一种基于线阵CCD和线状红外激光的液体表面波探测方法及装置

摘要

本发明涉及的基于线阵CCD和线状红外激光的液体表面波探测方法及装置，所述方法为：使线状红外激光器发射的激光线照射到液体表面，经表面反射后，通过可见光滤波片，照射到线阵CCD上，线阵CCD接收到光信号后输出数字视频信号，经图像处理后算出线阵CCD上光斑坐标发给上位机，上位机负责对测量结果进行处理和显示。装置由激光发射模块，光线位置检测模块，图像处理模块三部分组成。本发明用于液体表面波的探测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于线阵CCD和线状红外激光的液体表面波探测方法及装 置，属于液体表面波检测领域。

背景技术

在物理学中，表面波是一种沿着两种不同流体界面传播的机械波。液体表 面波通常是指沿液体和空气界面传播的一种机械波，通常是由于液体受到扰动 后形成的。如果我们研究的液体表面波波长或者振幅比较小,我们就无法用肉眼 看到它,这给液体表面波频率的测量带来一定的困难。

目前测量液体表面波的方法主要包括接触式测量和非接触式测量两种方 法。由于接触式测量方法会对待测水表面波引入人为干扰，所以液体表面波的 测量应优先考虑非接触式的测量。在非接触式测量方法中，又分为直接测量法， 和利用光的衍射、干涉性质的间接测量法。

在直接测量法中,比较典型的是童培雄等人在论文“测量水的振动频率与水 波传播速度”中提出的基于硅光电池和点状激光的测量方法，该方法利用硅光 电池的电压与照射面积之间的关系估算出光斑的位置。但由于硅光电池存在死 区电压，以及光电参数不均匀等原因使得测量精度比较差。

在间接测量法中，对于不同频段的液体有不同的方法。苗润才等人用衍射 的方法测量几百赫兹的液体表面波的物理特性，实验观察到了表面波的衍射效 应，而且得到了几乎100%的衍射效率，还讨论了衍射条纹间距与液体表面张力 的关系，并对液体表面波的衰减特性进行了研究；对于频率为几赫兹或更小的 液体表面波，Bartor等人曾采用表面波斜率激光扫描技术分析过这些频率以下 的液体表面波，但在他的研究中，液体必须染色，不适合于像水这样的透明液 体；对于频率为几十赫兹的液体表面波，张晓琳等人曾提供一种基于散射激光 多普勒效应的液体表面波探测方法及装置，解决了之前对液体表面波频率和振 幅进行测量的激光干涉技术中，要求接收主反射光，并且要求光路输出和接收 部分的角度严格匹配的问题，但是它的测量频率的量程有限，只能探测0-40 赫兹的表面波，同时设备也较复杂，成本高。

本发明涉及一种基于线阵CCD和线状红外激光的液体表面波探测方法，属 于上述的非接触测量方法中的直接测量法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线阵CCD和线状红外激光的液体表面波探测 方法及装置。它解决了现有基于激光干涉的液体表面波探测方法需要严格匹配 光路输出和接收部分的角度的问题，同时也解决了基于散射激光多普勒效应的 液体表面波探测方法量程不够广的问题。

其测量方法包括下述步骤：

步骤一：用线状红外激光器发射的激光线照射到待测液体表面，使得激光 面和液面的交线垂直于激光器的发射方向，光线经液体表面后通过可见光滤波 器滤掉可见光成分；

步骤二：步骤一得到的纯红外激光线垂直照射到线阵CCD上，线阵CCD输 出数字视频信号；

步骤三：步骤二得到的数字视频信号经过滤波和模式匹配得到光斑中心点 坐标,所述光斑是一条中间亮周围暗的粗线；线阵CCD输出的数字视频信号的 时序图如图6所示，该信号为半数字半模拟信号，线阵CCD信号处理芯片是将 上述半数字半模拟的数字视频信号转换为数字信号并将信号送给图像处理芯 片；

图像处理芯片的处理过程包括采样、滤波、匹配三个步骤：

3.1.采样

上述数字信号被图像处理器采样，得到原始帧序列A[n],序列的长度设为 N；

3.2.滤波

对上述原始帧序列A[n]进行软件滤波（滤波的作用是滤除环境光线干扰以 及电噪声干扰）得到滤波后的帧序列，记为F[n],其中n代表线阵CCD的第n 个像素（在本文的描述中坐标指的就是像素序号）；

3.3.匹配

光斑在线阵CCD感光区域的光强分布类似正态分布，且当光斑中心靠近线 阵CCD感光区域的边缘时会有部分光线照射在线阵CCD感光区域外，针对上述 情况，本专利采用基于预存模板的匹配算法精确的得到了光斑中心的坐标。匹 配算法的具体流程如下：图像处理器预存了光斑中心在每个坐标位置的模板， 例如：

第0像素点预存的模板序列为M[0],

…

第i像素点预存的模板序列为M[i],

…

第N像素点预存的模板序列为M[N],

M[n][i]的计算公式如下：

$M\left[n\right]\left[i\right]=\frac{1}{\delta \sqrt{2\pi }}{e}^{\frac{-{(i-n)}^2}{2^{{\delta }^2}}}$

n表示光斑中心在第n个坐标位置

i表示模板序列的第i个值

其中n=0,1,2…N i=0,1,2…N

δ为常数，δ越大对应光斑越宽，反之则越窄，δ可根据实际光斑宽度进 行调整。

将滤波后的帧序F[n]与每个模板序列做向量积运算，将计算结果记为R， 计算的公式如下：

$R\left[n\right]=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Sigma }}F\left[i\right]*M\left[n\right]\left[i\right]$

取使R[n]值最大的那个n为光斑中心的坐标。

步骤四：步骤三得到的光斑中心坐标发送到上位机进行显示表面波的时域 信息；同时对时域波形进行快速傅里叶变换，显示表面波的频域信息。

基于线阵CCD和线状红外激光的液体表面波探测装置由激光发射模块，光 线位置检测模块，图像处理三部分组成（图1，装置结构示意图）。

为了测量来自各个方向的水表面波，本发明选用线状激光器射出线状光线， 这样可以保证无论表面波来自什么方向，反射光线始终能够照射到线阵

CCD上。从而解决了基于激光干涉的液体表面波探测方法解决不了的光路 匹配问题。

由于环境中存在可见光的干扰，本发明选择红外激光头发射红外激光线； 并在线阵CCD之前加装一片可见光滤光片滤除掉环境中的可见光，从而提高测 量仪器抗环境干扰的能力。

本发明采用帧率很高的线阵CCD代替帧率低的面阵CCD作为感光传感器， 直接测量被光杠杆放大的位移信号，从而达到较高的精度和量程，实验表明该 装置可以较准确的测量0-200赫兹的表面波。

此外本发明还对线阵CCD输出的数字视频信号进行采样、滤波、模式匹配， 最终得到光斑中心的坐标，发给上位机软件。上位机软件负责显示时域波形， 以及对时域波形进行FFT变换后的频域波形。

本发明的优点是：

本发明利用线状激光代替点状激光使得无论哪个方向来的表面波引起的光 路偏移都会被线阵CCD所测量到，因此可以测量来自各个方向的表面波，而不 用像基于激光干涉的液体表面波探测方法那样每次都要调整光路。同时本发明 使用线阵CCD而不用面阵CCD作为感光元件使得帧率得到大幅提高，实验表 明该装置可以较准确的测量0-200赫兹的表面波。最后，本发明还具有结构简 单、成本低、操作简单、维护容易等优点。

附图说明

图1为装置结构示意图；

图2为线状激光光路图；

图3为硬件结构图；

图4为软件的DARTS任务分解图；

图5为数字视频信号时序图；

图6为样机的测量结果。

具体实施方式

本发明涉及的一种基于线阵CCD和线状红外激光的液体表面波探测装置 的一种实施方式如下所示：

装置的硬件可由线阵CCD：TCD1209；线阵CCD信号处理芯片：AD9943；CPLD： EPM240T100C5N；微控制器：STM32F103RBT6以及PC组成（图3硬件结构图）。

微控制器中的软件负责采集CCD信号处理芯片输出的电平信号，并将该电 平信号转换成像素信号保存在帧缓存中，然后从帧缓存中获取帧数据，并对其 进行软件滤波处理，最后通过如上介绍的匹配算法得到光斑中心坐标并通过串 口发给PC。PC端的上位机软件则负责显示表面波的时域波形，以及对时域波形 进行FFT变换，从而显示表面波的频域波形。可选择开源免费的FreeRTOS作为 下位机的实时操作系统，基于DARTS方法的任务分解图如图4所示。

激光发射模块和光线位置检测模块可以用铁架台按照如下的要求固定（图 1，装置结构示意图）。固定后需保证：

1、激光面以一定角度（如与水面成30°夹角）入射水面；

2、轴向旋转激光头使得激光面和水面的交线最短（图2，线状激光光路 图）；

3、保持水面平静，调整线阵CCD的位置使得线阵CCD所在的平面与反射激 光面垂直相交于线阵CCD感光区域的中点；

固定好激光发射模块和光线位置检测模块后，再将光线位置检测模块的输 出线连接到图像处理模块。给激光发射模块和光线位置检测模块通电后，打开 上位机软件，水表面波测量仪开始工作。此时当水面有表面波传播至交线附时， PC上将显示该表面波放大后的波形以及频谱分布。