CCD范文10篇

CCD范文篇1

关键词：线阵CCD光积分时间外总线自适应控制

线阵CCD在图像传感和测量技术领域的应用中发欣极为迅速。为满足自适应测量的工程化需要，设计出了基于线阵CCD的单同轴电缆双向时分复用传输外总线。

在数据采集测量系统中，CCD视频信号的最大幅度需要调理到ADC的满量程。CCD信号的最大幅值的决定因素有三个：CCD器件的光电灵敏度、光积分时间和屯照度。在选定CCD器件后，该值只取决于光积分时间和光照度。

在不同工作现场和工作现场的不同时段，光强是经常变化的，如果CCD器件的光积分时间固定，则光照度的变化将导致CCD视频输出信号幅值的变化。而实际上所希望的是，在光照度变化的情形下，应保持视频输出信号最大幅值稳定，这可通过光积分时间的自适应控制来实现。在CCD信号采用二值化数据处理和像元细分处理过程中，一帧数据中被检测对象的量测信息往往在边界特征和像元信号的幅度最值位置，故光积分时间的改变不影响静态被测量。

1CCD器件驱动简介

现以TOSHIBA的TCDl501C为例进行介绍，其驱动脉冲波形如图1所示。

当SH信号为低电平时，Φ1(包括Φ1O和Φ1E)电极下的势阱和存储栅势阱隔离，CCD处于光积分状态；当SH为高电平时，SH电极下形成的深势阱沟通了存储栅势阱和Φ1电极下的势阱，信号电荷包全部转到移位寄存器，而后在Φ1E，O，B和Φ1E，O，B脉冲的作用下依次移位，最后经输出电路由OS端输出。

SH的脉冲周期即为光积分时间。以像元信号的幅值为被控制量，通过改变SH的脉冲周期使视频输出的幅度最值保持在ADC的满量程，从而实现光积分时间的自适应控制。

2系统组成

该采集系统包括三大部分：CCD传感头、信号采集板和微型机。传感头和采集板之间采用单同轴电缆作为双向复用传输总线，其原理框图如图2所示。

CCD的各驱动信号由CPLD产生，视频输出经过驱动器进入同轴电缆。信号采集板通过ISA口和微机接口，板上采用FPGA作为电路的逻辑控制器，光积分脉冲由FPGA产生，其周期的调节由FPGA的VHDL软件或微机采集软件控制。在接口协议的调控下，将CCD视频信号和光积分脉冲信号双向时分复用单同轴电缆作为信号和控制的传输总线。

3总线的电气接口原理

CCD传感头中晶振选定后，Φ1和Φ2的信号频率也随之确定，CCD像元视频信号移位输出时间也就固定了。例如：TCDl501C共5076个像元(除5000个曝光像元外，还有前64个和后12个哑元)，晶振频率为20MHz，CPLD输出的Φ1和Φ2频率为2．5MHz，视频输出速率为5MHz，所以一帧CCD信号输出时间为5076／5MHz=1．0152ms。如果光积分时间为2ms，则在剩余近lms的时间内，CCD输出的是空操作，视频信号幅值接近箝位高电平。总线原理和控制信号定时关系图如图3所示。

系统在上电初始状态设置同轴电缆两端开关电平，使光积分通道开通。从定时关系中可见，光积分脉冲的下降沿启动ISA板和CCD传感头内部逻辑计数器，同时使电缆两端开关控制信号由光积分通道切换到CCD信号通道。因为CCD器件首先输出的是一定数量的哑元信号，所选择的SPDT(单刀双掷)开关的开关切换时间远远小于前面哑元信号的总输出时间，故开关切换到CCD信号通道的时间对于曝光像元信号的输出没有任何影响。当计数到5076或5064(不计后12个哑元)时，电缆两端两开关控制信号再次变换极性，使电缆切换到光积分脉冲信号通道。其实，只要在下一个光积分脉冲到来前的空操作的任何时刻完成通道切换即可。

原本最显然且直接的设计方案是采用另一条规范的总线(比如422总线)来专门传输由ISA板输出的光积分控制信号，而由CCD视频信号独占同轴电缆，这样也可满足工程化的要求；而且422总线的双绞线在恶劣环境下的传输距离和抗干扰性能也令人可以接受。

不过比较来说，单同轴电缆双向复用总线更有优越性。

第一，原理更加简洁实用，其接口协议比422接口协议还简单；

CCD范文篇2

关键词：CCDCPLD相关双采样控制系统串口通信

引言

CCD通常分为3个等级；商业级、工程级和科学级。3个级别的要求一级比一级高。衡量CCD的性能主要从以下几个方面：量子效率和响应度、噪声等效功率和探测度，即动态范围和电荷转移效率等。科学级CCD以其高光子转换效率、宽频谱响应、良好线性度和宽动态范围广泛用于天文观测，已成为望远镜测必不可少的后端设备。国内各天文台望远镜终端都是从引起的成套设备，使用和维护很不方便，并且价格昂贵，因此国内迫切需要发展自己的CCD技术。紫金山天文台红外实验室对这一课题进行了深入研究，广泛调研，认真选取，从芯片开始一直到系统的软硬件设计，搭建了自己的CDD相机系统。

1系统设计

CCD芯片决定相机系统的性能，为此我们广泛调研，最后选定柯达公司的KAF-0401LE芯片。它动态范围大（70dB），电荷转移效率高（0.99999），波长响应范围宽（0.4μm～1.0μm），低暗电流（在25℃条件下，7pA/cm2），量子效率为35%，并且具有抗饱和性，能够满足科学观测的要求，既可用于光谱分析，又可用于成像观测。

系统设计的重点是解决CCD芯片的驱动和系统噪声的问题。我们的设计如下：采用柯达公司的KAF-0401LE芯片作为探测器，Ateml公司的带闪存Flash的89C51作下位机控制器，复杂可编程逻辑作（CPLD）作时序发生和地址译码，采用相关双采样技术降低噪声，自带采样保持的12位A/D转换顺AD1674进行模数转换，扩展8片128Kbit（628128）的RAM作1为帧图像暂存空间，通过RS232与计算机串口通信，接受计算机的控制。整个系统由图1所示几个功能部件组成。

1.1时序信号发生电路

KAF-0401LE芯片的时序要求：积分期间φV1、φV2保持低电平；行转移期间φH1保持高电平，φH2保持低电平。每行开始φV1的第2个脉冲下降沿后，要有1个行转移建立时间tφHs，读完行后需延迟1个像素时间te才开始下一行φV1脉冲；同样，φV1第2分脉冲下降沿后，开始下一行转移，如此直到读完1帧。

复杂可编程逻辑器件（CPLD）以其高度集成、灵活、方便的特点，在电路设计中运用越来越广泛。Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM712SLC84-15具有2500个可用逻辑门，128个宏单元，8个逻辑块，最大时钟可达147.1MHz，带有68个可供用户使用的I/O引脚，PLCC封装，可通过JTAG接口实现在线编程。我们选用EMP7128SLC84-15，通过硬件描述语言（VHDL）在集成开发环境MAXPLUSII下完成逻辑设计；编译后，通过JTAG接口下载到电路板上的EPM7128SLC84-15中，实现了KAF-0401LE芯片的时序要求。

MAXPLUSII虽然有很丰富的元件库，但并不是针对某一应用而开发的，具有通用性，调用它固有的元件库可能造成资源的浪费，没有必要。因此我们按照需求，编制了自己的元件库，然后在程序中作为元件调用。在本系统中，仅用1片EPM7128LC84-15就实现了CCD的时序要求、暂存RAM和接口扩展芯片8255的片选和地址译码，既简化耻电路的硬件设计，提高了系统可靠性，又降低了成本。交流时序条件要求如表1所列。

表1

描述符号最小值正常值最大值

φH1、φH2时钟频率/MHzfH1015

φV1、φV2时钟频率/kHzfV100125

周期/nste67100

φH1、φH2建立时间/μstφHS0.51

φV1、φV2脉冲/μstφv45

复位时钟脉宽/nstφR1020

读出时间/mstreadout3450

每行读出时间/μstline65.895.6

1.2双采取、模拟放大电路及A/D变换电路

我们采用能够满足高频要求的放大器LF356N设计双采样和模拟放大电路。根据CCD的动态范围选用自带采样保持的12位A/D变换器AD1674作模数转换。

双采样原理如图2所示。RSL是CCD复位电平，光信号相当于SGL与RSL的差值，理论上只要分别在RSL和SGL处各采样一次，然后相减便得到信号的值。然而，实际上RSL和SGL并不是理想的水平线，而是存在着低频起伏噪声。为了降低噪声的影响，通常的做法是，分别在RSL和SGL处多次采样求平均，这样对硬件和数据处理软件的要求都很高。我们这里采用了积分型相关双采样技术，如图3所示，CCD信号分别经过同相和反相放大器连到模拟开关输入端。模拟开关S1打开时，RSL通过电容积分;s2打开时，SGL信号经电容积分；s3打开输入端接地，信号保持不变；s4为复位开关。积分放大器的输入、输出关系如下：

图2中的积分输出是相关双采样的输出波形图。采样保持后通过A/D进行模数转换，经8255口存在板上的RAM中。

1.3电压偏置电路

CCD驱动信号的直流偏置电压各不相同，CPLD产生的TTL信号必须经过电压变换才能加到CCD的输入端。我们首先用LM317和LM337产生所需要的偏置电压，然后经过时钟驱动芯片DS0026转换得到时序和偏置都符合CCD要求的信号，电路如图4所示。

LM317用于输出正相偏置电压，LM337用于输出负相偏置电压，通过调节可变电阻R2阻值可得到我们所需的偏置电压，计算公式如下：

其中，Iadj<100μA,Vref=1.25V，图4（a）中R1取240Ω，图4（b）中R1取120Ω。

2软件编程

软件是管理硬件的工具，硬件是实现软件功能的基础。本系统的软件工作任务较重，从可编程逻辑器件的硬件描述语言编程、电路板上单片机的汇编程语言编程，到计算机上控制系统的VisualC++编程。

2.1时序信号的VHDL语言编程

我们用VHDL编制CCD时钟驱动信号、图像暂存RAM和接口扩展芯片8255的地址译码和片选信号，在集成开发环境MAXPLUSII中编译，通过JTAG口下载到EPM7128SLC84-15中。下面给出实现CCD系统时序部分VHDL语言设计和时序仿真结果。VHDL语言编程基本上分为2个部分：实体说明和结构体定义。实体说明部分定义端口，结构体中实现逻辑设计。程序如下：

LIBRARYieee；--包括的库

USEieee.std_logic_1164.all；

USEieee.std_LOGIC_ARITH.ALL;

USEieee.std_logic_unsigned.all;

ENTITYkodak7128IS--实体说明部分

PORT--端口

（clk:INstd_logic;时钟输入

start:INSTD_LOGIC;--启动采集数据输入

rc:OUTSTD_LOGIC;--启动A/D变换输出

s1,s2,s3,s4:OUTSTD_LOGIC；--相关双采样模式时钟输出

v1:OUTSTD_LOGIC;--CCD行转移时钟输出

v2:OUTSTD_LOGIC;

r:OUTSTD_LOGIC;--CCD复位始终输出

h1：OUTSTD_LOGIC；--CCD像素转换时钟信号输出

h2:OUTSTD_LOGIC；

a,b,c：INSTD_LOGIC；--扩展RAM译码输入

a2,a3,a4,a5,a6,a7：INSTD_LOGIC；--口扩展芯片8255地址译码片选输入

a8,a9,a10,a11,a12,a13,a14,a15:INSTD_LOGIC；

ram5,ram6,ram7:OUTSTD_LOGIC;--扩展RAM及8255片选译码输出

ram8,ram9,ram10,ram11,ram12,cs8255:outstd_logic);

ARCHITECTUREmboardOFkodak7128tryIS-结构体实现部分

--PROCESS定义逻辑

ENDmboard；

时序仿真结果如图5所示。

2.2下位机的汇编语言编程

89C51作为电路板上的灵魂，负责接收计算机传来的命令，管理CCD数据的采集、接收、传送。与计算机的通信通过串行口中断实现，数据的采集通过外中断实现。

事先需要定义好计算机与单牒同的通信协议，在初始化程序中设置通信波特率、堆栈初始化以及寄存器初值，然后进入循环，等待中断的发生，调用中断子程序，实现预定功能。

当计算机有命令到来时，进入串行中断子程序，在中断中根据预先定好的协议，判断计算机发来的不同命令，调用不同处理子程序。其中的命令有：采集、停止采集、取数、停止取数。

2.3CCD相机控制系统VisualC++编程

Windows以其操作简单、友好的图形界面成为最流行的操作系统。VisualC++是目前公认最强大的Windows程序设计工具。我们用它开发了相机控制系统。

首先定义人机接口的操作界面。在程序中主要分为数据的获取、存储与处理几个方面，在数据的获取方面我们专门定义一个串口通信类，开一个线程用于监听串口事件的发生，用于向下位单片机发送命令和接收数据。

CCD范文篇3

关键词：计算机视觉CCD图像分析静态定标动态跟踪

作为国际新一代大射电望远镜（LT）阵计划的第一步，拟在我国先行实施一项FAST（FivehundredmetersApertureSphericalTelescope）项目工程。目前国际上正在更新的Arecibo系统难以满足LT基本单元的要求：低造价、大天空覆盖、宽带以及偏振观测。全球最大的射电望远镜是位于美国波多里格的Arecibo305m口径天线，但它具有天空覆盖小（天顶扫描角仅20°）的严重缺陷，以及造价太高、跟踪精度低的不足。FAST项目计划利用我国某地独一无二的喀斯特（Karst）洼地，铺设主天线的球面望远镜，建造口径为500m的射电望远镜。这种射电望远镜取消了主反射面的运动，改用馈源移动跟踪目标，基本不受重力形变的影响，可把主反射面建造得很大。

对射电望远镜的馈源舱实施闭环控制的前提条件是已知馈源舱的位置及姿态，故需对馈源舱进行动态跟踪，以取得相关数据。本文根据计算机视觉和CCD图像分析测量原理，详细介绍了对实验模型中的馈源舱进行静态定标与动态跟踪测量的原理及方法。

1CCD测量系统

结合课题情况，可考虑使用的测量方法有以下四种：（1）GPS定位系统：测量范围大，差分处理后的测量精度较高，不足是测量时间较长。（2）无线电定位：受环境影响小，测量范围大，可在较恶劣的环境中工作。但测量成本较高，且无线电信号会影响射电天文望远镜对宇宙信号的接收。（3）激光全站仪：测量范围大、测量精度高、采样周期高。但系统的采样间隔具有不稳定性、时延性与较低的动态精度（3mm），这给控制带来较大难度。另外受环境影响较大，在降雨和大风扬尘等较恶劣的环境下，测量精度会受影响，且价格很高（一台Leica大约价值18万元）。（4）CCD三维测量系统：成本低，测量范围较小时测量精度较高。但由于测量数据量大，动态跟踪测量的时间较长。另外环境因素对测量精度的影响也较大，夜间工作有一定限制。

根据实际情况以及顺利实现测量的目的，测量系统应具有快速测量、自动跟踪和成本低的特点。而CCD三维测量系统能够满足要求。CCD器件是一种固体化器件，体积小、可靠性高、寿命长；图像畸变小，尺寸重现性好；具有较高的定位精度和测量精度；输出信号易于数字化处理，易与计算机连接组成实时自动测量控制系统，便于扩大应用功能和使用范围。

CCD图像分析测量系统的原理框图如图1所示。

2测量原理与方法

CCD三维测量系统的组成元件主要有CCD摄像机（MTV－1881EX、795×596）、图像卡（大恒CG210）、计算机和视频线等。整个系统的工作原理是：测量对象在CCD摄像机的测量范围内沿任意方向运动，CCD摄像机从三个不同的角度对测量对象的特征点进行摄像，生成被测对象的视频信号；通过图像卡转换成数字信号并输送给控制计算机；计算机调用执行文件，根据一定算法计算被测目标的世界坐标，由此确定对象的位置与姿态。

50m实验模型中的馈源舱由六根索向上拉，并分别通过六座钢筋水泥塔与地面的卷扬机相连。其中三根索均布接在舱体顶部，另三根索均布接在舱体底圆上。取下拉索与舱体的绞合点（索耳中心）为特征点，这样共有三个特征点a、b、c，三部CCD摄像机按照π／3间隔放置，结构分布如见图2。

令Pi是待测特征点，则其世界坐标与其在摄像机中的投影坐标的关系式为：

(xyz1)T＝RH(穴x′y′z′1)T（1）

其中R、H分别是空间旋转和平移变换矩阵。

每个特征点分别在左右两个摄像机中投影，投影坐标满足如下关系式：

式中：(1＋kl1r2＋kl2r4)和(1＋kr1r2＋kr2r4)分别为左右摄像机镜头沿径向的畸变程度，(xl,yl)、(xr,yr)分别是左右摄像机镜头的光心坐标，Al1,…,Al11、Ar1,…,Ar11分别是测量点在左右两摄像机的投影坐标变换参数。

采用静态定标的方法确定式（2a）、（2b）中的未知参数。测量系统静态定标的原理是：在地面上合适位置（坐标已知）安置两架电子经纬仪，并在馈源舱的工作空间区域选择测量点，利用经纬仪测量若干位置特征点的俯仰角和方位角，通过坐标几何变换确定这些点的世界坐标（x，y，z），并认为是实际坐标。同时记下它们在摄像机中相应的图像坐标（u，v），这里需注意对应关系。把世界坐标与相应投影坐标代入式（2a）、（2b）中，用最小二乘法求解超静定方程组，确定未知参数。

确定空间坐标变换矩阵后需进行静态检测，即通过经纬仪测量一些静态特征点的坐标，与CCD静态测量结果比较，计算静态定标的rms误差。若不满足精度要求，则重新定标直至满足。

静态定标后即可对特征点进行动态跟踪。其跟踪原理是基于面积的边沿提取跟踪算法?眼5?演。每部摄像机读取并确定其中两个特征点在CCD靶面的投影坐标，得到三特征点在摄像机中的六个投影坐标后，根据投影坐标的位置关系与特征点附近区域在靶面投影区域的相关性，确定每个特征点在其对应的两摄像机靶面的投影坐标，再采用双目定位法得到它们的世界坐标。例如摄像机3和1可同时对目标点a进行测量跟踪，摄像机1在t时刻采集到图像的左特征点at附近方形区域作为模板TRt，摄像机3在t时刻采集到图像的右特征点at附近方形区域作为模板TLt，实现两幅图的配准。然后分别以TLt和TRt为模板，在t＋1时刻两摄像机3、1采集的两幅图像中搜索有相似灰度值分布的TLt＋1和TRt＋1（如图3）。判断此两模板是否满足最大相关性，若满足，则认为两模板的中心点就是摄像机动态跟踪目标点的投影；否则继续搜索特征区域，直至满足。

两模板最相似需满足的最大相关性条件是：当

最小时，左右模板中的特征点匹配。

动态跟踪测量给出馈源舱三只索耳C1、C2和C3的直角坐标（x1,y1,z1），（x2,y2,z2）和（x3,y3,z3）。采用下述方法反算馈源舱的位置与姿态。因索耳均布在舱体底圆上（如图2），则底圆中心O1的直角坐标为：

xO1＝(x1＋x2＋x3)／3,yO1＝(y1＋y2＋y3)／3,zO1＝(z1＋z2＋z3)／3(4)

设舱体底圆中心O1与顶端O2的连线为舱体对称轴Z1的单位矢量k1，则:

其中C1C2、C1C3分别表示索耳C1指向C2和C3的矢量。所以馈源舱的方位角α与俯仰角γ为：

α＝arctank1y／k1x(6a)γ＝arccosk1z(6b)

3实验数据分析

为了准确得到定标的精度，采用检测发光二极管的方法。检测时间选在夜间，这样做有利于经纬仪精确地测量目标。表1给出了11个坐标检测结果（馈源舱速度2cm／s）。

表1定标检测数据

编号实际坐标测量坐标X向误差Y向误差Z向误差距离误差

15603，-3755，70775595，-3743，70718-12615.620

25503，-5946，77265497，-5940，77276-6-18.544

36603，-3747，61286593，-3738，612110-9715.166

46486，-5955，67186482，-5952，67194-3-15.099

54690，-3767，63944687，-3761，63923-627.0

64537，-6087，70974538，-6088，7104-11-77.141

76117，-4480，71506117，-4479，71510-1-11.414

84465，-4055，61834469，-4046，6180-4135.099

94467，-6084，67324454，-6089，67373557.681

104493，-3233，62154486，-3226，62207-7-511.091

114464，-5287，66784456，-5285，66718-2710.817

通过对测量数据进行分析可得到测量系统的rms误差为9．53463mm。

在测量范围内定标精度是毫米级。具体情况是X方向上的最大位置误差为10mm，Y方向上的最大位置误差为12mm，Z方向上的最大位置误差为7mm，很好地满足了初期实验模型定标精度为1．5cm的要求。

CCD范文篇4

1一般资料

我院现有OLYMPUS电子内镜系列共3套，使用这些仪器设备完成了内镜检查术、息肉摘除术、取异物术、止血术、狭窄扩张术等共8694例，其中胃镜8135例，肠镜559例。发生孔道堵塞39例，自行疏通32例，厂家疏通7例；角度钢丝断裂2例；外管龟裂2例。

2常见故障及原因分析

2.1送气、送水不畅送气、送水不畅是内镜使用过程中最常见的故障。OLYMPUS电子内镜出气、出水通道设计成“Y”型，出气、出水管道共用一个通道由喷嘴喷出，喷嘴呈扁平状，口径才几毫米，极易被黏液、血液、胃黏膜中的蛋白质凝固物所阻塞。

2.2CCD故障CCD是电子内镜的核心部分，是带有光电耦合元件的微型摄像系统。它将不同光谱及不同强度的反射光转变成电讯号，由电缆送入存贮器处理还原光讯号在屏幕上显示彩色图像[2]。CCD一旦损坏，直接导致图像不能显示而影响诊断，是内镜使用过程中最严重的故障。

2.2.1弯曲部橡皮的损坏弯曲部橡皮是插入部前端一长约10cm的部分，是由很薄的乙烯材料包裹成的。内镜的检查、清洗及消毒过程都是在液体环境下进行，当碰到锐利的物体和器械时易出现磨损的痕迹甚至划破，造成镜体漏液。镜体漏液会造成图像模糊，处理不及时就会产生永久性斑痕，甚至引起CCD的损坏。

2.2.2钳道管的损坏目前内镜下诊疗项目日益增多，而钳道管是诊疗器械的必经管道，频繁使用加上操作不当易导致钳道管内壁的损坏，影响镜体的密封性，导致图像模糊。

2.3导光束断裂导光束是内镜和光源装置的连接部分，其外层包有塑料套管。当环境温度与人体温度短时反差过大、昼夜温差过大、日光照射等都极易导致导光束断裂。

2.4操作部与弯曲部失灵弯曲部是由若干蛇骨节组成的蛇骨管，每对蛇骨节之间能做上下及左右四个方向的活动，在弯角钮及钢丝绳的牵引下，在轴向产生一个偏心力，引起弯角运动，并带动远侧的端部移动[3]。当角度调节动作过猛、用力过大、强行转动，容易导致钢丝绳被拉长或拉断，造成操控失灵。

3常见故障的预防及处理

3.1送气、送水不畅的检查方法将内镜放入清洗槽，让水没过镜头并送气，观察水泡大小。水泡越小说明堵塞越严重。

3.1.1当送气正常、送水不正常时，首先检查水路是否密封，如内镜与注水瓶接口连接是否完好、瓶盖是否拧紧、水位是否充足。如果以上均正常，此时应考虑主机的气泵是否有问题。

3.1.2当送气正常、送水口射出的水线不成一直线，有分散、变方向情况，说明有部分堵塞。应反复送气送水，再将酶洗液注入送气、送水管道，及时分解凝固的蛋白质，再用OLYMPUS公司配置的全管道灌流器冲洗即能疏通轻微的堵塞。

3.1.3当无水泡溢出时，说明孔道严重阻塞。只能由公司方维修才能解决，切不可自行用针类器具贸然行事，造成镜体漏气、漏水，轻则引起内部器件锈蚀，重则CCD受损导致电子内镜不能正常工作。

3.2为了及时发现弯曲部橡皮和钳道管的损坏而不至于损坏CCD，最好检查前进行漏水检测，以保持镜体的密封性。正确连接漏水检测器后，在清水中观察内镜前端橡皮管的膨胀，如无气泡，说明无渗漏；反之，则说明有渗漏，应尽快联系厂家维修。

3.2.1长时间的使用会出现弯曲部橡皮磨损的痕迹。因此，操作人员在进镜、退镜时应尽量减少与牙垫接触；在检查、清洗、消毒内镜的过程中不能将其碰到锐利的物品和器械，以免划伤弯曲部的橡皮。

3.2.2认真规范地清洗内镜，尽可能减少残留物滞留外表管，造成镜身材料老化龟裂。

3.2.3尽量减少对钳道管内壁的磨损。在送器械的过程中可先将镜身回直，待器械从管道孔送出后再调节角度，动作要轻柔，碰到阻力时不能强行插入。做内镜下治疗时器械应伸出钳道管≥2cm[4]，对准治疗目标再踏开关。

3.3操作者通过旋转镜身的方法，以减少对角度钮的调节。调节角度时应在“自由”状态下旋转角度钮，用力轻柔而均匀，并尽量缓慢扭动，避免暴力和过度弯曲。

CCD范文篇5

本仿真系统的模型定义为导弹打击飞机的过程，导弹从发射起，经过目标定位、目标识别、态势评估、威胁估计等。JDL三级多源信息融合模型[1,2]为军事领域的信息融合研究提供了一种较为通用的框架，得到了广泛的认可与采用。但是位置估计与身份识别无论从研究特点和所采用的方法都有很大的差别，把它们放在一级不合适。因此又提出了另一种信息融合的功能分级模型，如图1所示。第一级——位置级融合，针对实时获取的信息进行时间和空间上的融合，建立目标航迹和数据库，获得目标位置和速度。第二级——目标识别融合，它是指对来自多个传感器的目标识别数据进行组合，以得到对目标身份的联合估计。信源信息融合领域信源预处理第四级威胁估计第三级态势估计第二级目标识别第一级位置融合人机交互数据库管理系统支持数据库融合数据库图1多源信息融合四级模型第三级——态势估计，态势是一种状态，一种趋势，是一个整体和全局的概念。态势估计是对战斗力量部署及动态变化情况的评价过程，从而分析并确定事件发生深层原因，得到关于敌方兵力结构的估计，推断敌方意图、预测将来活动，最终形成战场态势图，提供最优决策依据。第四级——威胁估计，威胁估计的任务是在态势估计的基础上，综合敌方破坏能力、机动能力、运动模式及行为意图的先验知识，得到敌方兵力的战术含义，估计出作战事件出现的程度和严重性，并对作战意图做出指示与告警，重点是定量表示敌方作战能力，并估计敌方企图。多源信息融合可以在三个层面上与具体的技术相结合，即数据层融合、特征层融合、决策层融合[1,2]。信息融合的层次化模型如图2所示。制导武器信息融合系统是应用信息融合的基本知识，如：融合功能模型、层次模型、融合算法、以及融合知识库，对目标信息进行融合。目标信息这里我们主要考虑目标位置信息和目标身份信息。目标位置信息，包括目标三维坐标、速度等，应用贝叶斯估计、加权平均法、卡尔曼滤波法进行融合，而目标身份识别信息，包括图像信息和位置特征信息，应用贝叶斯估计、D-S证据理论、BP神经网络推理得到。多源信息经过数据层、特征层、决策层融合得到准确的目标信息，为态势评估与决策提供依据。制导武器多源信息融合系统可划分为三大部分，如图3所示。图3制导武器多源信息融合系统框架位置信息融合子系统是对目标位置信息进行融合。通过弹载GPS接收机、雷达、红外获取目标的位置信息，经过预处理、配准和数据关联，应用卡尔曼滤波、加权平均法等得到目标精确地位置信息。图像信息融合子系统是应用于目标识别部分的，对红外和CCD获取的图像进行融合，经过像素级、特征级、决策级融合，对目标进行准确的识别。信息融合理论有信息融合系统的模型和结果，主要包括功能模型、信息融合层次模型和多源信息融合算法。针对多源、异类数据特点，系统采用分层多级融合结构，将多源信息进行分类，在融合黑板完成多源的信息融合。多源信息获取由传感器来完成，本系统采用的传感器有GPS、雷达、红外和CCD等。GPS获取导弹信息，红外、雷达、CCD等获取目标信息，导弹与目标信息进行坐标系转换、滤波等预处理，然后进行航迹关联、目标识别。通过数据层、特征层和决策层融合得到准确的信息，为制导系统提供决策依据。整个系统的信息流程图如图4所示。黑板结构是专家系统常用的结构，也称为黑板系统，是一种多专家合作系统。适合于多源信息融合。黑板结构一般有知识源，黑板和控制机构三部分组成。黑板结构是系统中的全局工作区。它对于判断和解决问题提供了一个非常灵活的控制结构，黑板就是要把获取信息不同过程注解集合写在黑板上,然后再由黑板读出,其特征是具有一个共享的数据区，或者说黑板是作为存储信息数据和知识源集合的相互作用的共同媒体。融合知识库描述某个独立领域的知识和知识处理方法，每个融合模型可完成某些特定的解题功能，各融合模型之间相互独立，通过融合黑板进行交流，合作完成。

目标识别的融合算法分析

作为信息融合的一个重要研究内容，融合目标识别又称身份融合，根据目标识别理论，应用D-S证据理论在一维距离像和二维图像联合对目标进行识别。3.1目标识别概述目标识别理论经过多年的发展，识别方法多种多样，其中包括经典统计判决、主观Bayes推断、D-S证据理论模糊集理论、专家系统理论等。目标识别信息融合通常包含3.2D-S证据理论证据推理最初是由Dempster在1967年提出，用多值映射得出概率的上下界，后来由Shafer在1976年推广形成证据理论，成为D-S证据理论。下面介绍D-S证据理论基本知识[1,2]。D-S证据推理流程图如图6所示。

实例分析

应用红外成像和CCD图像融合结果对目标形状进行识别，同时根据GPS、雷达、红外等估计的目标速度和高度来综合识别目标。系统的特征值是目标速度，目标高度和目标图像边缘。选择按欧氏距离度量的方法来实现信任度分配。结合导弹打击目标的过程，应用D-S证据理论识别目标[5]。假设要识别的目标可能是为导弹和飞机两种目标类型，U为不确定性，目标识别框架为Θ={飞机、导弹、U}。系统使用红外和CCD融合后得到目标的图像信息，得到判断目标的证据1为图像。GPS、雷达、红外得到目标的速度和高度分别作为判断的证据2和证据3。通过目标匹配，由欧式距离法按照距离大小进行概率分配，得到需要的可信度函数mass函数。图7为目标库，图8为红外与CCD在相同时刻和空间获取的目标图片融合后的图片。经过与目标库匹配，得出与飞机相似的占0.6，与导弹相似的占0.2，剩下的分辨不出飞机或导弹。同理可以得出目标速度和高度的匹配概率。如表1所示。和证据2进行组合，然后计算不一致因子：k0.10.240.3412mmm0.696969,0.272727,0.030303第二次应用D-S证据理论，将组合结果和证据3组合，计算不一致因子：。k0.0820.3480.433mmm0.62766,0.36172,0.010638用D-S证据理论算法进行了信息融合。三种证据融合后计算得出的不一致因子K=0.43，可以看出目标为飞机的概率为0.62766，概率值最大，从而可以决策目标为飞机。同时可以看出U即不确定性的概率也下降到0.01638。识别结果不确定性概率从0.1下降到0.01638，同时使融合后的基本可信度函数值比融合前的基本可信度函数值具有更好的可区分性。本实验所用的机器是一台Intercore2CPU,2.93HZ,3G内存的WindowsXP系统台式机[7]，本实验等间隔时间采样，获取100组目标数据，试验中它们的平均识别时间以及准确率见表2。表2可以看出，本算法已经达到实时即识别时间小于67ms的要求，虽然D-S算法的用间稍微多一点，但是对于精确制导武器来说，准确识别是最重要的，所以它在满足实时的条件下，损失时间换取准确率，这是合理的。

CCD范文篇6

逆向工程(ReverseEngineering)作为一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八十年代末至九十年代初。当时首先由美国汽车龙头—福特汽车公司倡导的汽车“2毫米工程”对传统的制造业提出了前所未有的挑战。它要求将质量控制从最终产品的检验和检测，提前到产品的开发设计阶段。减小开发风险，降低开发成本，加快产品成功开发的周期。九十年代初在世界范围内掀起了所谓“先进制造技术及设备”的研究、开发热潮。

在计算机高度发展的今天，三维立体的几何造型技术已被制造业广泛应用于工模具的设计、方案评审，自动化加工制造及管理维护等各方面。而往往我们都会遇到这样的难题，就是客户给你的只有一个实物样品或手扳模型，没有图纸CAD数据档案，工程人员没法得到准确的尺寸，制造模具就更为困难。用传统的雕刻方法，时间长而效果不佳，这时我们就需要采用各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型。这就是所谓逆向工程(ReverseEngineering)。

逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及多自由度数控加工等多个环节。其中作为快速反求的发展则是由传统的接触式测量向快速非接触式测量逐步发展，特别是承受着“光机电一体化”技术的发展，结合了计算机、图像处理，激光技术以及精密机械的三维激光扫描机逐渐成为了反求工程的主流。而三维激光扫描从形式上又是从点扫描测量向线扫描测量、场测量发展的，其中线扫描测量与点扫描同样基于“三角法测量原理”，同时借助于高精度，高分辨率的面阵CCD图像采集系统，从而使其具有了与点扫描形式类似的高测量精度以及可与场测量方式媲美的高效率。另外，采用步进电机带动旋转平台，可以获取被测物体的全轮廓数据信息，能真正做到了采用三维扫描方式获取物体三维形状信息。

二、Laser-RE推出后的短短两年时间内，仅就珠江三角洲地区，Laser-RE就已销售近百余台，国内一些大型的企事业单位均先购了该设备，如：浙江大学、哈尔滨理工大学、重庆工学院、五邑大学、东莞理工学院、江苏金鼎集团等。销售量在国内名列前茅。所以说三维激光扫描机这个“旧时王谢堂前燕”，到今天才真正“飞入寻常百姓家”。在深圳、广州、东莞、顺德、宁波、温州、义乌、泉州、重庆等地涌现出很多以Laser-RE为革本设备的专业对外进行逆向工程反求处理的国营、个体设计服务中心。“对外激光抄数”、“对外激光三维测绘”在国内制造业内达到前所未有的热度，极大地推动了当地企业产品开发、设计的水平和减少开发周期，取得了很好的经济效益和社会效益。

三、Laser-RE三维激光扫描原理及应用：

三角法测量原理是目前光学测量应用最广泛，技术最成熟的方法之一。首先光源发生器发出测量学源泉(一般为激光点光源或激光线光源)探测到被测工件的待测表面，通过光学系统投影到线阵CCD或面阵CCD上位置，而作为基准面的用来标定系统的点，其投影位置为点，所以通过它三角关系，CCD上的长度即可计算得到工件的高度尺寸。

通过测量系统的测量运动(即扫描运动)就能将工件的全部外形尺寸得到。

三维激光扫描光源采用半导体激光器，它具有寿命长、功耗小且光刀窄等一系列优点。成像系统采用进口分辨率，高精度面阵CCD摄像机。

测量系统的扫描测试平台，采用三直角坐标直线运动和一维旋转运动的四坐标方案，实现对物体3600范围的三维形貌扫描测量。

Laser-RE三维激光扫描机已广泛地应用于机械设计与制造模具加工，电子与电器、家用电器、汽车、摩托车、玩具、医疗修复工程、艺术装饰品设计加工等。

CCD范文篇7

理及其被用于测距、测速、测角和姿态测量的具体实现方案。

关键词空间交会对接;激光雷达;激光应用;激光测量

在航天器与空间站的交会和对接过程中,一般将空间站称为“目标飞行器”,是被动的;将航天

器称为“追踪飞行器”,是主动的。交会对接过程分为如图1所示的三个阶段[1]。

图1交会对接飞行阶段的划分

追踪飞行器进入轨道后,在GPS导引和地面的遥控下,在距离目标飞行器约100km处捕获到

目标飞行器,并开始确定测量信息和与目标飞行器建立通信联系,转入自动寻的阶段。可见,飞行器

要进行空间对接必须先进行交会(100km～10m),然后进行对接(10～0m)。空间交会对接不仅

在理论上,而且在技术上都是相当复杂的。特别是交会对接测量系统和敏感器的研究在当前和今后

一段时间都是一个关键研究课题。

自主交会对接范围为100km～0m,国外通常的做法是采用微波雷达(100km～200m)、激光雷

达(20km～10m)、光学成象敏感器(200～3m)和对接敏感器(10～0m)四种不同敏感器完成全过

程交会对接测量任务。虽然这些敏感器在一定程度上互为备份,提高了测量系统的可*性。但是这

种测量系统结构复杂,在目标飞行器还必须装有应答机。为了捕获目标飞行器和测量相对姿态,一

般还装有多部天线,整个测量系统敏感器种类多、投资大,设备比较复杂,重量和体积较大,功耗较

高。所以美国、俄罗斯、欧洲空间局及日本等都在发展激光交会雷达,其中特别发展用于几十km至

0m的复合式激光雷达。这种交会雷达测量精度高、功耗小,体积也较小。

本文从理论和实验两方面入手,研究空间交会对接中的激光交会雷达系统,揭示应用于此领域

的微波和激光交会雷达的优缺点和差异,有助于系统的研制和提高交会对接的可*性。

1国外研究概况、水平和发展趋势

美国在60年代初期首次为“双子星座计划”研制微波交会雷达,作用范围为450km～150m,可

以测出目标航天器的方位角、仰角和距离与速率,并可以数字形式送入导航计算机。在阿波罗飞船

进行登月舱和指令服务舱交会对接时,采用X波段单脉冲比幅连续波雷达。美国航天飞机的交会雷

达是Ku波段脉冲多普勒雷达,并且具有通信收发功能,以时分方式工作。70年代美国成功研前已

经在进行激光交会雷达和光学敏感器等自主交会对接测量设备的研制。前苏联交会对接测量系统

基本上采用无线电测量设备———微波雷达,有时也采用闭路电视系统,能在屏幕上给出前方飞行器

沿滚动轴的方向图像。为使对接系统更加完善,并且具有更高技术性能,前苏联也将激光技术用于

空间交会对接,重点发展激光交会雷达。欧洲空间局虽至今尚未实现在轨交会对接,但从80年代初

就开始研究自主交会对接测量技术和敏感器,其中中短程采用激光雷达,目前正在研制激光交会雷

达。80年代后期日本也开始研制交会对接测量系统和敏感器,主要是扫描式激光雷达。可见,微波

雷达作为远距离交会测量手段比较适合,而在中近距离上采用激光交会雷达则优于微波雷达。

由于近期激光技术的继续发展,采用大功率半导体激光器和改进扫描机构性能,提高跟踪精度

以及在目标飞行器上设置协作目标,从而使复合式激光雷达作为交会对接全过程的测量敏感器成为

了可能。目前这些敏感器大部分还在试验和研制阶段。

表1给出了80年代以来交会对接激光雷达敏感器一览表。

表1激光雷达在空间交会对接中的应用一览表

系统名称报道时间作用距离工作方式

激光对接系统美国约翰逊空间中心1986

年报道

远距离

22km～110m

近距离

100～0m

CW半导体激光器作为光源,光

电二极管作为接收器件,检流计

式扫描装置,姿态测量由PSD和

Wallstion棱镜来完成

多目标和单目标定

向敏感器

NASA1986年报道

多目标100～6m

单目标测量6～0m

析象管为接收器件,相位式测

距,远距离用析象管测角

用于空间交会对接

的扫描激光雷达

日本东京宇航研究所1987

年报道

远距离

20km～200m

近距离

200～0m

CW-GaAlAs激光二极管作光

源,硅APD构成四象限检测器

用作接收器件,利用相位法测

距,用检流计扫描装置

用于自主交会对接

的光电敏感器

德MBB公司1983年报道

20km接近CW-GaAlAs半导体激光器作为

光源,硅APD作接收器件,检流计

扫描装置,姿态测量由CCD完成。

用于交会对接跟踪

激光雷达

日本电气、三菱电机公司

1989年报道

30km～0.2m

近距离CCD成象

GaAs激光二极管,四象限检测

器和CCD成象,音频测距。

交会对接光学敏感

器系统

日本NASDA公司1995年

报道

600～0.3m半导体激光连续测距

CCD成象

有源传感器用于空

间交会对接[2]

美国NASA

1997年报道

110～0m

仰角±8°

方位角±10.5°

850nm半导体激光器脉冲照射,目

标安装角反射器,CCD成象检测。

目前美、俄所实现的空间交会对接都需要宇航员的手动介入,而在未来的许多太空任务如卫星

服务计划、空间站自动补给、深空探索、无人飞船等,则需要无人式的自主交会对接[3]。因此美、俄、

日及欧洲空间局都在发展自主自动交会对接测量系统,特别是复合式激光雷达测量系统。

80年代以来,我国激光雷达技术获得了显著的发展,取得了许多科研成果,基本建立了激光测

距、测速、定位和成像等理论模型和实验系统,完全可以将激光技术应用于我国不久将进行的无人自

主空间交会对接。

448电子科技大学学报第28卷

2激光雷达在空间交会对接中的应用

在实际的空间交会对接中,当相对距离大于100m时,航天员可通过机载微波交会雷达和潜望

镜来获得两航天器之间的相对位置。随着两航天器的逼近,当相对距离小于100m时,由于硬件的

限制,微波雷达不能为最后逼近提供足够精度的测量信息。由于激光本身的波束窄、相干性好、工作

频率高等优点,激光雷达能在交会阶段直到对接的整个过程(20km～0m)中提供高精度的相对距

离、速度、角度和角速度的精确测量,因此它既能用于目前的自动寻的、接近和最后的手动逼近操作

过程,又能为未来无人交会对接任务提供自主导航的扩展功能。

2.1激光雷达系统的组成

激光雷达一般由下列部分组成:激光源、发射与接收光路、信号处理、扫描跟踪机构、目标反射器

和检测器等[4,6]。激光雷达系统的组成如图2所示。

图2激光雷达系统

扫描跟踪机构可完成大角度的光束偏转,从而使雷达能在较大范围内扫描、捕获、最后跟踪目标

飞行器。这种机构大都由两自由度框架组成,框架上固定了反射镜,使光束偏转。由于偏转对象是

光束,所以机构可作得十分精巧、细致,不象微波雷达随动跟踪天线那样笨重复杂。

目标反射器安装在目标飞行器上,一般用角反射器三个相互垂直的反射镜组成),从而使目标反

射器将雷达天线射出的光束按原方向反射回去。此时目标的位置和姿态信息由激光雷达光学接收

天线接收,然后进行检测和数据处理。

2.2在空间交会对接中的激光雷达工作原理

激光雷达的测距、测速和测角原理与微波雷达基本相同[6]。因此用于空间交会对接的激光雷达

包含连续波测距器和位置敏感器两个部分[4,7]。这两部分通过共用光学装置混合起来,其光学系统

工作原理和传输波形如图3所示。

图3距离敏感器的工作原理

用激光二极管分别发射测量距离和位置

的激光光束,经极化混合光学系统,进入目标

反射器,然后光束再反射出来,经分光到距离

和位置接收器。为了区别测距和测位置信

息,分别把光信号调制在f1和f2,其中测距

工作频率f1为几MHz到几百MHz,可以利

用边带频率的相位延迟之差测距。图4为其

实现结构图。

第4期杨春平等:激光雷达在空间交会对接中的应用449

图4距离敏感器技术实现结构

图中PD1、PD2和PD3为光电二极管,它

们把光信号转变为电信号。PD1检测连

续波测距基准信号,PD2检测目标反射器

反射回来的信号,两个信号相比可得出相

位差。

激光雷达比较可*和精确的测速方

法是测量回波信号的多普勒频移。该方

法有两种,第一种要求发射的激光束用几

kHz～1GHz的频率f0去调制,回波信号

的多普勒频率fd由下式表示

fd=

2v

c

f0

式中c为光速;v为距离变化率;f0为调制频率。只要测出fd,利用公式v=fdc/(2f0)即可测量

目标飞行器的相对速度,由于调制技术限制,此方法测量灵敏度不高。第二种方法采用激光光频的

多普勒频率,即上式f0用激光频率来代替,则可以进一步提高灵敏度和测速精度(优于1mm/s)。

激光雷达对目标的角跟踪可采用圆锥扫描法和单脉冲法。激光雷达向目标飞行器发射激光信

号,经目标反射回来,通过光学系统投射到四象限光电探测器上。如果目标反射回来的光信号与测

量光轴有一角偏差,则投射在光电探测器上的光斑在四个象限上的面积不同,经处理后得到相应角

误差信号,从而得到两个飞行器的相对方位角和仰角。

现在,激光雷达也能用于最后的手动逼近和对接阶段,此时主要用来测量相对姿态。激光测距

技术比较成熟,但是激光测量姿态角是一项技术难点。在近距离(约100m)一般采用光学成像敏感

器实现。

光学成像敏感器由安装在追踪飞行器上的成像装置(如CCD摄像机、红外摄像机)和安装在目

标器上的特征光点(如激光二极管或无源光点角反射器)两部分组成。根据安装在目标飞行器上特

征光点的数目和位置,有以下方法:1)三个特征光点在目标飞行器对接口平面内成等腰直角三角形

排列;2)三个特征光点在目标飞行器对接口平面内成等边三角形排列;3)三个特征光点在与目标飞

行器对接口垂直的平面内成等边三角形排列,其中一个安装在对接轴上;4)四个特征光点在目标飞

行器对接口平面内成正方形排列;5)四个特征光点,其中三个特征光点在目标飞行器对接口平面内

成等腰三角形排列,另一个安装在对接轴上[5];6)五个特征光点,其中四个特征光点在目标飞行器

对接口平面内成正方形排列,另一个安装在对接轴上;7)三个不在一条直线上的特征光点在目标飞

行器对接口处根据需要任意布局。

根据1997年NASA报道[5],美国马歇尔太空飞行中心用于近距离的自主交会对接系统的激光

雷达测量相对姿态的主要方法是直接照射法:在激光雷达上安装CCD照相机(响应波长为800nm

和850nm),采用宽发散角(29°)的800nm和850nm脉冲激光光束直接照射按照5)方式排列在目

标飞行器上的边角反射器阵列(吸收800nm,反射850nm),然后根据CCD相机上成像的光点或图

像,经数据处理成为相对距离和姿态[2]。随着CCD面阵的像素增多,数据处理和软件的改善,这种

方法可以获得较高精度。

影响光学成象敏感器姿态测量精度的主要因素有:1)特征光点数目和布局:原则上光点数目越

多和光点与摄像机构成的体积越大,测量精度越高;2)摄像机数目和安装位置:从原理上说摄象机

数目越多,测量精度越高。但通常采用双摄像机已足够,此时可以克服光点本身位置安装带来的误

差和避免算法多解。另外,从空间设备量来说,减少设备总会受到总体设计师的欢迎;3)镜头焦距

与几何失真、图像采集A/D误差与靶面分辨率和成像中心定位误差;4)不同算法与算法数值误差也

是影响测量结果的一个重要因素。

450电子科技大学学报第28卷

国外大量实验表明:相对距离越长,姿态测量误差越大;在长距离(>10m),测量姿态精度比测

量距离精度高;在短距离(<10m),测量距离精度比测量姿态精度高。

3结束语

激光雷达在空间交会对接应用方面,不仅可以作为远距离交会测量手段,也可以作为近距离交

会对接敏感器。与微波雷达相比,它具有以下特点:1)窄波束:用实际可实现的天线孔径,可得到极

窄的激光波束,从而提高测角分辨率;2)大宽带:高的工作频率使激光雷达能获得大信号带宽,从而

提高测距的精度和测角分辨率。3)测速灵敏度高:因激光雷达工作频率高,从而提高了多普勒测量

的灵敏度;4)固态化:采用固体激光器可获得高可*性,可使体积小、重量轻和功耗低;5)可以比较

方便地测量飞行器的相对姿态角。

另外,激光雷达还可以做到无机械运动机构,同时在空间基本上没有无线电传输损耗和衰减等。

因此激光雷达比较适用作为空间交会对接敏感器,特别在中、近距离更为突出。

参考文献

1林来兴.空间交会对接.北京:国防工业出版社,1995

2HowardRichardT.,ColeHelenJ.Automaticrendezvousanddockingsystemtestandevaluation.SPIE,

1997,3065:9～131

3林来兴.一种用于交会对接全过程的测量敏感器———复合式激光雷达.航天控制,1992,4:41～47

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5PhilipCalhoun.Asolutiontotheproblemofdeterminingtherelative6DOFstateforspacecraftautomated

rendezvousanddocking.SPIE,1995,2466:175～184

6吴健.激光雷达—机遇与挑战.电子科技大学学报,1994,23(增):1～7

7林来兴.自主交会对接测量系统和对接敏感器.航天控制,1991,4:40～45

ApplicationofLaserLadarinSpaceRendezvousandDocking

YangChunPingWuJianHeYi

(Inst.ofAppliedPhysics,UESTofChinaChengdu610054)

ZhangWei

AbstractInthispaper,theapplicationoflaserradarinspacerendezvousanddockingis

introduced,Theprincipleofhowalaserradarworksasarendezvousdetector,andthewayitis

implementdeindetectingrange,speedandanglearediscussed.

CCD范文篇8

条码阅读器工作原理和种类

工作原理要将按照一定规则编译出来的条形码转换成有意义的信息，需要对条码经历扫描和译码两个过程。物体的颜色是由其反射光的类型决定的，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器器光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信行业曲线linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2020.19.014可替代度影响力可实现度行业关联度真实度号，转换成相应的电信号。分类和特点条码阅读器按应用环境主要分为固定式条码阅读器和手持式（移动式）条码阅读器，按扫码方式又可分为CCD、激光类型、面阵相机类型以及线性相机类型，扫描条码都分为两个步骤：扫描和解码。目前主流的扫描方式主要有激光扫描和相机扫描，解码则是各个品牌扫码器最核心的技术，解码速度和正确率将直接影响扫码器的性能。CCD：电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器，是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD扫码器以CCD作为光电转换器，LED作为发光光源的扫码器。CCD扫码器最大的特点就是体积小，成本较低，一般做嵌入式扫描，但是与激光式和相机式相比，扫描距离较短。激光扫码器：以激光作为发光源的扫码器，激光扫码技术较为成熟，扫码距离远，扫码稳定，扫码速度快，可配备在高速设备上移动扫码。相机式阅读器：通过相机镜头拍照实现对条码的扫描，能应对复杂工作环境，视野广、速度快，解码成功率极高，最大的优点就是可以同时兼顾扫描二维码。相机式扫码器分为面阵式和线阵式，面阵式相机应用面较广，还可应用于面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量，线阵式相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理，典型应用领域是检测连续的材料（金属、塑料、纸等）。条码识别器的特点是速度快、适应环境能力强、精度高、智能化程度高、便于进行数字化处理，是自动化物流技术在医药仓储物流中应用的重要工具和手段。

条码阅读器在医药仓储物流自动化技术中的应用

移动式扫码器（手持扫码器）杨扬荀耀文杨磊扬子江药业集团江苏龙凤堂中药有限公司条码阅读器在医药仓储物流自动化技术中的应用目前移动式扫码器基本都为手持扫码器，大部分应用的手持式扫码器都为一维条形码阅读器，类似商场、超市里边的扫码枪。在医药仓储物流中主要是应用在移动扫码中，主要有以下几种业务情形：组盘：原辅料、包材由供应商通过大货车送货到达时，安排人员进行堆码完成后，保管员用RF手持终端（手持式扫码器）完成物料信息与托盘条码绑定，完成到货物料入库前的组盘操作。另外在原辅料、包材配盘、成品拣选、库存盘点、空托盘组入库以及其他一些特殊情况下，都通过手持扫码器完成信息的查询、修改，通过这种移动式扫码可完成在货车车厢、卸货大厅以及被WMS网络覆盖的任何地方完成扫码和信息确认，极大降低了人工手动录入条码，计算机手动填入信息的人力物力的损耗，具有极大的便利性。固定式扫码器固定式扫码器最大的优点就是高度自动化，不需要人工参与，通常装配在物流线上，通过给定信号自动扫描解码上传给上位系统，完成信息的获取和修改，是整个自动化系统智能识别的关键所在。在医药仓储自动化物流中，固定式扫码器一般选用激光条码阅读器和面阵式相机，主要应用在以下几种业务情形：（1）整托盘入库过程入库时，将信息组盘后的实托盘搬运放到入库站台（叉车或机器人码垛），启动入库流程。实托盘在站台上首先进行外形检查，外形合格，继续输送，接着进行固定条码识别器扫描条码，再进行地上衡称重。若是条码检测、外形检测、称重中全部合格后入库。在此过程中，扫码器扫描的都是载体条码（托盘条码），基本都为一维条形码，且条码尺寸较大，可选用单线程激光扫码器，价格便宜，稳定性较高。对于一些特殊环境，扫码空间和距离的限制，可选用CCD条码阅读器，安装空间小；部分潮湿工作环境或托盘条码粘贴处容易变形，导致条码不在一个平面或条码容易破损的情况下，应选用面阵式相机，提高扫码成功率。（2）成品箱实箱入库成品通过件箱线自动入库，处理流程有以下几个重要步骤：1、各制剂车间的成品通过车间后包装线下线经物流线扫码器扫描药品追溯码，并将药品追溯码与产线信息进行绑定保存至WMS数据库中；2、扫码合格的成品经过车间合流提升机提升至连廊件箱线上合流输送汇聚到仓库；3、合流至仓库的成品再通过条码识别器扫描成品追溯码，上传到WMS系统数据库进行比对，识别出该品种是哪个车间哪条包装线生产的何种批号的产品，然后根据WMS单据信息分配缓存道，不同的批号产品进入各自的缓存道，再通过一系列的输送设备到达机器人码垛工位，由机器人将成品码垛并送入高架库存储，真正实现了成品的无人周转。全过程每一箱成品药品追溯码都要被扫描4次才能顺利进入机器人码垛通道，任何一个扫码环节失败都会将成品进行剔除人工处理。我公司使用的药品追溯码条码有效高度不足1cm，且各个制剂车间后包装线贴码高度不完全相同，且前后方向不一致，条码经过长距离输送线输送难免不出现剐蹭磨损的情况，从而增加扫码的难度，所以该种情况下，对固定式扫码器的自动扫码要求也比较高，应选用多线程摆经式激光扫码器或者面阵式相机，且都应尽可能选择广视野、大景深、超高速的扫码器。其他情况制药企业仓储物流中条码除了一维条形码外，还有正兴起运用的二维码。比如目前国家助推的饮片、保健品等基本都用上了二维码进行溯源，二维码相比一维码能存储更多的信息，还能进行加密处理，应用范围将会越来越广。但对于二维码的扫码识别，目前激光扫码器暂不支持，只有相机式扫码器支持二维码的扫描和解码。所以对于国家大力推广的溯源系统，二维码会是将来溯源系统条码的发展重点，新改造和扩建的医药仓储自动化物流系统应采用面阵式相机以及相机式移动扫码。

CCD范文篇9

关键词逆向工程；双目立体视觉；立体匹配；彩色点云

1引言

通过二十年的发展，逆向工程已经取得了很大的进展，在模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面发挥了重要作用[1]。但是，随着网络技术的蓬勃发展，在多媒体、游戏业、动画业、医学以及古文物和艺术品的数字化等方面，目前的单色三维逆向技术已不能满足需求，在这种情况下，彩色三维数字化和数据处理系统开始蓬勃发展，三维彩色逆向工程技术成为逆向工程研究中非常活跃的一个分支。

2系统组成

逆向工程中的测量系统分为接触式测量和非接触式测量，由于非接触式测量有着众多优点，是现在逆向工程测量系统研究的重点，目前普遍使用的是单色结构光测量系统，它采用两个黑白CCD摄像机，从不同角度得到待测物体的二维图像，利用双目视差原理，获得待测物体的深度信息。由此得到物体表面各个点的三维坐标[2]。

在当前单色非接触式结构光测量系统的基础上，采用彩色CCD摄像机，运用彩色信息提取技术，得到三维物体的彩色信息(R，G，B分量)，再与物体表面点的空间坐标匹配，从而得到物体表面点的六维信息(X，Y，Z，R，G，B)，生成彩色点云文件，为三维彩色模型重构提供数据基础。

系统主要组成部分(参见图1)：

①彩色CCD摄像机；②三维标定靶；③编码光栅投射装置；④图像采集卡；⑤PC机。

测量系统的采集部分由一个编码光栅投射器和两个彩色CCD摄像机组成，投射器固定于中央，两台摄像机分布于两侧。首先，投射器直接投射面结构光栅到测量物体表面，两侧的彩色CCD摄像机摄取物体的二维图像，接着，关闭投射器，在自然光照明情况下，由左右摄像机摄取测量物体二维彩色图像。摄像机采集的信号经采集卡转换后进入PC机进行后续处理。

其中：，f为摄像机的有效焦距，dX，dY为像素之间水平和垂直方向的距离，(u0，v0)为主点在计算机图像坐标系中的坐标，R为3×3旋转矩阵，t=(tx，ty，tz)T为平移矩阵，标定的结果就是得到上述几个参数。

对于摄像机标定的方法，现在研究的比较成熟，其中Tsai(1986)提出的基于径向约束的两步法[4]是研究的重点，本文基于Tsai的RAC两步法完成摄像机的标定，设左摄像机位于世界坐标系原点，且无旋转，右摄像机相对世界坐标系的旋转矩阵，平移矩阵T=(Tx，Ty，Tz)T，通过RAC两步法求出左右摄像机的内外参数。

3.2采集表面点六维信息(XwYwZwRGB)

在左右CCD摄像机分别获得三维物体的二维彩色图像后，关键是如何通过匹配得到物体的三维信息和彩色信息。

1)三维信息的获取

目前，立体匹配的算法主要分为两大类：区域匹配和特征匹配[5]。区域匹配对图像中各像素点周围的图像子区域进行灰度相关运算，通过相关值来确定匹配关系，这种匹配可以得到密集的视差图，但这种算法存在①计算量大，速度慢。②匹配窗口大小选择困难。③对仿射畸变和辐射畸变敏感等缺陷。特征匹配通常选择边缘、角点等特征点作为匹配点，因此特征匹配算法①匹配速度较快。②特征匹配精度较高(亚像素级)。但这种算法只能得到稀疏视差图。综合上述两种方法的优缺点，本文采用混合算法，即分步利用特征匹配和区域匹配两种方法进行匹配。

基本步骤是：

(1)对左右两个彩色CCD摄像机获得彩色二维图像(BMP)进行灰度化处理，并进行必要的图像预处理[6](均值滤波、高斯滤波、直方图均衡化、拉普拉斯锐化)消除噪声。(2)特征匹配需要特征点，采用如图3所示的Sobel算子对左右图像进行卷积运算[7]，把图像像素点梯度▽f(x，y)大于某一选定阈值的点作为边缘特征点，得到待测物体的左右边缘特征点图。

(3)采用双向匹配法[8]对左右边缘特征图中的边缘特征点进行匹配，首先选取左图中的边缘特征点，根据灰度、梯度、方向、极线等约束条件，和右图中的特征点匹配，然后再选取右图中的边缘特征点和左图中的特征点匹配，最后选择双向都是最优匹配点的点对作为最终匹配点，得到边缘特征点的视差图。

(4)上一步骤只是得到边缘点的稀疏视差图，为了得到密集的视差图，需要对大量非边缘点进行区域匹配，步骤⑶得到边缘特征点实际上把左右图像分割成许多小区域，这就大大缩小了区域匹配的搜索空间，从而提高了匹配的效率和准确程度。左图中一点m(i，j)，在右图中找其对应的匹配点，使用M×N的相关窗口，使窗口位于m处，在右图中，在同一条水平线搜寻匹配点n，使用协方差系数[9]来衡量m，n之间的相似程度，最终找到最佳匹配点。

(5)通过上面四个步骤，可以得到待测物体表面各个点P在左右摄像机图像上映射点(Pl，Pr)的对应关系，以及左右两个映射点的图像坐标Pl(Xl，Yl)，Pr(Xr，Yr)，由标定得到的有效焦距fl，fr以及旋转矩阵R和平移矩阵T进行计算，可以得到待测物体表面各个点的三维坐标(Xw，Yw，Zw)。

计算公式如下：

2)彩色信息获取

本系统采集的二维彩色图像为24位的BMP文件，位图文件头BITMAPFILEHEADER为14字节，位图信息头BITMAPINFOHEADER为40字节，不具有调色板，参见图4。对于BMP文件，实际位图数据区每三个字节表示一个像素点的RGB信息(按BGR顺序排列)数据是从下到上，从左到右排列的，且图像每一行像素所占的字节数必须是4的整倍数(如不足，需补齐)[10]。

图4BMP文件结构示意图

设BMP文件的大小(字节)为SIZE，图像上某点p(u，v)。点在文件中的字节位置为POS，则：

已经得到物体表面点P的三维坐标(Xw，Yw，Zw)，以及点P在左右摄像机图像上映射点Pl(ul，vl)和Pr(ur，vr)的对应关系。使用VC中的三个宏，GetRValue、GetGValue和GetBValue，从左右图像中读取像素点Pl，Pr的RGB分量。

综合两者(点Pl，Pr)的颜色信息，就是物体表面点P的颜色信息(RGB)，至此，可以确定物体表面测量点的六维信息(XwYwZwRGB)。此外，标记出左右彩色图像的颜色边缘点，作为后续数据精简时的约束条件(颜色边界点不能精简掉，否则重构模型的颜色边界模糊)。

3)彩色点云的生成

由被测物体表面测量点的六维信息，生成ASCII格式的彩色点云数据文件，格式如下：

点数

65536

序号XYZRGB

020304025500

130405002550

……

最终，ASCII格式的彩色点云文件经数据接口转换，生成逆向工程软件支持格式的文件，完成三维彩色模型重构。

4结束语

目前，三维彩色逆向技术正在蓬勃发展，本文在单色非接触结构光测量系统的基础上，采用彩色CCD摄像机获取测量物体的彩色图像，综合运用机器视觉和图像处理技术，为获得测量物体的彩色点云数据提供了一种方法，也是对三维彩色逆向工程技术研究的一种有益尝试。

参考文献

[1]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003：26-65

[2]徐红兵，任乃飞.ATOS流动式光学扫描仪的工作原理与系统标定[J].工具技术，2006年第40卷

[3]张广军.机器视觉[M].北京：科学出版社，2005：24-17

[4]ROGERY.TSAI.AVersatileCameraCalibrationTechniaueforHigh-Accuracy3DMachineVisionMetrologyUsingOff-the-shelfTVCamerasandLenses。IEEEJOURNALOFROBOTICSANDAUTOMATION[J]，VOL.RA-3，NO.4，AUGUST1987

[5]徐奕，周军，周源华.立体视觉匹配技术[J].计算机工程与应用，2003.15

[6]李弼程、彭天强，彭波等.智能图像处理技术[M].北京：电子工业出版社，2004：61-95

[7]周长发.VisualC++图像处理编程[M].北京：电子工业出版社，2006：290-293

[8]刘正东，孙权森，杨静宇.基于特征约束及区域相关的体视匹配方法[J].计算机工程与应用，2003.34

CCD范文篇10

关键词：标定（calibrate）校正放射性失真畸变虚拟相机

在应用机器视觉进行检测或测量时，要得到精确的测量值，需要相机CCD平面和实际检测或测量零件的表面相平行。否则，将发生透视性失真，从而很难保证精度。相机CCD与零件表面的平行通常通过人工调整夹具来保证。但是，调整夹具不可能完全保证平行，而且需要耗费很长的时间。

相机所拍摄图像的坐标系并不是用户实际需要的坐标系，因此需要将坐标系转换成用户需要的坐标系。

机器视觉软件Sherlock利用标定很容易修正仿射性失真引起的畸变，并可方便的进行坐标变换。

1相机标定工作原理

相机标定就是将相机像素坐标系转换成用户实际测量或检测所需要的坐标系，使虚拟摄像机以真实单位进行精密测量。

Sherlock的相机标定利用了透视算法进行标定。每一次失真的类型都不一定相同，透视校正算法将对仿射变换和线性透视畸变进行补偿，特别是当摄像机平面和物体平面不平行的时候，图像中物体的直线仍然是直的，但是平行线不再平行（如图1，透视失真），标定将补偿仿射变换和少量的非线性畸变。

Sherlock的相机标定方法是在一个虚拟相机中利用四点坐标系函数来建立四点的位置。这样，根据相机中的四个点的位置同实际坐标的关系，Sherlock可以通过内部数学转换进行坐标变换，来校正仿射性失真或由于比例、偏移和旋转（倾斜）引起的变化。

当摄像机传感器平面和物体平面之间存在一个角度时，透视畸变就会发生。此时棋盘上的正方形看起来像梯形。透视畸变的数学公式如下：

u=(ax+by+c)/(hx+hy+I),

υ=(dx+ey+?)/(gx+hy+i)

（x,y）是摄像机或物体平面上的坐标，（u,v）是另一个平面上的转换坐标。A,b,c,d,e,f,g,h和I是透视畸变算法从内部取出用于转换每个要求点的转换参数。

2相机标定的步骤

图2是标定主页图。相机标定的一般步骤如下：

（1）建立一个子程序（Insert|Subroutine）。

（2）在策略窗口树的顶部双击子程序图标，Sherlock显示子程序编辑对话框。

（3）编辑子程序，选取“ExecuteDuringCalibration”点击OK按钮保存并且退出。

（4）创建一个虚拟相机（Insert|Subroutine）。

（5）通过使用菜单命令（Stakeout|Options）显示默认的相机坐标栅格，在坐标栅格下方选择“Lines"，然后点击OK按钮退出对话框。

图2

（6）将一个已知尺寸的零件作为标定块放置在相机的视野范围内。

（7）在虚拟相机窗口，选择零件上的四个特征点作为标定点。

（8）在子程序中插入公式（fromular）。编辑公式，将四个特征点的坐标作为公式的输入值，选择标定（calibrate）函数。

（9）编辑标定（calibrate）函数的参数，输入四个标定点的实际坐标值。

（10）再次选择菜单命令（Investigate|Calibrate），将出现新的坐标栅格。可以在Stakeout|Options中改变栅格大小。

（11）对其他零件进行测量，测量的结果将是实际测量值。

3单个相机多个标定

Sherlock的标定在同一个测量平面内是有效的。如果用一台相机对多个平面的尺寸进行测量，那么就需要进行多个标定。如图3所示，用一台相机测量Ф5和Ф10尺寸，如果相机从上面拍摄，由于两个平面距离相机的远近不同，所以两个平面在所拍摄的图像中对应的比例也不同，如果对Ф10的平面进行标定，则Ф5的平面上测量的结果就不准确，同样，对Ф5的平面进行标定，则Ф10的平面上测量的结果就不准确。Sherlock可以对同一相机产生两个多个虚拟相机（stakeout），在该图中可以利用两个虚拟相机（stakeout），分别对Ф5的平面和Ф10的平面进行标定，这样就能得到精确的结果。