[实用新型]一种二相线阵CCD数据采集与处理系统

说明书

技术领域

本实用新型属于地表形变监测领域，具体涉及一种用于微位移精确测量的二相线阵CCD数据采集与处理系统。

背景技术

地表形变通常具有低频、微变等特点，测量大地形变倾斜角度微小变化往往需要较高的分辨率进行定时定点观测。电荷耦合元件CCD(Charge-coupled Device)(也称为CCD图像传感器)主要分为线阵CCD和面阵CCD，线阵CCD由于具有自扫描速度快、频率响应高、测量精度比较高、体积小功耗低、性能稳定、寿命长、本身的噪声低、属于非接触式光学测量可实时将光学信号转变为电学信号实现动态测量等特点，所以线阵CCD能够很好的应用于大地形变的长期监测。

影响线阵CCD测量系统测量精度的因素有很多，主要分为硬件和软件两部分，具体为：

1)线阵CCD性能的优良直接影响系统的测量精度；CCD包含的像敏单元越多且尺寸越小，其提供的测量分辨率也就越高。现有的CCD信号采集及处理方法中多采用较早期或已停产CCD型号作为测量单元，如《线阵CCD数据采集及LCD显示》(武汉大学动力与机械学院杜昕等)所用CCD为2160像素的TCD1200D，其像元大小为14um，《线阵CCD高速数据采集与实时处理系统》(重庆大学王鑫等)使用的CCD为TCD1209，像元数目2048像元大小仍为14um，《基于FPGA的线阵CCD驱动时序电路的设计》(西安邮电学院袁金凤等)选用的TCD1500C包含5340个像元，像元大小为7um。

2)A/D转换器是测量系统的一个重要器件。CCD输出信号需要经过除噪放大等预处理再进行A/D转换，传统的CCD信号处理方法是采用分立电路分别实现各个功能，如《基于相关双采样技术的CCD视频信号处理研究》(南京理工大学张林等)采用放大器三极管等分立元件搭建了CCD信号相关双采样处理电路，但是不同功能电路的分立必然会给CCD输出信号引入一些不必要的干扰。另外，针对奇偶两路输出的CCD信号如何再次整合为完整的一路信号，现有技术多采用独立的硬件电路来实现，如《用DSP实现重心算法确定CCD像点位置》(中科院上海技术物理研究所，闻路红)采用了加法电路将两路信号相加，然后对信号进行滤波放大等预处理再送入A/D转换器；再如《基于线阵CCD实现PCB孔质检智能化》(湖南商学院苏岱安)采用模拟开关将输出的两相信号切换成一路再传递给AD进行转换。上述现有技术的缺点是在两相信号恢复为一相的过程中可能会给原始信号引入硬件延时和不必要的干扰信号。另外，A/D转换器的转换速率和转换位数也是需要考虑的重要指标。

3)线阵CCD的驱动电路与CCD工作时序和信号采集时序都是直接相关的，是影响系统测量精度的因素。常用的CCD驱动电路有IC驱动电路、EPROM驱动电路、单片机驱动电路和CPLD驱动电路4种，其中前3种方法中：IC驱动电路主设计复杂，体积较大，调试困难，在早期往往使用较多；EPROM驱动电路复杂，分立元件多，工作频率低；而单片机驱动虽然设计相对简单，但存在资源浪费等问题，且上述3种电路均存在高频干扰，驱动信号不够稳定。

4)为了追求更高的测量精度，在测量微尺寸或微位移时就需要利用像点定位细分算法。目前线阵CCD常用的像点定位算法主要有最大值法、二值化法和重心法。但最大值法受噪声影响大，分辨率低，一般很少采用。二值化法的测量精度依赖于CCD信号的形状，当CCD信号受到随机噪声等干扰出现波形不对称或存在震荡的情况时，二值化后信号的中点并不代表实际像点位置，所以这种方法精度有限。

综上所述，现有的CCD信号处理系统为了追求数据采集的速度而忽略了定位精度，因此并不适用于精度要求较高的微位移测量领域。为了克服现有技术存在的上述缺陷，提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种二相线阵CCD数据采集与处理系统，尤其适用于如对地表形变进行微位移测量或者对物体微小位移的高精度测量。

本实用新型采用的技术方案为：一种二相线阵CCD数据采集与处理系统，包括CPLD驱动电路、二相线阵CCD传感器、A/D转换电路、高速数据缓存FIFO、信号处理电路、光源灯控制电路和上位机，其中：

所述二相线阵CCD传感器用于将模拟像元信号输出给所述A/D转换电路，所述A/D转换电路经过预处理及模数转换将数字化后的模拟像元信号即数字像元信号输出给所述高速数据缓存FIFO，所述高速数据缓存FIFO通过输出端口将数字像元信号传送给所述信号处理电路，所述信号处理电路将数据处理结果传输给所述上位机；