一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统及方法，涉及一种运动目标外形尺寸在线测试系统及方法，属于光电测试领域。本发明专利技术公开的在线测试系统包括激光雷达成像系统和线阵图像传感器成像系统，测试目标为超高速运动圆锥体目标。所述的激光雷达成像系统包括电路板、激光器、透镜系统、APD阵列。所述的线阵图像传感器成像系统包括分光镜、光学系统和双线线阵图像传感器。本发明专利技术还公开一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试方法。本发明专利技术要解决的技术问题为：实现对超高速运动目标外形尺寸测试，并且能够消除由于超高速运动导致的测量误差，提高测试精度。所述的目标指圆锥体目标。

Ultra high speed moving target shape dimension photoelectric on-line measuring system and method

The invention discloses an ultra high speed moving target contour photoelectric online testing system and a method, in particular to an on-line measuring system and method for the shape dimension of moving objects, belonging to the field of photoelectric testing. The on-line testing system disclosed by the invention comprises a laser radar imaging system and a linear array image sensor imaging system, wherein the test target is a super high-speed moving conic target. The laser radar imaging system comprises a circuit board, a laser, a lens system and a APD array. The linear array image sensor imaging system comprises a spectroscope, an optical system and a two-wire linear array image sensor. The invention also discloses a photoelectric on-line test method for the contour size of an ultra high speed moving target. The technical problem to be solved by the invention is to realize the testing of the contour dimension of the ultra high speed moving target, and to eliminate the measurement error caused by the ultra high-speed movement and to improve the testing accuracy. The target refers to a cone target.

【技术实现步骤摘要】
一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统及方法
本专利技术属于光电测试领域，涉及一种运动目标外形尺寸在线测试系统及方法，特别是涉及一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统及方法。
技术介绍
随着图像传感器技术的发展，在光电检测系统中利用图像传感器作为探测器件对物体外形尺寸非接触测量的技术得到了越来越广泛的应用。按照图像传感器的维数，测试方法可分为面阵图像传感器和线阵图像传感器两种。两种方法具有响应速度快、精度高的优点，目前都已被广泛地用于多种目标的高精度、高速度的在线检测领域。随着目标运动速度的增加，对于超高速运动目标外形尺寸的测量，需要更加实时、快速的在线测量。由于面阵图像传感器的积分时间和曝光时间长，在一帧图像内，可能存在着目标不在成像视场内的情况，进而导致难以对超高速运动目标外形尺寸进行测量。相对于面阵图像传感器，线阵图像传感器呈一维线性排列，该物理结构使其具有以下特点：(1)像幅大。由于线阵图像传感器只有单列像素，因此可以做的外形尺寸很长，在像面上表现为像素数大；(2)成像频率高。线阵图像传感器由于只有单列像素，具有更高的成像频率，目前最高可达到200kHz，特别适合超高速运动目标的成像；(3)数据传输量小。面阵图像传感器的帧速较慢，而且每帧的图像很大，帧与帧之间存在着大量的冗余数据，制约了测量的实时性，而线阵图像传感器数据传输量较小，能够满足实时性要求。为此，对于超高速运动的目标，需要借助像幅大、成像频率高、数据传输量小的线阵图像传感器实现外形尺寸的在线测量。然而，目前的线阵图像传感器测量外形尺寸的方法，大多数是在已知的物距下完成的，即在物距已知的条件下，利用数学表达式解算出外形尺寸。当物距发生改变时，其外形尺寸也将发生变化。同时由于目标的超高速运动，现有的测量方法存在着测量误差，导致测得的外形尺寸并非真实的目标外形尺寸。
技术实现思路
本专利技术公开的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统及方法要解决的技术问题为：实现对超高速运动目标外形尺寸测试，并且能够消除由于超高速运动导致的测量误差，提高测试精度。所述的目标指圆锥体目标。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统，包括激光雷达成像系统和线阵图像传感器成像系统，测试目标为超高速运动圆锥体目标。所述的激光雷达成像系统包括电路板、激光器、透镜系统、APD阵列。所述的线阵图像传感器成像系统包括分光镜、光学系统和双线线阵图像传感器。所述的激光雷达成像系统用于测量超高速运动圆锥体目标的距离信息，光路为：电路板控制激光器发射一束脉冲激光，脉冲激光分别经过激光器上方的透镜系统和与透镜系统光轴呈45°夹角的分光镜后照射在超高速运动圆锥体目标上，超高速运动圆锥体目标表面反射脉冲激光，反射回来的脉冲激光再次透过分光镜打在APD阵列上，通过APD阵列能够获取超高速运动圆锥体目标发生反射作用的表面上所有点的距离信息，通过电路板的处理获得超高速运动圆锥体目标上距离APD阵列最近的点到APD阵列的距离信息。所述的线阵图像传感器成像系统用于得到超高速运动圆锥体目标在双线线阵图像传感器成像的像素数，光路为：超高速运动圆锥体目标表面反射自然光，反射的自然光经过分光镜的反射作用后经过光学系统，光学系统对分光镜反射的自然光有会聚作用，会聚后成像在双线线阵图像传感器上，从而得到超高速运动圆锥体目标在双线线阵图像传感器成像的像素数。本专利技术采用下述技术方案实现。本专利技术公开的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试方法。基于上述一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统实现的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试方法，包括如下步骤：步骤一、激光雷达成像系统获取超高速运动圆锥体目标的距离信息。首先，电路板控制激光器发射一束脉冲激光，脉冲激光分别经过激光器上方的透镜系统和与透镜系统光轴呈45°夹角的分光镜后照射在超高速运动圆锥体目标上，超高速运动圆锥体目标表面反射脉冲激光，反射回来的脉冲激光再次透过分光镜打到APD阵列上，通过APD阵列能够获取超高速运动圆锥体目标发生反射作用的表面上所有点的距离信息，通过电路板的处理获得超高速运动圆锥体目标上距离APD阵列最近的点到APD阵列的距离信息。在激光雷达成像系统中，APD阵列到分光镜的距离为L1，超高速运动圆锥体目标上距离分光镜最近的点到分光镜的距离为L2，因此，超高速运动圆锥体目标的距离信息为L1+L2。步骤二、线阵图像传感器成像系统对超高速运动圆锥体目标成像。超高速运动圆锥体目标表面能够反射自然光，反射回来的自然光经过分光镜的反射作用后经过光学系统，光学系统对分光镜反射的自然光有会聚作用，会聚后成像在双线线阵图像传感器上，从而得到超高速运动圆锥体目标在双线线阵图像传感器成像的像素数Ns。光学系统到反射镜的距离L3需要满足L3＝L1。步骤三、计算超高速运动圆锥体目标的外形尺寸。通过步骤一得到超高速运动圆锥体目标的距离信息，以及步骤二得到超高速运动圆锥体目标的外形像素数Ns后，通过几何光学原理获得超高速运动圆锥体目标的外形尺寸，表达式如下：公式(1)中，D为超高速运动圆锥体目标直径，d为超高速运动圆锥体目标在双线线阵图像传感器中像的大小，w为双线线阵图像传感器的像元尺寸，Ns为超高速运动圆锥体目标在双线线阵图像传感器中占有的像素数，β为光学系统轴向放大率，f′为光学系统焦距，L′为光学系统像距，L为光学系统物距，光学系统物距L即为超高速运动圆锥体目标到光学系统的距离L2+L3。由于L3＝L1，超高速运动圆锥体目标到光学系统的距离L2+L3等于步骤一中激光雷达成像系统获取的超高速运动圆锥体目标距离信息L1+L2。步骤四、利用快速动态误差补偿方法反演超高速运动圆锥体目标真实外形尺寸。双线线阵图像传感器在一次曝光时间内，超高速运动圆锥体目标将产生较大的运动量，在图像上表现为双线线阵图像传感器中像素的增加，因此，通过动态误差补偿方法反演出超高速运动圆锥体目标真实外形尺寸。具体实现方法如下。超高速运动圆锥体目标圆锥的锥度为θ，双线线阵图像传感器的行频为f，在某个横截面上超高速运动圆锥体目标的真实直径为Dl，测量得到的超高速运动圆锥体目标的直径为Ds，双线线阵图像传感器的总像素数为N，超高速运动圆锥体目标在双线线阵图像传感器中成像的像素数为Ns，超高速运动圆锥体目标飞行速度为v，在双线线阵图像传感器的一次曝光时间内，超高速运动圆锥体目标横向方向上运动的距离Dp为：根据超高速运动圆锥体目标的真实直径Dl，测量得到的直径Ds和横向方向上运动的距离Dp构成的几何关系，得出如下函数关系式：公式(3)中α是超高速运动圆锥体目标测量得到的直径Ds和超高速运动圆锥体目标圆锥体母线的夹角，β是超高速运动圆锥体目标真实直径Dl和测量得到的直径Ds之间的夹角，通过对关系式的求解，能够得超高速运动圆锥体目标真实直径Dl和测量得到的直径Ds的关系式，如公式(4)所示：根据超高速运动圆锥体目标测量得到的直径Ds、横向方向上运动的距离Dp和已知的超高速运动圆锥体目标的圆锥度信息，能够反演出超高速运动圆锥体目标的真实直径值Dl，即完成对超高速运动圆锥体目标外形尺寸测试。所述的圆锥度信息包括超高速运动圆锥体目标的锥度θ、超高速运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统，其特征在于：包括激光雷达成像系统(1)和线阵图像传感器成像系统(2)，测试目标为超高速运动圆锥体目标(3)；所述的激光雷达成像系统(1)包括电路板(1.1)、激光器(1.2)、透镜系统(1.3)、APD阵列(1.4)；所述的线阵图像传感器成像系统(2)包括分光镜(2.1)、光学系统(2.2)和双线线阵图像传感器(2.3)；所述的激光雷达成像系统(1)用于测量超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息，光路为：电路板(1.1)控制激光器(1.2)发射一束脉冲激光，脉冲激光分别经过激光器(1.2)上方的透镜系统(1.3)和与透镜系统(1.3)光轴呈45°夹角的分光镜(2.1)后照射在超高速运动圆锥体目标(3)上，超高速运动圆锥体目标(3)表面反射脉冲激光，反射回来的脉冲激光再次透过分光镜(2.1)打在APD阵列(1.4)上，通过APD阵列(1.4)能够获取超高速运动圆锥体目标(3)发生反射作用的表面上所有点的距离信息，通过电路板(1.1)的处理获得超高速运动圆锥体目标(3)上距离APD阵列(1.4)最近的点到APD阵列(1.4)的距离信息；所述的线阵图像传感器成像系统(2)用于得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数，光路为：超高速运动圆锥体目标(3)表面反射自然光，反射的自然光经过分光镜(2.1)的反射作用后经过光学系统(2.2)，光学系统(2.2)对分光镜(2.1)反射的自然光有会聚作用，会聚后成像在双线线阵图像传感器(2.3)上，从而得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数。...

【技术特征摘要】
1.一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统，其特征在于：包括激光雷达成像系统(1)和线阵图像传感器成像系统(2)，测试目标为超高速运动圆锥体目标(3)；所述的激光雷达成像系统(1)包括电路板(1.1)、激光器(1.2)、透镜系统(1.3)、APD阵列(1.4)；所述的线阵图像传感器成像系统(2)包括分光镜(2.1)、光学系统(2.2)和双线线阵图像传感器(2.3)；所述的激光雷达成像系统(1)用于测量超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息，光路为：电路板(1.1)控制激光器(1.2)发射一束脉冲激光，脉冲激光分别经过激光器(1.2)上方的透镜系统(1.3)和与透镜系统(1.3)光轴呈45°夹角的分光镜(2.1)后照射在超高速运动圆锥体目标(3)上，超高速运动圆锥体目标(3)表面反射脉冲激光，反射回来的脉冲激光再次透过分光镜(2.1)打在APD阵列(1.4)上，通过APD阵列(1.4)能够获取超高速运动圆锥体目标(3)发生反射作用的表面上所有点的距离信息，通过电路板(1.1)的处理获得超高速运动圆锥体目标(3)上距离APD阵列(1.4)最近的点到APD阵列(1.4)的距离信息；所述的线阵图像传感器成像系统(2)用于得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数，光路为：超高速运动圆锥体目标(3)表面反射自然光，反射的自然光经过分光镜(2.1)的反射作用后经过光学系统(2.2)，光学系统(2.2)对分光镜(2.1)反射的自然光有会聚作用，会聚后成像在双线线阵图像传感器(2.3)上，从而得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数。2.基于上述一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试系统实现的一种超高速运动目标外形尺寸光电在线测试方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、激光雷达成像系统(1)获取超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息；首先，电路板(1.1)控制激光器(1.2)发射一束脉冲激光，脉冲激光分别经过激光器(1.2)上方的透镜系统(1.3)和与透镜系统(1.3)光轴呈45°夹角的分光镜(2.1)后照射在超高速运动圆锥体目标(3)上，超高速运动圆锥体目标(3)表面反射脉冲激光，反射回来的脉冲激光再次透过分光镜(2.1)打到APD阵列(1.4)上，通过APD阵列(1.4)能够获取超高速运动圆锥体目标(3)发生反射作用的表面上所有点的距离信息，通过电路板(1.1)的处理获得超高速运动圆锥体目标(3)上距离APD阵列(1.4)最近的点到APD阵列(1.4)的距离信息；在激光雷达成像系统(1)中，APD阵列(1.4)到分光镜(2.1)的距离为L1，超高速运动圆锥体目标(3)上距离分光镜(2.1)最近的点到分光镜(2.1)的距离为L2，因此，超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息为L1+L2；步骤二、线阵图像传感器成像系统(2)对超高速运动圆锥体目标(3)成像；超高速运动圆锥体目标(3)表面能够反射自然光，反射回来的自然光经过分光镜(2.1)的反射作用后经过光学系统(2.2)，光学系统(2.2)对分光镜(2.1)反射的自然光有会聚作用，会聚后成像在双线线阵图像传感器(2.3)上，从而得到超高速运动圆锥体目标(3)在双线线阵图像传感器(2.3)成像的像素数Ns；光学系统(2.2)到反射镜(2.1)的距离L3需要满足L3＝L1；步骤三、计算超高速运动圆锥体目标(3)的外形尺寸；通过步骤一得到超高速运动圆锥体目标(3)的距离信息，以及步骤二得到超高速运动圆锥体目标(3)的外形像素数Ns后，通过几何光学原...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝群，肖宇晴，程阳，曹杰，宋萍，张芳华，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11