免标定车载空间滤波测速装置及测速方法
【专利摘要】本发明提供一种免标定车载空间滤波测速装置及测速方法，该免标定车载空间滤波测速装置，利用具有测量该装置与待处理路面高度差功能的激光位移传感器，测量免标定车载空间滤波测速装置离地面的高度，无需对该装置的比例因子反复进行标定，提高了检测效率。
【专利说明】
免标定车载空间滤波测速装置及测速方法
技术领域
[0001] 本发明涉及车载测速技术领域，具体的涉及一种免标定车载空间滤波测速装置及 测速方法。
【背景技术】
[0002] 现有空间滤波测速仪的成像基本原理:光源照射到运动物体表面时，散射光将运 动物体表面的图像信息经过接收物镜传到等距光栅(空间滤波器)上，空间滤波器间隔设有 黑色和白色部分，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探测器上，被探测器转换成 同频率的时域信号。如果物体表面的粒子在与光轴垂直的平面上具有速度为V'，V'在与平 行狭缝垂直方向的速度分量为v ' c〇S0。则物体表面粒子的运动速度￥与时域信号频率f之间 的关系为
其中：P为滤波器中平行狭缝之间的间隔，即空间周期;Μ为成像系统中 物镜的放大倍数，即ν'=Μν。通过测量探测器输出的时域信号的频率，就可以得到物体运动 的速度。通常称p/(Mcos9)为系统的比例因子。
[0003] 空间滤波测速仪车载应用的场合中，工作距离影响着空间滤波测速仪的比例因 子，而工作距离不仅随着车辆的颠簸和路面的起伏而变化，也与车辆轮胎的气压以及车辆 所承载的重量有关。现有技术中，为了使工作距离的变化不引起比例因子的变化，需要运用 远心成像系统来克服工作距离对比例因子的干扰。然而，远心光路系统中只有主光线中与 光轴平行的光束对成像有贡献，采用远心光路系统后对待检测路面的成像亮度较低，降低 了空间滤波测速仪的探测能力。
[0004] 此外，远心光路系统在实际应用中也不能完全消除工作距离变化对比例因子的影 响，只能在一定程度上抑制比例因子的变化。另一方面，采用远心光路系统后，空间滤波测 速仪在每次安装完毕后都要重新标定比例因子，这给使用带来了极大的不便。以上问题还 影响了空间滤波测速仪的测量精度。
【发明内容】
[0005] 为克服现有车载空间滤波测速仪的上述缺点，本发明提供了一种免标定车载空间 滤波测速装置及测速方法。
[0006] 本发明提供一种免标定车载空间滤波测速装置，包括：
[0007] 用于对道路表面进行照明的照明装置、用于获取道路表面光学信息的接收透镜、 用于抑制背景光干扰的光阑、用于对道路表面程序上的CMOS、用于对CMOS获取的电压信号 进行处理的信号处理电路、用于检测免标定车载空间滤波测速装置距离道路表面的高度d 的激光位移传感器和用于显示检测结果的显示屏，照明装置设置于接收透镜的一侧，照明 装置所发射的光从接收透镜下方穿过;光阑设置于接收透镜与CMOS的传输光路上;CMOS与 信号处理电路之间电连接;激光位移传感器的探测头朝向地面并与信号处理电路电连接； 信号处理电路与显示器电连接；
[0008] 激光位移传感器包括用于产生激光的激光器、用于被测点成像的(XD、用于对激光 器和CCD进行控制的控制电路和用于对CCD输出信息进行处理以获得道路表面位移信息的 信号处理模块，激光器的出射光口处设置聚焦透镜，CCD的入射光路上设置成像透镜，并能 实现从激光器出射的激光经聚焦透镜聚焦后从成像透镜进入CCD中的激光光路传输。
[0009] 进一步地，照明装置为能产生较大功率非相干光源的照明装置。
[0010] 进一步地，CMOS为线阵型CMOS。
[0011] 本发明另一方面还提供了一种上述免标定车载空间滤波测速装置的测速方法，包 括以下步骤:步骤S100:在将激光位移传感器集成到免标定车载空间滤波测速装置中的过 程中，使激光位移传感器与其基准面的距离与免标定车载空间滤波测速装置的标称工作距 离一致;从而保证免标定车载空间滤波测速装置工作在标称工作距离下，
[0012] 步骤S200:对已知移动速度的速度源的移动位移进行实时测量，得到初始高度cU 下的比例因子；
[0013] 步骤S300:较小幅度地改变本发明提供的免标定车载空间滤波测速装置的初始高 度cU，之后再次对速度源的移动位移进行实时测量，同时得到速度信息和改变后的高度di; 较小幅度为±3~5mm。
[0014] 步骤S400:多次重复步骤S300,直至免标定车载空间滤波测速装置的景深范围都 得到覆盖时停止，得到速度信息ν'和实际工作距离d;
[0015] 步骤S500:根据步骤S100~S400中得到的速度信息V'和实际工作距离d以及速度 源的实际速度Vtrue，对三者的关系进行曲线拟合得到函数：
[0016] Vtrue = f(v/ ,d) (3)
[0017] 步骤S600:根据免标定车载空间滤波测速装置中测量得到的实际速度ν'和激光位 移传感器测得实际工作距离d，求解公式(3)得到修正后的速度V。
[0018] 本发明的技术效果：
[0019] 1、本发明提供免标定车载空间滤波测速装置，利用具有测量该装置与待处理路面 高度差功能的激光位移传感器，测量免标定车载空间滤波测速装置离地面的高度，无需对 该装置的比例因子繁复进行标定，提高了检测效率。
[0020] 2、本发明提供免标定车载空间滤波测速装置，基于所测得高度d实时修正测免标 定车载空间滤波测速装置的比例因子。一方面提高了空间滤波测速的测量精度;另一方面， 每次安装免标定车载空间滤波测速装置后根据激光位移传感器测量得到的免标定车载空 间滤波测速装置离地面的高度，即可准确计算出比例因子，避免对系统的频繁标定。
[0021] 2、本发明提供免标定车载空间滤波测速装置，运用频域内频谱细化与频谱校正， 提高频谱分辨率及信号频率的准确度，从而减小了传统信号处理算法引起的误差。
[0022] 3、本发明提供免标定车载空间滤波测速装置，以线阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)代替传统的光栅或光电池作为空间滤波器，扩大了空间滤波测速仪 的测速范围并提高了系统测量结果的可靠性。
[0023] 具体请参考根据本发明的免标定车载空间滤波测速装置及测速方法提出的各种 实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。
【附图说明】
[0024]图1是本发明优选实施例免标定车载空间滤波测速装置的结构示意图；
[0025]图2是本发明优选实施例激光三角反射位移测量原理示意图；
[0026]图3是本发明优选实施例免标定车载空间滤波测速仪中工作距离测量单元结构示 意图。
[0027]图例说明：
[0028] 1、照明装置;2、道路表面;3、接收透镜;4、光阑；5CM0S、； 6、激光位移传感器;7、信 号处理电路;8、显示屏。
【具体实施方式】
[0029] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0030] 为便于理解，对本发明提供的技术方案概述:主要是利用激光位移传感器6测量免 标定车载空间滤波测速装置离地面的高度d，并利用高度d实时修正测速系统的比例因子。
[0031] 参见图1，本发明提供的免标定车载空间滤波测速装置包括用于对道路表面进行 照明的照明装置、用于获取道路表面光学信息的接收透镜、用于抑制背景光干扰的光阑、用 于对道路表面程序上的CMOS、用于对CMOS获取的电压信号进行处理的信号处理电路、用于 检测免标定车载空间滤波测速装置距离道路表面的高度d的激光位移传感器和用于显示检 测结果的显示屏，照明装置设置于接收透镜的一侧，照明装置所发射的光从接收透镜下方 穿过;光阑设置于接收透镜与CMOS的传输光路上;CMOS与信号处理电路之间电连接;激光位 移传感器的探测头朝向地面并与信号处理电路电连接;信号处理电路与显示器电连接。
[0032] 使用时照明装置照亮被测的道路表面，道路表面通过接收透镜成像于线阵CMOS产 生的光放射透过接收透镜成像于线阵CMOS中，线阵CMOS收到该光反射的刺激后，输出的电 压信号传输至信号处理电路进行处理，通过信号处理电路用相关算法如空间滤波算法(具 体算法参见何鑫，龙兴武，周健，聂晓明发表于《光学学报》2015年5月第35卷第5期的 0512006-1~0512006-8页的《基于线阵CMOS型空时滤波器的新型空间滤波测速仪》)先对线 型CMOS的输出进行空间滤波得到空间滤波信号，然后再解算该信号的频率，进而根据信号 频率与载体运动速度之间的线性关系求得车辆相对于道路表面的速度并在显示屏上显示 出来。
[0033]同时激光位移传感器测量免标定车载空间滤波测速装置与道路表面的工作距离 d，信号处理电路结合所获得的电压信号和高度d，实时对免标定车载空间滤波测速装置的 比例因子进行修正，最终将车辆运行速度显示在显示屏上。本文中的高度d即为免标定车载 空间滤波测速装置底面与待测量道路表面之间的垂直距离。这样，一方面提高了空间滤波 测速的测量精度;另一方面，每次安装后根据激光位移传感器所得系统离地面的高度，就可 准确计算出系统的比例因子，使系统免于标定。比例因子与高度存在直接关系，通过修正高 度达到修正比例因子的目的。
[0034]本发明提供的激光位移传感器结构如图3所示，包括用于产生激光的激光器、用于 被测点成像的CCD、用于对激光器和CCD进行控制的控制电路和用于对CCD输出信息进行处 理以获得道路表面位移信息的信号处理模块，激光器的出射光口处设置聚焦透镜，CCD的入 射光路上设置成像透镜，并能实现从激光器出射的激光经聚焦透镜聚焦后从成像透镜进入 CCD中的激光光路传输。
[0035]上述激光位移传感器测量高度d的原理是基于激光三角反射原理，参见图2为直射 光三角法测量原理:入射激光垂直入射被测点表面，被测点通过成像透镜在CCD (电荷耦合 元件)上成像。以成像透镜的光轴与入射激光的交点为物方基准点，以该点在CCD上的像点 为像方基准点，并以经过物方基准点且与入射激光垂直的平面为基准面。当被测表面位于 基准面时，假设物距为L，像距为L'。成像透镜的光轴与入射激光的夹角用Θ表示，与CCD的夹 角用θ'表示。为了确保被测表面发生位移时，被测点仍能在CCD上清晰成像，夹角Θ和Θ'必须 满足：
[0036] tanB =0tan9' (1)
[0037] 其中，β为成像透镜的光学放大倍数。
[0038] 当被测表面沿激光入射方向相对于基准面有位移X时，被测点所成的像在CCD上相 对于像方基准点发生相应的位移X'，位移X和X'之间的关系：
[0040] 高度d测量过程:激光器的出射光经聚焦透镜后聚焦在基准面上，并经光路传输后 经由成像透镜使被测点在(XD上成像。控制电路控制激光器和C⑶正常工作，C⑶的输出通过 信号处理模块转换为被测道路表面的位移信息。本文中所用CCD是敏感光点位置的探测器。 输出的是电压信号，经过解算可以得到照射在CCD上光点的位移信息，之后根据CCD上光点 的位移信息根据公式(2)推算出免标定车载空间滤波测速装置距地面高度d随位移信息改 变的变化。
[0041] 将激光位移传感器集成到免标定车载空间滤波测速装置的激光位移传感器处，该 测速装置即可同时输出被测表面的运动速度以及空间滤波测速仪的工作距离（即高度d)， 从而可将其用于补偿工作距离变化而导致的比例因子误差。该补偿方法采用现有方法即可 实现。
[0042] 本发明的另一方面还提供了 一种测速方法：
[0043]空间滤波测速仪需要对其比例因子进行标定是因为工作距离无法直接准确测量。 而本发明提供的免标定车载空间滤波测速装置在能实时测量空间滤波测速仪的工作距离 的情况下，则测量过程中的比例因子即可实时准确得到，从而实现在改变免标定车载空间 滤波测速装置安装位置时，能免除频繁标定的困难。通过该测速方法还能实现免标定。
[0044] 该测速方法包括以下步骤：
[0045] 步骤S100:在将激光位移传感器集成到免标定车载空间滤波测速装置中的过程 中，使激光位移传感器与其基准面的距离与免标定车载空间滤波测速装置的标称工作距离 一致;从而保证免标定车载空间滤波测速装置工作在标称工作距离下，
[0046]步骤S200:对已知移动速度的速度源的移动位移进行实时测量，得到初始高度cU 下的比例因子；
[0047]步骤S300:较小幅度地改变本发明提供的免标定车载空间滤波测速装置的初始高 度cU，之后再次对速度源的移动位移进行实时测量，同时得到速度信息和改变后的高度di; 此处的较小幅度通常指± 3-5mm;按此幅度进行魏小移动幅度越小，该修正越准确。
[0048]步骤S400:多次重复步骤S300,直至免标定车载空间滤波测速装置的景深范围都 得到覆盖时停止，得到速度信息ν'和实际工作距离d;
[0049] 步骤S500:根据步骤S100~S400中得到的速度信息ν'和实际工作距离d以及速度 源的实际速度Vtrue，对三者的关系进行曲线拟合得到函数：
[0050] Vtrue = f(v/ ,d) (3)
[0051] 步骤S600:根据免标定车载空间滤波测速装置中测量得到的实际速度ν'和激光位 移传感器测得实际工作距离d，求解公式(3)得到修正后的速度V。修正后的速度v即为v true。
[0052] 将公式(3)嵌入到空间滤波测速仪的算法（即前述文献中公开的算法）当中，即可 实现空间滤波测速仪的免标定。此处的嵌入就是将空间滤波测速仪得到的速度信息ν'和激 光位移传感器测得的实际工作距离d带入公式(3)中得到修正后的速度V。这里的步骤S100 ~S400只是为了得到拟合的函数。第一次安装测量后得到f(/，d)的具体形式，以后就直接 用于修订和测量了。
[0053]本文中ν'是修正前的速度;v是修正后的速度。
[0054]按此方法进行校正后，即可实现在免标定车载空间滤波测速装置安装完成后根据 激光位移传感器测得的高度d，即可准确反演出载体的运行速度，而无需再对免标定车载空 间滤波测速装置的比例因子进行标定。
[0055] 优选的，所用照明装置为能产生较大功率非相干光源的照明装置。采用该类型照 明装置能提高所得测量结果的准确性。例如LED灯等装置。
[0056] 优选的，CMOS为线阵型CMOS。线阵CMOS ( Comp 1 ementary Me ta 1 Ox i de Semiconductor)代替传统的光栅或光电池作为空间滤波器，扩大了空间滤波测速仪的测速 范围并提高了系统测量结果的可靠性。
[0057] 本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行 若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明 书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。 本发明并不限于所公开的实施例。
[0058] 通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以 理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语"包括"不排除其他步骤或元素， 而不定冠词"一个"或"一种"不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的 事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对 本发明的范围的限制。
【主权项】
1. 一种免标定车载空间滤波测速装置，其特征在于，包括： 用于对道路表面进行照明的照明装置、用于获取道路表面光学信息的接收透镜、用于 抑制背景光干扰的光阑、用于对所述道路表面程序上的CMOS、用于对所述CMOS获取的电压 信号进行处理的信号处理电路、用于检测所述免标定车载空间滤波测速装置距离所述道路 表面的高度d的激光位移传感器和用于显示检测结果的显示屏，所述照明装置设置于所述 接收透镜的一侧，所述照明装置所发射的光从所述接收透镜下方穿过;所述光阑设置于所 述接收透镜与所述CMOS的传输光路上;所述CMOS与所述信号处理电路之间电连接;所述激 光位移传感器的探测头朝向地面并与所述信号处理电路电连接;所述信号处理电路与所述 显示器电连接； 所述激光位移传感器包括用于产生激光的激光器、用于被测点成像的CCD、用于对所述 激光器和所述CCD进行控制的控制电路和用于对所述CCD输出信息进行处理以获得所述道 路表面位移信息的信号处理模块，所述激光器的出射光口处设置聚焦透镜，所述CCD的入射 光路上设置成像透镜，并能实现从所述激光器出射的激光经所述聚焦透镜聚焦后从所述成 像透镜进入所述CCD中的激光光路传输。2. 根据权利要求1所述的免标定车载空间滤波测速装置，其特征在于，所述照明装置为 能产生较大功率非相干光源的照明装置。3. 根据权利要求1所述的免标定车载空间滤波测速装置，其特征在于，所述CMOS为线阵 型CMOS。4. 如权利要求1~3中任一项所述的免标定车载空间滤波测速装置用测速方法，其特征 在于，包括以下步骤： 步骤S100:在将激光位移传感器集成到免标定车载空间滤波测速装置中的过程中，使 激光位移传感器与其基准面的距离与免标定车载空间滤波测速装置的标称工作距离一致； 从而保证免标定车载空间滤波测速装置工作在标称工作距离下， 步骤S200:对已知移动速度的速度源的移动位移进行实时测量，得到初始高度cb下的比 例因子； 步骤S300:较小幅度地改变本发明提供的免标定车载空间滤波测速装置的初始高度cU， 之后再次对速度源的移动位移进行实时测量，同时得到速度信息和改变后的高度dl;所述 较小幅度为±3~5mm。 步骤S400:多次重复步骤S300,直至所述免标定车载空间滤波测速装置的景深范围都 得到覆盖时停止，得到速度信息ν'和实际工作距离d; 步骤S500:根据步骤S100~S400中得到的速度信息ν'和实际工作距离d以及速度源的 实际速度Vtrue3，对三者的关系进行曲线拟合得到函数： Vtrue = f(v/ ,d) (3) 步骤S600:根据所述免标定车载空间滤波测速装置中测量得到的实际速度ν'和激光位 移传感器测得实际工作距离d，求解公式(3)得到修正后的速度V。
【文档编号】B60R11/04GK106093454SQ201610503901
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】周健, 聂晓, 樊振, 王梦
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学