闫思家，彭仁军 ，冯 波，高建双

(电子科技大学光电信息学院，成都610054)

近年来，激光以其优越的相干特性在无损检测和非接触测量中得到越来越广泛的应用。激光测量技术具有一般方法无法达到的精确度和灵敏度，可以远距离、非接触测量，且在军事应用中具有抗干扰能力强、保密性好等优点［1］。激光测振主要方法有:多普勒效应法、全息干涉计量法、散斑法。其中散斑法测量振动的方法分为:散斑照相术、散斑干涉测量术、电子散斑图样干涉测量术(ESPI)以及数字散斑相关测量术(DSCM)［2－3］。本文针对数字散斑相关测量技术提出了一种实时测量目标角振动的新方法。

数字散斑相关方法与其他散斑测量方法相比具有光路简单、要求测量环境简单，可以在野外应用等优点。目前国内外利用数字散斑相关测量振动的方法主要是通过用CCD 摄像机探测散斑图像并送入计算机进行图像处理［4－6］。本文提出了一种基于FPGA 的激光散斑实时测量目标角振动的新方法，该方法的核心思想是利用线阵CCD 采集散斑图像并送入FPGA 进行图像处理，具有结构简单、实时快速、远距离测振等特点。

1 数字散斑相关法测振的原理

数字散斑相关方法是对物体变形前后采集物体表面的两幅图像(散斑场)进行相关处理，以实现物体变形场的测量［7］。

本方法主要是利用粗糙玻璃界面散射的激光散斑进行相关分析，运用数字散斑相关的方法，对变形前后的两幅图像作模板匹配，根据互相关运算最终实现对目标角振动变化的测量。其原理图如图1。

图1 数字散斑相关法测量目标角振动原理图

激光器发射出一束激光，激光束通过由透镜组构成的光学发射天线P1 后，会聚照射到目标的粗糙表面，目标粗糙表面对激光束散射后在空间中形成散斑。将光电探测器(线阵CCD)置于空间散斑场中，首先通过一光纤传像束将散斑面阵图像转换为线阵图像，再通过由透镜组构成的光学接收天线P2耦合入线阵CCD 进行散斑图像采集。目标粗糙表面绕面内轴线进行微小角振动时，引起空间散斑的往复平移，从而引起探测器光敏面上的光强发生起伏。起伏的幅度和频率分别反映了角振动的幅度和频率。光强起伏被光电探测器转化为电信号起伏，探测器输出的电信号经调理及A/D 转换后送入FPGA 进行相关运算，即可获得目标的角振动频率和相对幅度信息，并将结果送入计算机进行显示。

2 数字散斑相关法测振的实现

数字散斑相关法测振的实现包括发射模块、接收模块以及信号处理模块。

2.1 发射模块

数字散斑相关方法所用光源可以是激光或者是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然纹理。本方法中发射模块选用波长为680 nm 的红光半导体激光器，发射功率约为5 mW。由于目标散射面照明光斑尺寸越小，目标散射面绝大多数微元的间距也就控制得越小，探测到的光功率交流分量起伏越大，也即信号越强，因此激光器的发散角应调节的越小越好。

2.2 接收模块

电荷耦合器件(CCD)以其体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠、寿命长等一系列优点，应用领域已涉及到生产生活及国防事业中，如航天、航空、遥感、卫星侦察、相机、机器人视觉等各个领域。CCD 器件按其感光单元的排列方式分为线阵CCD 和面阵CCD两类。传统的数字散斑相关方法中采用面阵CCD 采集散斑图像，但对利用面阵CCD 采集到的图像进行相关匹配的做法虽然可以提高空间的采样率，但相关处理运算量大，难以实现实时在线检测。而线阵CCD结构简单，成本较低，可根据实际需求增加单排感光单元数目，大大提高其测量范围，并可保证测量精度。同时线阵CCD 实时传输的光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高、能够实现动态测量，并能在低照度下工作。因此，本方法选用高速线阵CCD 和大规模逻辑电路FPGA 完成信息采集和相关处理，以实现对目标角振动的快速实时测量。

本方法选用日本TOSHIBA 公司的TCD1209D线阵CCD 器件。该器件具有优良的光电特性，由2088 个光电二极管构成光敏元阵列，其中有2048个有效像元，光敏元阵列总长为28.672 mm。该器件工作在12 V 电压下，典型工作频率为1 MHz，最高可工作在20 MHz。TCD1209D 正常工作所需的控制脉冲有:RS、CP、SH、F1、F2，输出信号为:OS。其中SH 为转移脉冲、F1 和F2 为驱动脉冲、RS 为复位脉冲、CP 为缓冲控制脉冲［8］。本方法中由FPGA为CCD 提供所需要的控制脉冲。TCD1209D 的驱动时序如图2 所示。

图2 TCD1209D 驱动时序图

由于线阵CCD 所采集的信号只是某一条直线上的信息，所以一般需要借助于机械的手段实现CCD 对图像的扫描。而本方法摒弃传统思想，利用光纤传像束将二维的散斑图像转换成一维图像，再利用线阵CCD 采集光信号。光纤传像束的一端是32×32 的光纤面阵，用以接收空间中的散斑图像，另一端将面阵光纤的每一行按照从上往下的顺序依次排开，并且保持原光纤在每一行中的位置不变，即实现一一对应(以方便在信号处理时对原图像进行还原)，组成1×1024 的线阵光纤。

2.3 信号处理模块

在信号处理中，主要的功能模块包括:信号调理模块、A/D 转换模块以及FPGA 处理模块，其结构如图3 所示。

2.3.1 信号调理模块

图3 信号处理模块结构图

信号调理模块用以消除CCD 输出信号的噪声和干扰，改善图像质量，在CCD 的动态范围内尽量保证图像信号随被测目标亮度呈线性变化。在本方法中，选用AD623 差分放大器实现差分放大，并在其输出端连接射极跟随器以增强信号的驱动能力，之后再接一级RC 低通滤波器，进一步滤除噪声，其原理如图4 所示。经过上述处理后的信号就可以送入A/D 芯片进行量化。

图4 差分放大电路部分原理图

2.3.2 A/D 转换模块

A/D 转换模块则完成对CCD 输出信号的数字化，以便送入FPGA 进行处理。本方法中A/D 芯片选用ADI 公司的AD9283。AD9283 是一款8 位单芯片采样模数转换器(ADC)，内置一个片内采样保持电路，转换速率50 Msample/s、80 Msample/s 和100 Msample/s 可选，在整个工作范围内都具有出色的动态性能。AD9283 只需一个3. 0 V(2. 7 V～3.6 V)单电源和一个编码时钟就能充分发挥工作性能，对于大多数应用来说，无需外部基准电压源或驱动器件［9］。本方法选用50 Msample/s 的转换速率工作，编码时钟由FPGA 提供。

2.3.3 FPGA 处理模块

在实时图像处理中，图像的滤波、直方图统计及均衡、图像增强、灰度变换等信号处理的处理数据量大，并且对于一些实时性要求比较高的系统，处理速度往往是要考虑的关键因素。目前在图像处理方面主要采用DSP 或者FPGA 实现，对于普通的DSP，当进行比较复杂的运算时需要循环几百次才能完成，因此速度较慢。而FPGA 是并行处理结构，可同时进行不同性质的运算，具有速度快、灵活性高等特点，因此用FPGA 进行硬件实现可以大大提高系统的性能。

FPGA 处理模块的核心思想是:CCD 输出的信号经信号调理模块处理及A/D 芯片量化后送入FPGA，先存入异步FIFO，通过乒乓传输结构来满足高速图像采集与传输同步的要求，之后存入RAM，再将散斑图像的线阵信息还原为面阵信息后进行相关运算，找到相关系数极值点，进而得到角振动的变化信息。

目标粗糙表面对激光束散射后在空间中形成散斑，在空间任意处探测到的散斑都具有相同的特性。散斑平均尺寸与照明光斑的大小以及探测器与目标照射面的距离有关。根据理论估算散斑的大小，本方法采用32×32 的面阵光纤探测散斑，不用像传统的数字散斑相关算法那样需要寻找一目标图像的子区，而是直接可以利用这个32 pixel×32 pixel 的散斑图像进行相关。相关运算的极值就是振动前后的变化量，可根据前1024 组图像的相关运算得出散斑图像的中心位置，进而根据下一时刻的散斑图像与之相关得到的变化量就可以计算出该时刻散斑图像的中心位置坐标，并将结果送入计算机显示。

本方法采用Altera 公司Cyclone Ⅲ系列的EP3C25F256 芯片，其逻辑门、存储资源足够本方案使用并有充足的扩展余地。

3 仿真及实验结果

根据线阵CCD－TCD1209D 的驱动时序图，采用VerilogHDL 语言编写驱动脉冲，并结合Modelsim6.4进行功能仿真，得到仿真波形如图5、图6 所示。

图5 SH 置高时各驱动脉冲的波形

图6 SH 置低时各驱动脉冲的波形

利用本方法做了初步实验，用收音机做激励源激振玻璃窗。根据数字散斑相关方法在应用中需要满足的条件，首先选用具有粗糙表面的玻璃面作为照射面，然后使发射激光束与照射面近乎垂直，并将光纤传像束以及线阵CCD 置于离照射面20 mm 左右的地方，其中保持光纤传像素的面阵那边与照射面近乎平行，线阵那边与CCD 保持平行并通过透镜将光耦合入线阵CCD。计算机最终显示的是散斑图像中心位置的坐标信息，表1 给出了实验系统开始工作后的前十组数据。

表1 振动时散斑图像中心位置坐标

数据1 是系统开始工作后，FPGA 接收到的前1024 组数据进行相关运算得出相关系数的极值并求平均后得到的散斑图像的中心位置坐标，数据2 ～10 是之后的下一组数据与前一组数据进行相关运算得到变化量后与原中心位置坐标比较得出此刻的散斑图像的中心位置坐标。

与此同时将线阵CCD 输出信号另经后续处理电路处理，用耳机还原信号，获得了失真较小的原始信号。由此证明，用该方法进行实时振动测量是可行的。

4 结论

本文提出的激光散斑测振方法具有数字散斑相关测量技术测量系统简单、表面处理简便、对测量环境要求低以及数据采集自动化程度高等优点，解决了现有激光非接触测量振动方法和仪器存在的实时性不好、系统结构复杂、对器件要求较高和近距离测量等缺陷。将各种时序控制、存储器模块以及信号处理模块都由一片FPGA 芯片来实现，达到了节省功耗、降低成本、减小系统尺寸的目的。仿真结果及实验表明本文提出的这种方法是可行的，为数字散斑相关法用于窃听器的设计提供了一条新思路。

［1］ 金国藩，李景镇. 激光测量学［M］. 北京:科学出版社，1998:697－700.

［2］ Yamaguchi. Simplified Laser－Speckle Strain Gauge［J］. Optical Engineering，1982，21(3):436－440.

［3］ Peters W H，Ranson W F.Digital Imaging Techniques in Experiment［J］.Optical Engineering，1982，21(3):427－431.

［4］ 金观昌，孟利波，陈俊达，等. 数字散斑相关技术进展及应用［J］.实验力学，2006，21(6):690－695.

［5］ 郭勇.远距离数字散斑相关测量系统的研制与在结构工程中的应用［D］.浙江:浙江大学工程力学，2004:6－25.

［6］ 熊伦. 激光散斑相关计量系统的研究［D］. 华东师范大学，2007，5－22.

［7］ 金观昌.计算机辅助光学测量［M］:第2 版.北京:清华大学出版社，2007，141－183.

［8］ TOSHIBA.TCD1209D Datasheet［S］.1997.

［9］ ADI.AD9283 Datasheet［S］.1999.