脉宽调制技术在CCD光电自准直仪中的应用

　　0 引言

　　光电自准直仪是一种高精度的精密测量仪器[1-2]，广泛应用于室内环境下的精密仪器的光机装调、棱镜角度测量、精密转台性能测试等，以及在室外环境下的导轨平直度测量、导弹发射前的初始方位角测量[3-4]等。CCD 光电自准直仪工作在野外环境时， 温度变化对CCD 暗电流噪声影响很大， 被污染的传播光路

　　和镜头衰减了测量光束光强，与被测目标棱镜之间的相对位置变化会使探测光强产生波动，这些因素影响了测量的稳定性。文中详细分析了环境因素变化对信噪比的影响，将脉宽调制技术[5]应用于光电自准直仪中，实现了CCD 探测光强的稳定，并提高了信噪比。1 CCD 光电自准直仪构成及原理CCD 光电自准直仪[6]主要包括4 个部分，即线阵CCD、高亮度LED 照明光源、共轭成像光学系统、CCD 图像数据采集和处理系统，如图1 所示。其中线阵CCD 选用日本TOSHIBA 公司的TCD1501D 线阵图像传感器。它是基于光学自准直原理，将物面的角度偏转转换为像面上像的线性移动，通过光电探测器件测量出像的移动距离， 进而换算出物面的偏转角度。光源发出的光被聚光镜聚光后均匀照亮位于物镜焦平面上的分化板，光线经过物镜后形成一束平行光照射到平面反射镜(或反射棱镜)上，被反射镜反射回来的光束再次经过物镜并被分束镜反射到位于物镜焦平面的CCD 上成像。

　　根据几何光学原理，有：△x=f·tan2θ

　　式中： f 为物镜焦距。由于θ 很小， 上式可以近似为△x=f·2θ ，则：θ=△x/2f (1)

　　因此，在光电自准直测角系统中， 焦距f 是一个常数，只要测得像的位移量△x ，即可计算出物面反射镜偏转角度θ 。

　　2 信噪比分析

　　常用线阵CCD 成像公式[7]为：s(x)=tG(x)I(x)+d(x)+n(x) (2)

　　式中： s(x)为像元x 点的灰度值; t 为曝光时间; G(x)为增益或灵敏系数; I(x)为到达CCD 的光通量; d(x)为暗电流噪声; n(x)为随机噪声，包括量化噪声、电流噪声等，可近似认为高斯分布。为了保证一定的测量精度，必须维持CCD 信号足够的信噪比，即增强信号tG(x)I(x) ，抑制噪声d(x)+n(x) 部分。

　　2.1 环境因素对信噪比的影响

　　温度变化对CCD 暗电流噪声影响很大， 高温下系统的噪声d(x)+n(x) 会显著上升。笔者对所使用的CCD 在高温环境下的噪声特性进行了实验测试，图2为视频信号前置放大倍率为1 的情况下，CCD 暗电流噪声随温度的变化情况， 可以看出：CCD 的暗电流噪声随着温度升高而近似线性增加，图像信号幅度也随之整体升高，在前置放大倍率较大时， 图像信号很容易出现饱和现象，这将压缩CCD 的有效动态范围，并降低信噪比。