CN108279317B - 一种空间滤波测速传感器装置及提高测速精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间滤波测速传感器装置及提高测速精度的方法，该装置包括照明光源、汇聚透镜、图像传感器、数据采集器、中央处理器、激光位移传感器和数据输出接口等；在该方法中计算物体表面粒子运动的速度过程中使用采集图像频谱的功率峰值点的频率，考虑到其它功率值点和其它的频率点对运动目标引起的频率的贡献，使用了对数加权平均算法求解物体表面粒子的运动速度；设置一个功率阈值，当采集图像频谱中功率值大于该阈值时该频率点参与计算运动目标引起的频率；使用了激光位移传感器实时精确测量距离运动物体的工作高度，并使用该高度实时修正测量速度以减小工作高度不同引起的速度测量误差，提高了空间滤波测量传感器中速度的测量精度。

Description

一种空间滤波测速传感器装置及提高测速精度的方法

技术领域

本发明涉及空间滤波测速传感器技术领域，尤其是涉及一种空间滤波测速传感器装置及提高测速精度的方法。

背景技术

由于空间滤波测速传感器(Spatial Filter Velocimeter,SFV)具有非接触式测量、高精度等优点，并且光学和机械结构简单以及使用非相干光源，可以用于流体、气体和固体表面速度的非接触测量，在工业生产和科学研究中的多个领域得到了越来越多的应用，民用和军用领域都具有广阔的应用前景，在车载组合导航、轧钢、印刷等高速传送带过程测量领域得到了广泛地应用。

空间滤波测速传感器是利用运动物体的散射光被空间滤波器调制从而得到一个与物体运动速度成正比的光强信号来获得物体运动速度的。空间滤波测速的基本概念来源于航空相机控制技术和红外光学跟踪技术。1963年美国人Ator在他的研究中通过仿真的方法从理论上证明了基于平行狭缝组的空间滤波器的可行性，从而开启了空间滤波测速研究的大门。之后又从相关性理论的角度出发对该方法作了进一步的论证。传统的空间滤波测速仪的空间滤波器通常由一个透射型光栅构成。透射型光栅有可能是一组间隔相等的平行狭缝组成，或者由一组棱镜组成，这种类型的光栅主要缺点就是结构较复杂，加工难度比较大，而且光栅周期不能调整，特别是当要测量二维速度，或者进行差分探测时，要增加另外一路探测子***，进一步增加了***结构的复杂性和安装难度。针对透射型光栅的这一缺点，图像传感器被应用到空间滤波测速***中来，大大简化了***结构，提高了***的灵活性和稳定性。

基于图像传感器的空间滤波测速传感器尽管在上个世纪八十年代就已经被提出，但受限于图像传感器的性能，没有引起广泛的注意。近年来，半导体技术和成像技术的飞跃发展极大地提升了图像传感器的性能，使其在测量领域占据着越来越重要的地位。基于图像传感器的SFV再度吸引了研究者的注意，并逐渐成为当今SFV中空间滤波器的主流。图像传感器实质上是由一个个小探测元组成的阵列，相比其他类型的空间滤波器，基于图像传感器类型的空间滤波器的优势在于：空间滤波器的空间结构是通过电子电路或者软件来实现的，具有非常大的灵活性。作为一个空间滤波器，图像传感器相对于其它类型的空间滤波器有着许多重要优势：(1)可以实现多种多样的透过率函数和滤波窗口；(2)空间滤波器的参数，比如空间周期数量和间隔，即使是在测量过程中也是可以随时调整和改变的；(3)可以同时实现多路各种类型的空间滤波器。此外，图像传感器还扮演着探测器的角色，使得***结构也得到大大的简化。

空间滤波测速传感器的基本结构就是使用一个成像***将被测物体成像到空间滤波器上，物体的像通过空间滤波器之后，被透镜汇聚到探测器上，从而使得通过空间滤波器的光强被转换成电信号，如图1所示。空间滤波器为一黑白相间的光栅，其中黑色部分为挡光部分，白色部分为透光部分。运动物体表面某个粒子的像在空间滤波器上运动，从而该粒子的速度信息被空间滤波器转换成一个频率与粒子运动速度成正比的光强信号，再通过聚焦透镜将光强信号汇聚在图像传感器上，被图像传感器转换成同频率的时域信号。图像传感器的方向与空间滤波器光栅方向垂直，如果物体表面的粒子的运动方向与图像传感器方向平行，且为v₀，则物体表面粒子的运动速度v₀与时域信号频率f₀之间的关系为，

式中，p为滤波器中平行狭缝之间间隔的宽度，也即透射光栅的宽度；Q为成像***中耦合透镜的放大倍数。

当空间滤波测速传感器距离运动目标的工作距离发生变化时，会造成空间滤波测速传感器的成像***中物距发生变化，从而造成成像***中耦合透镜的放大倍数Q发生变化，因而导致空间滤波测速传感器的测速精度下降。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种提高测量精、大大增加应用场景和安装范围、安装使用更加灵活方便的空间滤波测速传感器装置。

本发明的第一个目的是提供一种提高空间滤波测速传感器测速精度的方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种空间滤波测速传感器测速装置，特征是：包括照明光源、汇聚透镜、图像传感器、模拟放大器、数据采集器、中央处理器、激光位移传感器和数据输出接口，图像传感器的光敏窗口设在汇聚透镜的焦点处，图像传感器按照连接关系与模拟放大器、数据采集器依次串联后接中央处理器的图像信号输入端，激光位移传感器的位移信号输出端接中央处理器的位移信号输入端，中央处理器的信号输出端接数据输出接口的信号输入端；在照明光源的照射下，运动物体表面反射的光通过汇聚透镜汇聚到图像传感器上，图像传感器根据接收到的光强差异产生不同的光电流，光电流被模拟放大器放大后输入到数据采集器，数据采集器把模拟信号转换为数字图像信号，数字图像信号被送入中央处理器进行数据处理，得到时域信号频率，中央处理器进而计算出运动物体的运动速度；激光位移传感器实时地测量图像传感器距离地面的高度，中央处理器利用激光位移传感器测得的高度数据对空间滤波测速传感器测量的速度实时修正，进一步提高空间滤波测速传感器测速的精度；数据输出接口完成把空间滤波测速传感器测量的速度输出。

本发明的第二个目的是这样实现的：

图像传感器用于空间滤波测速传感器时采集到的数字图像的示意图如图2所示，图像传感器的线阵传感器的方向与运动物体的运动方向平行。以下均假设光学耦合透镜的放大倍数Q＝1。图像中有阴影的部分为透射光栅中不透光部分，无阴影的部分为透射光栅的透光部分。相对于空间滤波测速传感器，运动物体的运动方向为向右，记运动物体的运动速度为v，空间滤波测速传感器中图像传感器的像素宽度为B，像素总数量为M，共采集N行图像，图像传感器的行数据时间间隔为T_c，透射光栅的宽度为p，透射光栅中透射光的宽度为w，包含W个像素，则有，

空间滤波器中透射光栅的数量为，

一种提高空间滤波测速传感器测速精度的方法，特征是：具体步骤如下：

A、计算数字图像每行的灰度值：在利用图像传感器得到的数字图像进行空间滤波法计算运动物体的速度时，首先需要计算出每行的灰度值，方法如下，对于第i行图像数据，其中i＝0,1,…,N-1，把前W个像素的灰度值累加，记为A_i,0，把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为C_i,0；再把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为A_i,1，把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为C_i.1，……，依此类推，计算完第i行的所有像素，然后，计算出第i行图像数据的差分采样数值D_i，其中i＝0,1,2,…,N-1

得到数字图像的离散采样序列D₀,D₁,D₂,…,D_N-1，采样频率即为图像传感器的行频f_c＝1/T_c，T_c为图像传感器的行数据时间的间隔；

B、计算数字图像的对数功率谱：利用傅里叶变换的快速算法—快速傅里叶变换(FFT)，得到数字图像的功率谱P₀,P₁,…,P_N-1，

然后，对功率谱P₀,P₁,…,P_N-1取对数得到对数功率谱，

Z_k＝20×log₁₀(|P_k|),k＝0,1,…,N-1；

C、使用对数加权方法求解时域频率：设定一个功率阈值Z_T，假设对数功率谱中大于功率阈值Z_T的有Y个，分别记为O₁,O₂,…,O_Y，对应的频率分别为f₁,f₂,…,f_Y，数字图像频谱的对数加权平均频率即为，

由此可以得到运动物体表面粒子的运动速度为，

式中，Q为成像***中耦合透镜的放大倍数，p为透射光栅的宽度。

D、使用激光位移传感器修正工作高度引起的速度测量误差：为了修正该误差，必须事先把空间滤波测速传感器距离运动物体表面的距离与正常工作距离之差的修正因子测量出，并根据空间滤波测速传感器工作时由激光位移传感器实时测量出的距离运动物体表面的距离由修正因子计算出测量速度，空间滤波测速传感器的工作距离为H₀，在工作时激光位移传感器测量得到的空间滤波测速传感器与运动物体表面的距离为L₀，与空间滤波测速传感器的工作距离的偏差为△H＝L₀-H₀，修正因子为△k，可以得到修正后的物体表面粒子的速度为，

v＝△kv₀；

E、空间滤波测速传感器测量得到的速度由数据输出接口输出。

本发明的空间滤波测速传感器，包括照明光源、汇聚透镜、图像传感器、模拟放大器、数据采集器、中央处理器、激光位移传感器和数据输出接口，本发明的工作原理：在空间滤波测速传感器中计算物体表面粒子运动的速度过程中使用采集图像频谱的功率峰值点的频率，同时考虑到其它功率值点和其它的频率点对运动物体引起的频率的贡献，使用了对数加权平均算法求解物体表面粒子的运动速度。设置一个功率阈值，当采集图像频谱中功率值大于该阈值时该频率点参与计算运动物体引起的频率。在空间滤波测速传感器中使用了激光位移传感器实时精确测量距离运动物体的工作高度，并使用该高度实时修正测量速度以减小工作高度不同引起的速度测量误差。

由于在空间滤波测量传感器中使用了对数加权平均算法和根据激光位移传感器实时测量的距离对计算速度进行了修正，因此该方法可以提高空间滤波测量传感器中速度的测量精度。由于本发明中使用了对数加权平均算法求解运动物体的速度，加强了空间滤波测量传感器对运动目标获取图像的抗干扰能力。由于本发明中使用了激光位移传感器实时测量的工作距离对计算得到的运动物体的速度进行了修正，大大增加了空间滤波测量传感器的应用场景和范围，增加了空间滤波测量传感器的安装范围，安装使用也更加灵活方便。

附图说明

图1为空间测速传感器基本原理的示意图；

图2为图像传感器采集到的数字图像的示意图；

图3为本发明的原理框图，图中：1照明光源，2汇聚透镜，3图像传感器，4模拟放大器，5数据采集器，6中央处理器，7激光位移传感器，8数据输出接口，9运动物体。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种空间滤波测速传感器测速装置，包括照明光源1、汇聚透镜2、图像传感器3、模拟放大器4、数据采集器5、中央处理器6、激光位移传感器7和数据输出接口8，图像传感器3的光敏窗口设在汇聚透镜2的焦点处，图像传感器3按照连接关系与模拟放大器4、数据采集器依次串联后接中央处理器6的图像信号输入端，激光位移传感器7的位移信号输出端接中央处理器6的位移信号输入端，中央处理器6的信号输出端接数据输出接口8的信号输入端；在照明光源1的照射下，运动物体9表面反射的光通过汇聚透镜2汇聚到图像传感器3上，图像传感器3根据接收到的光强差异产生不同的光电流，光电流被模拟放大器4放大后输入到数据采集器5，数据采集器5把模拟信号转换为数字图像信号，数字图像信号被送入中央处理器6进行数据处理，得到时域信号频率，中央处理器6进而计算出运动物体9的运动速度，在中央处理器6对数字图像信号进行处理时，使用了数字图像信号频谱的对数加权方法，从而提高了时域信号频率的计算精度，进而提高了空间滤波测速传感器的测量精度；激光位移传感器7实时地测量图像传感器3距离地面的高度，中央处理器6利用激光位移传感器7测得的高度数据对空间滤波测速传感器测量的速度实时修正，进一步提高空间滤波测速传感器测速的精度。数据输出接口8完成把空间滤波测速传感器测量的速度输出。

一种提高空间滤波测速传感器测速精度的方法，具体步骤如下：

A、计算数字图像每行的灰度值：在利用图像传感器3得到的数字图像进行空间滤波法计算运动物体的速度时，首先需要计算出每行的灰度值，方法如下，对于第i行图像数据，其中i＝0,1,…,N-1，把前W个像素的灰度值累加，记为A_i,0，把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为C_i,0；再把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为A_i,1，把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为C_i.1，……，依此类推，计算完第i行的所有像素，然后，计算出第i行图像数据的差分采样数值D_i，其中i＝0,1,2,…,N-1，

得到数字图像的离散采样序列D₀,D₁,D₂,…,D_N-1，采样频率即为图像传感器的行频f_c＝1/T_c，T_c为图像传感器的行数据时间的间隔；

B、计算数字图像的对数功率谱：利用傅里叶变换的快速算法—快速傅里叶变换(FFT)，得到数字图像的功率谱P₀,P₁,…,P_N-1，

然后，对功率谱P₀,P₁,…,P_N-1取对数得到对数功率谱，

Z_k＝20×log₁₀(|P_k|),k＝0,1,…,N-1；

C、使用对数加权方法求解时域频率：设定一个功率阈值Z_T，假设对数功率谱中大于功率阈值Z_T的有Y个，分别记为O₁,O₂,…,O_Y，对应的频率分别为f₁,f₂,…,f_Y，数字图像频谱的对数加权平均频率即为，

由此可以得到运动物体表面粒子的运动速度为，

式中，Q为成像***中耦合透镜的放大倍数，p为透射光栅的宽度。

D、使用激光位移传感器7修正工作高度引起的速度测量误差：在使用空间滤波测速传感器测量有起伏的物体时，会造成空间滤波测速传感器距离物体表面的距离偏离工作距离，比如车载组合导航中崎岖不平的路面，空间滤波测速传感器的安装高度会相对于路面的状况发生变化，因而会造成测速的误差。为了修正该误差，必须事先把空间滤波测速传感器距离运动物体表面的距离与正常工作距离之差的修正因子测量出，并根据空间滤波测速传感器工作时由激光位移传感器7实时测量出的距离运动物体表面的距离由修正因子计算出测量速度，空间滤波测速传感器的工作距离为H₀，在工作时激光位移传感器7测量得到的空间滤波测速传感器与运动物体表面的距离为L₀，与空间滤波测速传感器的工作距离的偏差为△H＝L₀-H₀，修正因子为△k，可以得到修正后的物体表面粒子的速度为，

v＝△kv₀；

E、空间滤波测速传感器测量得到的速度由数据输出接口8输出。

Claims (1)

1.一种提高空间滤波测速传感器测速精度的方法，其特征在于：具体步骤如下：

A、计算数字图像每行的灰度值：在利用图像传感器得到的数字图像进行空间滤波法计算运动物体的速度时，首先需要计算出每行的灰度值，方法如下，对于第i行图像数据，其中i＝0,1,… ,N-1，把前W个像素的灰度值累加，记为A_i,0，把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为C_i,0；再把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为A_i,1，把紧接着的W个像素的灰度值累加，记为C_i.1，……，依此类推，计算完第i行的所有像素，然后，计算出第i行图像数据的差分采样数值D_i，其中i＝0,1,2,… ,N-1，

得到数字图像的离散采样序列D₀,D₁,D₂,… ,D_N-1，采样频率即为图像传感器的行频f_c＝1/T_c，T_c为图像传感器的行数据时间的间隔；

B、计算数字图像的对数功率谱：利用傅里叶变换的快速算法—快速傅里叶变换(FFT)，得到数字图像的功率谱P₀,P₁,… ,P_N-1，

然后，对功率谱P₀,P₁,… ,P_N-1取对数得到对数功率谱，

Z_k＝20×log₁₀(|P_k|),k＝0,1,… ,N-1；

C、使用对数加权方法求解时域频率：设定一个功率阈值Z_T，假设对数功率谱中大于功率阈值Z_T的有Y个，分别记为O₁,O₂,… ,O_Y，对应的频率分别为f₁,f₂,… ,f_Y，数字图像频谱的对数加权平均频率即为，

由此可以得到运动物体表面粒子的运动速度为，

式中，Q为成像***中耦合透镜的放大倍数，p为透射光栅的宽度；

D、使用激光位移传感器修正工作高度引起的速度测量误差：为了修正该误差，必须事先把空间滤波测速传感器距离运动物体表面的距离与正常工作距离之差的修正因子测量出，并根据空间滤波测速传感器工作时由激光位移传感器实时测量出的距离运动物体表面的距离由修正因子计算出测量速度，空间滤波测速传感器的工作距离为H₀，在工作时激光位移传感器测量得到的空间滤波测速传感器与运动物体表面的距离为L₀，与空间滤波测速传感器的工作距离的偏差为△H＝L₀-H₀，修正因子为△k，可以得到修正后的物体表面粒子的速度为，

v＝△kv₀；

E、空间滤波测速传感器测量得到的速度由数据输出接口输出。

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