【摘要】：相比于一些傳統(tǒng)的速度測量方法,光學(xué)測速技術(shù)因其非接觸性而擁有巨大的優(yōu)勢,利用光學(xué)方法進(jìn)行速度測量已成為新的發(fā)展方向。其中,空間濾波測速技術(shù)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、測量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的多個領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文首先重點(diǎn)回顧了空間濾波測速技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展歷程,詳細(xì)介紹了該技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,然后對空間濾波測速技術(shù)各個環(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速儀的工程樣機(jī)。闡明了空間濾波測速的基本原理是通過空間濾波器的周期性變化的透過率對來自運(yùn)動物體圖像的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。建立了空間濾波效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并對空間濾波測速原理進(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),對矩形窗口矩形透過率型空間濾波器的頻譜帶寬、中心頻率以及頻譜峰值透過率三個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)了基于高速線陣圖像傳感器的車載空間濾波測速儀結(jié)構(gòu)。采用圖像傳感器作為空間濾波測速儀中的空間濾波器件和信號探測元件,很大程度上增加了空間濾波器設(shè)計(jì)的靈活性,簡化了測速儀的結(jié)構(gòu)。針對空間濾波測速儀有限景深的缺點(diǎn),提出了雙通道、雙探測器結(jié)構(gòu)的空間濾波測速儀,增加了系統(tǒng)的測量景深。提出將激光位移傳感器運(yùn)用于空間濾波測速儀中,不僅能夠補(bǔ)償工作距離變化導(dǎo)致的比例因子波動,還可以克服空間濾波測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濾波器,空時濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)方向辨別,使速度測量范圍加倍,并能降低速度測量不確定度。通過對空間濾波測速原理和雙光束差分多普勒測速原理的充分理解,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)。針對空間濾波信號的特點(diǎn),提出了空間濾波信號處理的一體化解決方案,即由信號轉(zhuǎn)換和預(yù)處理、空間濾波信號頻率解算、結(jié)果輸出三個單元組成完整的信號處理系統(tǒng)。其中信號轉(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、空間濾波和信號預(yù)處理四個功能;空間濾波信號頻率解算單元通過現(xiàn)場可編程門陣列(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)果輸出單元通過相關(guān)判據(jù)判斷信號的有效性,并作出相應(yīng)輸出。針對車輛加速度較大時出現(xiàn)的非平穩(wěn)空間濾波信號的情況,提出采用一對相位相互正交的空間濾波器產(chǎn)生一對相互正交的信號,再用正交解調(diào)的方法得到非平穩(wěn)信號的瞬時頻率。研制出了基于高速線陣圖像傳感器的空間濾波測速儀工程樣機(jī)。工程化主要包括四個部分: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)動和采集電路設(shè)計(jì);三、實(shí)時準(zhǔn)確信號處理系統(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的有效性判別和輸出;四、測速儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為評價(jià)所研制的空間濾波測速儀的性能,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速儀的速度測量不確定度優(yōu)于0.54%,測量線性度優(yōu)于0.734%,測量有效景深為110mm。為檢驗(yàn)車載空間濾波測速儀用于實(shí)際路面車輛速度動態(tài)測量的可行性,進(jìn)行了與GPS以及本單位自主研制的激光多普勒測速儀的對比測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所研制的空間濾波測速儀相較于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速儀相比具有更高的信號有效率。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量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所研制的空間濾波測速儀可以適應(yīng)多種路面的車輛速度測量。開展了測速儀與慣性測量單元的組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。討論了車載空間濾波測速儀的比例因子以及慣性測量單元安裝差角的標(biāo)定方法。在空間濾波測速儀與慣性測量單元的組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)中,2小時內(nèi)車輛的最大位置誤差由純慣導(dǎo)的10 468米減小到54米。在空間濾波測速儀、激光多普勒測速儀與慣性測量單元的組合導(dǎo)航對比實(shí)驗(yàn)中,1.8小時內(nèi)最大位置誤差分別為43米和20米,而純慣導(dǎo)的最大位置誤差為7 216米。實(shí)驗(yàn)充分說明了空間濾波測速儀用于車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN713;TP212;TH824

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本文編號：2571146