重心法在光电信号处理中的应用
第2期No. 2
1999年3月O PT ICA L T ECHN O LO G Y M arch 1999
光学技术
文章编号:1002-1582(1999) 02-0057-03
重心法在光电信号处理中的应用
(中国科技大学精密机械系, 安徽合肥 230027)
X
李静, 李为民, 陈晓东, 翟超, 胡红专, 邓伟平, 邢晓正
摘要:为了测定光纤出射光斑坐标的位置, 让光耦合进一根光纤, 在光纤的另一端对出射的光斑用
线阵CCD 进行扫描。针对接收到的一维方向上的光电信号数据, 分别采用了最大值法、截止电压法和重心法进行处理, 并对它们的结果进行了比较和分析。实验结果证明由重心法得到的信号位置具有重复精度高、稳定性好等特点。
关键词:重心法; 最大值法; 截止电压法; CCD 传感器
中图分类号:T N 29 文献标识码:A
Application of center of gravity method in photoelectric
signal processing
LI Jing , LI Wei -min , CH EN Xiao -dong , QU C hao
H U Hong -zhuan , DENG Wei -ping , XING Xiao -zheng
(Depar tment of P recision M achinery and P recision Inst rumentation , U niver sity o f Science and T echnolog y o f China , Hefei 230027, China)
Abstract :In or der to calibrat e coo r dination opposition of light spo t out of o ptical fiber , ex per iment equipment is set up a nd CCD is used to scan lig ht o ut o f o ne end of an optica l fiber w hile light fr om light source is co upled into the ot her end of t he optical fiber . T hree kinds of mathematical met ho ds are put for w ard to pr ocess da ta, i. e. max im um value met ho d, cut-off lev el metho d and center o f g r avit y method . T he r esults of exper iment show that the cent er o f g rav ity metho d is the best o ne to calibr ate opposition of signal and has char acter istics of hig h r epeated precisio n and stability.
Key words :Center o f gr avity metho d ; cut -off lev el methed ; max imum v alue met ho d ; CCD senso r 一、引言
在国家大型项目L AM OST (L ar ge Sky A r ea M ul-ti-Object Fiber Spectro sco py T elescope, 大天区多目标光纤光谱天文望远镜) 预研中, 为了标定4000根光纤在焦平面上的位置, 采用线阵CCD 传感器去扫描从光纤中出来的光斑。要较为精确地得到光斑的位置及其在移动时变动的距离, 找出光信号上某一位置稳定点是关健。本文以线阵CCD 采集到的光纤出射光斑中某一截面上的信号为例说明在寻找稳定点中与常用的最大值法和截止电压法相比, 重心法具有重复精度高, 稳定性好等优点。
二、常用方法
用线阵CCD 采集到的光纤出射光斑的某一截面形状如图1所示。N 为采样次序, V (N ) 为与采样次序相X 收稿日期:1998-03-12; 收到修改稿日期:1998-07-14作者简介:李静(1968-) , 女, 中国科技大学硕士。
对应的电平。
1. 最大值法
对于如图1(a ) 所示信号, 找出其最大值A 点。2. 截止电压法
如图1(b) 所示, 用截止电压V =k 1V max +k 2V min 去截信号, 求得N 1, N 2两点。其中k 1=k 2=0. 5, 此时在截止电压V 与曲线的交点附近曲线较陡, 测量值的变化量较小, 测量的稳定性好。取与(N 1+N 2) /2相对应的点A 作为信号的代表点。
三、重心法
重心法是对信号进行面积分, 积分区域取与截止电压V ′=k (V max -V min ) +V min 相对应点之间的区域, 实验显示, 当k =0. 1时, x 值及其12次重复采样的偏差R 与在整个信号积分时相差不大。当k >0. 1且不断增加
光 学 技 术 1999年3月
时, x 值的不稳定性和偏差R 显著增加。如图1(c) 所示, 其中第N 区域的面矩为{V N [(N +1) -N ]}・N ,
面积
因此采样到的每两个点对应着一个CCD 像元, 即CCD
的每个像元被连续采样两次。即
图1 三种方法的比较图
为V N [(N +1) -N ], 求出整个信号的重心N A 为N A =
∑{V [(N +1) -N ]}õN ∑V [(N +1) -N ]
N
N
=
∑V õN ∑V
N
N
四、实验装置及原理
实验装置图如图2
所示。
图3 C CD 的空间、时间及采样次序之间的转换
x =
=6. 5N (L m) 2
x ∝N
(4) (5)
如图3(c) 所示。
当信号沿图2中x 方向移动一段距离时(在本实验中光纤不动, CCD 固定在水平移动工作台上并随其一起动) :
d =X B -X A =6. 5(N B -N A ) (6)
图2 实验装置简图
1—精密水平移动工作台, 精度为0. 2L m; 2—线阵CCD;
3—CC D 驱动扳; 4—放大滤波电路; 5—A /D 转换及接口板; 6—486微机; 7—示波器; 8—光纤; 9—点光源装置,
采用卤钨灯作为发光器件。
距离L /mm 最大值法截止电压法重心法
如图1(a ) 所示。
四、实验结果
表1 三种方法的R 值比较
R /L m
534. 13～84. 180～5. 660. 46～0. 91
1092. 37～199. 688. 06～32. 631. 37～4. 03
CCD 为光电转换装置, 将接收到的空间光强分布转换为随时间变化的电压信号, 如图3(a ) 和图3(b) 所示, 其转换关系为
=R T d x =R õf d t x ∝t
(1) (2) (3)
表1为当CCD 像元表面与光纤端面之间距离L 分别约为5. 0mm, 10. 0mm , CCD 位置沿图2中x 方向水平移动时, 通过21次单次测量, 每次测量重复采样12次的三种方法的x 均方很差值R 。由表1可见, 当L =
其中f d (=1/T d ) 为CCD 驱动频率; R 为光敏单元的几何尺寸。
在本实验中采用的CCD 型号为T H 7805A , 有效感光像元数为2048个, 像元尺寸为13L m ×13L m, R =13L m , 工作时采用的驱动频率为500kHz 。
信号处理过程如图4所示。在实验系统中低通滤波的截止频率为2kHz , 高通滤波的截止频率为
13Hz 。A /D 转换器为M AX 118C, 其采样频率为1M Hz 。
图4
5m m 时, 重心法的偏差R 最小, 在1L m 以内, 而且随着
L 的增加, 其它两种方法的R 剧增, 而重心法的R 变动
第2期 李静, 等: 重心法在光电信号处理中的应用较小。由此可见, 尽管该CCD 本身像敏单元的几何分辨力只有13L m, 通过重心法可使信号的位置偏差保持在1L m 以内。
在图5中, 图5(a) 为图2中L 约为5. 0mm 时, 水平移动工作台沿x 方向每移动2mm, 按公式(6) 求得d 的测量结果。图5(b) 为L 增加至10. 0mm 时测量的结果。其中虚线1为最大值法结果, 双点划线2为截止电压法结果, 实线3为重心法结果。在CCD 两端处d 值波
动较大。
上。此外存在光响应的非均匀性, 在某些像元上缺陷密集而形成暗电流尖峰以及受A /D 转换的精度限制。因此与最大值对应的点就不是唯一的且采样点本身的不确定度为6. 5L m 。当用截止电压法时, 与截止电压相对应的点同样存在以上现象。但由于对选取的两点进行了平均, 可以抵消部分不确定度。重心法是对区域信号求面积的矩, 然后再在区域内作面积平均, 对将近4000个点进行了加权平均, 可显著降低每个点对整个信号的影响, 有利于消除系统误差, 减小随机误差, 提高值的稳定
图5 三种方法的d 值比较
在图5(a ) 中, 用重心法测得的d 值在1. 990～2. 010mm 之间, 变化在±10L m 以内, 其中包括水平移动工作台本身的系统误差及读数的偶然误差。随着沿z 方向距离的增加, 重心法的稳定性显然最好。但重心法也存在缺点, 若CCD 感受不到完整的信号或所选取的信号积分区域太窄, 其误差将显著增加。信号信噪比越高, 光信号落在CCD 像敏单元上的范围越小, 其效果越好。在本实验中, 这与CCD 与光纤端面之间的距离、光纤的数值孔径、光源的强弱、光源与光纤之间的光耦合等因素有关。
五、分析及结论
从微观上来看, 从CCD 出来的电信号是一个个幅值不同的脉冲, 一个像元对应着一个脉冲, 如图2(b) 所示。设理想采样, 由于每个像元被采样两次, 当用最大值法时, 采得最大幅值电压脉冲上某点为最大值点, 那么在下次或前次采样时, 采样点可能同样落在该电压脉冲
性和重复精度。事实上, 由于系统本身存在光源电压的波动, CCD 光敏单元的不均匀性, CCD 中的暗电流和电噪声, 电路的温漂等和周围工作环境如杂散光的影响, 所以重复采集到的信号总存在着漂移和随机干扰, 这就更增加了最大值法和截止电压法的不稳定性。
在LA M OST 项目中是针对光纤出射光进行研究的, 其在空间呈二维分布, 虽然在这里讨论的只是一维方向的问题, 但重心法同样可以应用到二维光信号的处理。
重心法还可以推广到对不规则信号及多峰信号进行类似的处理。参考文献:
[1]蔡文贵, 李永远, 许根华编著:CCD 技术及应用. 北京:电
子工业出版社, 1992
[2]朱世鸿编:IBM -PC 微机接口和编程应用技术实验. 合
肥:中国科学技术大学出版社, 1992
[3]关少宁:平行光投影法测径系统的研制. 中国科学技术大
学硕士学位论文, 1997