光电信息与通信系统课程论文--线阵ccd光电自准直小角度测量系统

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1、线阵CCD光电自准直小角度测量系统摘要：本文介绍了小角度测量和自准直技术的基本情况，对自准直原理进行了详细的介绍，就基于自准直原理进行小角度测量的系统结构进行了解释，设计了由光学系统、光电转换器件、信号调理、信号的采集与处理和结果显示五部分构成的测试系统。关键词：自准直；小角度测量；线阵CCD正文：第1章小角度测量概述1.1小角度测量角度测量是计量科学中的一个分支，小角度多指10度以下，几分甚至几十秒，小角度测量的特点是测量范围小，要求的测量精度高，测量误差一般在1～2秒，有时达到0.1秒，甚至更小。角度测量技术分为静态测量和动态测量两种[1]。对于静态测量技术来说，目前

2、的主要任务是如何提高测量精度和测量分辨率[2]。目前国内对于小角度的精密测量方法主要有多齿分度台、光学分度头法、多面棱体法和自准直法，以及激光干涉法，这些测量方法在小角度测量应用中都能达到很高的测量精度。1.1自准直技术自准直仪，是一种利用光学自准直原理，把对于角度的测量转换为线性测量的一种计量仪器。它的使用范围包括小角度测量、平板的平面度测量、导轨的直线度以及平行度测量等领域。作为机械制造、计量测试、科学研究等部门必备的常规测量仪器，尤其在精密、超精密定位方面，它有着不可替代的作用。自准直仪通常分为光学自准直仪和光电自准直仪两大类。光学自准直仪：直接利用测微装置或可动分

3、划板，从分划板或读数鼓轮上读出数值，精度最低。光电自准直仪：以光电瞄准对线代替人工瞄准线，测量准确度较高、发展历史较短。7第2章系统方案设计光电自准直小角度测量系统功能主要由以下几部分组成，如图2-1所示：图2-1测试系统构成图2.1光学系统设计原理2.1.1光学系统设计原理光电自准直小角度测量是以自准直原理为基础，用测微系统对被测件进行角位移的精密测定。自准直原理示意图如图2-2所示图2-2自准直仪原理图当光源发出光线照明位于物镜焦平面上的分划板，O点在物镜光轴上，那么由它发出的光线通过物镜后，成一束与光轴平行的平行光束射向反射镜，当反射镜面垂直于光轴时，光线仍然按原路

4、返回，经物镜后仍成像在分划板上O处，与原目标重合。当反射镜面与光轴不垂直，而是有小偏转角度，当平行光轴的光线射向反射镜时，光线按反射定律与原光线成2返回，通过物镜后成像在分划板上的O1处，与原目标不重合而有X的位移量。根据三角关系可推算出：(2.1)式中：—反射镜偏转角，X—光斑回像位移，f—物镜焦距；当角很小时，上式可近似化简为：(2.2)(2.3)因为物镜是固定的，所以f是一固定常数。如果已知了X的数值，就可以根据式(2.3)计算出反射偏角的大小。这就是自准直法的基本原理[3]。2.1.2二维小角度测量系统光路设计方案7光电自准直小角度测量系统的结构是在自准直原理结构

5、的基础上调整了一部分部件的位置而形成的。系统引入探测器件实现自动测量，为了避免光路干涉，必须将光源从水平光轴上调离，系统中应用了分光棱镜使光源光路与探测器件位于分光棱镜相互垂直的两条光路上而互不干扰。同时为了实现测量反射镜二维角度变化，要增加一块分光棱镜，将回射光路分成两路，每一路上安装探测器件用来测量相应一维角度变化。原理如图2-3所示。图2-3二维测量原理图从光源射出的光线经分光棱镜分光后，透过物镜为平行光并射向反射镜；反射光线再次经过物镜形成汇聚光线，通过分光棱镜1后被分光棱镜2分成光强相同、光路垂直的两路。两块探测器件安装在分光棱镜光束输出的两路上，并且位于物镜的

6、共轭焦面，反射光正好成像在探测器件上。当反射镜垂直主光轴时，反射光线正好汇聚在两个光电探测器件的中心位置；当反射镜有一个空间偏转时，反射光线的汇聚点都将偏离光电探测器件的中心位置，测量汇聚点偏离中心位置的距离，利用等式(2.3)，即可求出两个偏转角、β的角度值。2.1.3光电转换器件及信号调理电路系统中的光电探测器件是线阵CCD，用于接收光学系统的出射光。这部分设计中，主要完成与线阵CCD工作相关的五路驱动脉冲产生电路的设计。线阵CCD在其五路驱动脉冲的驱动作用下，将含有反射光线的汇聚点位置变化的信息输出，完成由光信号到电信号的转换。信号调理电路主要将线阵CCD输出的奇、

7、偶两路信号进行叠加，并对叠加后的视频信号进行必要的滤波、放大，送给后续部分处理。2.1.4信号处理与结果显示数据采集与处理部分主要由ARM处理器来完成。利用ARM处理器自身所带的A/D转换模块，实现信号数字化的目的，并在ARM处理器中对采集来的信号进行必要的处理。数据处理中需要引入亚像素细分的数学算法，使系统的分辨率突破像素尺寸的局限[4]，获得更高的测量结果。数据处理结果显示部分主要由LCD来完成。ARM处理器对数据进行处理后，将结果送到LCD显示出来。2.2系统总体方案设计7课题所设计的光电自准直小角度测量系统需要实现二维