基于圖像傳感器的空間濾波測(cè)速技術(shù)研究.pdf

1、相比于一些傳統(tǒng)的速度測(cè)量方法，光學(xué)測(cè)速技術(shù)因其非接觸性而擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，利用光學(xué)方法進(jìn)行速度測(cè)量已成為新的發(fā)展方向。其中，空間濾波測(cè)速技術(shù)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的多個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文首先重點(diǎn)回顧了空間濾波測(cè)速技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展歷程，詳細(xì)介紹了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，然后對(duì)空間濾波測(cè)速技術(shù)各個(gè)環(huán)節(jié)開展了深入細(xì)致的研究，并在此基礎(chǔ)上研制出了一套空間濾波測(cè)速儀的工程樣機(jī)。
　

2、　闡明了空間濾波測(cè)速的基本原理是通過(guò)空間濾波器的周期性變化的透過(guò)率對(duì)來(lái)自運(yùn)動(dòng)物體圖像的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。建立了空間濾波效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)空間濾波測(cè)速原理進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到了普通空間濾波器、差分空間濾波器以及空時(shí)濾波器的功率譜密度函數(shù)。從功率譜密度函數(shù)的角度出發(fā)，對(duì)矩形窗口矩形透過(guò)率型空間濾波器的頻譜帶寬、中心頻率以及頻譜峰值透過(guò)率三個(gè)方面分析了空間濾波器的濾波特性，為優(yōu)化濾波器的參數(shù)提供了理論依據(jù)。
　　設(shè)計(jì)了基于高速線陣

3、圖像傳感器的車載空間濾波測(cè)速儀結(jié)構(gòu)。采用圖像傳感器作為空間濾波測(cè)速儀中的空間濾波器件和信號(hào)探測(cè)元件，很大程度上增加了空間濾波器設(shè)計(jì)的靈活性，簡(jiǎn)化了測(cè)速儀的結(jié)構(gòu)。針對(duì)空間濾波測(cè)速儀有限景深的缺點(diǎn)，提出了雙通道、雙探測(cè)器結(jié)構(gòu)的空間濾波測(cè)速儀，增加了系統(tǒng)的測(cè)量景深。提出將激光位移傳感器運(yùn)用于空間濾波測(cè)速儀中，不僅能夠補(bǔ)償工作距離變化導(dǎo)致的比例因子波動(dòng)，還可以克服空間濾波測(cè)速儀在每次安裝之后都要重新標(biāo)定的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了基于圖像傳感器的空時(shí)濾波器，

4、空時(shí)濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)方向辨別，使速度測(cè)量范圍加倍，并能降低速度測(cè)量不確定度。
　　通過(guò)對(duì)空間濾波測(cè)速原理和雙光束差分多普勒測(cè)速原理的充分理解，提出基于數(shù)字微鏡陣列的條紋圖像測(cè)速儀。介紹了數(shù)字微鏡陣列的工作原理，照明條紋光的產(chǎn)生方法，并提出了三種基于數(shù)字微鏡陣列的條紋圖像測(cè)速儀的結(jié)構(gòu)，即一般結(jié)構(gòu)、頻移結(jié)構(gòu)和Janus配置雙通道結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)空間濾波信號(hào)的特點(diǎn)，提出了空間濾波信號(hào)處理的一體化解決方案，即由信號(hào)轉(zhuǎn)換和預(yù)處理、空間濾

5、波信號(hào)頻率解算、結(jié)果輸出三個(gè)單元組成完整的信號(hào)處理系統(tǒng)。其中信號(hào)轉(zhuǎn)換和預(yù)處理單元實(shí)現(xiàn)圖像傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、空間濾波和信號(hào)預(yù)處理四個(gè)功能；空間濾波信號(hào)頻率解算單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）完成快速傅立葉變換和頻譜校正等技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的頻率解算；結(jié)果輸出單元通過(guò)相關(guān)判據(jù)判斷信號(hào)的有效性，并作出相應(yīng)輸出。針對(duì)車輛加速度較大時(shí)出現(xiàn)的非平穩(wěn)空間濾波信號(hào)的情況，提出采用一對(duì)相位相互正交的空間濾波器產(chǎn)生一對(duì)相互正交的信號(hào)，再用正

6、交解調(diào)的方法得到非平穩(wěn)信號(hào)的瞬時(shí)頻率。
　　研制出了基于高速線陣圖像傳感器的空間濾波測(cè)速儀工程樣機(jī)。工程化主要包括四個(gè)部分：一、像方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；二、基于高速線陣圖像傳感器的工業(yè)相機(jī)的設(shè)計(jì)，主要包括基于FPGA的圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)和采集電路設(shè)計(jì)；三、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依靠FPGA運(yùn)用verilog HDL實(shí)現(xiàn)，包括空間濾波算法、快速傅立葉變換、基于重心法的頻譜校正以及信號(hào)的有效性判別和輸出；四、測(cè)速儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。<

7、br>　　為評(píng)價(jià)所研制的空間濾波測(cè)速儀的性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的高精度傳送帶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的空間濾波測(cè)速儀的速度測(cè)量不確定度優(yōu)于0.54％，測(cè)量線性度優(yōu)于0.734%，測(cè)量有效景深為110mm。為檢驗(yàn)車載空間濾波測(cè)速儀用于實(shí)際路面車輛速度動(dòng)態(tài)測(cè)量的可行性，進(jìn)行了與GPS以及本單位自主研制的激光多普勒測(cè)速儀的對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的空間濾波測(cè)速儀相較于GPS擁有更好的自主性和更高的數(shù)據(jù)更新率；與自主研制的激光多普勒測(cè)

8、速儀相比具有更高的信號(hào)有效率。進(jìn)行了瀝青路面、水泥路面、砂石路面、泥土路面以及砂石和泥土混合路面等不同路況下的車輛速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的空間濾波測(cè)速儀可以適應(yīng)多種路面的車輛速度測(cè)量。
　　開展了測(cè)速儀與慣性測(cè)量單元的組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。討論了車載空間濾波測(cè)速儀的比例因子以及慣性測(cè)量單元安裝差角的標(biāo)定方法。在空間濾波測(cè)速儀與慣性測(cè)量單元的組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)中，2小時(shí)內(nèi)車輛的最大位置誤差由純慣導(dǎo)的10468米減小到54米。在空間濾波測(cè)