一种基于数字微镜的空间滤波测速装置的制作方法

技术领域

本发明涉及空间滤波测速领域，特别是一种基于数字微镜的空间滤波测速装置。

背景技术：

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。 一种采用滤波处理的影像增强方法，其理论基础是空间卷积。目的是改善影像质量，包括去除高频噪声与干扰，及影像边缘增强、线性增强以及去模糊等。光学测量速度与传统方法相比有非常重要的优势，如非接触、非干扰。空间滤波技术可以用于测量轮船、汽车、飞机、火箭、风力发电机、轮船螺旋桨、飞行器转动轴等固态物的速度检测；水流、血流、工地搅拌机内液态物料等液态物的速度检测，以及粉尘、台风等气态物的速度检测。

空间滤波的基本思想是通过具有平行狭缝的栅格来观察移动物体的光学图像。现在的空间滤波测速一般是采用一个发光源，透镜，固定距离的平行光栅和光信号处理板进行测量速度。这种方法的测量精度固定，不能调整，导致系统的测量精度单一。GPS和DGPS方法的采样率太低，跟不上快速运动的物体。声学或光学三角测量都提供很高的位置数据速率，缺点是它需要外部接收，这限制它只能在一些平方米级区域的使用。

基于CCD或者CMOS图像传感器的空间滤波测速都是通过摄取图像然后用软件的方法得出物体的运动速度。图像传感器使用相关性粒子跟踪/ PIV或空间滤波测速（SFV）来跟踪结构化表面的运动。没有人工照明时，图像会因为阳光和阴影之间的高动态切换而导致局部曝光不足或过曝光。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有空间滤波测速采样率低，滤波参数不可调整的不足，本发明提出的一种基于数字微镜的空间滤波速度测量装置，该发明装置可以调整空间滤波器的滤波参数，而且能显著提高空间滤波测量速度的精度。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于数字微镜的空间滤波测量速度装置，该装置包括：

光源，用于照射运动物体；

准直透镜，与光源光路连接，把光源发出的光先聚焦再准直后均匀照射在被测运动物体表面；

透镜，与运动物体连接，将运动物体成像，并入射到数字微镜器件上；

数字微镜器件，与透镜连接，通过控制微镜的开关，数字微镜器件上的小镜片通过偏转，可以形成两组具有平行间距的光栅，两组平行光栅可以作为空间滤波器对入射的光信号进行滤波，同时将光信号发射到光电探测器。

聚焦透镜，与数字微镜器件连接，将数字微镜器件反射的光信号聚焦，并入射到光电探测器上。

光电探测器，与聚焦透镜连接，接受聚焦透镜聚焦的光信号，光信号强度的变化会导致光电探测器的电压变化，至此便可将光信号转化成电信号；

差分电路，光电探测器连接，接收光电探测器的信号，对输入的两端的信号相减并放大，消除大部分无关干扰信号。后将放大的信号传入信号处理板。

信号处理板，与光电探测器、PC机、驱动电路连接，接收来自光传感器的电信号，首先将接收的模拟电信号转换为数字电信号，信号处理板中的FPGA对数字电信号处理，得出物体的运动速度。

驱动电路，与信号处理板连接，接收来自信号处理板的信号，驱动数字微镜器件工作。

PC机，与信号处理板连接，控制信号处理板的工作模式，并接收来自信号处理板的信号。

所述数字微镜器件上的镜片能够独立偏转，设置为两组交替偏转，形成两组空间滤波器。

所述信号处理板包括MCU、FPGA和AD模块，其中AD模块与FPGA连接，MUC与FPGA连接； MCU接收来自PC机的命令信号给FPGA，并将FPGA的状态返回给PC机；AD模块将差分电路输入的信号转换成数字信号传输给FPGA；FPGA对该数字信号进行处理。

所述装置测速包括以下步骤：

1）信号处理板上电初始化，PC机设置其工作状态；信号处理板工作后根据PC机传入的参数将控制数字微镜器件的信号传入驱动电路；

2）驱动电路根据传入的信号初始化并设置数字微镜器件的工作状态，数字微镜器件控制微小镜片的开关和镜片转动，使其形成两组平行光栅；

3）打开光源；

4）准直透镜把光源的光先聚焦再准直后均匀地照射到被测物体表面；

5）数字微镜器件将接收的运动物体所成像的光信号分组反射到光电探测器；

6）光电探测器接收到数字微镜器件反射的光信号后，将光信号转化成电信号，并将电信号传送到差分电路上；

7）差分电路接收光电探测器的信号，并对其进行处理后传入信号处理板；

8）信号处理板接收到差分电路的电信号，AD模块将电信号转化成数字信号，信号处理板对数字信号处理后得到物体的运动速度，并将结果输出到PC机显示。

与现有技术相比，本发明装置的有益效果是：

1、本发明是在硬件的基础上实现了空间滤波，可以对滤波参数进行调整，使系统的精度得到极大的提高；

2、本装置结合数字微镜器件灵活可变的栅格结构，增大了物体运动的速度的可测量范围。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构框图；

图3为本发明数字微镜器件的工作状态示意图；

图4为本发明工作流程图；

图5为本发明信号处理板结构框图。

具体实施方式

参阅图1-2，本发明由光学系统a和信号处理b组成，其中，光学系统a包括：光源1、运动物体3、准直透镜2、透镜4、数字微镜器件5、聚焦透镜6以及驱动电路10；信号处理b包括：光电探测器7、差分电路8、信号处理板9和PC机11。具体工作实施过程：信号处理板9与PC机11、驱动电路10连接，PC机通过信号处理板9上的MCU与其通信，设置其工作状态，信号处理板9开始工作后，控制驱动电路9设置数字微镜器件5的工作方式。所述光源1用于照射运动物体3；准直透镜2与光源光路连接，把光源1发出的光先聚焦再准直后均匀照射在被测运动物体3表面；透镜4与运动物体3光路连接，将运动物体3成像，并入射到数字微镜器件5上；数字微镜器件5与透镜4连接，数字微镜器件5上有多达百万个可以单股控制的微镜，工作模式的数字微镜器件可以交替形成两组具有平行间距的光栅，两组平行光栅可以作为空间滤波器对入射的光信号进行滤波。聚焦透镜6与数字微镜器件5连接，将数字微镜器件5反射的光信号聚焦，并入射到光电探测器7上；光电探测器7与聚焦透镜6连接，接收聚焦透镜6聚焦的光信号，光信号强度的变化会导致光电探测器7的电压变化，将光信号转化成电信号；差分电路8与光电探测器7连接，接收光电探测器7的信号，对输入的两端的信号相减并放大，消除大部分无关干扰信号后将放大的信号传输，信号处理板9 接收来自差分电路8的电信号，首先将接收的模拟电信号转换为数字电信号，信号处理板9中的FPGA对数字电信号处理，得出运动物体3的运动速度，并将物体运动速度结果传输给PC机显示。

实施例

以运动的小球为例，参阅图4，本发明的具体工作过程：

上电初始化，PC机11通过MCU与信号处理板9通信，设置信号处理板9的工作模式，信号处理板9开始工作后，将控制数字微镜器件5工作模式的信号发送到驱动电路10，驱动电路10驱动数字微镜器件5工作，使数字微镜器件5上的微小反射镜偏转，形成两组光栅。光源1入射到准直透镜2上，准直透镜2将光源1变成平行光线入射到小球3上，小球3通过透镜4成像，所成的像入射到数字微镜器件5上，数字微镜器件5将入射的小球2的像分组反射到聚焦透镜6上，聚焦透镜6将入射的光信号聚焦入射到光电探测器7，光电探测器7将入射的光信号转换成电信号输入到差分电路8，差分电路8对信号处理后输入到信号处理板9。信号处理板9将传入的模拟电信号转换成数字电信号，信号处理板对其处理后得出小球3的速度，输送给PC机11显示。

参阅图3，本发明数字微镜器件5的微镜工作过程示意图；图中A表示数字微镜器件5上的一个微镜，每一个微镜都可以由输入电信号被控制向两个不同的方向偏转，分别对应“开”和“关”状态。因此用输入电信号控制微镜的偏转方向就可以实现对输入光信号的调制，当微镜处于“开”状态时，输入光信号被反射出去，代表输出“1”；当微镜处于“关”状态时，输入光信号被光吸收面吸收，没有光信号输出，代表输出“0”。

参阅图4，上电后，信号处理板执行初始化程序，PC机与信号处理板上的MCU通信，配置工作方式。驱动电路接收信号处理板的信号，初始化并配置数字微镜器件的工作状态，控制数字微镜器件上面的小镜片开关以及偏转。运动物体所成的像入射到数字微镜器件后，数字微镜器件对光信号进行滤波。进行滤波后的信号经光电探测器输入到差分电路，差分电路处理后传入信号处理板，信号处理板对信号处理后得出运动物体的速度并输出到PC机上。

参阅图5，本发明的信号处理板9包括MCU（STM3F130VCT6）、FPGA(XC6SLX150FGG676)和AD(AD7714)模块。MCU通过USB接口接收来自PC机的命令信号给FPGA，并将FPGA的状态返回给PC机。AD将差分电路输入的信号转换成数字信号传输给FPGA；FPGA对AD输出的数字信号进行处理。