摘 要： 提出了測量高溫超導" title="高溫超導">高溫超導磁浮車懸浮高度的系統解決方案，著重介紹了尺寸測量" title="尺寸測量">尺寸測量信號的提取方法，詳細闡述了二值化" title="二值化">二值化處理方法和數字處理方法。
關鍵詞: 懸浮高度測量 線陣CCD? 激光
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磁懸浮列車" title="磁懸浮列車">磁懸浮列車作為目前最快速的地面交通工具，其技術有著其他地面交通技術無法比擬的優勢，具有速度高、能耗低、噪音低、運行平穩、乘坐舒適和綠色環保等特點。高溫超導磁懸浮列車更是一個新的突破，是我國“863”計劃的科研成果之一。在磁懸浮列車運行過程中，必須實時檢測列車的懸浮高度，這是列車運行的一個關鍵數據，關系到列車的運行安全。磁懸浮列車具有極高的速度，并且高溫磁懸浮列車的懸浮高度只有20毫米左右，因此要求采用高速、高精度的非接觸測量方法對列車懸浮高度進行測量。
1 測量原理
CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件是一種高精度、高靈敏度的光電耦合器件。它具有自掃描特性，能夠將按空間域分布的光學圖像信號變換成按時間域分布的離散電壓信號，繼而通過電子處理系統對這一信號進行處理。由于CCD具有非接觸性測量、分辨率高等特點，因此在非接觸尺寸測量方面應用廣泛。激光具有高亮度、相干性好、方向性好等優點，將激光技術與CCD器件結合起來進行尺寸測量是一個比較好的解決方案。圖1為激光反射測量法的原理圖(以列車為參照物，可以看作軌道在變化）。其工作原理是激光二極管發射光束照射在列車軌道上形成光斑，經過半漫反射，光斑通過鏡頭成像在CCD器件上，CCD將光信號轉換成電信號。當列車和軌道之間的相對距離發生改變時，光斑在CCD上的成像也隨之變化。通過檢測光斑像在CCD上的變化，進而計算出列車和軌道之間距離的變化。為了簡化計算，將入射光束與鏡頭的光軸垂直。設列車和軌道之間相對變化的距離為d，其計算公式為：
M0為物方放大率，可見公式中只有△S′為未知量。由于CCD能把光敏面上影像的光學信息轉換成與光強成正比的電荷量，用一定頻率的驅動脈沖驅動CCD，因此在CCD輸出端便可獲得被測對象的視頻信號。視頻信號中每個離散電壓信號的大小對應該光敏元所接受光強的大小，信號輸出時序則對應光敏元位置的順序，從而完成信息從空間域到時間域的轉換。視頻輸出信號經低通濾波后得到如圖2所示的波形。
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2 光學系統的選擇
光學系統負責傳遞目標光學信息，其功能直接關系到CCD像敏元上成像的穩定性和準確性，進而關系到整個系統的工作距離、分辨率等性能參數。因此要求光學系統成像好、雜散光少、幾何畸變小。選擇物鏡時主要應該考慮物鏡像場的大小、物鏡的焦距和工作物距等參數。物鏡的焦距可以根據公式f＝d0/(1+M0)求出。d0為系統的工作物距，M0為物方放大率。在其他參數不變的情況下，焦距越短，視場(即檢測距離)就越大，物方放大率就越大，檢測精度就降低；反之視場就越小，物方放大率就越少，檢測精度就越高。因此物鏡焦距選擇時一定要與整個系統設計要求相匹配，在測量范圍和測量精度" title="測量精度">測量精度間作出均衡處理。
3 CCD視頻信號的處理
通過對CCD視頻信號的處理可以準確找出光斑在光敏面上成像的準確位置，而CCD視頻信號處理的優劣直接影響到整個系統的測量精度。根據CCD視頻信號應用的差異，可以分為二值化處理和數字信號處理兩種數據處理方法。
3.1 二值化處理法
二值化處理法是指先對CCD視頻信號進行二值化處理以后，再提取出特征信號的數字量，如圖3所示。
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圖中：
是外同步信號，其上升沿對應于CCD的第一個有效像素單元，Uo是視頻輸出信號。
硬件電路原理如圖4所示。
由于鎖存器是上升沿有效，鎖存器1和2分別存有N1和N2時刻計數器的值，因此光斑像中心位置所對應的脈沖數N＝(N1+N2)/2。N乘上脈沖當量就可以得到光斑在CCD上成像的位置，從而計算出列車相對于軌道的距離。提高計數脈沖的頻率能夠細分SN1、 SN2，從而提高系統的測量精度。
二值化處理方法的優點是系統簡單、成本低、處理速度快等；缺點是抗干擾性能差，特別是對雜光的干擾比較敏感。
3.2 數字信號處理法
CCD視頻信號的數字化處理過程如圖5所示。先將CCD輸出的時序脈沖調制信號經低通濾波器變換成在時間上連續的模擬信號；然后經A/D轉換器將模擬信號轉換成數字量，送入DSP芯片進行數字處理。
由于本系統是一個實時測量系統，對測量速度要求較高，因此要求數據的處理算法簡單可靠。在計算光斑位置上，重心法具有重復計算精度高，數據量少，計算簡單，抗干擾等優點。其原理的基本思想與在一維空間求物體的重心一致，如圖6所示。
數字處理方法具有靈活性好、精度高、抗雜光干擾強、系統穩定性好等優點；缺點是系統復雜，成本高，測量速度相對較慢。
上述兩種數據處理方法都能夠滿足磁懸浮列車懸浮高度測量的要求。采用嵌入式設計使測量儀器的功耗降低、體積減少、可靠性增強，因此其適用的場合更加寬泛，可以應用到其他非接觸測量領域。
參考文獻
[1] 蔡文貴，李永遠，許振華.CCD技術及應用[M].北京：電子工業出版社，1992.
[2] 王慶有.CCD應用技術[M].天津：天津大學出版社，2000
[3] 陳明君，姜承賓，李 旦.激光-CCD器件在自動化精密測量中的應用[J].壓電與聲光，2001，23(6)：415-416.
[4] 高愛華，田愛玲，趙貴波.基于線陣CCD的尺寸測量裝置[J].西安工業學院學報，2003，23(3)：189-190.
[5] 李為民，邢曉正，戴禮榮等.DSP技術在線陣CCD測量系統中的應用[J].儀器儀表學報，2002，23(2).
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基金資助：國家863計劃項目(2005AA306150)