[发明专利]一种空间滤波测速传感器装置及提高测速精度的方法

说明书

本发明公开了一种空间滤波测速传感器装置及提高测速精度的方法，该装置包括照明光源、汇聚透镜、图像传感器、数据采集器、中央处理器、激光位移传感器和数据输出接口等；在该方法中计算物体表面粒子运动的速度过程中使用采集图像频谱的功率峰值点的频率，考虑到其它功率值点和其它的频率点对运动目标引起的频率的贡献，使用了对数加权平均算法求解物体表面粒子的运动速度；设置一个功率阈值，当采集图像频谱中功率值大于该阈值时该频率点参与计算运动目标引起的频率；使用了激光位移传感器实时精确测量距离运动物体的工作高度，并使用该高度实时修正测量速度以减小工作高度不同引起的速度测量误差，提高了空间滤波测量传感器中速度的测量精度。

技术领域

本发明涉及空间滤波测速传感器技术领域，尤其是涉及一种空间滤波测速传感器装置及提高测速精度的方法。

背景技术

由于空间滤波测速传感器(Spatial Filter Velocimeter,SFV)具有非接触式测量、高精度等优点，并且光学和机械结构简单以及使用非相干光源，可以用于流体、气体和固体表面速度的非接触测量，在工业生产和科学研究中的多个领域得到了越来越多的应用，民用和军用领域都具有广阔的应用前景，在车载组合导航、轧钢、印刷等高速传送带过程测量领域得到了广泛地应用。

空间滤波测速传感器是利用运动物体的散射光被空间滤波器调制从而得到一个与物体运动速度成正比的光强信号来获得物体运动速度的。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。1963年美国人Ator在他的研究中通过仿真的方法从理论上证明了基于平行狭缝组的空间滤波器的可行性，从而开启了空间滤波测速研究的大门。之后又从相关性理论的角度出发对该方法作了进一步的论证。传统的空间滤波测速仪的空间滤波器通常由一个透射型光栅构成。透射型光栅有可能是一组间隔相等的平行狭缝组成，或者由一组棱镜组成，这种类型的光栅主要缺点就是结构较复杂，加工难度比较大，而且光栅周期不能调整，特别是当要测量二维速度，或者进行差分探测时，要增加另外一路探测子系统，进一步增加了系统结构的复杂性和安装难度。针对透射型光栅的这一缺点，图像传感器被应用到空间滤波测速系统中来，大大简化了系统结构，提高了系统的灵活性和稳定性。

基于图像传感器的空间滤波测速传感器尽管在上个世纪八十年代就已经被提出，但受限于图像传感器的性能，没有引起广泛的注意。近年来，半导体技术和成像技术的飞跃发展极大地提升了图像传感器的性能，使其在测量领域占据着越来越重要的地位。基于图像传感器的SFV再度吸引了研究者的注意，并逐渐成为当今SFV中空间滤波器的主流。图像传感器实质上是由一个个小探测元组成的阵列，相比其他类型的空间滤波器，基于图像传感器类型的空间滤波器的优势在于：空间滤波器的空间结构是通过电子电路或者软件来实现的，具有非常大的灵活性。作为一个空间滤波器，图像传感器相对于其它类型的空间滤波器有着许多重要优势：(1)可以实现多种多样的透过率函数和滤波窗口；(2)空间滤波器的参数，比如空间周期数量和间隔，即使是在测量过程中也是可以随时调整和改变的；(3)可以同时实现多路各种类型的空间滤波器。此外，图像传感器还扮演着探测器的角色，使得系统结构也得到大大的简化。

空间滤波测速传感器的基本结构就是使用一个成像系统将被测物体成像到空间滤波器上，物体的像通过空间滤波器之后，被透镜汇聚到探测器上，从而使得通过空间滤波器的光强被转换成电信号，如图1所示。空间滤波器为一黑白相间的光栅，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图像传感器上，被图像传感器转换成同频率的时域信号。图像传感器的方向与空间滤波器光栅方向垂直，如果物体表面的粒子的运动方向与图像传感器方向平行，且为v₀，则物体表面粒子的运动速度v₀与时域信号频率f₀之间的关系为，

式中，p为滤波器中平行狭缝之间间隔的宽度，也即透射光栅的宽度；Q为成像系统中耦合透镜的放大倍数。