（光學(xué)工程專業(yè)論文）非接觸海浪潮位測(cè)量技術(shù)的研究.pdf

中文摘要 潮位是海洋水文學(xué)的基本要素，是物理海洋學(xué)的重要的研究內(nèi)容，是變化最 快最大要素之一。在開發(fā)利用海洋過程及海洋防災(zāi)防害建設(shè)中，潮位要素扮演著 非常重要的角色，也是海洋觀測(cè)的重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象?，F(xiàn)有的潮位測(cè)量方法或多或少 存在著測(cè)量精度低、自動(dòng)化程度不高、環(huán)境適應(yīng)能力低、成本偏高等缺點(diǎn)。本文 基于光電檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了適用于海洋環(huán)境的潮位測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海水潮位 的自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量誤差不超過一個(gè)標(biāo)尺碼元，從而提高了測(cè)量的精度。 本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作： 1 、在分析各種測(cè)量方法的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)況的基礎(chǔ)上，提出了非接觸海浪潮 位測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。 2 、完成測(cè)量系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)和研制。包括光學(xué)系統(tǒng)、c c d 采集部分、嵌 入式控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理單元。 3 、完成基于a r m 7l p c 2 2 1 4 的嵌入式控制軟件，提出了基于頻譜濾波擬合 的標(biāo)尺自動(dòng)判讀算法。完成了上位機(jī)操作軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。 4 、完成了相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了非接觸海浪潮位測(cè)量系統(tǒng)的功能和性能 指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：潮位測(cè)量；均碼標(biāo)尺；頻譜濾波擬合；自動(dòng)判讀；嵌入式控制 a b s t r a c t t i d a ll e v e l ，ab a s i ce l e m e n to ft h em a r i n eh y d r o l o g y , o n eo ft h eb i g g e s ta n df a s t e r c h a n g i n gf a c t o r s ，i sai m p o r t a n tc o n t e n to ft h ep h y s i c a lo c e a n o g r a p h y i n t h e d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fm a r i n ep r o c e s s ，t h et i d ee l e m e n tp l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l e ，a n di ti st h ef o c u st a r g e to ft h eg o o so b s e r v a t i o n t h et r a d i t i o n a lm a n u a l m e t h o di sn o tv e r ys a t i s f a c t o r y , w h i c hh a st h ed i s v a n t a g eo fl o wp r e c i s i o n ，l o wd e g r e e o fa u t o m a t i o n ，l o wa d a p t a t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t , h i g hc o s t s ，a n ds oo n i nt h i sp a p e r , a l le x a c tm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e df o rm e a s u r i n gt h et i d a ll e v e l sa n dw a v e s ， b a s e do nt h en o - c o n t a c to p t i c a lm e a s u r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sa p p l i c a b l et ot h e c o m p l e xm a r i n ee n v i r o n m e n t t h es y s t e mr e a c h e dp r e c i s em e a s u r e m e n to f t i d a ll e v e l s a n dw a v e s ，t h em e a s u r e m e n te r r o ri sl e s st h a no n es t a n d a r ds i z e ，a n dg r e a t l ya d v a n c e d t h ea c c u r a c yo ft h et i d em e a s u r e m e n t i nt h i st h e s i s ，t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 、b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ev a r i o u sm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h es t a t u so ft h e d e v e l o p m e n t ，as e to fm e t h o da n ds y s t e mo fm e a s u r e m e n to ft h et i d a ll e v e l sa n d w a v e sw e r es c h e m e do u t ； 2 、a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fa l lp a r t so ft h es y s t e m , i n c l u d e so p t i c a ls y s t e m , c c da c q u i s i t i o nd e p a r t m e n t ，e m b e d d e dc o n t r o lh a r d w a r ea n dd a t ap r o c e s s i n g d e p a r t m e n t ； 3 、c o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fe m b e d d e ds o f t w a r e ，p r e s e n t e da l l a u t o - - r e a d i n ga l g o r i t h mo fe v e n - - c o d i n gg a u g eb a s e do nt h es p e c t r u mf i l t e r i n ga n d f i t t i n g ，i m p l e m e n t e dt h eh o s tm a c h i n es o f t w a r eb a s e do nt h ea r m 7l p c 2 2 14 ； 4 、v e r i f i e dt h es y s t e mf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r sb ya n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n tw h i c hr e a c h e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n tv e r yw e l l k e yw o r d s ： t i d e l e v e l ；e v e n c o d i n gr u l e r ；s p e c t r u mf i l t e r i n ga n df i t t i n g ； a u t o r e a d i n g ；e m b e d d e dc o n t r o l ； 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得丕鲞盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位做儲(chǔ)繇徐篆姝簽字吼卅年。7 月夠日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)叁鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文儲(chǔ)虢锨敞 簽字日期：2 印7 年口7 月西日 導(dǎo)師簽名： 伊 酗去 簽字日期：2 舶7 年d 廠月夠日 第一章緒論 1 1 課題背景及意義 第一章緒論 海洋，地球上分布最廣泛的自然地理要素。海洋是包括人類在內(nèi)的一切生命 之源：是云雨的故鄉(xiāng)，天氣的調(diào)節(jié)器；人類索取資源的寶庫；世界各地交通聯(lián)系 的樞紐；現(xiàn)代通訊的中繼站；軍事上的必爭(zhēng)之地。隨著經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施， 海洋更是人類急于開發(fā)的首選重要目標(biāo)。 要合理開發(fā)利用海洋，構(gòu)建和諧人海關(guān)系，就需要對(duì)海洋有一個(gè)全面準(zhǔn)確的 認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)海洋的基礎(chǔ)就是對(duì)變幻莫“測(cè)海洋進(jìn)行觀測(cè)，記錄海洋資料，作為 人類開發(fā)利用海洋的科學(xué)依據(jù)。潮位，就是受潮汐影響周期性漲落的水位。潮位 是海洋水文學(xué)的基本要素，是物理海洋學(xué)的重要的研究內(nèi)容口，是變化最快最大 要素之一。在開發(fā)利用海洋過程中，潮位要素扮演著非常重要的角色，也是海洋 觀測(cè)的重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象。 1 2 海浪潮位測(cè)量技術(shù)概述 潮位測(cè)量就是測(cè)量某固定點(diǎn)的水位隨時(shí)間的變化，實(shí)際上就是測(cè)量該點(diǎn)的水 的深度變化。潮位測(cè)量的手段很多，主要包括傳統(tǒng)水尺法、浮子式潮位儀、引壓 鐘式潮位儀、聲學(xué)式潮位儀、壓力式潮位儀等潮位測(cè)量設(shè)備。這些驗(yàn)潮手段目前 國內(nèi)均有使用，而g p s 潮位儀及潮位遙感測(cè)量等技術(shù)研究國內(nèi)外正在開展。所 有這些潮位測(cè)量技術(shù)各有自己的特點(diǎn)。 1 、傳統(tǒng)水尺【2 j 傳統(tǒng)水尺潮位測(cè)量法是將特制的水尺安裝于水中，在碼頭可直接安裝在港池 壁上，在野外一般要豎一個(gè)木樁，再將水尺固定在樁上。此種方法最為原始，但 簡單而直觀便于水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，而且無需能源一旦安裝完畢，可長時(shí)間免維護(hù)， 設(shè)備費(fèi)用低但需人工定時(shí)讀數(shù)記錄，人力投入較大，且數(shù)據(jù)無法直接進(jìn)入自動(dòng) 化的流程。目前國內(nèi)外已很少使用，但國內(nèi)一些單位在較偏遠(yuǎn)、條件差地區(qū)的短 期驗(yàn)潮仍還采用。 2 、浮子式與引壓鐘式 這兩種潮位測(cè)量法均屬于有井驗(yàn)潮測(cè)量法，浮子式潮位測(cè)量法是利用一個(gè)漂 第一章緒論 浮于海面的浮子，它隨海面而上下浮動(dòng)，其隨動(dòng)機(jī)構(gòu)將浮子的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為記 錄紙滾軸的旋轉(zhuǎn)記錄筆則在記錄紙上留下潮汐變化的曲線d 3 。引壓鐘式潮位測(cè) 量法是將引壓鐘放置于水底，將海水壓力通過管路引到海面以上，由自動(dòng)記錄器 進(jìn)行記錄【5 1 。為了消除波浪的影響，需在水中建立驗(yàn)潮井，即從海底豎立一井至 海面，其井底留有小孔與井外的海水相通，采用這種“小孔濾波的方法將濾 除海水的波動(dòng)，這樣井外的海水在涌浪的作用下起伏變化，而由于小孔的“阻擋” 作用，使井內(nèi)的海面幾乎不受影響，它只隨著潮位而變，井上一般要建屋以保證 設(shè)備的工作環(huán)境。這兩種測(cè)量方法由于安裝復(fù)雜，須打井建站，適用于岸邊的長 期定點(diǎn)驗(yàn)潮。其特點(diǎn)是精度較高，維護(hù)方便，但一次性投入費(fèi)用較高，不機(jī)動(dòng)靈 活對(duì)環(huán)境要求高( 如供電、防風(fēng)防雨等) 。國內(nèi)的長期驗(yàn)潮站大多采用這兩種設(shè) 備。 3 、聲學(xué)式 聲學(xué)式潮位測(cè)量法屬無井驗(yàn)潮法，根據(jù)其聲探頭( 換能器) 安裝在空氣中或水 中而分為兩類。 探頭安置在空氣中的聲學(xué)式潮位儀( 如國家海洋局海洋技術(shù)研究所生產(chǎn)的聲 學(xué)式潮位儀) 是在海面以上固定位置安放一個(gè)聲學(xué)發(fā)射接收探頭，探頭定時(shí)垂直 向下發(fā)射超聲脈沖，聲波通過空氣到達(dá)海面并經(jīng)海面反射返回到聲學(xué)探頭，通過 檢測(cè)聲波發(fā)射與海面回波返回到聲探頭的歷時(shí)來計(jì)算出探頭至海面的距離，從而 得到海面隨時(shí)間的變化潮位數(shù)據(jù)可存放于存貯器內(nèi)。待測(cè)量結(jié)束后提取出來其 潮高為： 日：辦一c v t 2 式中日是潮位高度，h 是聲探頭在深度基準(zhǔn)面以上的高度( m ) ，v t 是聲脈沖在 聲探頭與瞬時(shí)海面之間的往返時(shí)間，c 是超聲脈沖在空氣鐘的傳播速度( m s ) ， c 為已知量，是大氣壓力，溫度和濕度的函數(shù)。 這種潮位儀的安裝一般需在海底打樁將驗(yàn)潮儀安裝在樁的頂部，并保證高 潮時(shí)不被淹沒。通過聯(lián)測(cè)的方法找到大地基準(zhǔn)面與驗(yàn)潮儀零點(diǎn)的關(guān)系。這種驗(yàn)潮 儀特點(diǎn)在于：由于設(shè)備安裝在水上，因此可通過岸電即使在無岸電而采用電池 時(shí)，更換電池也較方便。且這種設(shè)備成本較低。但是由于需打樁，使它需以海岸 作為依托，不能離岸較遠(yuǎn)，因此測(cè)量水深一般較淺。 探頭安置在水中的聲學(xué)式潮位測(cè)量法一是將一聲學(xué)探頭安放在海底，定時(shí)垂 直向上發(fā)射聲波，并接收海面的回波以測(cè)量安放點(diǎn)的水深。此種方法由于聲探頭 需有電纜連接，因此不能離岸較遠(yuǎn)。二是采用類似于測(cè)深儀的原理，選一塊平坦 的海區(qū)將聲探頭放置于海面固定載體上，一般為船或固定漂浮物定時(shí)向海底 發(fā)射聲波，通過檢測(cè)海底回波以檢測(cè)載體所在位置的水深。這兩種聲學(xué)潮位測(cè)量 第一章緒論 方法的特點(diǎn)是，精度較低，首先儀器本身存在至少幾厘米的固有誤差，另外測(cè)量 精度與由聲探頭的姿態(tài)有關(guān)，同時(shí)一般水聲換能器有一定的盲區(qū)因此根據(jù)換能 器的不同，安放位置需要有一定的水深。而在此深度內(nèi)，海水中的聲速不是恒定 的，它隨海水溫度及鹽度的變化而改變同時(shí)還受到海水中的懸浮物等因素的影 響，水深越淺則影響越大。因此聲速誤差將影響到測(cè)深精度。 聲學(xué)式驗(yàn)潮儀在離岸較遠(yuǎn)的驗(yàn)潮點(diǎn)不便使用，在冬季岸邊海水結(jié)冰后，聲學(xué) 式驗(yàn)潮儀一般無法工作。 4 、壓力式 壓力式潮位儀是一種較新型的潮位測(cè)量設(shè)備， 目前已逐步成為常用的潮位 測(cè)量設(shè)備，它是將潮位儀安置于水下固定位置，通過檢測(cè)海水的壓力變化而推算 出海面的起伏變化h 1 。它的適用范圍較前幾種潮位儀要廣，它不需要打井建站， 無須海岸作依托，不但適用于沿岸，碼頭，而且對(duì)于遠(yuǎn)離岸邊及較深的海域的驗(yàn) 潮，它同樣能勝任。同時(shí)這種潮位儀輕便靈活，對(duì)于測(cè)量作業(yè)機(jī)動(dòng)、靈活、且時(shí) 間較短的應(yīng)用場(chǎng)合，這種驗(yàn)潮儀較為合適。 壓力式驗(yàn)潮儀所采用的測(cè)壓部件壓力傳感器又分為表壓型和絕壓型。 其工作原理略有不同，但其基本測(cè)量原理是一樣的，即檢測(cè)出海水的靜壓力，將 壓力換算成水位。其公式為： h = p l a g 式中h 是水深，p 是海水靜壓強(qiáng)，p 是海水密度，g 是重力加速度。 潮位儀以一定的時(shí)間間隔定時(shí)啟動(dòng)工作，由此可測(cè)出不同時(shí)刻的水位，這些 不同時(shí)刻的水位值就是潮汐數(shù)據(jù)。但對(duì)于不同類型的傳感器，具體計(jì)算方法也有 所不同，表壓型傳感器由于直接測(cè)出海水的靜壓強(qiáng)，因此水位可直接按上式計(jì)算， 而絕壓型傳感器所測(cè)壓力并非海水靜壓強(qiáng)，而是海水與大氣壓的合成壓強(qiáng)，因此 其計(jì)算公式應(yīng)為： h = ( 見一p 。) 1 p g 式中h 是水深，見是傳感器測(cè)得的壓強(qiáng)，p a 是測(cè)量時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)，p 是海 水密度，g 是測(cè)量時(shí)當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?壓力式驗(yàn)潮儀的第一個(gè)特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，測(cè)量水深為0 2 0 0 m ，能適應(yīng)不同 深度的海區(qū)。即使海面結(jié)冰也仍能測(cè)量潮位。在較淺水域，一般小于l o m 時(shí)，可 安裝水尺，將潮位儀與水尺安裝在一起，零點(diǎn)歸算到水尺上，通過聯(lián)測(cè)的方法找 到大地基準(zhǔn)面與水尺零點(diǎn)的關(guān)系，從而找到驗(yàn)潮儀零點(diǎn)與大地基準(zhǔn)面的關(guān)系。同 時(shí)還可將潮位儀的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射的方式由其天線發(fā)射出去，使l o h n 內(nèi)的用 戶均能實(shí)時(shí)收到潮位數(shù)據(jù)。當(dāng)在較深水域潮位測(cè)量時(shí)，可使潮位儀工作在自容狀 態(tài)，按預(yù)置的時(shí)問間隔定時(shí)啟動(dòng)工作測(cè)得的潮位數(shù)據(jù)記在儀器內(nèi)部的存儲(chǔ)器中， 第一章緒論 待測(cè)量任務(wù)結(jié)束后，由潛水員將設(shè)備撈出，再通過接口讀出所記的潮位數(shù)據(jù)。水 過深，潛水員無法打撈的水域，可在驗(yàn)潮儀上加裝聲學(xué)釋放器測(cè)量任務(wù)結(jié)束要 打撈時(shí)，通過聲代碼發(fā)射接收機(jī)向潮位儀發(fā)出聲學(xué)指令，潮位儀在接到指令后， 控制聲學(xué)釋放器釋放，自動(dòng)脫鉤上浮到海面。其缺點(diǎn)是設(shè)備工作于自容方式，設(shè) 備沒有電纜通到水上，因此其供電只能靠電池，由于其有水密要求，因此更換電 池不方便，其次是這種潮位儀較聲學(xué)式潮位儀成本高。壓力式潮位儀數(shù)據(jù)在計(jì)算 時(shí)如果已進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，即找到了潮位儀零點(diǎn)與大地基準(zhǔn)面的關(guān)系，就可直接將 潮汐數(shù)據(jù)歸算到任一已知基準(zhǔn)面( 如黃海平均海平面) 。如果布放點(diǎn)水深較深，無 法進(jìn)行聯(lián)測(cè)，則潮位儀的工作時(shí)間應(yīng)長一些，一般為半個(gè)月或一個(gè)月甚至更長， 對(duì)長時(shí)間的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，算出調(diào)和常數(shù)，找出整個(gè)測(cè)量期間的平均海面。 以此面作為基準(zhǔn)面給出潮位數(shù)據(jù)。 5 、g p s 式 g p s 潮位測(cè)量法是隨著差分g p s ( d g p s ) 技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展而逐步發(fā)展 起來的新技術(shù)，它是目前g p s 技術(shù)發(fā)展的主攻方向之一，目前尚處于試驗(yàn)階段 6 7 1 。它是應(yīng)用- j g p s 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)( r e a lt i m ek i n e m a t i r r l x ) 測(cè)量技術(shù)，是g p s 測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，而構(gòu)成系統(tǒng)。其工作原理是，在基準(zhǔn)站安置一 臺(tái)g p s 接收機(jī)，對(duì)所有可見g p s 衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過無 線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。在用戶機(jī)上。g p s 接收機(jī)在接收g p s 衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì) 定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)。 d g p s 潮位測(cè)量分為靜態(tài)法與動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)法是將d g p s 潮位站的g p s 接收 天線安置在靠近岸邊或海上固定處的浮筒或測(cè)量船上，與岸上g p s 接收機(jī)實(shí)施 動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量，求得d g p s 潮位站瞬時(shí)海面高度的一種潮位測(cè)量方法。 動(dòng)態(tài)法是將d g p s 潮位站的g p s 接收天線安置在船上，與岸上g p s 接收機(jī)實(shí)施 動(dòng)態(tài)載波相位差分測(cè)量，求得測(cè)量船所處瞬時(shí)海面高度的一種潮位方法。測(cè)點(diǎn)的 g p s 測(cè)得的海面高度( 位置) 計(jì)算公式為： d = h n d o 式中，d 是海面在某高程系統(tǒng)中的高度，h 是g p s 天線的w g s 8 4 橢球高度， 是w g s 8 4 參考橢球與所采用高程系統(tǒng)大地水準(zhǔn)面的差值，以是g p s 天線到海 面的高度。 值得注意的是，g p s 測(cè)出的是其在w g s 8 4 橢球中的位置，與以往所采用的 潮位儀進(jìn)行潮位測(cè)量有所不同，潮位儀所測(cè)出的是相對(duì)與海底的水深，顯然g p s 潮位測(cè)量不但包含了海水的潮位變化，還包含了地殼的固體潮。在天體引力潮力 的作用下，地殼的起伏可達(dá)十幾至幾十厘米，因此在采用g p s 進(jìn)行潮位測(cè)量時(shí)， 第一章縫論 要設(shè)法修正或者減小固體潮的影響。 6 、遙感式 潮位遙感測(cè)量是指利用衛(wèi)星的雷達(dá)高度計(jì)來測(cè)量海面的起伏變化船。衛(wèi)星測(cè) 高技術(shù)可提供全球、特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)的潮使資料，其特點(diǎn)是速度快，經(jīng)濟(jì)，毽糟 度較低。它可檢測(cè)全球的海洋潮位，為建立全球海洋潮汐模型提供了依據(jù)。 其測(cè)高原理是雷達(dá)高度計(jì)商海面發(fā)射極短的雷達(dá)脈沖，測(cè)量該脈沖從高度計(jì) 傳輸?shù)胶Ｃ娴耐禃r(shí)間，通過必要的改正，便可求出衛(wèi)星到海面的距離，如果衛(wèi) 星軌道為已知，那么即可得知海面的高度。潮位遙感測(cè)量與g p s 驗(yàn)潮一樣，同 樣存在固體潮黔影響。 綜上所述，現(xiàn)代潮位測(cè)量的手段很多，但是都或多或少的存在這樣或者那樣 的缺點(diǎn)，如傳統(tǒng)的承尺測(cè)量法需要占用大量囂人力資源，且測(cè)量數(shù)據(jù)有一定茲主 觀性；浮子式和引壓鐘式需要建立專門的驗(yàn)潮井，對(duì)工作環(huán)境要求高；聲學(xué)式受 海水溫度、鹽度艙影響比較大，且會(huì)受到海水中的懸浮物影響產(chǎn)生較大誤差；壓 力式潮位儀由于要置于水中，密封性要求比較高，電池更換不方便，且重力加速 度因地而異，不同季節(jié)，不同時(shí)間，不同海域的海水的鹽度密度不一，天氣變化 等會(huì)造成大氣壓的交化，兩這凡個(gè)因素都是壓力法測(cè)量中豹計(jì)算參數(shù)，因此每次 測(cè)量前都需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)標(biāo)定，操作復(fù)雜，適應(yīng)能力差；g p s 及遙感潮 。位測(cè)餐法，成本葛，且會(huì)由于測(cè)量出的海浪潮位變化還包含著地球固體潮位變化 量，也存在較大誤差。另一方面，上述的種種方法測(cè)量精度最高是厘米量級(jí)，而 作為史料利用_ 和保存的潮位數(shù)據(jù)，旨在求真求準(zhǔn)，測(cè)量數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確越好。 本文基于線陣c c d 傳感器測(cè)量技術(shù)及頻譜濾波擬合算法，設(shè)計(jì)一種精度高、 穩(wěn)定性好、適應(yīng)能力強(qiáng)、成本低、自動(dòng)化程度高的非接觸海浪潮位測(cè)量系統(tǒng)方案。 1 3 論文的主要工作 本課題以海浪潮位測(cè)量作為研究對(duì)象，根據(jù)其高糟度、高可靠性、適應(yīng)能力 強(qiáng)、爨動(dòng)化程度高的特點(diǎn)設(shè)訪了葛# 接觸海浪滿位測(cè)量系統(tǒng)。 本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作： l 、在分析各種濺量方法的特點(diǎn)幫發(fā)展現(xiàn)況鮑基礎(chǔ)上，提磁了j # 接觸海浪潮 位測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。 2 、完成測(cè)量系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)和研制。包括光學(xué)系統(tǒng)、c c d 采集部分、嵌 入式控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理單元。 3 、完成基于a r m 7l p c 2 2 1 4 的嵌入式控制軟件，將頻譜濾波擬合的算法應(yīng) 第一章緒論 用在標(biāo)尺的自動(dòng)判讀。并完成了上位機(jī)操作軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。 4 、完成了相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了非接觸海浪潮位測(cè)量系統(tǒng)的功能和性能 指標(biāo)。 第二章測(cè)最原理及總體方案設(shè)計(jì) 第二章測(cè)量原理及總體方案設(shè)計(jì) 2 1 潮位測(cè)量的基本原理 圖2 1 標(biāo)尺測(cè)高原理圖 系統(tǒng)采用相對(duì)高度測(cè)量法，即預(yù)先標(biāo)定標(biāo)尺的項(xiàng)部高度日，以此作為測(cè)量 的基準(zhǔn)，通過測(cè)量目標(biāo)物與基準(zhǔn)的相對(duì)距離日。來算得目標(biāo)的絕對(duì)高度 日。= 日。一片。系統(tǒng)主要由均碼標(biāo)尺、長焦成像單元、c c d 圖像采集單元、數(shù)據(jù) 處理和結(jié)果顯示等組成，如圖2 1 所示，測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，未被遮擋物遮擋的標(biāo) 尺碼部分經(jīng)長焦鏡頭成等比例縮小像于c c d 器件面，只需通過數(shù)據(jù)處理單元自 動(dòng)判讀出c c d 面上標(biāo)尺像，就可得潮位實(shí)際高度日值。 2 2 測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 潮位測(cè)量究其根本是對(duì)高度尺寸、位置信息的測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)捕捉采 用線陣c c d 圖像傳感器，線陣c c d 用于尺寸測(cè)量的技術(shù)是非常有效的非接觸測(cè) 量技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用于各種尺寸的在線監(jiān)測(cè)和高精度、高速度的監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。 由c c d 圖像傳感器、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成的c c d 光電尺寸檢測(cè) 儀器的實(shí)用范圍和優(yōu)越性是現(xiàn)有機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式測(cè)量儀器都無法比擬的。 這與c c d 本身所具有的高分辨率、高靈敏度、像素位置信息強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊及其 自掃描的特性密切相關(guān)。這種測(cè)量方法往往直接捕獲目標(biāo)信號(hào)，無須配置復(fù)雜的 第二章測(cè)量原理及總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而減少產(chǎn)生誤差來源，使測(cè)量更準(zhǔn)確、更方便。 根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需要，系統(tǒng)需要達(dá)到以下基本的參數(shù)指標(biāo)。 1 、測(cè)量距離 典型距離為2 0 0 m ，可根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w環(huán)境做小幅度調(diào)整； 2 、測(cè)量范圍 0 6 m ，海浪及潮位的起落幅度6 m 內(nèi)的均可測(cè)； 3 、測(cè)量分辨率 3 衄，也就是標(biāo)尺上的最小刻度劃分單位為3 衄 4 、測(cè)量精度 5 - l 嘶皿目前太范圍內(nèi)使用的測(cè)量儀器其測(cè)量精度都是厘米量級(jí) 5 、測(cè)量環(huán)境 白天和夜晚，具備基本的能見度情況下，要求均能工作。 根據(jù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)測(cè)量總體方案如圖2 - 2 ，主要由標(biāo)尺、光學(xué)系統(tǒng)、控制 處理電路等組成。標(biāo)尺是本方案的目標(biāo)物：光學(xué)系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)成像功能和對(duì)標(biāo)尺 的照明功能：控制處理電路部分完成數(shù)據(jù)的采集、控制、存儲(chǔ)、顯示；電源部分 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電。 標(biāo)尺光學(xué)系統(tǒng)控制處理電路 同軸 一 i 裔 二匹 圈2 - 2 系統(tǒng)基奉組成結(jié)構(gòu)圈 第二章測(cè)量原理及總體方案設(shè)計(jì) 2 2 1 標(biāo)尺設(shè)計(jì) 1 、標(biāo)尺的編碼規(guī)則和讀數(shù)原理 檀ir 11 1 i fi婦l l l i i i i l iii | 1 第一章測(cè)景原理及總體方案設(shè)計(jì) 組條碼進(jìn)行快速傅里葉變換后，可以獲得在標(biāo)尺某一部位的相位差。 翼abr ab i i c l ik x il i l il | l | ll l lll | l l i i i l | 誓l 圈i l | l q 翻嫩 圖2 4r a b 碼圖 該標(biāo)尺的判讀方法為相位法。a 、b 兩種信息碼的碼元寬度按正弦規(guī)律變化， 因而在標(biāo)尺長度增加方向就形成了按正弦規(guī)律變化的亮度波。當(dāng)水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)標(biāo)尺 時(shí)，就會(huì)截取a 波和b 波的一段，其亮度變化通過線陣c c d 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)， 再通過快速傅里葉變換( f f t ) 就可以獲得頻率和相位差，進(jìn)而確定視距和高度。 3 、雙相位碼 i iij l l i ll ii 一呱iii 門r n 廠 二 z 。l 辨 圖2 5 雙相位碼 z e i s s 標(biāo)尺采用的是雙相位碼。標(biāo)尺上每2 0m l n 為一個(gè)測(cè)量單元間距，其中 的條碼組成一個(gè)碼組。每個(gè)碼組的邊界處為黑白明暗過渡，其下邊界到標(biāo)尺底部 的高度，可以通過該碼組的碼元判讀出來。這種雙相位碼在整個(gè)視場(chǎng)上的分布是 最佳的，以便水準(zhǔn)儀在一個(gè)3 0c m 的視場(chǎng)寬度內(nèi)可以至少檢測(cè)到1 5 個(gè)黑白過渡 值。 雙相位碼標(biāo)尺的判讀采用幾何位置法進(jìn)行讀數(shù)。它在1 5 - - 1 0 0m 范圍內(nèi)用一 個(gè)僅為3 0c n l 的最小視場(chǎng)就足以確定高程和視距的大小。標(biāo)尺上的碼元只被用來 做粗測(cè)量，精測(cè)則是通過探測(cè)碼元間邊界的明暗過渡來進(jìn)行的。 4 、隨機(jī)雙向碼 s o k k i a 編碼標(biāo)尺采用的是隨機(jī)雙向碼。每6 個(gè)碼組成一個(gè)寬度變化的間隔， 其中每個(gè)碼元的寬度和1 6n l l l l 的基碼寬度存在某種對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系為 1 = 4 ：1 2 ，2 = 6 ：1 0 ，3 = 8 ：8 ，4 = 1 0 ：6 ，5 = 1 2 ：4 。通過這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)碼的碼元都 能被判讀出來。 l 基墨舅l _ ii = 1 啻0 。1o 姆0 | oo0 茸o(hù)o i d 莓0 崮0 01 齡0 j 捌 氣7 飛萬1 7 氣= r 弓代7 弋7 l 一如” 王3堡壘2三至 十進(jìn)制 s o k k i a 圖2 - 6隨機(jī)雙向碼 s o k k i a 采用的讀數(shù)方法和z e u s 很相似，它用最小為8c n l 的視場(chǎng)間隔來進(jìn)行 第二章測(cè)量原理及總體方案設(shè)計(jì) 測(cè)量。 盡管各廠家的編碼標(biāo)尺具有不同的編碼規(guī)則和讀數(shù)方法，但編碼標(biāo)尺全是由 同一廠家，即德國的z e i s s 公司生產(chǎn)的。這也是目前世界上惟一能夠生產(chǎn)數(shù)字編 碼水準(zhǔn)標(biāo)尺的廠家。 測(cè)量精度是評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，標(biāo)尺的編碼規(guī)則及讀數(shù) 方法直接影響著最終的讀數(shù)精度，上述的幾種標(biāo)尺誠然能夠獲得高的讀數(shù)精度， 但是高精度是相當(dāng)嚴(yán)格條件下才能達(dá)到的。而這些嚴(yán)格的條件同時(shí)也就成為上述 標(biāo)尺編碼和讀數(shù)原理的一些硬傷。 1 、碼元寬度過細(xì)，不容易識(shí)別。測(cè)量精度取決于所使用的碼元的寬度，寬 度越小，測(cè)量精度越高，而碼元過細(xì)，對(duì)后續(xù)識(shí)別系統(tǒng)及處理系統(tǒng)的要求也就越 高，不容易識(shí)別。 2 、標(biāo)尺刻畫工藝要求高。過細(xì)的碼元及復(fù)雜的編碼規(guī)則對(duì)標(biāo)尺的刻畫工藝 要求高，也就造成了現(xiàn)在雖然有多種編碼和讀數(shù)原理，而實(shí)際能生產(chǎn)標(biāo)尺的廠家 卻只有一家，足見刻畫之難。 3 、自相關(guān)性和互相關(guān)性要求苛刻。測(cè)量所用碼的自相關(guān)特性為萬函數(shù)，且互 相關(guān)函數(shù)為零。 2 、均碼標(biāo)尺及讀數(shù)方案 基于上述分析，本文提出均碼標(biāo)尺方案和讀數(shù)方法，該標(biāo)尺制作容易，判讀 方便，又不失精度要求。 頂部基碼均碼 圖2 7 本測(cè)量系統(tǒng)采用的標(biāo)尺碼圖 標(biāo)尺的主體部分為黑白相問的條紋，黑條紋和白條紋的寬度相等，其具體值 大小根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求而定。在標(biāo)尺的頂部有碼寬加倍的標(biāo)志，在測(cè)量時(shí) 候，該標(biāo)志容易識(shí)別，作為測(cè)量的基準(zhǔn)。 由于采用的是黑白條紋均碼編碼，規(guī)律性強(qiáng)，判讀也就方便了。標(biāo)尺條紋經(jīng) 過光學(xué)成像系統(tǒng)成像于c c d 傳感器的光敏面上，在理想情況下，c c d 傳感器像 敏面上的像是標(biāo)尺的等比例縮小像，亦為等問距的黑白條紋。c c d 傳感器輸出 的電信號(hào)，周期寬度加倍的對(duì)應(yīng)標(biāo)尺的頂部基碼條紋，是測(cè)量計(jì)數(shù)的起點(diǎn)，再數(shù) 第二章測(cè)最原理及總體方案設(shè)計(jì) c c d 輸出信號(hào)中極值的個(gè)數(shù)就能夠算得黑白條紋的周期數(shù)了，條紋周期長度乘 以條紋周期數(shù)，就得到未被遮擋的標(biāo)尺部分長度，也就可以換算得到目標(biāo)物海洋 潮位的高度。 2 2 2 光學(xué)系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng)主要包括成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)量要求，光學(xué)系統(tǒng)需要將 遠(yuǎn)距離物體成像在c c d 像敏面上，采用望遠(yuǎn)系統(tǒng)作為成像單元：根據(jù)全天候的 工作要求，在照明條件不是很好的情況下，需要用照明單元來增加標(biāo)尺面的照度。 l 、望遠(yuǎn)成像系統(tǒng) 望遠(yuǎn)系統(tǒng)是用來觀測(cè)遠(yuǎn)距離物體的光學(xué)系統(tǒng)。它是由物鏡和目鏡組成，并且 物鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，光學(xué)間隔a = 0 。因此，它是使入射的 平行光束仍能保持平行地出射出的光學(xué)系統(tǒng)1 2 】。其成像原理如下圖2 8 所示，無 限遠(yuǎn)處物體經(jīng)物鏡成像于物鏡的像方焦平面處，再經(jīng)目鏡成像于無線遠(yuǎn)。若接收 器為圖像傳感器c c d 器，則可將接收器置于實(shí)像平面a i b l 處。 影響望遠(yuǎn)系統(tǒng)成像特性的主要是望遠(yuǎn)物鏡。望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)特性用焦距廠、 相對(duì)孔徑d 廠和視場(chǎng)角2 0 ) 表示，對(duì)同一位置目標(biāo)物成像時(shí)，焦距廠決定成像 大小、相對(duì)孔徑d 廠。決定了望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率、成像照度并影響成像質(zhì)量，視 場(chǎng)角2 0 ) 決定了能在接收器上成良好像的空間范圍，它與物鏡的焦距有關(guān)。 據(jù)參數(shù)要求，成像系統(tǒng)需要將物距約2 0 0 米，寬度為3 m m 的條紋，成像在 c c d 像敏面上，且單個(gè)條紋像大小應(yīng)大于c c d 傳感器的最小像元7 u m ，所以選 用的望遠(yuǎn)系統(tǒng)焦距需要滿足條件：f 4 6 7 m m 。系統(tǒng)需要全天候工作，滿足對(duì)若光 的探測(cè)要求，相對(duì)口徑d 今1 8 。 本測(cè)量系統(tǒng)中的望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用牛頓反射式望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，如圖2 - 9 所示，利 用一個(gè)凹面的拋物面反射鏡將進(jìn)入鏡頭的光線匯聚后反射到位于鏡筒前端的一 個(gè)平面鏡上，然后再由這個(gè)平面鏡將光線反射到鏡筒外，這樣就可以把標(biāo)尺的像 第二章測(cè)景原理及總體方案設(shè)計(jì) 成在筒外的c c d 傳感器的像敏面上。 圖2 - 9 牛頓反射式望遠(yuǎn)成像系統(tǒng) 該望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率就是指望遠(yuǎn)物鏡的分辨率。在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，分辨率是用 極限分辨角來表示。把剛好能被分辨開的兩點(diǎn)對(duì)物鏡入瞳中心的張角，稱為最小 分辨角。其計(jì)算公式為 沙”：旦( 2 1 ) 沙= 一 l z lj d 式中，d 為望遠(yuǎn)系統(tǒng)入瞳直徑，單位為毫米，在本光學(xué)系統(tǒng)中，反射式望遠(yuǎn)鏡的 直徑就是孔徑光闌，也是系統(tǒng)的入瞳，其大小就是入瞳直徑。 接收器為c c d 傳感器，在c c d 傳感器上分辨的線距離萬與物鏡分辨角之問 的關(guān)系為 “f 。= 萬( 2 - 2 ) 式中廠為物鏡的焦距。 由此可見，當(dāng)物鏡的分辨角一定時(shí)候，想要在c c d 器件上得到比較大的分 辨線距離萬，就必須要加大物鏡的焦距，這樣又會(huì)使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸增大。 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視場(chǎng)是用視場(chǎng)角即物體的邊緣對(duì)入瞳中心的張角2 0 ) 來表示的。 由圖2 7 知，視場(chǎng)角可用下式來計(jì)算 一 轡國= 每 ( 2 3 ) 式中z 為物鏡的焦距；2 y 為c c d 傳感器敏感區(qū)尺寸的大小。 選用智通公司的l 1 6 8 8 l 反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)焦距為7 5 0 m m 4 6 7 m m ， 相對(duì)孔徑為1 6 1 8 ，由式2 - 1 及2 2 可算得c c d 傳感器上分辨的線距離為3 u m ， 小于所選用的c c d 的最小像元大小7 u m 。由上述計(jì)算知，所選用系統(tǒng)參數(shù)滿足 設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。 2 、主動(dòng)照明 由于本非接觸潮位測(cè)量系統(tǒng)要求全天候二十四小時(shí)工作，環(huán)境光變化劇烈， 白天和夜晚的環(huán)境光的最大照度和最小照度之差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過c c d 傳感器相應(yīng)的動(dòng) 第二章測(cè)量原理及總體方案設(shè)計(jì) 態(tài)范圍，因此在晚上或者天氣條件不好的情況下，需要采用人工光源對(duì)自然光源 進(jìn)行輔助照明。由自然過程產(chǎn)生的輻射源稱為自然光源，各種天體( 包括太陽、 月亮、星體等) 都是自然光源。人工光源主要是為了在夜晚或者天氣不佳的情況 下，創(chuàng)造良好、穩(wěn)定的觀察和測(cè)量條件，本系統(tǒng)擬在激光照明或l e d 照明中選 擇一種，并展開了相應(yīng)的后續(xù)實(shí)驗(yàn)。 激光照明，具有單色性好、相干性好，光束準(zhǔn)直精度高等特點(diǎn)，c c d 器件的 光譜響應(yīng)范圍為0 2 1 1 u m ，峰值響應(yīng)波長多為0 5 5 u r n ，在諸多激光器中，半 導(dǎo)體激光器又由于其效率高，體積小，制造技術(shù)比較成熟，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便， 價(jià)格便宜。在使用激光照明目標(biāo)時(shí)，須合理選擇激光光源的功率及有關(guān)參數(shù)，調(diào) 節(jié)被觀察對(duì)象亮度值，以保證所須要的像面亮度，半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角都很大， 單位角度內(nèi)能量就非常的小，為了能使系統(tǒng)在黑暗中能看見更遠(yuǎn)的目標(biāo)，它的發(fā) 散角做一定的壓縮，保證目標(biāo)表面的照度【1 3 - 1 4 1 。 l e d 照明作為一種新型的照明方式，也存在其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一是外型設(shè)計(jì)靈 活，l e d 照明系統(tǒng)可以由一組l e d 陣列的形式組成，在外型和尺寸方面有更大的 自由度；二是使用壽命長，l e d 照明系統(tǒng)在持續(xù)1 0 ，0 0 0 小時(shí)到3 0 ，0 0 0 小時(shí)以 后才進(jìn)入半衰期，大大高于其他照明系統(tǒng)，如果采用開關(guān)控制，間歇使用可抑制 溫度升高，且l e d 的壽命能增加數(shù)倍；三是照度控制方便，采用l e d 陣列，可將 陣列分成若干等級(jí)，這樣就能獲得若干等級(jí)的照度條件，以適應(yīng)不同的外界照明 條件1 5 6 1 。 3 、照度匹配 c c d 是積分型器件，輸出電流型號(hào)既和c c d 器件光敏面上的照度有關(guān)，也 和兩次取樣的間隔時(shí)問，即積分時(shí)間有關(guān)。若以i 代表其輸出電流信號(hào)，e 代表 光敏面的照度，t 代表兩次取樣的間隔時(shí)間，則在正常工作范圍內(nèi)有 i=ket=kq(2-4) 式中，k 為比例常數(shù)，q = e t ，稱為曝光量，單位為i x s o 對(duì)于既定元件，曝光量應(yīng)限定在一定的范圍之內(nèi)，其上限為飽和曝光量如。 對(duì)于攝像和以光照度測(cè)量為基礎(chǔ)的c c d 應(yīng)用系統(tǒng)，光敏面上任何光敏單元上的曝 光量q 均應(yīng)當(dāng)?shù)陀?，否則將產(chǎn)生畫面亮度失真，或產(chǎn)生大的測(cè)量誤差【1 7 】。 因?yàn)閝 = e t ，所以可以通過適當(dāng)選擇c c d 器件光敏面上照度e 和兩次采樣 間隔時(shí)間t 兩個(gè)參數(shù)來達(dá)到q 如。但是，采樣間隔時(shí)問t 一般由驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移 脈沖周期不確定，常為一確定值。所以調(diào)節(jié)曝光量是通過調(diào)節(jié)c c d 光敏面上 的光照度來實(shí)現(xiàn)。要求光敏面上的任何點(diǎn)的照度應(yīng)滿足 e z u j 0 1 ；復(fù)位脈沖信號(hào)r s ，用來清除輸出 極輸出一個(gè)單元的電荷后所剩電荷，以保證下一個(gè)單元的電荷電壓的輸出正確， 每復(fù)位一次輸出一個(gè)信號(hào)；鉗位脈沖信號(hào)c p ，該脈沖使輸出信號(hào)鉗制在零信號(hào) 電平上；采樣保持控制脈沖即，加有采樣保持信號(hào)控制脈沖后，c c d 的輸出信 號(hào)去掉了調(diào)幅脈沖成分，它的幅度直接反映了像敏單元的照度。 圖3 2 中的另兩個(gè)信號(hào)和d o s ，其中o s 是c c d 的輸出信號(hào)，而d o s 是 c c d 的輸出補(bǔ)償信號(hào)，這兩路信號(hào)送大差分放大器的正、反輸入兩端進(jìn)行差分放 大，可抑制共模的復(fù)位信號(hào)引起的干擾【1 丌。 ，h 1t _ 州辱乞骷a o 譬p 砷啪 叮盎辦1 。 - 破，：歹氣 t tt 5 r s 。 二三蜓凹8 - u 。- - o 。- u o s “ ， s p 圖3 - 3 驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈銷與延時(shí)關(guān)系 在s h 高電平期間，c c d 傳感器積累的信號(hào)電荷包通過轉(zhuǎn)移柵進(jìn)入移位寄 存器，二相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖縞、妒2 要求保持一個(gè)高和低的電平狀態(tài)，、f 5 為縞相 對(duì)于冊(cè)的建立保持時(shí)間，參圖3 - 3 所示，其最小值不應(yīng)該小于l o o n s ，此外， 轉(zhuǎn)移柵船的脈沖寬度f 3 不得小于5 0 0 n s ，復(fù)位脈沖信號(hào)髂、鉗位脈沖信號(hào)c p 、 采樣保持控制脈沖s p 的脈寬島、t 1 8 、：均不得小于2 0 n s ，滿足了這些最基本的 時(shí)序要求，c c d 傳感器件才能正常工作。 c c d 傳感器的六路脈沖信號(hào)均由可編程邏輯器件c p l d 提供。在設(shè)計(jì)時(shí)，采 用同一時(shí)鐘對(duì)幾路脈沖進(jìn)行控制，以保證相互問確定的時(shí)間關(guān)系。用分頻器對(duì)時(shí) 鐘脈沖進(jìn)行分頻以產(chǎn)生各路脈沖所需要的波形f 1 8 1 。時(shí)序發(fā)生原理圖如圖4 4 所 示，在本c c d 的時(shí)序驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，z c l r 作為清零信號(hào)低電平有效；從外部時(shí)鐘 m c l k 獲c p l d 的主時(shí)鐘c l k ，對(duì)c p l d 時(shí)鐘進(jìn)行分頻，得到二分頻朋翰、四分 頻尥、八分頻朋鯪、十六分頻m q ，對(duì)肘q 、m q , 、朋鯪經(jīng)過組合邏輯電路 第三章測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) l 進(jìn)行邏輯組合，就可以分別得到面、面、歷信號(hào)，三個(gè)信號(hào)的頻率為主頻c 叢 的1 8 ，占空比為1 ：3 ；從外部時(shí)鐘分頻得到的另一路計(jì)數(shù)時(shí)鐘t c l k ，t c l k 經(jīng) 過計(jì)數(shù)器與邏輯組合電路2 可以獲取轉(zhuǎn)移柵舛；又縞與跗之間有著特定的時(shí) 序延時(shí)保持要求，從組合邏輯2 中分出一路信號(hào)與塢相或，得到二相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng) 脈沖磊，歡可通過對(duì)萌取反的方法獲得。 圖3 4 時(shí)序發(fā)生原理組成框圖 系統(tǒng)在全天候晝夜條件下工作時(shí)，外界的光照條件差距比較大。在一個(gè)光 照條件下調(diào)整校準(zhǔn)好的c c d 驅(qū)動(dòng)，在一個(gè)相對(duì)較弱的光照條件下，可能會(huì)電荷 溢出導(dǎo)致信號(hào)失真，而在另一個(gè)光強(qiáng)較強(qiáng)的情況下，又會(huì)輸出幅度相對(duì)較小，不 利于提高系統(tǒng)的信噪比，影響探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力。c c d 傳感器對(duì)光的感知能 力，受其工作頻率和積分時(shí)間的影響，采用c p l d 可編程邏輯器件，可以實(shí)現(xiàn)積 分時(shí)間和頻率同時(shí)可以調(diào)整的驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整， 使得c c d 傳感器達(dá)到最佳探測(cè)狀態(tài)。 3 3 2 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì) 在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，c c d 傳感器輸出信號(hào)o s 及補(bǔ)償輸出信號(hào)d o s ，這 兩個(gè)信號(hào)較弱，且受到共模的復(fù)位脈沖信號(hào)船、鉗位脈沖信號(hào)c p 、采樣保持 控制脈沖印的干擾，在本系統(tǒng)中采用差分多級(jí)放大器l m h 6 6 4 4 來放大信號(hào)并 抑制共模干擾。 l m h 6 6 4 4 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的l m h 6 6 4 x 系列中的四運(yùn)放，是應(yīng) 用與單電源的電壓反饋型運(yùn)算放大器，在點(diǎn)電壓電源供給的情況下能夠提供高轉(zhuǎn) 換速率、寬頻、低諧波失真和高輸出電流f 4 1 】。 在放大器的第一級(jí)采用電路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的差分放大方式，有利于抑制共 模干擾( 提高電路的共模抑制比) 和減小溫度漂移【3 1 ，即該方式對(duì)差模信號(hào)有較 強(qiáng)的放大能力，而對(duì)共模信號(hào)有較強(qiáng)的抑制能力，差模放大倍數(shù)大，而共模 放大倍數(shù)如小，可以提高共模抑制比k d 坦= 如如，k c m r 越大越好。采用 四級(jí)放大，增加了整個(gè)電路的放大率調(diào)整空間，還可以獲得較高的信噪比。四級(jí) 放大的最末級(jí)的輸出信號(hào)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器a d c 相連，為了使得a d c 能表現(xiàn)出最優(yōu) 第三章測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 秀的性能，放大器必須要保證處理傳送到a d c 的信號(hào)具有正確的偏置和幅度，而 要保證信號(hào)的完整，放大器必須具有完成該工作所需要的帶寬和交流性能，放大 器到模數(shù)轉(zhuǎn)換器a d c 的差分接口如圖4 - 6 所示，在運(yùn)放的輸出和模數(shù)轉(zhuǎn)換器a d c 的輸入阻容組合。這個(gè)阻容組合 t 1 2 具有多種功能f 2 0 】：電容是a d c 的 一個(gè)局部電量儲(chǔ)存設(shè)備，通常， 一個(gè)小電容就可以提供所需要的 暫態(tài)電量儲(chǔ)存，用來消除由于 a d c 內(nèi)部開關(guān)電路引起的電流尖 峰；電阻用來隔離a d c 的容性負(fù) 載和放大器來確保穩(wěn)定；另電阻 和電容合起來形成了一個(gè)a d c 輸 入的低通濾波器。 放大器的電壓增益大小 彳：r o + r b ，為了能夠適應(yīng)外界 兄 環(huán)境光強(qiáng)的變化，需要能夠及時(shí) 調(diào)整放大電路的電壓增益a ，可 圖3 5 籌分放大電路圖 以通過多路模擬開關(guān)來改變電壓增益a ， 圖3 - 6 阻容組合電路圖 選通信號(hào)a 0 ，a 1 ，a 2 ，從r i r 8 中 兄+ r 選擇一個(gè)作為放大器的反向輸入端接地電阻，改變 咒 值，從而改變信號(hào)的 放大倍率 a o a 1 a z v a 2a 1a 0e ns w i t ( 00o11 00 ll2 l013 01 1 14 1o01 5 10116 1l 0l 7 1li18 圖3 7 多路模擬開關(guān)接線圖 表3 - 1 多路模擬開關(guān)真值表 第三章測(cè)景系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 3 3 模數(shù)轉(zhuǎn)換 經(jīng)過差分放大器放大后的c c d 信號(hào)是模擬信號(hào)，而微處理器只能對(duì)數(shù)字信號(hào) 進(jìn)行處理，因此需要將c c d 的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中采用n 公司生 產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件t l c 5 5 1 0 i ，t l c 5 5 1 0 是8 位高阻抗并行a d 芯片，采用5 v 供 電，帶有內(nèi)部采樣保持電路 1 9 , 4 3 。 n y q u i s t 理論規(guī)定，信號(hào)必須被至少大于信號(hào)最高頻率兩倍的采樣頻率量化， 系統(tǒng)中c c d 信號(hào)輸出的信號(hào)頻率最大為6 m h z ，所以a d c 的采樣頻率至少要 1 2 m h z ，t c d 5 5 1 0 i 所能提供的最大采樣率為2 0 m s p s ，滿足系統(tǒng)的頻率要求。 系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，c c d 輸出端輸出信號(hào)，c p l d 產(chǎn)生a d 的轉(zhuǎn)換控制時(shí)鐘 a d c l k ，在a d c l k 的每一個(gè)下降沿采集模擬輸入信號(hào)，t l c 5 51 0 就會(huì)將差分 放大、低通濾波后的c c d 模擬信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為與其模擬幅值相對(duì)應(yīng)的8 位數(shù) 字信號(hào)，送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，t l c 5 5 1 0 的輸出使能o e 接地置為低電平時(shí)， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器a d c 就不停的向外輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，以供后續(xù)電路接收處理。 3 4 信號(hào)接收與控制模塊 3 4 1 c p l d 邏輯時(shí)序控制 整個(gè)電路部分的所有時(shí)序及邏輯控制功能，均是基于可變成邏輯器件 ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) c p l d 實(shí)現(xiàn)的。c p l d 是一種可以在制造 完成后由用戶根據(jù)自己的需要定義其邏輯功能的一種器件。 i s p m a c h l c 4 2 5 6 v 是l a t t i c e 公司i s p m a c h t m 4 0 0 0 v 系列中的一款 c p l d ，工作電壓是3 3 v ，最大工作始終是4 0 0 m h z ，內(nèi)部有2 5 6 個(gè)宏單元，具 有低功耗特性，封裝有1 0 0 1 刪1 7 6 管腳，本系統(tǒng)選擇的是1 4 4 管腳，有豐富的 i o 口資源，能實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程。 在本方案設(shè)計(jì)中，c p l d 主要實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾部分： l 、提供c