一种非接触的实时嵌入式微位移测量系统研究

　　1　前言

　　随着测量技术和应用需求的发展,引伸计作为一种广泛应用于长度变化测量领域的工具,不仅需要进一步提高其测量的精度和稳定性,而且需要在测量过程中保持测量的连续性和实时性。由于传统的接触式引伸计难以满足测量的连续性要求,因此基于图像、激光等技术的非接触式测量方法应运而生[1-4]。基于图像序列运动估计等理论的微位移测量方法,具有非接触、高精度的特点,但对环境的抗干扰能力较弱,需要复杂的处理算法和较强运算能力的处理器,难以满足在线实时测量的要求。其中,广泛应用的基于目标跟踪的方法需要对被测对象作标记处理,从而限制了应用范围;在不适合做标记处理的情况下,如果采用基于图像相关技术的测量方法,较弱的图像序列相关性严重影响了测量的精度和稳定性。激光测量技术在长度计量领域具有较高的稳定性和精度,如单频/双频激光干涉位移测量法[5-6],激光多普勒位移测量法[7]等,但是这些方法需要复杂的光学系统,制作和维护成本较为昂贵。

　　基于数字散斑图像的微位移测量技术[3-4,8-9]结合了激光测量技术和图像处理技术的优点。散斑图像是随机分布的复杂光场,在时间上是稳定的,仅仅表现为空间坐标的函数。这些随机分布的数量巨大的散斑颗粒的灰度级次多,携带的信息量大,图像序列相关性较强。相对于普通场景的图像,散斑图样的变形具有简单性,不仅便于问题求解,而且求解的精度较高。因此,散斑图像不仅减小了信息处理的复杂程度,而且提高了测量精度和稳定性。同时,产生散斑图像的光学系统结构简单,测量过程中无需对被测对象进行标记处理,能够实现测量过程的无损伤和连续性。

　　基于数字散斑图像的非接触引伸计的基本原理如图1所示。其中L0为标距,A1和A2为被测对象表面的两个测量点在CCD(Charge Coupled Device)相机靶面上的位移变化,记系统的光学放大倍数为k,则被测物体在外力方向上的长度变化为A1-A2,平均应变ε=k(A1-A2)/L0。

　　目前,在基于数字散斑图像的微位移测量领域,普遍采用的方法主要有数字散斑图像相关法[7-8]、最小均方差法[10-11]、相位奇点匹配法[12-13]以及在这些方法基础上发展的其它方法。数字散斑图像相关法的测量误差为±0·5个像素,而在实际应用中,这样的测量精度远不能满足要求,需要进一步在频域或者空域内求取亚像素解。最小均方差法虽然需要在时间和空间上同时求解图像的梯度,但却能够直接获得具有亚像素精度的测量结果。图像相关法和最小均方差法仅仅利用了图像信号的实部信息(光强),而相位奇点匹配法同时利用图像信号的实部和虚部信息(相位),通过求取相互匹配的相位奇点的坐标确定图像序列间的位移变化。该方法虽然具有最高的测量精度,但处理过程非常复杂,运算量较大,而且测量对象的运动速度较大时,易产生相位奇点匹配不足的问题。基于上述三种测量方法发展的其它测量方法虽然在测量精度或者稳定性方面均有不同程度的提高,但需要处理器具有更大、更强的数据存储和处理能力。