基于图像传感器的空间滤波测速技术研究

发布时间：2020-01-19 17:07

【摘要】：相比于一些传统的速度测量方法,光学测速技术因其非接触性而拥有巨大的优势,利用光学方法进行速度测量已成为新的发展方向。其中,空间滤波测速技术因为结构简单、稳定性好、测量精度高等诸多优点,在工业生产和科学研究中的多个领域得到了越来越广泛的应用。本文首先重点回顾了空间滤波测速技术的产生与发展历程,详细介绍了该技术在国内外的研究现状,然后对空间滤波测速技术各个环节开展了深入细致的研究,并在此基础上研制出了一套空间滤波测速仪的工程样机。阐明了空间滤波测速的基本原理是通过空间滤波器的周期性变化的透过率对来自运动物体图像的光强进行调制来实现的。建立了空间滤波效应的数学模型,并对空间滤波测速原理进行了理论推导,得到了普通空间滤波器、差分空间滤波器以及空时滤波器的功率谱密度函数。从功率谱密度函数的角度出发,对矩形窗口矩形透过率型空间滤波器的频谱带宽、中心频率以及频谱峰值透过率三个方面分析了空间滤波器的滤波特性,为优化滤波器的参数提供了理论依据。设计了基于高速线阵图像传感器的车载空间滤波测速仪结构。采用图像传感器作为空间滤波测速仪中的空间滤波器件和信号探测元件,很大程度上增加了空间滤波器设计的灵活性,简化了测速仪的结构。针对空间滤波测速仪有限景深的缺点,提出了双通道、双探测器结构的空间滤波测速仪,增加了系统的测量景深。提出将激光位移传感器运用于空间滤波测速仪中,不仅能够补偿工作距离变化导致的比例因子波动,还可以克服空间滤波测速仪在每次安装之后都要重新标定的缺点。设计了基于图像传感器的空时滤波器,空时滤波器能够实现方向辨别,使速度测量范围加倍,并能降低速度测量不确定度。通过对空间滤波测速原理和双光束差分多普勒测速原理的充分理解,提出基于数字微镜阵列的条纹图像测速仪。介绍了数字微镜阵列的工作原理,照明条纹光的产生方法,并提出了三种基于数字微镜阵列的条纹图像测速仪的结构,即一般结构、频移结构和Janus配置双通道结构。针对空间滤波信号的特点,提出了空间滤波信号处理的一体化解决方案,即由信号转换和预处理、空间滤波信号频率解算、结果输出三个单元组成完整的信号处理系统。其中信号转换和预处理单元实现图像传感器的输出电压转换、模数转换、空间滤波和信号预处理四个功能;空间滤波信号频率解算单元通过现场可编程门阵列(FPGA)完成快速傅立叶变换和频谱校正等技术实现快速准确的频率解算;结果输出单元通过相关判据判断信号的有效性,并作出相应输出。针对车辆加速度较大时出现的非平稳空间滤波信号的情况,提出采用一对相位相互正交的空间滤波器产生一对相互正交的信号,再用正交解调的方法得到非平稳信号的瞬时频率。研制出了基于高速线阵图像传感器的空间滤波测速仪工程样机。工程化主要包括四个部分:一、像方远心光路系统的设计;二、基于高速线阵图像传感器的工业相机的设计,主要包括基于FPGA的图像传感器的驱动和采集电路设计;三、实时准确信号处理系统的设计,依靠FPGA运用verilog HDL实现,包括空间滤波算法、快速傅立叶变换、基于重心法的频谱校正以及信号的有效性判别和输出;四、测速仪系统结构设计。为评价所研制的空间滤波测速仪的性能,进行了实验室内的高精度传送带实验。实验结果表明,所研制的空间滤波测速仪的速度测量不确定度优于0.54%,测量线性度优于0.734%,测量有效景深为110mm。为检验车载空间滤波测速仪用于实际路面车辆速度动态测量的可行性,进行了与GPS以及本单位自主研制的激光多普勒测速仪的对比测量实验。实验结果表明,所研制的空间滤波测速仪相较于GPS拥有更好的自主性和更高的数据更新率;与自主研制的激光多普勒测速仪相比具有更高的信号有效率。进行了沥青路面、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况下的车辆速度测量实验,实验结果表明所研制的空间滤波测速仪可以适应多种路面的车辆速度测量。开展了测速仪与惯性测量单元的组合导航实验。讨论了车载空间滤波测速仪的比例因子以及惯性测量单元安装差角的标定方法。在空间滤波测速仪与惯性测量单元的组合导航实验中,2小时内车辆的最大位置误差由纯惯导的10 468米减小到54米。在空间滤波测速仪、激光多普勒测速仪与惯性测量单元的组合导航对比实验中,1.8小时内最大位置误差分别为43米和20米,而纯惯导的最大位置误差为7 216米。实验充分说明了空间滤波测速仪用于车载组合导航系统的可行性和有效性。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN713;TP212;TH824

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