针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求, 为精确监测太阳光谱辐照度, 研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成, 其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构, 是保障仪器测量精度的关键。为此, 设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置, 采用定时器主从方式控制电机旋转, 并利用 STM32 驱动线阵 CCD 工作, 结合 CCD 检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制, 闭环控制精度小于 2 个像元宽度。最后, 对线阵 CCD 的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试, 测试结果表明 CCD 质心位置检测的标准差为 0.0693, 最大偏差不超过 0.3 像元宽度, 系统运行时闭环精度小于 2 个像元宽度, 满足波长扫描的重复性和稳定性要求。

调焦调平系统主要通过光学三角法的测量原理来实现,线阵电荷耦合器件(CCD)具有高帧频和高分辨率等特点,适用于高速且高精度检测的三角法测量。某调焦调平项目要求线阵CCD具有2048个有效像元,5 kHz的行读出频率,为此提出对最大额定读出频率为10 MHz的S11156-2048型线阵探测器进行12.5 MHz超频读出的驱动设计,以满足系统行读出频率的要求。首先从理论上验证超频读出的可行性,然后在电源、时序驱动和模拟前端的设计上展开细致研究,最后使用积分球光源在6.0 MHz的额定频率读出和12.5 MHz的超频读出下对线阵CCD成像系统的光电性能进行对比测试。实验结果表明,S11156-2048型探测器采用12.5 MHz的超频读出设计光电性能没有明显下降,信噪比为54.22 dB,电荷转移效率为0.999974,满足调焦调平系统的成像性能要求。

针对传统光学成像测量方法对高速运动目标成像帧频低、像质模糊, 难以满足对目标形变高精度测量的缺点, 提出一种基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法。该方法利用线阵CCD高分辨率、高帧频等优势, 通过提取线阵CCD输出目标强度——像素曲线斜率变化率最大点来获取目标所占像素数N的像素数提取方法, 同时采用DMD模拟高速运动目标形变过程, 配合基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法进行形变测量实验验证。实验结果显示采用该方法对V=450 km/h的高速运动目标进行形变量测量时, 可以满足目标形变测量偏差小于0.3 mm, 标准差小于0.5 mm, 相对误差最低0.01%。实现了高速运动目标形变量的准确测量, 为高速磨损测试、高温形变测试、高压形态测试等奠定了基础。

为实现精密测量移动物体的直线位移, 解决现有直线测量技术中量程和精度无法兼顾的难题, 克服现有测量技术复杂、加工难度大等缺点, 提出一种新型无接触测量技术, 用线性CCD连续采集128个像素点, 测量移动物体的位置。在普通白炽光的照射下, 背景色为白色, 这时128个像素点的采集值基本相同。当黑色物体沿直线移动到镜头范围内时, 128个像素点的采集值将会发生显著的变化, 找到这些变化点, 并用动态阈值算法计算出移动物体的位置。搭建了相应的测量系统, 实验结果表明,系统的测量精度可达到0.5mm, 具有精度高、成本低、易安装等优点。

CCD作为一种光电转换器件, 具有成本低、结构简单、扫描速度快、频率响应高等优点, 越来越广泛地运用到测量领域。提出采用单色线阵CCD, 以非接触的光学方式对角度信息进行编码调试, 通过采集该信号利用数据处理模块, 完成对图像信号的解调, 实现角度值的测量。系统选用TSL1401和LPC2138为核心构成嵌入式测量系统, 利用TSL1401采集信号, 通过A/D传输到LPC2138中进行数据处理, 最终得到角度值。系统通过光学的方式对角度进行测量, 实现了非接触式测量。

利用石英倾斜仪CCD驱动器、高精度电动位移台和光路系统搭建测试平台, 对线阵CCD亚像素细分定位中的一种灰度加权重心法进行实验测试。通过噪声漂移实验和分辨力测试实验, 验证了灰度加权重心法能够有效抑制噪声干扰, 提高CCD像点定位分辨力, 实现线阵CCD亚像素细分定位。实验结果, 倾斜仪CCD驱动器采用加权重心法将像点定位分辨力提高至了1/3像素。

为了实现室内大范围环境激光测距, 采用三角测距原理设计了一套高速激光测距系统。该系统采用高分辨率线性CCD传感器采集环境信息并输出二值化信号, 由32位单片机对二值化信号进行处理, 利用分段拟合法得到的距离解算算法对二值化信号进行解算, 从而得到激光光斑与测距模块镜头中心的距离; 最后进行了实验验证。结果表明, 测距仪具有714Hz的测量频率, 最大测量距离为6311mm, 最小测量距离为48mm, 平均误差为2.8mm, 最大测量误差为11mm。该测距系统可满足室内大范围环境测量的要求。

单圈绝对式编码器相比于增量式编码器及传统的绝对式编码器有独特的优势, 其关键技术在于译码系统的设计及译码算法的研究。为了提高单圈绝对式编码器集成度、响应速度及精度, 设计了译码系统, 该系统采用线阵CCD作为码盘图像光电转换装置, 并利用FPGA实现电路控制及译码算法。同时提出了新的译码算法, 该算法一方面将CCD输出信号二值化后的电平信号高电平计数, 判断组合得到粗码信息; 另一方面应用质心法进行细分定位, 通过计算条纹质心与虚拟中心的偏差得到细分角度值。最后, 通过两者结合得到角度信息。基于该系统研制的经纬仪样机精度达到2″。

在基于线阵CCD的夫琅和费衍射颗粒粒度测量中, 采用Chin-Shifrin积分变换反演算法使得反演的粒度分布出现假峰现象.为解决此问题, 提出在该Chin-Shifrin积分变换反演算法中引入矩形窗函数, 并在分析颗粒粒径与衍射光强导数最小值之间关系的基础上, 确定矩形窗函数中心点位置及左右边界, 利用该矩形窗函数对粒度分布进行截断处理, 消除虚假峰, 提高反演颗粒粒度分布的准确性.分别对两种标准颗粒进行了测量, 并对不同算法的反演结果进行了对比.实验结果表明: 引入矩形窗函数的改进Chin-Shifrin算法, 能够有效排除粒度分布中的多假峰; 粒度分布测量相对误差小于3%, 重复性小于4%.

为实现快速定位定向的要求, 利用线阵CCD测量方法, 设计了二维基准传递系统, 实现北斗定向信息实时传递功能。该系统由北斗定向天线、光源模块和光学测量模块等组成, 采用N型目标光源和线阵CCD拼接技术, 实现二维基准信息的快速精确传递。利用构建的二维基准传递系统设计精度验证实验, 实验结果表明, 在测量距离8 m条件下, 该系统测角范围为±1.5°, 测量精度在5″以内。该方法为实现二维定向基准的大视场传递提供了一种有效的技术解决措施。