激光三角测量中图像传感器参量自适应控制

引言

    激光三角位移测量传感器〔1〕是一种非接触式的位移测量器具，它结构简单、测量精度高、适用范围广，已经被广泛地应用于各个位移测量领域〔2〕。但是，由于它依靠图像传感器成像被测物体表面反射的光源光斑，是通过对光斑成像位置的定位来实现位移测量的，因而被测物体的光反射特性以及测量环境的光干扰情况都将严重影响位移测量的精度。通过对图像传感器成像参量的自适应控制，能够减小测量环境的影响，从而提高位移测量的精度[3-5 ]，拓展激光三角位移测量传感器的应用领域。

1图像传感器成像原理及参量

激光三角位移测量传感器将光源照射被测物体表面反射形成的光斑成像在图像传感器上，通过定位图像传感器采集的光斑得到被测物体的实际位置。整个位移测量基于图像传感器采集到的图像，因此，首先分析图像传感器的成像原理。

根据图像传感器的原理，可知其成像公式〔6-7]为:

2提高位移测量精密度和准确度的方法

    激光三角位移传感器在实际测量位移前必须对图像传感器成像光斑定位位置进行标定，将被测物体的位移转换为图像传感器成像光斑位置的变化。提高位移测量精密度和准确度也即提高光斑定位的精密度和准确度。

    位移测量的精密度是指对同一位移进行多次重复测量，得到的位移值之间的相符程度，即图像传感器成像光斑的位置之间的相符程度。位移测量的准确度是指在实际测量中，由光斑定位得到的位移值与位移真值的相符合程度。激光三角位移传感器标定后的位移真值就是标定时的图像传感器成像光斑位置，因此，位移测量的准确度就是在标定和实际测量中，两次光斑位置的相符合程度。

2.1成像参量与光斑定位精密度和准确度的关系

    由(4)式可知，除噪声外，图像传感器的成像参量为:光源强度〔8〕，环境光，增益和曝光时间。图1和图2说明了它们与光斑定位精密度和准确度的关系。其中图1和图2的横坐标是各参量增加的方向，图1的纵坐标是20次光斑定位值的均方差，图2纵坐标是20次光斑定位结果均值。实验中采用CMOS图像传感器，光源为650nm单色激光，环境光为不均匀的红色LED光，光斑定位〔9〕采用平方加权的灰度质心算法〔10-11〕。

2.1.1激光强度

由图1和图2的光源强度曲线可以看出，随着激光强度的增加，光斑定位的精密度变好，但使光斑定位位置发生变化。这是因为激光强度的增加，CMOS图像凡g部分的信息增加。而本文中采用的激光三角测距方法的成像面和被测物体表面不是平行的，导致被测物反射的光斑在CMOS上的成像光斑能量左右分布不对称，而采用平方加权质心法定位对该成像光斑的强度是敏感的，所以，不同的激光强度使得光斑定位位置不同。