李果[1],冯立春[1],赵石彬[2]

（[1]首都师范大学 物理系 北京 100048

[2] 北京航空航天大学 北京 100191）

    摘要：外触发图像采集方式在红外无损检测等工业测控领域有着广泛的应用，其中作为外触发信号的同步信号生成是整个技术的关键。本文采用Labview软件设计一种同步信号生成系统。该系统通过NI数据采集卡生成驱动热像仪的外触发信号，并结合热像仪等其他设备对高速旋转的轮机叶片进行实时检测。可根据热像仪型号以及其他图像采集设备的要求进行相应的设置，具有很好的通用性。

关键词：Labview； 外触发； 同步信号

中图分类号：O439                     文献标志码：A

一、 应用背景

    .随着工业技术和计算机技术的发展，图像采集在工业测控方面发挥着广泛的作用。在一些特殊的应用条件下，需要图像采集设备准确地捕捉高速物体的图像。在较低速的情况下，对于图像采集频率数倍于所需要的采集频率，可以使图像采集设备进行连续采集，在后期图像处理中通过软件或人工手段提取出所需要的检测图像。这种方法操作简便，但具有许多缺点。比较明显的缺点有：1.所采集的图像序列包含信息少，利用率低，可能很大部分均属于无用图像。2.对于所采集到得有用图像，往往被测物体在图像上的位置会发生很大变化，给软件的图像处理阶段带来许多难题。总而言之，这种“鸟枪法”式的图像采集方法效率低，并对图像处理软件产生很大的依赖。对于实际工程应用中捕捉高速运动物体的场合，往往被捕捉物的出现频率与图像采集设备的采集频率相当，或者数倍于采集频率。这样，上述简单的连续采集方法便无法适应此情况下的采集需要。这就需要严格控制图像采集设备的曝光时刻，以便准确地在物体经过视场中央的时刻捕捉到目标。实现此目的的方法在于生成一个与物体经过视场时刻相同步的电信号，并以此电信号以外触发的方式驱动图像采集设备的工作。国内已有多个利用外触发信号驱动图像采集设备完成特定采集工作的先例【1】【2】。针对某高速旋转试验机装置中旋转叶片部分进行热像仪检测的需求，我们设计了一种基于labview数据采集卡编程的外触发热像采集系统。该系统通过激光光路的遮断，将高速旋转的叶片位置以电信号的形式表现出来，再传入数据采集卡与计算机系统进行变换，所加工后的同步信号以外触发方式驱动热像仪的采集工作。并且针对叶片转速极高和记录不同叶片信息的需求，我们加入了采集延时设定与采集倍频设定等功能。试验效果很好地完成了实际采集工作，并且可以应用到日后的高转速场合的图像采集中去。

二．同步信号系统设计

1.设计目的

    本系统用于捕捉某高速旋转轮机中各叶片的热分布图像。轮机旋转转速最大值6000转/分钟，旋转部件共包含6个叶片，即相邻叶片通过视场间隔1.67ms，计600Hz。热像仪有效采集频率极限约60Hz，图像采集视场仅为转盘正上方处一圆形观察孔，这使得仅当叶片恰好处于转盘正上方时才能够被热像仪捕捉到。设计要求在一次采集中能同时对6个叶片分别进行热图监测。

    由于叶片出现在视场的频率数倍于热像仪采集频率，不仅使得热像仪的采集频率无法达到要求，而且也很难保证采集时叶片处于视场中央位置。因此，需要产生一组与叶片位置相关的同步信号，用来驱动热像仪在外触发模式下进行工作，达到准确捕捉叶片图像的目的。

2.整体设计

    整个系统总体结构如图1所示：

图1 同步信号系统整体设计

Fig.1 Overall design for synchronous signal system

    激光器所发出的激光经过轮机叶片的调制，被调制光束被光电接收器所接收。被调制光束的光强变化反映出了叶片的位置及频率信息。该光束被光电接收器接收后，所得电信号传输至数据采集卡，并由计算机通过算法对其进行处理，生成驱动热像仪进行图像采集的外触发信号。由于生成信号的电平随叶片位置的变化而发生相应的变化，所以它是同步信号。系统数据流示意图如图2。

图2 同步信号系统数据流

Fig.2 Data flow for synchronous signal system

3.同步原理

    整个同步信号生成系统的工作模式类似于光学中的斩波器。光束被转轮叶片不断地重复切割遮蔽。当光束刚好被切割的瞬间可以由机械结构精确地对应出叶片的位置，此时叶片的位置是固定的，而该时刻通过光电接收器的转换反映在电信号上就是信号的上升沿。电信号中上升沿的位置与叶片出现在特定位置的时刻相对应；相邻上升沿之间的时间间隙（信号周期）与相邻叶片切割光束的时间差相对应；信号占峰比与轮机叶片尺寸相对应；信号上升沿序列与轮机叶片序列相对应；信号瞬时频率与轮机转速相对应。这样，根据电信号可以反映出轮机旋转的情况。

    由于叶片能够出现在视场的频率为600Hz，而热像仪最大有效采集频率约为60Hz，所以即使热像仪以最快速度工作，也无法连续采集到相邻叶片分别通过视场中央时的情况。为了克服这一弊端，采用在两次采集中加入整周期的方法。即当叶片连续遮挡（6n+1）次（n为正整数）时，热像仪进行一次图像采集，这样既解决的热像仪的性能限制所带来的问题，又能保证采集到的图像序列与叶片序列一一对应。同时，如果将相邻两次采集中所包含的遮挡设为6n次，则可以实现对单一叶片的检测。考虑到为热像仪性能留有余地，设定相邻两次采集中所包含的遮挡数为13次，即热像仪实际采集频率为46Hz。

    在光电接收器所采集到得信号中，其上升沿代表轮机叶片边缘运动到刚好切割光束的位置，但并未到达热像仪视场中心。因此输出的同步信号相对于接收器采集信号应添加一个延时，以补偿叶片由切割位置运动到视场中心所产生的时间差。理论上，该延时值应与瞬时转速呈线性相关关系。

    信号的分频与延时添加均由计算机控制数据采集卡完成。生成的同步信号由数据采集卡经同轴电缆输出至热像仪的外触发信号接入端，指挥热像仪的图像采集工作。为了增加系统可靠性，可采取一些辅助措施。在光电接收器前添加光阑限制光束，获得可靠的上升沿与下降沿。在光电接收器和数据采集卡间加入施密特触发器，使信号在进入数据采集卡前被较好地整形。

4.Labview软件方案

    本系统中Labview软件对信号的变换主要分别通过两个计数器的触发功能完成【3】。

    计数器0工作于连续脉冲生成模式（Continuous Pulse Train Generation），工作时序图如图3所示。该计数器的功能是通过设定high ticks与low ticks产生原信号的分频。计数器0的source端接光电接收器产生的电信号，将前面板high ticks与low ticks的数值分别设为m和n，这样就得到了原信号的1 /（m+n）分频，占峰比m/（m+n）。

图3 连续脉冲生成计数器时序图

Fig.3 timing diagram of Continuous Pulse Train Generation

    计数器1工作于可重置的单脉冲触发模式(Retriggerable Single Pulse Generation），工作时序图如下所示。该计数器的功能是在计数器0输出的分频信号上附加一个延时，并调整生成脉冲的宽度。延时量与脉冲宽度均通过一个时钟信号的周期数进行度量。分频信号接入计数器1的gate端，时钟信号被配置到source端（通常时钟信号为内部时钟，配置方式为软件配置）。

图4 可重置单脉冲触发时序图

Fig.4 timing diagram of Retriggerable Single Pulse Generation

    通过两个计数器，原始信号经过分频、延时添加和整形，产生同步于轮机叶片经过热像仪视场中央的同步信号。总时序图如图5（本时序图中以counter0设置high tick=2，low tick=4，counter2中low tick=200为例）

图5 总时序图

Fig.5 Total timing diagram

三、系统调试试验

1.硬件选择

    本系统采用带有六叶调制盘的光学斩波器模拟轮机转动过程，测试整个同步信号系统的可靠性。部分器材选择如下表：

表1 部分器材型号

Tab.1 Part of the equipment’s type

2.数据采集卡及Labview配置

    整个实验同时在计算机上运行两个vi程序，分别驱动两个计数器的工作。相对应与软件设定及NIUSB6259型数据采集卡要求，数据采集卡硬件连线方式如下：

（1） 原始输入信号由pin75与pin82输入，即计数器0输入端；

（2） pin89接pin77，计数器0的输出端接入计数器1的gate端；

（3） pin91、pin92输出生成的同步信号，以同轴电缆输送至热像仪External trigger端。

3.试验过程及结果

3.1普通采集

    对热像仪进行标定后，采用25Hz频率进行普通图像采集，效果如图6所示。由各帧图像可看出，叶片出现的位置具有随机性。

图6 普通采集方式的采集结果

Fig.6 Acquisition result of ordinally acquisition method

3.2.序列采集模式

    采用外触发采集方案，将工作模式设为外触发，分频数设定为1/13，并将同步信号连接至热像仪external trigger端，开始图像采集。所得多帧图像如图7：

图7 1/13分频的同步信号采集结果

Fig.7 acquisition result of synchronous signal method with 1/13 frequency division

    可以看出，各帧图像中叶片位置分布均相同，说明热像仪的拍摄捕捉已同步于叶片位置，同步信号具有很好的同步效果。

3.3.单一叶片采集模式

    将计时器0的驱动vi中low ticks设定为12，此时所得同步信号频率是原始信号频率的1/12，此时斩波器各叶片位置在图像上固定。单独使某一叶片温度升高，经热像仪采集后多帧图像如图8：

图8 1/12分频的同步信号采集结果

Fig.8 acquisition result of synchronous signal method with 1/12 frequency division

    可以看出，各帧图像中受热叶片位置固定（位于下方偏左处的斩波器叶片），同步效果良好。且在该工作状态下能够清楚地观察到整个叶片在旋转过程中的降温过程。

四、总结

    本文介绍了一种适用于对高速运动物体进行周期重复图像采集的方案。该方案基于光电转换与Labview软件的计数器应用，主要原理是由被测物对激光光束进行调制，所得调制光经过光电转换成原始的调制信号，再由计算机与数据采集卡对信号进行分频、延时添加和整形，输出同步于被捕捉物体的同步信号。整个系统硬件架构简单易行，且能根据实际需要改变参数设定，灵活性强。经过实验验证该系统能够生成精确的同步信号以满足热像仪对高速旋转物的捕捉。

参考文献

1. LIU Gan-yong，LUXiao-xu，ZHANG Qing-sheng,YU Qing-tin, Optical real-time phase-shifting inmge acquisition system based on Labview,Laser Journal(刘赣勇，吕晓旭，张庆生，余清婷，基于LabVIEW 的实时光学相移图像采集系统，激光杂志)2009年Vol.30 No.3, 26-27

2. JIANG Guang-wen, CHAo Zhi-chao, JIANG He-ping, FU Si-hua, Synchronous image acquisition and processing system of multiplecameras based on source trigger  and software control, Journal of Applied Optics(姜广文，晁志超， 江和平 ，供思华,基于外触发和软件控制的多摄像机同步采集处理系统,应用光学)2009 Vol.30 No.5 756-760

3. Yang Zhong-qiu, Zhu Li-jun,a method to establish software timer of high precision in Labview, Micro Computer(杨中秋，朱立军，一种在LabVIEW中构建高精度软件定时器的方法，微计算机信息)2004(3),53-54