专利名称：光斑中心实时检测系统和检测方法
技术领域：
本发明涉及激光技术应用，具体涉及一种新型光斑中心检测方法和应用该方法的 光斑中心实时检测系统。
背景技术：
激光是一种定向精度高、发散度极小的光，可以用来实现测距和准直。一些高性 能、高可靠、大功率的激光技术首先应用于军事装备上。随着激光技术的发展，小功率脉冲 激光器在民用行业上也广泛应用。尤其是在测距、非接触测量和卫星遥感等领域均应用了 激光技术。在光束的散角测量、被测物体的微小旋转角度、物体运动的非接触测量等应用中 均需要确定一束激光的光斑大小或者光斑的中心，通过一种检测算法得到光束的散角、物 体的转角、物体运动速度等信息。在获得光斑信息时，最直接的解决方法是采用面阵或者线 阵光感元器件(如光电二极管、三极管等)实现对光斑中心的的检测。采用面阵光感元器 件可以提高光斑中心的检测精度，但是受到元器件的安装尺寸以及靶板的面积影响。一般 来说面阵检测方式将会使用大量的光感元器件，如此多的光感元器件应用不但增加了系统 成本，而且给器件安装、电源布线以及数据处理等方面带来诸多困难。此外，单一光感元件 的可靠性将极大影响检测系统的可靠性，给系统维护带来不便。线阵光感元器件的检测虽 然可以降低传感器数量、数据处理量等，但是会极大的降低光斑中心检测精度，尤其是在大 面积光斑检测中必须采用扫描方式，这样会额外增加系统的处理时间。
发明内容
鉴于上述技术存在的问题，本发明专利的目的是提供一种低成本、高可靠的光斑 检测方法和光斑中心实时检测系统。该系统实现了光斑信息数字化，采用嵌入式实时系统 进行光斑检测方法实时解算用以确定光斑中心信息，通过用户指定的输出形式给出实时检 测结果。本发明的技术方案如下一种光斑中心实时检测系统，由光靶、光学透镜组、高速C⑶模块、时序控制与驱 动模块、网络传输模块、实时数据处理模块、光斑信息输出模块、电源管理模块以及光靶支 撑机构组成，其特征在于所述的光靶由机械支撑和玻璃靶面组成，玻璃靶面镶嵌在机械支 撑上，所述的玻璃靶面上具有镀膜，玻璃靶面的镀膜选择某个或某几个波段的光通过，吸收 其他波段的光，使符合要求的光进入光斑实时检测系统；镀膜根据光学传输的要求和应用 环境的不同，具有通过以650nm、1064nm、1300nm等不同波长为中心的镀膜。所述的光学透镜组和高速CCD模块依次设置在所述光靶的前方光路上，所述的高 速CCD模块为点阵CCD图像传感器，实现对进入的光波进行积分和量化，输出数字化图像； 所述的光学透镜组由不同的凸透镜和凹透镜镜片组合而成，用于对光学通路的调整，将所 述光靶汇聚成的具有适当缩放系数的像投射到点阵CCD图像传感器上。根据成像要求的不同，通过选择不同焦距的透镜，以便在CCD上获得清晰的图像。所述的高速CCD模块信号输出端依次通过所述的网络传输模块和实时数据处理 模块与所述的光斑信息输出模块连接，其中所述的网络传输模块将所述高速CCD模块采集 的数字信号压缩后经网络传输至所述的实时数据处理模块；所述的实时数据处理模块由嵌 入式实时系统实现，将接收的网络传来的图像数据按照光斑中心检测方法解算出当前时刻 的光斑中心位置；嵌入式系统的硬件由嵌入式控制器及其外围驱动电路实现，嵌入式系统 运行订制的实时系统以满足实时数据处理程序的应用要求，实现对数据的实时处理；所述的时序控制与驱动模块实现定时计数功能，对所述的高速CCD模块输入时钟 驱动信号，并将所述的高速CCD模块采集的图像数据经数据总线传输至所述的网络传输模 块；所述的光斑信息输出模块将光斑信息通过VGA接口输出到系统监视器，或者根据 设置通过串口 RS232或者网络接口输出到监控计算机；所述的电源管理模块为光斑中心实时检测系统提供电源供电方式管理，实现蓄电 池供电、电池供电或者220V交流供电等方式。一种光斑中心检测方法，其具体包括以下步骤假设激光发射点中心为E，激光发射点距光电检测面的距离为1，分度点的直径为
d，激光发射器的三角大小为α，圆0是激光垂直于检测面形成的光斑，则光斑的直径为D
^ -, aD = 21 tan —若激光发射器以O。为中心进行旋转，光斑中心由初始O1点移至O2点，激光中心EO1
和EA与垂直入射激光中心EO的水平方向的水平角分别为Z OEC和Z 0ΕΒ,设其大小分别
为1和β 2，在垂直方向上形成的垂直角Z O1Et^PZAEB,并设其大小为、和α2，则激
光发射器在一次移动过程中水平角和仰角的差值分别为
、,^2 ) - arcsi^-p^L·-^x12+!2^xf+I2 ^β = β2-β\ = arctan(年)-arctan(^-)== arctan(— arcsin(将光靶面上的一个符合要求的分度点简化成一个边长为d的正方形，一个像素设 为边长为a的正方形，则分度点通过透镜在点阵CCD图像传感器镜面形成的投影为边长为 Cl1正方形；设靶面至透镜中心的距离为F，点阵CXD图像传感器镜面至透镜中心的距离为D， 且设点阵CCD图像传感器的缩放系数为
F d/ = - = -f ；
D a又设点阵CXD图像传感器光感面的尺寸为LXW，其中L是CXD长度，W是CXD的宽 度，同样设光靶的尺寸为LtlXWtl,由上可以得出在宽度和长度上的缩放系数分别为
L
L0Λ=-
Wfw= —为了实现系统应用，在实际设计中应取两者较小值作为系统的固定最小缩放系数，并设为f;则系统的测量误差可由以下两式导出
权利要求
1.一种光斑中心实时检测系统，由光靶、光学透镜组、高速CCD模块、时序控制与驱动 模块、网络传输模块、实时数据处理模块、光斑信息输出模块、电源管理模块以及光靶支撑 机构组成，其特征在于所述的光靶由机械支撑和玻璃靶面组成，玻璃靶面镶嵌在机械支撑 上，所述的玻璃靶面上具有镀膜，玻璃靶面的镀膜选择某个或某几个波段的光通过，吸收其 他波段的光，使符合要求的光进入光斑实时检测系统；所述的光学透镜组和高速CCD模块依次设置在所述光靶的前方光路上，所述的高速 CCD模块为点阵CCD图像传感器，实现对进入的光波进行积分和量化，输出数字化图像；所 述的光学透镜组用于对光学通路的调整，将所述光靶汇聚成的具有适当缩放系数的像投射 到点阵CCD图像传感器上，以获得清晰的图像；所述的光学透镜组由不同的凸透镜和凹透镜片组合而成。根据成像要求的不同，通过 选择不同焦距的透镜，以便在CCD上获得清晰的图像。镀膜根据光学传输的要求和应用环 境的不同，具有分别通过以650nm、1064nm、1300nm为中心的等不同波长的镀膜。所述的高速CCD模块信号输出端依次通过所述的网络传输模块和实时数据处理模块 与所述的光斑信息输出模块连接，其中所述的网络传输模块将所述高速CCD模块采集的数 字信号压缩后经网络传输至所述的实时数据处理模块；所述的实时数据处理模块，将接收 的网络传来的图像数据按照光斑中心检测方法解算出当前时刻的光斑中心位置；所述的时序控制与驱动模块实现定时计数功能，对所述的高速CCD模块输入时钟驱动 信号，并将所述的高速CCD模块采集的图像数据经数据总线传输至所述的网络传输模块；所述的光斑信息输出模块将光斑信息通过VGA接口输出到系统监视器，或者根据设置 通过串口 RS232或者网络接口输出到监控计算机；所述的电源管理模块为光斑中心实时检测系统提供电源供电方式管理，实现蓄电池供 电、电池供电或者220V交流供电等方式。
2.一种光斑中心检测方法，其特征在于假设激光发射点中心为E，激光发射点距光电检测面的距离为1，分度点的直径为d，激 光发射器的三角大小为α，圆0是激光垂直于检测面形成的光斑，则光斑的直径为D
3.根据权利要求1所述的光斑中心实时检测系统，其特征在于所述的机械支撑机构 为光靶、光学镜组、CXD模块、实时处理系统模块提供物理支撑和空间定位。
全文摘要
本发明公开了一种光斑中心实时检测系统和检测方法，由光靶、光学透镜组、高速CCD模块、时序控制与驱动模块、网络传输模块、实时数据处理模块、光斑信息输出模块、电源管理模块以及光靶支撑机构组成。本发明实现了光斑信息数字化，采用嵌入式实时系统根据光斑检测方法实时解算光斑中心信息，按照用户的要求输出形式给出实时检测结果；本发明可以解决激光光斑中心等信息的检测和记录，实现了光斑随时间和空间的变化量的在线检测，可以广泛应用于测距、非接触测量和遥感等领域。
文档编号H04N7/18GK102141373SQ201010588489
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者刘智民, 刘胜, 宋士花, 盛鹏, 胡纯栋 申请人:中国科学院等离子体物理研究所