一種動態(tài)濾波裝置的設計

摘 要設計一套動態(tài)濾波裝置， 采用步進電機傳動，脈沖頻率控制轉速，脈沖個數(shù)控制轉角技術，并對該裝置進行實際實驗，實驗結果表明，該裝置簡單易行，運行平穩(wěn)，可與攝像系統(tǒng)配合完成濾光實驗，濾光質量良好。

【關鍵詞】濾波裝置 成像 步進電機

攝像機拍攝的圖像是由被拍攝物發(fā)射光（反射光）及背景光兩部分組成。在攝像機已經確定下來的情況下，一般采用通過改變曝光參數(shù)的方法，調整目標成像的亮度來改善目標的成像質量。但是在實際使用中，受被拍攝物體的亮度、運動方式、背景環(huán)境等多種因素影響，攝像機的曝光參數(shù)的調節(jié)有時比較困難，特別是物體本身亮度較強的情況下，參與成像的主要光譜對應的光強太大，使得攝像機接收CCD飽和，而目標輪廓對應的成像光譜光強較弱，所以輪廓不清晰。只靠攝像機自身降低曝光參數(shù)來進行目標的清晰成像并不是那么容易，因此，僅僅依靠調整曝光參數(shù)是無法從根本上解決成像質量清晰與否的問題，需要設計一套載有不同波段濾光片的濾波轉動裝置，采用步進電機驅動的轉盤來裝夾濾光片，濾波裝置與攝影機時序匹配。本文中設計的濾波載盤旋轉時，不拍攝；電機停轉時，攝影機工作。濾波轉動裝置通過選擇適當?shù)母咄?、低通或帶通濾波片，將干擾目標成像的光譜成分濾除，使目標在圖像中的對比度得到改善。

1 濾波裝置的組成

濾波裝置是將裝載不同波長性能濾光片的轉輪置于攝影或攝像機之前，在攝影、攝像機工作時，控制轉輪，使不同波長的光成像，比較成像的質量，決定濾光波長。

本套裝置選用常規(guī)攝像機，考慮到目標距離攝影點很遠，使用伽利略系統(tǒng)，目鏡放大倍數(shù)為10倍，焦距為25mm，物鏡焦距為900mm，總角放大倍數(shù)為36倍，有連拍功能。濾波裝置由機械載片轉盤、步進電機驅動器、控制電路以及顯示設備組成。

主要完成以下功能：

（1）控制電機能夠帶動轉盤在0.5s內轉動72°。

（2）完成轉動后滯留一段時間，繼續(xù)下一步，滯留時間以0.1s為單位可調。

（3）運行速度、加速度可調，轉動角度以0.9°為單位可調。

（4）具有顯示功能，顯示參數(shù)設置信息以及電機運行信息。

（5）具備串口功能，可以方便進行程序燒寫，并可與上位機交互通信及控制。

2 步進電機驅動控制裝置

2.1 步進電機選型

攝像機帶動轉盤轉動，對電機要求較高，不僅啟動速度要快，而且停止后定位要準確，但在設計時發(fā)現(xiàn)轉盤的轉動慣量較大，不易停止下來。通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用永磁式步進電機可以滿足本裝置中對電機的要求：電機既可滿足帶動轉盤高速運動的同時，又可滿足在停止時轉盤定位準確無過沖現(xiàn)象，同時功率消耗較小。

步進電機型號定為：85BYGH-201。

2.2 控制電路設計

步進電機控制方框圖如圖2所示。

為了保證本裝置結構簡單、運行可靠，經過論證，步進電機控制器采用STC89C52單片機芯片，能夠滿足本裝置使用要求。該系統(tǒng)能夠發(fā)出脈寬、頻率、脈沖個數(shù)均可控制的方波，控制電機運行，并且還可以利用串口對單片機進行程序的燒寫，對其功能可以進一步擴展。其整體的電路圖如圖3所示。

采用SMC1602A液晶顯示器，能夠將濾波裝置的參數(shù)設置及工作狀態(tài)實時顯示出來，供操作人員實時監(jiān)控。操作人員可以通過操作液晶顯示器面板的控制按鍵，實現(xiàn)裝置控制參數(shù)的顯示、設置、電機運行和停止等功能。如圖4所示是按鍵控制電路圖。

2.3 軟件設計

單片機采用多中斷系統(tǒng)，分析判斷中斷標志位，確定有無中斷以及中斷方式，確定中斷方式后再通過查詢方式判斷具體工作模式，最后執(zhí)行相對應程序。軟件控制流程如圖5所示。

3 實驗分析

采用普通攝像機加裝本濾波裝置，濾波片濾光范圍在300nm至1200nm之間，對150米以外的物體做光譜采集，不漏掉目標，干擾光不進入系統(tǒng)，電機帶動轉盤按照預設程序，與攝像系統(tǒng)配合，依次拍下目標光譜信息。本濾波裝置正確地在外場采集了目標光譜。如圖6為拍攝照片濾波對比效果圖。

綜上實驗結果，從圖中可以看出，濾波裝置正常工作，濾波效果達到預期目標。

4 結束語

本套濾波裝置采用步進電機傳動，脈沖頻率控制轉速，脈沖個數(shù)控制轉角，使曝光與傳動匹配。結構簡單易行，用常規(guī)攝影攝像儀器、濾光片，經過光譜濾波后改進像質效果很明顯，得到較好的像質。

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作者簡介

李陽（1977-）男，遼寧省葫蘆島市人。工程師，從事光學測量工作。

作者單位

92941部隊91分隊 遼寧省葫蘆島市 125000