一種動(dòng)態(tài)濾波裝置的設(shè)計(jì)

摘 要設(shè)計(jì)一套動(dòng)態(tài)濾波裝置， 采用步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)，脈沖頻率控制轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)控制轉(zhuǎn)角技術(shù)，并對(duì)該裝置進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置簡單易行，運(yùn)行平穩(wěn)，可與攝像系統(tǒng)配合完成濾光實(shí)驗(yàn)，濾光質(zhì)量良好。

【關(guān)鍵詞】濾波裝置 成像 步進(jìn)電機(jī)

攝像機(jī)拍攝的圖像是由被拍攝物發(fā)射光（反射光）及背景光兩部分組成。在攝像機(jī)已經(jīng)確定下來的情況下，一般采用通過改變曝光參數(shù)的方法，調(diào)整目標(biāo)成像的亮度來改善目標(biāo)的成像質(zhì)量。但是在實(shí)際使用中，受被拍攝物體的亮度、運(yùn)動(dòng)方式、背景環(huán)境等多種因素影響，攝像機(jī)的曝光參數(shù)的調(diào)節(jié)有時(shí)比較困難，特別是物體本身亮度較強(qiáng)的情況下，參與成像的主要光譜對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)太大，使得攝像機(jī)接收CCD飽和，而目標(biāo)輪廓對(duì)應(yīng)的成像光譜光強(qiáng)較弱，所以輪廓不清晰。只靠攝像機(jī)自身降低曝光參數(shù)來進(jìn)行目標(biāo)的清晰成像并不是那么容易，因此，僅僅依靠調(diào)整曝光參數(shù)是無法從根本上解決成像質(zhì)量清晰與否的問題，需要設(shè)計(jì)一套載有不同波段濾光片的濾波轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤來裝夾濾光片，濾波裝置與攝影機(jī)時(shí)序匹配。本文中設(shè)計(jì)的濾波載盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，不拍攝；電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，攝影機(jī)工作。濾波轉(zhuǎn)動(dòng)裝置通過選擇適當(dāng)?shù)母咄ā⒌屯ɑ驇V波片，將干擾目標(biāo)成像的光譜成分濾除，使目標(biāo)在圖像中的對(duì)比度得到改善。

1 濾波裝置的組成

濾波裝置是將裝載不同波長性能濾光片的轉(zhuǎn)輪置于攝影或攝像機(jī)之前，在攝影、攝像機(jī)工作時(shí)，控制轉(zhuǎn)輪，使不同波長的光成像，比較成像的質(zhì)量，決定濾光波長。

本套裝置選用常規(guī)攝像機(jī)，考慮到目標(biāo)距離攝影點(diǎn)很遠(yuǎn)，使用伽利略系統(tǒng)，目鏡放大倍數(shù)為10倍，焦距為25mm，物鏡焦距為900mm，總角放大倍數(shù)為36倍，有連拍功能。濾波裝置由機(jī)械載片轉(zhuǎn)盤、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制電路以及顯示設(shè)備組成。

主要完成以下功能：

（1）控制電機(jī)能夠帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤在0.5s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)72°。

（2）完成轉(zhuǎn)動(dòng)后滯留一段時(shí)間，繼續(xù)下一步，滯留時(shí)間以0.1s為單位可調(diào)。

（3）運(yùn)行速度、加速度可調(diào)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度以0.9°為單位可調(diào)。

（4）具有顯示功能，顯示參數(shù)設(shè)置信息以及電機(jī)運(yùn)行信息。

（5）具備串口功能，可以方便進(jìn)行程序燒寫，并可與上位機(jī)交互通信及控制。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置

2.1 步進(jìn)電機(jī)選型

攝像機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)電機(jī)要求較高，不僅啟動(dòng)速度要快，而且停止后定位要準(zhǔn)確，但在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，不易停止下來。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用永磁式步進(jìn)電機(jī)可以滿足本裝置中對(duì)電機(jī)的要求：電機(jī)既可滿足帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又可滿足在停止時(shí)轉(zhuǎn)盤定位準(zhǔn)確無過沖現(xiàn)象，同時(shí)功率消耗較小。

步進(jìn)電機(jī)型號(hào)定為：85BYGH-201。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制方框圖如圖2所示。

為了保證本裝置結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，經(jīng)過論證，步進(jìn)電機(jī)控制器采用STC89C52單片機(jī)芯片，能夠滿足本裝置使用要求。該系統(tǒng)能夠發(fā)出脈寬、頻率、脈沖個(gè)數(shù)均可控制的方波，控制電機(jī)運(yùn)行，并且還可以利用串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序的燒寫，對(duì)其功能可以進(jìn)一步擴(kuò)展。其整體的電路圖如圖3所示。

采用SMC1602A液晶顯示器，能夠?qū)V波裝置的參數(shù)設(shè)置及工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來，供操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控。操作人員可以通過操作液晶顯示器面板的控制按鍵，實(shí)現(xiàn)裝置控制參數(shù)的顯示、設(shè)置、電機(jī)運(yùn)行和停止等功能。如圖4所示是按鍵控制電路圖。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用多中斷系統(tǒng)，分析判斷中斷標(biāo)志位，確定有無中斷以及中斷方式，確定中斷方式后再通過查詢方式判斷具體工作模式，最后執(zhí)行相對(duì)應(yīng)程序。軟件控制流程如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

采用普通攝像機(jī)加裝本濾波裝置，濾波片濾光范圍在300nm至1200nm之間，對(duì)150米以外的物體做光譜采集，不漏掉目標(biāo)，干擾光不進(jìn)入系統(tǒng)，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤按照預(yù)設(shè)程序，與攝像系統(tǒng)配合，依次拍下目標(biāo)光譜信息。本濾波裝置正確地在外場(chǎng)采集了目標(biāo)光譜。如圖6為拍攝照片濾波對(duì)比效果圖。

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，濾波裝置正常工作，濾波效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本套濾波裝置采用步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)，脈沖頻率控制轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)控制轉(zhuǎn)角，使曝光與傳動(dòng)匹配。結(jié)構(gòu)簡單易行，用常規(guī)攝影攝像儀器、濾光片，經(jīng)過光譜濾波后改進(jìn)像質(zhì)效果很明顯，得到較好的像質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]崔星.機(jī)電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性與參數(shù)匹配研究[D].北京：北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，2009.

[2]姚榮斌，孫紅兵.基于STC89C51RC的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].連云港師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2007（04）：84 -87.

[3]劉保延等.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

[4]馮曉，劉仲恕.電機(jī)與電器控制[M].北京：機(jī)械出版社，2005.

[5]王詣，尤麗華.基于AT89S51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].無錫：江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)學(xué)術(shù)論文，2005.

作者簡介

李陽（1977-）男，遼寧省葫蘆島市人。工程師，從事光學(xué)測(cè)量工作。

作者單位

92941部隊(duì)91分隊(duì) 遼寧省葫蘆島市 125000