的技術(shù)難題。目前的測(cè)試方法多是采用自準(zhǔn)直儀，但其對(duì)準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量過(guò)程復(fù)雜、判讀存在人為誤差等，給實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)了不便［1-2］。

隨著激光技術(shù)及CCD 技術(shù)的發(fā)展，激光器及CCD 器件已相當(dāng)常見(jiàn)，并被廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域，兩者相互配合，完全可以解決一般工程中對(duì)微小角度的精確測(cè)量［3］。但目前采用CCD 的測(cè)角系統(tǒng)多是結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)多、造價(jià)昂貴、算法復(fù)雜［2-7］。本文中所介紹的方法使用普通光學(xué)鏡頭，經(jīng)圖像處理即可得到較優(yōu)的結(jié)果，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)準(zhǔn)要求低、操作簡(jiǎn)單、精度高等特點(diǎn)。

1 測(cè)量方法

1.1 測(cè)量系統(tǒng)與原理

測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖1 所示，有6 部分組成:激光器、反射鏡、半透半反鏡、接收鏡頭、CCD、圖像處理計(jì)算機(jī)。其中平面反射鏡貼于被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)可與其一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于激光光束準(zhǔn)直性較好，可認(rèn)為激光器的出射光為平行光束。測(cè)量時(shí)，激光器發(fā)出的光束經(jīng)半透半反鏡到達(dá)平面反射鏡，經(jīng)其反射后再次經(jīng)半透半反鏡進(jìn)入CCD 光學(xué)接收鏡頭，在CCD 靶面上得到其光點(diǎn)圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到帶有轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)角度信息的光斑位置。通過(guò)計(jì)算光斑在靶面上的移動(dòng)量，可得到轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

如圖2 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)Δθ 角度時(shí)，平面鏡也轉(zhuǎn)動(dòng)Δθ，出射光束與入射光束夾角改變2Δθ，轉(zhuǎn)動(dòng)前后光束在CCD 焦平面上的光點(diǎn)位置改變的位移量大小Δx 與2Δθ 有對(duì)應(yīng)關(guān)系。相當(dāng)于兩入射平行光束夾角為Δθ，其焦平面上所成光斑距離為Δx。

設(shè)鏡頭焦距為f，則:

圖1 測(cè)量系統(tǒng)

圖2 激光反射示意圖

在水平、高低二維轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，需要同時(shí)考慮平面鏡方位、俯仰角度變化量Δθx、Δθy。此時(shí)需同時(shí)判讀光斑中心水平、豎直方向位移量Δx、Δy，其相互關(guān)系為［6］

此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各系統(tǒng)無(wú)需嚴(yán)格光軸對(duì)準(zhǔn)，只需保證反射光線能進(jìn)入CCD 視場(chǎng)既可。由式(1)可知，影響檢測(cè)精度的主要因素是光點(diǎn)質(zhì)心位置，即光心的提取精度。實(shí)際上，受CCD 象元尺寸及加工工藝的制約，CCD 采集到的圖像分辨率不能無(wú)限制提高。加之CCD 暗電流噪聲、電子線路噪聲等也影響了CCD 圖像的質(zhì)量。這些都加大了檢測(cè)過(guò)程中光心的提取的難度。

1.2 光心檢測(cè)方法

為避免噪聲等對(duì)光心位置的影響，對(duì)CCD 所采集的圖像進(jìn)行濾波處理。中值濾波、均值濾波、高斯濾波等方法能有效地降低噪聲［8］，繼而可采用邊界閾值的方法對(duì)光斑進(jìn)行分割，得到光斑在像面上的分布。通過(guò)圖像細(xì)分，能有效地提高測(cè)量系統(tǒng)的分辨率至亞像素級(jí)。現(xiàn)階段針對(duì)光心提取的方法主要有基于灰度級(jí)的質(zhì)心法、基于邊緣檢測(cè)的Hough變換法、邊緣圓擬合法等［9］。鑒于光斑直徑較小(10 個(gè)像素點(diǎn)以內(nèi))，本文采用質(zhì)心提取的方法對(duì)光心進(jìn)行提取。

按照測(cè)量要求，以光斑重心的位置表示光心位置，以圖像左上點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，向下建立y 軸坐標(biāo)，向右建立x 軸坐標(biāo)，建立二維平面坐標(biāo)系。設(shè)CCD 象元(i，j)對(duì)應(yīng)灰度值為Pi，j，像面上光斑重心為(x，y)。設(shè)分割閾值為T，圖像尺寸為m×n，則光斑的重心可定義為:

由于對(duì)準(zhǔn)等因素影響，光斑內(nèi)部光強(qiáng)分布不均，不易準(zhǔn)確提取光心位置。考慮到激光光斑光強(qiáng)的分布的特點(diǎn)，光斑上光強(qiáng)較強(qiáng)的位置更接近光心位置，可采用灰度級(jí)作為權(quán)值對(duì)灰度級(jí)進(jìn)行加權(quán)［8］，經(jīng)灰度級(jí)加權(quán)的光斑重心改進(jìn):

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

依上文搭建測(cè)量系統(tǒng)如圖3 所示，激光器選用平均功率為200 mW 的532 nm 半導(dǎo)體激光器。CCD 選用型號(hào)為MTV-188EX，其CCD 總像素795(H) ×596(V)，像元尺寸8 μm。選用接收鏡頭最大焦距270 mm。當(dāng)焦距最大時(shí)，光斑每移動(dòng)一個(gè)像素，其對(duì)應(yīng)的平面鏡移動(dòng)的角度Δθ:

采集一組(7 個(gè))轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)方位隨機(jī)小角度步進(jìn)的光斑圖像。使用激光器測(cè)量時(shí)，盡量將激光調(diào)弱，以減少CCD 由于激光照射所產(chǎn)生的雜散光噪聲。應(yīng)用普通質(zhì)心法及灰度級(jí)加權(quán)質(zhì)心法求取其光心位置。

圖3 試驗(yàn)實(shí)物圖

圖4 光斑圖像( 全景)

圖5 光斑圖像( 處理后放大)

選取不同的閾值，所得數(shù)據(jù)分別如表1、表2 所示。

2.2 結(jié)果分析

轉(zhuǎn)臺(tái)僅做方位運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為其俯仰方向沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，則可認(rèn)為y 方向的誤差即為測(cè)量系統(tǒng)的誤差。分別求取不同方法所得y 值的算數(shù)平均值，并記做y 值真實(shí)值，計(jì)算各組值y 方向的偏差，所得誤差曲線如圖6 所示。每組統(tǒng)計(jì)特性見(jiàn)表3(ˉx 為算術(shù)平均值，S2為方差)。

表1 普通質(zhì)心法提取光心位置( pixel)

表2 灰度級(jí)加權(quán)法質(zhì)心提取光心位置( pixel)

圖6 誤差曲線

通過(guò)比較可得出結(jié)論:灰度級(jí)加權(quán)質(zhì)心法的精度明顯優(yōu)于普通質(zhì)心法。選取合適的閾值對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的精度影響較大。針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)，閾值T=120 時(shí)效果最佳，結(jié)合灰度級(jí)加權(quán)質(zhì)心法提取光心位置，測(cè)量系統(tǒng)的圖像判讀精度優(yōu)于0.2個(gè)像素點(diǎn)，測(cè)量系統(tǒng)的最小分辨率可達(dá)2.96 μrad(0.6″)。此時(shí)結(jié)合x(chóng) 方向所得數(shù)據(jù)，可求解轉(zhuǎn)臺(tái)方位小角度步進(jìn)過(guò)程，見(jiàn)表4。

表3 各組統(tǒng)計(jì)特性

表4 微小角度求解

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的這種方法，應(yīng)用了CCD、激光器，結(jié)合圖像處理實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小角度的測(cè)量。雖然這種基于CCD 的微小角度測(cè)量方法應(yīng)用簡(jiǎn)便、精度較高。但也存在一些不足和需要繼續(xù)研究的地方。應(yīng)用時(shí)，為獲得較優(yōu)光斑激光光強(qiáng)要盡可能弱，限制了其使用條件;所選閾值對(duì)系統(tǒng)精度影響較大，參考文獻(xiàn)［9］中提出了合理選取閾值的方法，對(duì)該方法具有一定的參考意義，但沒(méi)有確定最佳閾值的簡(jiǎn)便易行的方法;系統(tǒng)結(jié)果受到多種因素的影響，系統(tǒng)最小分辨率易隨實(shí)驗(yàn)條件變化而改變。除此之外，受到CCD 靶面尺寸等的影響，該方法測(cè)角量程約為10 mrad，限制了該方法的使用范圍。

［1］汪立新，李忠科，戚堂友.高精度二維激光測(cè)角裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27(3):290-294.

［2］劉鵬飛，呂勇，劉力雙，等.基于CCD 的空間光束投影夾角測(cè)量［J］. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(4):73-76.

［3］董明果，郭曉松，周召發(fā)，等.提高野外環(huán)境下CCD 準(zhǔn)直測(cè)角精度的方法［J］.光電工程，2008，35(11):57-61.

［4］王雯倩，劉國(guó)棟，浦昭邦，等.利用面陣CCD 測(cè)量小角度的研究［J］.半導(dǎo)體光電，2004，25(2):134-138.

［5］鄒萬(wàn)軍，朱國(guó)力，吳學(xué)兵.基于面陣CCD 的激光角度測(cè)量系統(tǒng)的研究［J］.光電工程，2006，33(10):91-95.

［6］張博，段錦，景文博.基于CCD 的光學(xué)測(cè)角精度檢測(cè)方法［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，33(4):55-57.

［7］趙孔新，李金岳，許蘭，等.基于CCD 的新型電視測(cè)角儀設(shè)計(jì)［J］.視頻應(yīng)用與工程，2008，32(1):88-90.

［8］劉利波，趙輝，張海波，等.激光三角測(cè)距中光斑細(xì)分定位方法研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16(10):1396-1398.

［9］許維星，喬衛(wèi)東，楊建峰，等.空間CCD 相機(jī)測(cè)角精度測(cè)量方法研究［J］.紅外技術(shù)，2011，33(2):104-107.