一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試系統及方法與流程

本發明屬于光電測試領域，涉及一種運動目標外形尺寸在線測試系統及方法，特別是涉及一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試系統及方法。

背景技術：

隨著圖像傳感器技術的發展，在光電檢測系統中利用圖像傳感器作為探測器件對物體外形尺寸非接觸測量的技術得到了越來越廣泛的應用。按照圖像傳感器的維數，測試方法可分為面陣圖像傳感器和線陣圖像傳感器兩種。兩種方法具有響應速度快、精度高的優點，目前都已被廣泛地用于多種目標的高精度、高速度的在線檢測領域。隨著目標運動速度的增加，對于超高速運動目標外形尺寸的測量，需要更加實時、快速的在線測量。由于面陣圖像傳感器的積分時間和曝光時間長，在一幀圖像內，可能存在著目標不在成像視場內的情況，進而導致難以對超高速運動目標外形尺寸進行測量。相對于面陣圖像傳感器，線陣圖像傳感器呈一維線性排列，該物理結構使其具有以下特點：(1)像幅大。由于線陣圖像傳感器只有單列像素，因此可以做的外形尺寸很長，在像面上表現為像素數大；(2)成像頻率高。線陣圖像傳感器由于只有單列像素，具有更高的成像頻率，目前最高可達到200khz，特別適合超高速運動目標的成像；(3)數據傳輸量小。面陣圖像傳感器的幀速較慢，而且每幀的圖像很大，幀與幀之間存在著大量的冗余數據，制約了測量的實時性，而線陣圖像傳感器數據傳輸量較小，能夠滿足實時性要求。

為此，對于超高速運動的目標，需要借助像幅大、成像頻率高、數據傳輸量小的線陣圖像傳感器實現外形尺寸的在線測量。然而，目前的線陣圖像傳感器測量外形尺寸的方法，大多數是在已知的物距下完成的，即在物距已知的條件下，利用數學表達式解算出外形尺寸。當物距發生改變時，其外形尺寸也將發生變化。同時由于目標的超高速運動，現有的測量方法存在著測量誤差，導致測得的外形尺寸并非真實的目標外形尺寸。

技術實現要素：

本發明公開的一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試系統及方法要解決的技術問題為：實現對超高速運動目標外形尺寸測試，并且能夠消除由于超高速運動導致的測量誤差，提高測試精度。所述的目標指圓錐體目標。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試系統，包括激光雷達成像系統和線陣圖像傳感器成像系統，測試目標為超高速運動圓錐體目標。所述的激光雷達成像系統包括電路板、激光器、透鏡系統、apd陣列。所述的線陣圖像傳感器成像系統包括分光鏡、光學系統和雙線線陣圖像傳感器。

所述的激光雷達成像系統用于測量超高速運動圓錐體目標的距離信息，光路為：電路板控制激光器發射一束脈沖激光，脈沖激光分別經過激光器上方的透鏡系統和與透鏡系統光軸呈45°夾角的分光鏡后照射在超高速運動圓錐體目標上，超高速運動圓錐體目標表面反射脈沖激光，反射回來的脈沖激光再次透過分光鏡打在apd陣列上，通過apd陣列能夠獲取超高速運動圓錐體目標發生反射作用的表面上所有點的距離信息，通過電路板的處理獲得超高速運動圓錐體目標上距離apd陣列最近的點到apd陣列的距離信息。

所述的線陣圖像傳感器成像系統用于得到超高速運動圓錐體目標在雙線線陣圖像傳感器成像的像素數，光路為：超高速運動圓錐體目標表面反射自然光，反射的自然光經過分光鏡的反射作用后經過光學系統，光學系統對分光鏡反射的自然光有會聚作用，會聚后成像在雙線線陣圖像傳感器上，從而得到超高速運動圓錐體目標在雙線線陣圖像傳感器成像的像素數。

本發明采用下述技術方案實現。

本發明公開的一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試方法。

基于上述一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試系統實現的一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試方法，包括如下步驟：

步驟一、激光雷達成像系統獲取超高速運動圓錐體目標的距離信息。

首先，電路板控制激光器發射一束脈沖激光，脈沖激光分別經過激光器上方的透鏡系統和與透鏡系統光軸呈45°夾角的分光鏡后照射在超高速運動圓錐體目標上，超高速運動圓錐體目標表面反射脈沖激光，反射回來的脈沖激光再次透過分光鏡打到apd陣列上，通過apd陣列能夠獲取超高速運動圓錐體目標發生反射作用的表面上所有點的距離信息，通過電路板的處理獲得超高速運動圓錐體目標上距離apd陣列最近的點到apd陣列的距離信息。在激光雷達成像系統中，apd陣列到分光鏡的距離為l1，超高速運動圓錐體目標上距離分光鏡最近的點到分光鏡的距離為l2，因此，超高速運動圓錐體目標的距離信息為l1+l2。

步驟二、線陣圖像傳感器成像系統對超高速運動圓錐體目標成像。

超高速運動圓錐體目標表面能夠反射自然光，反射回來的自然光經過分光鏡的反射作用后經過光學系統，光學系統對分光鏡反射的自然光有會聚作用，會聚后成像在雙線線陣圖像傳感器上，從而得到超高速運動圓錐體目標在雙線線陣圖像傳感器成像的像素數ns。光學系統到反射鏡的距離l3需要滿足l3＝l1。

步驟三、計算超高速運動圓錐體目標的外形尺寸。

通過步驟一得到超高速運動圓錐體目標的距離信息，以及步驟二得到超高速運動圓錐體目標的外形像素數ns后，通過幾何光學原理獲得超高速運動圓錐體目標的外形尺寸，表達式如下：

公式(1)中，d為超高速運動圓錐體目標直徑，d為超高速運動圓錐體目標在雙線線陣圖像傳感器中像的大小，w為雙線線陣圖像傳感器的像元尺寸，ns為超高速運動圓錐體目標在雙線線陣圖像傳感器中占有的像素數，β為光學系統軸向放大率，f′為光學系統焦距，l′為光學系統像距，l為光學系統物距，光學系統物距l即為超高速運動圓錐體目標到光學系統的距離l2+l3。由于l3＝l1，超高速運動圓錐體目標到光學系統的距離l2+l3等于步驟一中激光雷達成像系統獲取的超高速運動圓錐體目標距離信息l1+l2。

步驟四、利用快速動態誤差補償方法反演超高速運動圓錐體目標真實外形尺寸。

雙線線陣圖像傳感器在一次曝光時間內，超高速運動圓錐體目標將產生較大的運動量，在圖像上表現為雙線線陣圖像傳感器中像素的增加，因此，通過動態誤差補償方法反演出超高速運動圓錐體目標真實外形尺寸。具體實現方法如下。

超高速運動圓錐體目標圓錐的錐度為θ，雙線線陣圖像傳感器的行頻為f，在某個橫截面上超高速運動圓錐體目標的真實直徑為dl，測量得到的超高速運動圓錐體目標的直徑為ds，雙線線陣圖像傳感器的總像素數為n，超高速運動圓錐體目標在雙線線陣圖像傳感器中成像的像素數為ns，超高速運動圓錐體目標飛行速度為v，在雙線線陣圖像傳感器的一次曝光時間內，超高速運動圓錐體目標橫向方向上運動的距離dp為：

根據超高速運動圓錐體目標的真實直徑dl，測量得到的直徑ds和橫向方向上運動的距離dp構成的幾何關系，得出如下函數關系式：

公式(3)中α是超高速運動圓錐體目標測量得到的直徑ds和超高速運動圓錐體目標圓錐體母線的夾角，β是超高速運動圓錐體目標真實直徑dl和測量得到的直徑ds之間的夾角，通過對關系式的求解，能夠得超高速運動圓錐體目標真實直徑dl和測量得到的直徑ds的關系式，如公式(4)所示：

根據超高速運動圓錐體目標測量得到的直徑ds、橫向方向上運動的距離dp和已知的超高速運動圓錐體目標的圓錐度信息，能夠反演出超高速運動圓錐體目標的真實直徑值dl，即完成對超高速運動圓錐體目標外形尺寸測試。所述的圓錐度信息包括超高速運動圓錐體目標的錐度θ、超高速運動圓錐體目標真實直徑dl和測量得到的直徑ds之間的夾角β。

有益效果：

本發明公開的一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試系統及方法，利用激光雷達得到超高速運動目標的距離信息，并利用線陣圖像傳感器獲得超高速運動目標的像素數，結合快速動態誤差補償方法消除由于超高速運動引起的外形尺寸測量誤差，實現對超高速運動目標外形尺寸的高精度測量。

附圖說明

圖1為測試系統原理圖；

圖2為測試系統工位圖；

圖3為測試方法流程圖；

圖4為快速誤差補償原理圖。

其中：1—激光雷達成像系統，1.1—電路板，1.2—激光器，1.3—透鏡系統，1.4—apd陣列，2—線陣圖像傳感器成像系統，2.1—分光鏡，2.2—光學系統，2.3—雙線線陣圖像傳感器，3—超高速運動圓錐體目標。

具體實施方式

為了更好的說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實例對發明內容做進一步說明。

實施例1：

本實施例公開的一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試系統，測試系統原理圖如圖1所示，包括激光雷達成像系統1和線陣圖像傳感器成像系統2，測試目標為超高速運動圓錐體目標3。所述的激光雷達成像系統1包括電路板1.1、激光器1.2、透鏡系統1.3、apd陣列1.4。所述的線陣圖像傳感器成像系統2包括分光鏡2.1、光學系統2.2和雙線線陣圖像傳感器2.3。

所述的激光雷達成像系統1用于測量超高速運動圓錐體目標3的距離信息，光路為：電路板1.1控制激光器1.2發射脈沖激光，脈沖激光分別經過激光器1.2上方的透鏡系統1.3和與透鏡系統1.3光軸呈45°夾角的分光鏡2.1后照射在超高速運動圓錐體目標3上，超高速運動圓錐體目標3表面反射脈沖激光，反射回來的脈沖激光再次透過分光鏡2.1打在apd陣列1.4上，通過apd陣列1.4能夠獲取超高速運動圓錐體目標3發生反射作用的表面上所有點的距離信息，通過電路板1.1的處理獲得超高速運動圓錐體目標3上距離apd陣列1.4最近的點到apd陣列1.4的距離信息。

所述的線陣圖像傳感器成像系統2用于得到超高速運動圓錐體目標3在雙線線陣圖像傳感器2.3成像的像素數，光路為：超高速運動圓錐體目標3表面反射自然光，反射回來的自然光經過分光鏡2.1的反射作用后經過光學系統2.2，光學系統2.2對分光鏡2.1反射的自然光有會聚作用，會聚后成像在雙線線陣圖像傳感器2.3上，從而得到超高速運動圓錐體目標3在雙線線陣圖像傳感器2.3成像的像素數。

測試系統工位圖如圖2所示，超高速運動圓錐體目標3為一個圓錐體結構，超高速運動圓錐體目標3在光電在線測試系統的成像視場內，激光雷達成像系統1的視場與超高速運動圓錐體目標3的運動方向(圓錐體軸線方向)垂直，線陣圖像傳感器成像系統2的視場與超高速運動圓錐體目標3的運動方向(圓錐體軸線方向)平行，光電在線測試系統能實現對超高速運動圓錐體目標3不同圓錐橫截面直徑的測量，從而得到超高速運動圓錐體目標3的外形尺寸。

基于上述測試系統工位關系，對測試系統工作原理做進一步闡述：

該光電在線檢測系統包括激光雷達成像系統1和線陣圖像傳感器成像系統2。激光雷達成像系統1包括電路板1.1、激光器1.2、透鏡系統1.3、apd陣列1.4，其中apd陣列1.4到分光鏡2.1的距離為l1，超高速運動圓錐體目標3上距離分光鏡2.1最近的點到分光鏡2.1的距離為l2。線陣圖像傳感器成像系統2包括分光鏡2.1、光學系統2.2和雙線線陣圖像傳感器2.3。其中分光鏡2.1到光學系統2.2的距離為l3，光學系統2.2到雙線線陣圖像傳感器2.3的距離為l′，系統中需要滿足的關系為l3＝l1。超高速運動圓錐體目標3位于激光雷達成像系統1視場和線陣圖像傳感器成像系統2視場內，該測試系統可完成對超高速運動圓錐體目標3不同截面的直徑測量。

實施例2：

本實施例一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試方法的測試方法流程圖如圖3所示，具體過程如下：

(1)電路板1.1控制激光器1.2發射激光并照射到超高速運動圓錐體目標3上，超高速運動圓錐體目標3反射激光和環境中的自然光；

(2)apd陣列1.4接收超高速運動圓錐體目標3反射的激光，通過電路板1.1的處理獲取超高速運動圓錐體目標3的距離信息；

(3)雙線線陣圖像傳感器2.3接收超高速運動圓錐體目標3反射的自然光，獲得超高速運動圓錐體目標3的像素信息。

(4)通過超高速運動圓錐體目標3的距離信息和像素信息計算超高速運動圓錐體目標3的外形尺寸。

(5)運用快速動態誤差補償技術，通過動態誤差補償方法反演出超高速運動圓錐體目標3真實外形尺寸。

本實施例一種超高速運動目標外形尺寸光電在線測試方法的具體實現步驟如下：

步驟一、激光雷達成像系統1獲取超高速運動圓錐體目標3的距離信息。

首先，電路板1.1控制激光器1.2發射一束脈沖激光，脈沖激光分別經過激光器1.2上方的透鏡系統1.3和與透鏡系統1.3光軸呈45°夾角的分光鏡2.1后照射在超高速運動圓錐體目標3上，超高速運動圓錐體目標3表面對脈沖激光反射，反射回來的脈沖激光再次經過分光鏡2.1打到apd陣列1.4上，通過apd陣列1.4能夠獲取超高速運動圓錐體目標3發生反射作用的表面上所有點的距離信息，通過電路板1.1的處理獲得超高速運動圓錐體目標3上距離apd陣列1.4最近的點到apd陣列1.4的距離信息。在激光雷達成像系統1中，apd陣列1.4到分光鏡2.1的距離為l1，超高速運動圓錐體目標3上距離分光鏡2.1最近的點到分光鏡2.1的距離為l2。選取最小的距離作為計算激光雷達的距離信息，那么超高速運動圓錐體目標3距離信息為l1+l2。

步驟二、線陣圖像傳感器成像系統2對超高速運動圓錐體目標3成像。

超高速運動圓錐體目標3表面能夠反射自然光，反射回來的自然光經過分光鏡2.1的反射作用后經過光學系統2.2，光學系統2.2對分光鏡2.1反射的自然光有會聚作用，會聚后成像在雙線線陣圖像傳感器2.3上，從而得到超高速運動圓錐體目標3在雙線線陣圖像傳感器2.3中成像的像素數ns。

步驟三、計算超高速運動圓錐體目標3的外形尺寸。

通過步驟一得到超高速運動圓錐體目標3的距離信息，以及步驟二得到超高速運動圓錐體目標3的像素信息后，能夠通過幾何光學原理獲得超高速運動圓錐體目標3的外形尺寸，表達式如下：

公式(1)中，d為超高速運動圓錐體目標3的直徑，d為超高速運動圓錐體目標3在雙線線陣圖像傳感器2.3中像的大小，w為雙線線陣圖像傳感器2.3的像元尺寸，ns為超高速運動圓錐體目標3在雙線線陣圖像傳感器2.3占有的像素個數，β為光學系統2.2的軸向放大率，f′為光學系統2.2的焦距，l′為光學系統2.2的像距，l為光學系統2.2的物距，光學系統2.2的物距l即超高速運動圓錐體目標3到光學系統2.2的距離為l2+l3。由于l3＝l1，超高速運動圓錐體目標3到光學系統2.2的距離l2+l3等于步驟一中激光雷達成像系統1獲取的超高速運動圓錐體目標3距離信息l1+l2。

步驟四、利用快速動態誤差補償方法反演超高速運動圓錐體目標3真實外形尺寸。

雙線線陣圖像傳感器2.3在一次曝光時間內，超高速運動圓錐體目標3將產生較大的運動量，在圖像上表現為雙線線陣圖像傳感器2.3中像素的增加，因此，通過動態誤差補償方法反演出超高速運動圓錐體目標3真實外形尺寸。快速誤差補償原理的原理圖如圖4所示，具體實現方法如下。

雙線線陣圖像傳感器2.3的理論采樣像素數為nl，測量得到的采樣像素數為ns，超高速運動圓錐體目標3的圓錐錐度為θ，在某個橫截面上超高速運動圓錐體目標3的真實直徑為dl，測量得到的超高速運動圓錐體目標3直徑為ds，超高速運動圓錐體目標3在橫向方向上運動的距離為dp。超高速運動圓錐體目標3的真實直徑dl、測量得到的直徑ds和超高速運動圓錐體目標3在橫向方向上運動的距離dp包含在三角形abd中，其中邊ab的長度對應測量得到的直徑ds，邊bd的長度對應超高速運動圓錐體目標3橫向方向上運動的距離dp，邊ad中線段ac的長度對應超高速運動圓錐體目標3真實直徑dl。在對超高速運動圓錐體目標3進行掃描時間內，超高速運動圓錐體目標3在橫向方向上運動的距離dp表示為：

公式(2)中f為雙線線陣圖像傳感器2.3的行頻，雙線線陣圖像傳感器2.3總的像素數為n，v為超高速運動圓錐體目標3的飛行速度，根據超高速運動圓錐體目標3的真實直徑dl，測量得到的直徑ds和超高速運動圓錐體目標3橫向方向上運動的距離dp構成的△abc的幾何關系，可得出如下函數關系式：

公式(3)中α是超高速運動圓錐體目標3測量得到的直徑ds和超高速運動圓錐體目標3圓錐母線的夾角(即∠abc)，β是超高速運動圓錐體目標3的真實直徑dl和測量得到的直徑ds之間的夾角(即∠bac)，通過對公式(3)的求解，可得超高速運動圓錐體目標3真實直徑dl和測量得到的直徑ds的關系式，如下式所示：

根據超高速運動圓錐體目標3測量得到的直徑ds、橫向方向上運動的距離dp和已知的超高速運動圓錐體目標3的圓錐度信息，能夠反演出超高速運動圓錐體目標3的真實直徑值dl，即完成對超高速運動圓錐體目標3外形尺寸測試。所述的圓錐度信息包括超高速運動圓錐體目標3的錐度θ、超高速運動圓錐體目標3真實直徑dl和測量得到的直徑ds之間的夾角β。

以上所述的具體描述，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。