基于CMOS单点激光三角法测距系统设计

　　1　引　言

　　激光测距技术是集光、机、电一体化的高精度测距技术,在军事、测距、测绘等领域得到广泛的应用。常用的几种测距方法中,脉冲测距方式比较适合远 距离的测量,特别是在天体测量方面,虽然在目前加以改进后,可测量几米的距离,但是对激光器要求更高,造价也更高;相位测距方式也比较适合于较大距离的测 量;激光干涉测距法主要是用来测量微小距离或形状变化的。现设计了一种以单片机技术为核心的低成本数字显示CMOS单点激光三角法测距仪,利用三角法测距 原理、采用激光遥感方式实现距离的非接触测量。对系统的基本原理、硬件电路、软件设计等进行了介绍,最后给出了实验结果。该系统结构简单、成本低,适合于 中短距离非接触测量,如矿井下测量、露天边坡测量、隧道截面轮廓检测等。

　　2　测距原理与系统构成

　　基本三角法原理如图1所示:激光器、成像系统和光敏传感器组成系统的基本结构。激光光源照射到物体表面形成一个亮光点,成像系统把该光点汇聚到 传感器上形成像点,当所测距离Y不同时像点会在传感器上移动,反映在光敏器件上的光点像位置X也随之不同,在基线长度已知、光源和传感器及透镜的相对位置 确定的前提下,通过测量传感器上像点的位置就能准确确定被测物体与仪器之间的距离[1]。根据图1所示三角形的相似关系有:

  (1)

得Y和X两者之间的关系为:

式中Y为被测距离,f为成像系统焦距,l为发光点中心到透镜中心的水平距离,即基线长度,L为某一已知距离,在该距离处所成像正好位于CMOS的中 心,为使测量范围内各点成像很好,应使过镜头中心的垂线是测量范围起始点与镜头中心连线所构成角的平分线。X为该被测距离在光敏接收器上与已知距离在光敏 接收器上像点的距离,因此只要测出X就能测出Y。图2所示为系统实验装置示意图。实验采用的激光光源为He-Ne激光器,在被测面前加一凸透镜对光斑进行 聚焦,激光器发出波长为632.8nm的激光束,由透镜聚焦照射在被测面上,经被测面散射,一部分光线经CMOS摄像镜头照射到光敏面 上,C8051F020单片机控制CMOS采集图像,对采集到的图像进行处理,利用程序求出光斑的位置并将测距结果显示在LCD上。C8051F020有 8个8位的输入输出口,能够满足对CMOS、LCD和存储器引脚的控制,系统所用显示模块为点阵液晶显示模块HS12864-2,所用存储器为 K9F2808U0C系列。

　　3　系统的硬件设计

　　3.1　测距系统的标定

　　CMOS具有几何尺寸稳定的优点,它和光源、透镜的几何关系决定了被测目标点与仪器间的最小距离和最大距离,系统中除基准点O之外(如图1所 示),入射光斑随所测距离的远近偏离成像光轴而移动,其像点也必然偏离光轴,为使光接收器件的像点始终位于焦平面上,光接收器的受光面必须与成像光轴成一 夹角,使激光束轴线、成像透镜主面和焦平面三者交于一点C,这一规律为仪器的结构设计、安装带来方便[3]。从(3)式可以看出,X不仅与Y有关,还与 f、l、L有关,把(3)式分别对Y、f和l微分得: