基于DSP的高精度变形角测量系统

　　近年来随着我国国防、船舶、桥梁建设等领域中技术的发展,常常需要对微小位移或微小变形进行高精度测量,例如对大型架体、舰体的变形以及建筑物的形变的检测等。由于角度变形量很小,很难采用常规的方法进行测量,因此对测量方法提出了新的要求;另外,某些情况下测量具有实时性要求,需要实时测出并存储变形量数据用于动态分析以及事后的过程分析。到目前为止,对于角度变形量的测量采用的检测方法主要有经纬仪三维坐标测量法和激光自准直测量法[1, 2]。采用经纬仪进行非接触三维坐标测量精度较高,但是目前只能采取人工测量,不能实现实时自动检测,并且设备价格昂贵;而采用自准直结合微处理器方法能够实现实时对微小位移的检测,但是由于准直镜自身的变形会给测量带来相当大的误差。因此建立一种既能够实现实时快速测量同时又满足精度要求的测量系统具有很高的实用价值。本研究采用通过激光点光源在面阵CCD上成像的方法,可以实现对变形角的快速、非接触、高精度实时测量。同现有的机械、光学测量仪器相比,这种测量系统具有更广阔的使用范围和优越性,在国防工业、建筑工程等领域中有广泛的用途。

　　1　变形角测量原理

　　1. 1　系统组成

　　本测量系统主要由光学系统、面阵CCD、处理电路、控制计算机和激光器几部分组成,系统组成框图如图1所示。

　　(1)光学系统。

　　光学系统采用了像方远心光路的反远摄结构,能够保证在较大的物方距离范围内,不经过调焦即将目标成像在CCD像面上,镜头焦距为29. 43 mm,相对孔径为1∶7。为了消除杂散光对整个光路的影响,在光学镜头的前面加装窄带滤光片,以满足系统全天候运行的要求。

　　(2)面阵CCD。

　　面阵CCD安装在光学系统的像面位置,型号为PB-1024,像元数为1 024×1 024,像元尺寸为10μm,内置有1 024个列并行A/D,能够直接输出数字信号,信噪比为64 dB,功耗100 mW。

　　(3)处理电路。

　　处理电路由CPU、程序存储器、静态存储器、可编程逻辑器件等构成。CPU采用TMS320VC33数字信号处理器,其工作频率为60MHz,指令周期17 ns。处理电路单元完成CCD图像数据的采集、处理和计算,并将数据发送到控制计算机上。

　　(4)控制计算机。

　　控制计算机负责将串行口接收到的方位、俯仰变形角数据实时显示并存储。

　　(5)激光器。

　　激光器采用三菱公司生产的ML1013R型半导体激光器,波长658 nm,最大输出功率为50 mW。两个激光器分别置于架体受力点处,作为参照点用于衡量两点之间的变形角大小。