【摘要】：相比于一些傳統(tǒng)的速度測量方法,光學測速技術因其非接觸性而擁有巨大的優(yōu)勢,利用光學方法進行速度測量已成為新的發(fā)展方向。其中,空間濾波測速技術因為結構簡單、穩(wěn)定性好、測量精度高等諸多優(yōu)點,在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中的多個領域得到了越來越廣泛的應用。本文首先重點回顧了空間濾波測速技術的產(chǎn)生與發(fā)展歷程,詳細介紹了該技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,然后對空間濾波測速技術各個環(huán)節(jié)開展了深入細致的研究,并在此基礎上研制出了一套空間濾波測速儀的工程樣機。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動物體圖像的光強進行調制來實現(xiàn)的。建立了空間濾波效應的數(shù)學模型,并對空間濾波測速原理進行了理論推導,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)。設計了基于高速線陣圖像傳感器的車載空間濾波測速儀結構。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計的靈活性,簡化了測速儀的結構。針對空間濾波測速儀有限景深的缺點,提出了雙通道、雙探測器結構的空間濾波測速儀,增加了系統(tǒng)的測量景深。提出將激光位移傳感器運用于空間濾波測速儀中,不僅能夠補償工作距離變化導致的比例因子波動,還可以克服空間濾波測速儀在每次安裝之后都要重新標定的缺點。設計了基于圖像傳感器的空時濾波器,空時濾波器能夠實現(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構,即一般結構、頻移結構和Janus配置雙通道結構。針對空間濾波信號的特點,提出了空間濾波信號處理的一體化解決方案,即由信號轉換和預處理、空間濾波信號頻率解算、結果輸出三個單元組成完整的信號處理系統(tǒng)。其中信號轉換和預處理單元實現(xiàn)圖像傳感器的輸出電壓轉換、模數(shù)轉換、空間濾波和信號預處理四個功能;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實現(xiàn)快速準確的頻率解算;結果輸出單元通過相關判據(jù)判斷信號的有效性,并作出相應輸出。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。工程化主要包括四個部分:一、像方遠心光路系統(tǒng)的設計;二、基于高速線陣圖像傳感器的工業(yè)相機的設計,主要包括基于FPGA的圖像傳感器的驅動和采集電路設計;三、實時準確信號處理系統(tǒng)的設計,依靠FPGA運用verilog HDL實現(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)結構設計。為評價所研制的空間濾波測速儀的性能,進行了實驗室內(nèi)的高精度傳送帶實驗。實驗結果表明,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。為檢驗車載空間濾波測速儀用于實際路面車輛速度動態(tài)測量的可行性,進行了與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驗。實驗結果表明,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驗,實驗結果表明所研制的空間濾波測速儀可以適應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航實驗。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定方法。在空間濾波測速儀與慣性測量單元的組合導航實驗中,2小時內(nèi)車輛的最大位置誤差由純慣導的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航對比實驗中,1.8小時內(nèi)最大位置誤差分別為43米和20米,而純慣導的最大位置誤差為7 216米。實驗充分說明了空間濾波測速儀用于車載組合導航系統(tǒng)的可行性和有效性。
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN713;TP212;TH824

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本文編號：2571146