免標定車載空間濾波測速裝置及測速方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種免標定車載空間濾波測速裝置及測速方法，該免標定車載空間濾波測速裝置，利用具有測量該裝置與待處理路面高度差功能的激光位移傳感器，測量免標定車載空間濾波測速裝置離地面的高度，無需對該裝置的比例因子反復進行標定，提高了檢測效率。
【專利說明】
免標定車載空間濾波測速裝置及測速方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及車載測速技術領域，具體的涉及一種免標定車載空間濾波測速裝置及 測速方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有空間濾波測速儀的成像基本原理:光源照射到運動物體表面時，散射光將運 動物體表面的圖像信息經(jīng)過接收物鏡傳到等距光柵(空間濾波器)上，空間濾波器間隔設有 黑色和白色部分，其中黑色部分為擋光部分，白色部分為透光部分。運動物體表面某個粒子 的像在空間濾波器上運動，從而該粒子的速度信息被空間濾波器轉換成一個頻率與粒子運 動速度成正比的光強信號，再通過聚焦透鏡將光強信號匯聚在探測器上，被探測器轉換成 同頻率的時域信號。如果物體表面的粒子在與光軸垂直的平面上具有速度為V'，V'在與平 行狹縫垂直方向的速度分量為v ' c〇S0。則物體表面粒子的運動速度￥與時域信號頻率f之間 的關系為
其中：P為濾波器中平行狹縫之間的間隔，即空間周期;Μ為成像系統(tǒng)中 物鏡的放大倍數(shù)，即ν'=Μν。通過測量探測器輸出的時域信號的頻率，就可以得到物體運動 的速度。通常稱p/(Mcos9)為系統(tǒng)的比例因子。
[0003] 空間濾波測速儀車載應用的場合中，工作距離影響著空間濾波測速儀的比例因 子，而工作距離不僅隨著車輛的顛簸和路面的起伏而變化，也與車輛輪胎的氣壓以及車輛 所承載的重量有關?，F(xiàn)有技術中，為了使工作距離的變化不引起比例因子的變化，需要運用 遠心成像系統(tǒng)來克服工作距離對比例因子的干擾。然而，遠心光路系統(tǒng)中只有主光線中與 光軸平行的光束對成像有貢獻，采用遠心光路系統(tǒng)后對待檢測路面的成像亮度較低，降低 了空間濾波測速儀的探測能力。
[0004] 此外，遠心光路系統(tǒng)在實際應用中也不能完全消除工作距離變化對比例因子的影 響，只能在一定程度上抑制比例因子的變化。另一方面，采用遠心光路系統(tǒng)后，空間濾波測 速儀在每次安裝完畢后都要重新標定比例因子，這給使用帶來了極大的不便。以上問題還 影響了空間濾波測速儀的測量精度。

【發(fā)明內容】

[0005] 為克服現(xiàn)有車載空間濾波測速儀的上述缺點，本發(fā)明提供了一種免標定車載空間 濾波測速裝置及測速方法。
[0006] 本發(fā)明提供一種免標定車載空間濾波測速裝置，包括：
[0007] 用于對道路表面進行照明的照明裝置、用于獲取道路表面光學信息的接收透鏡、 用于抑制背景光干擾的光闌、用于對道路表面程序上的CMOS、用于對CMOS獲取的電壓信號 進行處理的信號處理電路、用于檢測免標定車載空間濾波測速裝置距離道路表面的高度d 的激光位移傳感器和用于顯示檢測結果的顯示屏，照明裝置設置于接收透鏡的一側，照明 裝置所發(fā)射的光從接收透鏡下方穿過;光闌設置于接收透鏡與CMOS的傳輸光路上;CMOS與 信號處理電路之間電連接;激光位移傳感器的探測頭朝向地面并與信號處理電路電連接； 信號處理電路與顯示器電連接；
[0008] 激光位移傳感器包括用于產(chǎn)生激光的激光器、用于被測點成像的(XD、用于對激光 器和CCD進行控制的控制電路和用于對CCD輸出信息進行處理以獲得道路表面位移信息的 信號處理模塊，激光器的出射光口處設置聚焦透鏡，CCD的入射光路上設置成像透鏡，并能 實現(xiàn)從激光器出射的激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后從成像透鏡進入CCD中的激光光路傳輸。
[0009] 進一步地，照明裝置為能產(chǎn)生較大功率非相干光源的照明裝置。
[0010] 進一步地，CMOS為線陣型CMOS。
[0011] 本發(fā)明另一方面還提供了一種上述免標定車載空間濾波測速裝置的測速方法，包 括以下步驟:步驟S100:在將激光位移傳感器集成到免標定車載空間濾波測速裝置中的過 程中，使激光位移傳感器與其基準面的距離與免標定車載空間濾波測速裝置的標稱工作距 離一致;從而保證免標定車載空間濾波測速裝置工作在標稱工作距離下，
[0012] 步驟S200:對已知移動速度的速度源的移動位移進行實時測量，得到初始高度cU 下的比例因子；
[0013] 步驟S300:較小幅度地改變本發(fā)明提供的免標定車載空間濾波測速裝置的初始高 度cU，之后再次對速度源的移動位移進行實時測量，同時得到速度信息和改變后的高度di; 較小幅度為±3~5mm。
[0014] 步驟S400:多次重復步驟S300,直至免標定車載空間濾波測速裝置的景深范圍都 得到覆蓋時停止，得到速度信息ν'和實際工作距離d;
[0015] 步驟S500:根據(jù)步驟S100~S400中得到的速度信息V'和實際工作距離d以及速度 源的實際速度Vtrue，對三者的關系進行曲線擬合得到函數(shù)：
[0016] Vtrue = f(v/ ,d) (3)
[0017] 步驟S600:根據(jù)免標定車載空間濾波測速裝置中測量得到的實際速度ν'和激光位 移傳感器測得實際工作距離d，求解公式(3)得到修正后的速度V。
[0018] 本發(fā)明的技術效果：
[0019] 1、本發(fā)明提供免標定車載空間濾波測速裝置，利用具有測量該裝置與待處理路面 高度差功能的激光位移傳感器，測量免標定車載空間濾波測速裝置離地面的高度，無需對 該裝置的比例因子繁復進行標定，提高了檢測效率。
[0020] 2、本發(fā)明提供免標定車載空間濾波測速裝置，基于所測得高度d實時修正測免標 定車載空間濾波測速裝置的比例因子。一方面提高了空間濾波測速的測量精度;另一方面， 每次安裝免標定車載空間濾波測速裝置后根據(jù)激光位移傳感器測量得到的免標定車載空 間濾波測速裝置離地面的高度，即可準確計算出比例因子，避免對系統(tǒng)的頻繁標定。
[0021] 2、本發(fā)明提供免標定車載空間濾波測速裝置，運用頻域內頻譜細化與頻譜校正， 提高頻譜分辨率及信號頻率的準確度，從而減小了傳統(tǒng)信號處理算法引起的誤差。
[0022] 3、本發(fā)明提供免標定車載空間濾波測速裝置，以線陣CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光柵或光電池作為空間濾波器，擴大了空間濾波測速儀 的測速范圍并提高了系統(tǒng)測量結果的可靠性。
[0023] 具體請參考根據(jù)本發(fā)明的免標定車載空間濾波測速裝置及測速方法提出的各種 實施例的如下描述，將使得本發(fā)明的上述和其他方面顯而易見。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例免標定車載空間濾波測速裝置的結構示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例激光三角反射位移測量原理示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例免標定車載空間濾波測速儀中工作距離測量單元結構示 意圖。
[0027]圖例說明：
[0028] 1、照明裝置;2、道路表面;3、接收透鏡;4、光闌；5CM0S、； 6、激光位移傳感器;7、信 號處理電路;8、顯示屏。
【具體實施方式】
[0029] 構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。
[0030] 為便于理解，對本發(fā)明提供的技術方案概述:主要是利用激光位移傳感器6測量免 標定車載空間濾波測速裝置離地面的高度d，并利用高度d實時修正測速系統(tǒng)的比例因子。
[0031] 參見圖1，本發(fā)明提供的免標定車載空間濾波測速裝置包括用于對道路表面進行 照明的照明裝置、用于獲取道路表面光學信息的接收透鏡、用于抑制背景光干擾的光闌、用 于對道路表面程序上的CMOS、用于對CMOS獲取的電壓信號進行處理的信號處理電路、用于 檢測免標定車載空間濾波測速裝置距離道路表面的高度d的激光位移傳感器和用于顯示檢 測結果的顯示屏，照明裝置設置于接收透鏡的一側，照明裝置所發(fā)射的光從接收透鏡下方 穿過;光闌設置于接收透鏡與CMOS的傳輸光路上;CMOS與信號處理電路之間電連接;激光位 移傳感器的探測頭朝向地面并與信號處理電路電連接;信號處理電路與顯示器電連接。
[0032] 使用時照明裝置照亮被測的道路表面，道路表面通過接收透鏡成像于線陣CMOS產(chǎn) 生的光放射透過接收透鏡成像于線陣CMOS中，線陣CMOS收到該光反射的刺激后，輸出的電 壓信號傳輸至信號處理電路進行處理，通過信號處理電路用相關算法如空間濾波算法(具 體算法參見何鑫，龍興武，周健，聶曉明發(fā)表于《光學學報》2015年5月第35卷第5期的 0512006-1~0512006-8頁的《基于線陣CMOS型空時濾波器的新型空間濾波測速儀》)先對線 型CMOS的輸出進行空間濾波得到空間濾波信號，然后再解算該信號的頻率，進而根據(jù)信號 頻率與載體運動速度之間的線性關系求得車輛相對于道路表面的速度并在顯示屏上顯示 出來。
[0033]同時激光位移傳感器測量免標定車載空間濾波測速裝置與道路表面的工作距離 d，信號處理電路結合所獲得的電壓信號和高度d，實時對免標定車載空間濾波測速裝置的 比例因子進行修正，最終將車輛運行速度顯示在顯示屏上。本文中的高度d即為免標定車載 空間濾波測速裝置底面與待測量道路表面之間的垂直距離。這樣，一方面提高了空間濾波 測速的測量精度;另一方面，每次安裝后根據(jù)激光位移傳感器所得系統(tǒng)離地面的高度，就可 準確計算出系統(tǒng)的比例因子，使系統(tǒng)免于標定。比例因子與高度存在直接關系，通過修正高 度達到修正比例因子的目的。
[0034]本發(fā)明提供的激光位移傳感器結構如圖3所示，包括用于產(chǎn)生激光的激光器、用于 被測點成像的CCD、用于對激光器和CCD進行控制的控制電路和用于對CCD輸出信息進行處 理以獲得道路表面位移信息的信號處理模塊，激光器的出射光口處設置聚焦透鏡，CCD的入 射光路上設置成像透鏡，并能實現(xiàn)從激光器出射的激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后從成像透鏡進入 CCD中的激光光路傳輸。
[0035]上述激光位移傳感器測量高度d的原理是基于激光三角反射原理，參見圖2為直射 光三角法測量原理:入射激光垂直入射被測點表面，被測點通過成像透鏡在CCD (電荷耦合 元件)上成像。以成像透鏡的光軸與入射激光的交點為物方基準點，以該點在CCD上的像點 為像方基準點，并以經(jīng)過物方基準點且與入射激光垂直的平面為基準面。當被測表面位于 基準面時，假設物距為L，像距為L'。成像透鏡的光軸與入射激光的夾角用Θ表示，與CCD的夾 角用θ'表示。為了確保被測表面發(fā)生位移時，被測點仍能在CCD上清晰成像，夾角Θ和Θ'必須 滿足：
[0036] tanB =0tan9' (1)
[0037] 其中，β為成像透鏡的光學放大倍數(shù)。
[0038] 當被測表面沿激光入射方向相對于基準面有位移X時，被測點所成的像在CCD上相 對于像方基準點發(fā)生相應的位移X'，位移X和X'之間的關系：
[0040] 高度d測量過程:激光器的出射光經(jīng)聚焦透鏡后聚焦在基準面上，并經(jīng)光路傳輸后 經(jīng)由成像透鏡使被測點在(XD上成像。控制電路控制激光器和C⑶正常工作，C⑶的輸出通過 信號處理模塊轉換為被測道路表面的位移信息。本文中所用CCD是敏感光點位置的探測器。 輸出的是電壓信號，經(jīng)過解算可以得到照射在CCD上光點的位移信息，之后根據(jù)CCD上光點 的位移信息根據(jù)公式(2)推算出免標定車載空間濾波測速裝置距地面高度d隨位移信息改 變的變化。
[0041] 將激光位移傳感器集成到免標定車載空間濾波測速裝置的激光位移傳感器處，該 測速裝置即可同時輸出被測表面的運動速度以及空間濾波測速儀的工作距離（即高度d)， 從而可將其用于補償工作距離變化而導致的比例因子誤差。該補償方法采用現(xiàn)有方法即可 實現(xiàn)。
[0042] 本發(fā)明的另一方面還提供了 一種測速方法：
[0043]空間濾波測速儀需要對其比例因子進行標定是因為工作距離無法直接準確測量。 而本發(fā)明提供的免標定車載空間濾波測速裝置在能實時測量空間濾波測速儀的工作距離 的情況下，則測量過程中的比例因子即可實時準確得到，從而實現(xiàn)在改變免標定車載空間 濾波測速裝置安裝位置時，能免除頻繁標定的困難。通過該測速方法還能實現(xiàn)免標定。
[0044] 該測速方法包括以下步驟：
[0045] 步驟S100:在將激光位移傳感器集成到免標定車載空間濾波測速裝置中的過程 中，使激光位移傳感器與其基準面的距離與免標定車載空間濾波測速裝置的標稱工作距離 一致;從而保證免標定車載空間濾波測速裝置工作在標稱工作距離下，
[0046]步驟S200:對已知移動速度的速度源的移動位移進行實時測量，得到初始高度cU 下的比例因子；
[0047]步驟S300:較小幅度地改變本發(fā)明提供的免標定車載空間濾波測速裝置的初始高 度cU，之后再次對速度源的移動位移進行實時測量，同時得到速度信息和改變后的高度di; 此處的較小幅度通常指± 3-5mm;按此幅度進行魏小移動幅度越小，該修正越準確。
[0048]步驟S400:多次重復步驟S300,直至免標定車載空間濾波測速裝置的景深范圍都 得到覆蓋時停止，得到速度信息ν'和實際工作距離d;
[0049] 步驟S500:根據(jù)步驟S100~S400中得到的速度信息ν'和實際工作距離d以及速度 源的實際速度Vtrue，對三者的關系進行曲線擬合得到函數(shù)：
[0050] Vtrue = f(v/ ,d) (3)
[0051] 步驟S600:根據(jù)免標定車載空間濾波測速裝置中測量得到的實際速度ν'和激光位 移傳感器測得實際工作距離d，求解公式(3)得到修正后的速度V。修正后的速度v即為v true。
[0052] 將公式(3)嵌入到空間濾波測速儀的算法（即前述文獻中公開的算法）當中，即可 實現(xiàn)空間濾波測速儀的免標定。此處的嵌入就是將空間濾波測速儀得到的速度信息ν'和激 光位移傳感器測得的實際工作距離d帶入公式(3)中得到修正后的速度V。這里的步驟S100 ~S400只是為了得到擬合的函數(shù)。第一次安裝測量后得到f(/，d)的具體形式，以后就直接 用于修訂和測量了。
[0053]本文中ν'是修正前的速度;v是修正后的速度。
[0054]按此方法進行校正后，即可實現(xiàn)在免標定車載空間濾波測速裝置安裝完成后根據(jù) 激光位移傳感器測得的高度d，即可準確反演出載體的運行速度，而無需再對免標定車載空 間濾波測速裝置的比例因子進行標定。
[0055] 優(yōu)選的，所用照明裝置為能產(chǎn)生較大功率非相干光源的照明裝置。采用該類型照 明裝置能提高所得測量結果的準確性。例如LED燈等裝置。
[0056] 優(yōu)選的，CMOS為線陣型CMOS。線陣CMOS ( Comp 1 ementary Me ta 1 Ox i de Semiconductor)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光柵或光電池作為空間濾波器，擴大了空間濾波測速儀的測速 范圍并提高了系統(tǒng)測量結果的可靠性。
[0057] 本領域技術人員將清楚本發(fā)明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進行 若干改變和修改，而不脫離所附權利要求書限定的本發(fā)明的范圍。盡管己經(jīng)在附圖和說明 書中詳細圖示和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。 本發(fā)明并不限于所公開的實施例。
[0058] 通過對附圖，說明書和權利要求書的研究，在實施本發(fā)明時本領域技術人員可以 理解和實現(xiàn)所公開的實施例的變形。在權利要求書中，術語"包括"不排除其他步驟或元素， 而不定冠詞"一個"或"一種"不排除多個。在彼此不同的從屬權利要求中引用的某些措施的 事實不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權利要求書中的任何參考標記不構成對 本發(fā)明的范圍的限制。
【主權項】
1. 一種免標定車載空間濾波測速裝置，其特征在于，包括： 用于對道路表面進行照明的照明裝置、用于獲取道路表面光學信息的接收透鏡、用于 抑制背景光干擾的光闌、用于對所述道路表面程序上的CMOS、用于對所述CMOS獲取的電壓 信號進行處理的信號處理電路、用于檢測所述免標定車載空間濾波測速裝置距離所述道路 表面的高度d的激光位移傳感器和用于顯示檢測結果的顯示屏，所述照明裝置設置于所述 接收透鏡的一側，所述照明裝置所發(fā)射的光從所述接收透鏡下方穿過;所述光闌設置于所 述接收透鏡與所述CMOS的傳輸光路上;所述CMOS與所述信號處理電路之間電連接;所述激 光位移傳感器的探測頭朝向地面并與所述信號處理電路電連接;所述信號處理電路與所述 顯示器電連接； 所述激光位移傳感器包括用于產(chǎn)生激光的激光器、用于被測點成像的CCD、用于對所述 激光器和所述CCD進行控制的控制電路和用于對所述CCD輸出信息進行處理以獲得所述道 路表面位移信息的信號處理模塊，所述激光器的出射光口處設置聚焦透鏡，所述CCD的入射 光路上設置成像透鏡，并能實現(xiàn)從所述激光器出射的激光經(jīng)所述聚焦透鏡聚焦后從所述成 像透鏡進入所述CCD中的激光光路傳輸。2. 根據(jù)權利要求1所述的免標定車載空間濾波測速裝置，其特征在于，所述照明裝置為 能產(chǎn)生較大功率非相干光源的照明裝置。3. 根據(jù)權利要求1所述的免標定車載空間濾波測速裝置，其特征在于，所述CMOS為線陣 型CMOS。4. 如權利要求1~3中任一項所述的免標定車載空間濾波測速裝置用測速方法，其特征 在于，包括以下步驟： 步驟S100:在將激光位移傳感器集成到免標定車載空間濾波測速裝置中的過程中，使 激光位移傳感器與其基準面的距離與免標定車載空間濾波測速裝置的標稱工作距離一致； 從而保證免標定車載空間濾波測速裝置工作在標稱工作距離下， 步驟S200:對已知移動速度的速度源的移動位移進行實時測量，得到初始高度cb下的比 例因子； 步驟S300:較小幅度地改變本發(fā)明提供的免標定車載空間濾波測速裝置的初始高度cU， 之后再次對速度源的移動位移進行實時測量，同時得到速度信息和改變后的高度dl;所述 較小幅度為±3~5mm。 步驟S400:多次重復步驟S300,直至所述免標定車載空間濾波測速裝置的景深范圍都 得到覆蓋時停止，得到速度信息ν'和實際工作距離d; 步驟S500:根據(jù)步驟S100~S400中得到的速度信息ν'和實際工作距離d以及速度源的 實際速度Vtrue3，對三者的關系進行曲線擬合得到函數(shù)： Vtrue = f(v/ ,d) (3) 步驟S600:根據(jù)所述免標定車載空間濾波測速裝置中測量得到的實際速度ν'和激光位 移傳感器測得實際工作距離d，求解公式(3)得到修正后的速度V。
【文檔編號】B60R11/04GK106093454SQ201610503901
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】周健, 聶曉, 樊振, 王夢
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學