用于梳狀結構光學測速系統的周期優化方法

羅　娜，歐　攀，張春熹，周金男

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院， 北京 100191)

用于梳狀結構光學測速系統的周期優化方法

羅娜，歐攀*，張春熹，周金男

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院， 北京 100191)

摘要：為了提高梳狀結構光學測速系統的測速精度，采用數學原理研究了梳狀結構的間距大小對輸出光強信號周期性的影響，通過優化輸出光強信號的周期性來提高測速精度，并采用一種結合圖像處理選擇最佳間距的實驗方法，進行了相關的理論分析，對兩種不同路面進行了實驗仿真驗證，得到不同間距下不同的輸出光強信號的周期性情況。結果表明，當柵狀結構的間距大小與地面特征點大小一致時，得到的輸出光強周期性最優，對于普通的柏油和水泥路面，對應到地面的最佳柵狀結構間距大小為1.0mm ~1.5mm。

關鍵詞：測量與計量；周期優化；圖像處理；梳狀結構；差分輸出

*通訊聯系人。E-mail:oupan@buaa.edu.cn

引言

近年來，光學非接觸式測速方法由于克服了接觸式測量容易產生形變誤差的缺點，同時具有測量精度較高，對測量目標表面要求較低等優點，成為了常用的測速方法之一[1]。光學非接觸測量方法包括激光多普勒測速方法[2-3]、雷達測速方法、全球定位系統(global positioning system,GPS)測速方法以及基于梳狀結構的測速方法[4]等。基于梳狀結構的光學測速方法主要利用空間濾波原理進行速度測量，測量設備一般安裝在車身并隨車一起運動，地面雜亂花紋的反射光進入該測量系統，在光電器件上成像并掃描梳狀結構，經過空間濾波等處理后被探測器接收。探測器輸出周期變化的光強信號，其周期數與被測物體的速率成正比，通過測量某段時間內光強信號的周期數即可由公式實時計算速度[5-6]。

本文中主要從優化輸出光強信號周期性的角度來提高測速精度，先從理論上分析了梳狀結構的間距大小與輸出光強信號周期性之間的關系，再對兩種不同路面進行實驗分析，結合圖像處理的方法對不同條紋間距下輸出光強信號的周期性進行比較，從而確定了最佳的條紋間距大小選擇，為實際系統中梳狀結構的間隔大小選擇提供參考。

1光學非接觸測速方法的介紹

1.1　梳狀結構與速度測量的數學原理

基于梳狀結構的光學測速方法是通過空間濾波原理實現速度測量[7-8]，假設某特征點在梳狀結構平面上運動，如圖1所示。該特征點從左向右運動經過梳狀結構，當特征點處在梳狀結構間隙時，光強最強，當特征點處在梳狀結構處時，光強最弱，由于梳狀結構的重復性，若對梳狀結構后的光強信息進行采集，光強會出現周期性的變化，且一個周期對應特征點經過一對梳狀結構。

Fig.1　Principle of spatial filtering velocimety

若該特征點以速率v(m/s)從左向右經過梳狀結構，運動t(s)時間，移動長度為l(m)，那么速率可表示為：

1.2　基于梳狀結構的光學非接觸測量系統

在實際應用中，系統光源發出的光照射到路面上，為了實現暗視場照明，照射光束與該系統光軸的角度一般為30°~60°。該測速裝置置于車身，隨車一起運動，當汽車在某段時間內以速率v運動了一定的距離，在該段時間內，記錄路面變化信息的光線反射進入該測速裝置，如圖2所示[6-8]。光線經過透鏡和梳狀結構后到達探測器，對兩探測器上接收的信號進行采集和差分，會出現周期波動的信號，通過周期提取算法提取該光強信號的周期數，即可實現速度測量[9]。

Fig.2Non-contact optical velocity measurement systems based on grid structure

由于并非是對地面的直接測量和處理，而是對地面反射的光經過透鏡在探測器上所成像進行測量和處理，來間接測量速率，所以需要對地面與探測器成像面的倍率關系進行標定。將地面與像面成像關系的橫向轉換定義為m(pixel/m)，即若地面為a(m)的長度，對應成像系統的像素大小為b(pixel)，那么橫向轉換倍率m(pixel/m)為：

當梳狀結構確定后，那么一對柵格間距g(m)就確定了，若時間t(s)內點探測器輸出光強信號的周期個數為N，那么運動物體的移動速率v(m/s)可以根據(3)式和(4)式寫成：

通過上式，即可求出實際系統中運動物體的速率大小。

2地面紋理與周期優化

由(5)式可知，影響測速精度的物理量包括物像標定中的轉換倍率m，輸出光強曲線的周期數N，柵格對間距g，以及運動時間t。為了得到更加精確的周期數N，本文中主要對柵格對間距g進行討論，先從理論上分析柵格間距的選擇如何影響輸出光強信號的周期性，再對實際路面進行分析驗證[10-11]，討論如何選擇最佳的柵格間距大小。

2.1　不同柵格間距與輸出信號周期性的理論分析

圖3中從理論上描述了選擇不同的柵格間距大小對輸出光強信號周期性的影響，當柵格間距大小g/2相對于特征點大小d來說較小時，輸出光強信號的周期性不明顯，且容易受外部噪聲影響；當柵格間距大小g/2相對于特征點大小d來說較大時，輸出光強信號出現了周期性的平坦段，容易引起周期數提取誤差；只有當柵格間距大小g/2與特征點大小d相近時，輸出光強信號的周期性最接近于正弦曲線，此時對后續的信號處理和周期數的提取非常有利。可見，選擇合理的柵格間距大小對于輸出光強信號周期的優化來說非常重要。

Fig.3　Different outputs corresponding to different intervals in theory

2.2　不同柵格間距與輸出信號周期性的實驗分析

實際測量系統中常采用差分探測的方法[12]，即使兩探測器接收到的輸出光強信號的相位相差π，再對兩光強信號進行差分，分析差分后的信號，這種方法的優點在于不僅解決了單探測器所帶來的光強損失問題，同時也解決了對單探測器接收的信號進行處理時存在基頻影響的問題。本文中結合圖像處理的方法[13]，取某面積的圖像區域，用隔列取光強的方法代替梳狀結構，用該面積圖像區域的移動代替物體的移動，當該區域不斷向前移動時，隔列取光強求和，每移動一次記錄一次光強值，將得到的兩組相位差為π的輸出光強信號∑A和∑B，對其進行差分處理后，差分輸出光強如下式所示：

其理論上的差分情況如圖4所示(其中取樣的柵格間距p=g/2)，縱坐標為光強(單位為cd)，橫坐標為移動的次數。

Fig.4　Output curves of differential method　　多次改變取樣的柵格間距p的大小，觀察不同柵格間距對輸出光強信號周期性的影響，從而確定最佳列間距大小的選擇。

3實驗數據分析及優化

3.1　對柏油路面的分析

選擇一個長為320mm、寬為290mm的矩形柏油路面區域，其特征點大小以1.1mm左右為主，用型號為COOLPIX S3300的相機進行拍攝，其灰度圖如圖5a所示，其像素大小為2272×1704，此時，1pixel對應實際距離0.14mm，對其進行差分采樣，如圖5b所示。

由2.1節中的理論分析可知，只有當取樣的柵格間距大小與特征點大小相近時，輸出信號的周期性最優，對于此路面，其特征點大小為1.1mm左右，對應像素在6~8(0.84mm~1.12mm)之間，同時選擇取樣的柵格間距明顯小于特征點(2pixel對應實際大小為0.28mm)和取樣的柵格間距明顯大于特征點(13pixel對應實際大小為1.82mm)的兩種情況構成對比，于是，分別選擇p為2pixel,6pixel,8pixel,13pixel幾種情況進行實驗。對某面積區域的圖像進行隔列采樣，當該面積區域向前移動時，將得到兩組變化的輸出光強信號，改變取樣的柵格間距p(pixel)，得到不同的輸出光強信號，對其差分后將得到如圖6所示的輸出信號(括號內為像素對應的實際距離)。

Fig.5　Tarmacadam pavement and its sampling method

由圖6可知，當p=8(對應實際路面大小為1.12mm)時，輸出光強信號的周期性非常好，p=2pixel(對應實際路面大小為0.28mm)或p=13pixel(對應實際路面大小為1.82mm)時，輸出光強信號的周期性較差，若提取該周期數計算速率時，將對速率精度產生較大的影響。

3.2　對水泥路面的分析

選擇一個長為590mm，寬為440mm的1個矩形水泥地面區域，其特征點大小以1.5mm為主，用型號為富士f75exr的相機進行拍攝，其灰度圖如7a所示，其像素大小為2592×1944。那么，1pixel對應實際距離為0.227mm，對其進行差分采樣，如圖7b所示。

Fig.6Different outputs corresponding to different intervals in experiment

a—p=2pixel(0.28mm)b—p=6pixel(0.84mm)c—p=8pixel(1.12mm)d—p=13pixel(1.82mm)

Fig.7　Cement pavement and its sampling method

該路面的特征點大小為1.5mm左右，對應像素在6~8(1.362mm~1.812mm)之間，同時選擇列間距明顯小于特征點(2pixel對應實際大小為0.454mm)和取樣的柵格間距明顯大于特征點(13pixel對應實際大小為1.362mm)的兩種情況構成對比，于是，選擇p分別為2pixel,6pixel,8pixel和13pixel幾組數據進行實驗。對某面積區域的圖像進行隔列采樣，當該面積區域向前移動時，將得到兩組變化的輸出光強信號，改變p(pixel)，得到不同的輸出光強信號，對其差分后將得到如圖8所示的輸出信號(括號內為像素對應的實際距離)。

Fig.8Different outputs corresponding to different intervals in experiment

a—p=2pixel(0.454mm)b—p=6pixel(1.362mm)c—p=8pixel(1.816mm)d—p=13pixel(2.951mm)

由圖8可知，當p=6pixel(對應實際路面大小為1.362mm)時，輸出光強信號的周期性非常好，當p=2pixel(對應實際路面大小為0.454mm)或p=13pixel(對應實際路面大小為2.951mm)時，輸出光強信號的周期性較差，若提取該周期數計算速率時，將對速率精度產生較大的影響。

3.3　實驗結果分析

由上述兩種路面的實驗結果可知，不同的間距大小對輸出光強信號的周期性影響很大，對于柏油路面，當取樣的柵格間距大小取8pixel(對應的實際長度為1.12mm)，此時取樣的柵格間距大小與特征點大小相近，對應的輸出信號周期性非常理想。對于水泥路面，當取樣的柵格間距取6pixel(對應的實際長度為1.362mm)時，此時取樣的柵格間距大小與特征點大小相近，對應的輸出信號周期性非常理想。綜合考慮，在實際系統設計中，為保證良好的輸出信號周期性，選擇的最佳梳狀結構間距范圍為1.0mm~1.5mm。值得說明的是，該最佳梳狀結構間距大小并非圖2所示實際測速系統中梳狀結構的間距大小，而是在不考慮透鏡系統的轉換倍率m時梳狀結構的間距大小，只有當再次計算轉換倍率m后才能得到實際測速系統中梳狀結構的間距大小。

4結論

通過對兩種不同的實際路面進行分析可知，不同梳狀結構的間距大小對輸出光強信號的周期性影響很大，為了提高測速精度，通過討論最佳的梳狀結構間距來實現輸出光強信號的周期優化有非常重要的意義。根據理論分析及對柏油路面和水泥路面的分析可知，只有當間距大小與特征大小相近時，輸出信號周期性最好，且確定了這兩種情況下最佳的梳狀結構間距大小為1.0mm~1.5mm；間距選擇不能太寬，因為對應的周期個數將較少，不利于提高測速精度；間距不能太小，因為對應的周期數將較多，容易受到環境噪聲影響。由于路面情況較為復雜和多樣，根據不同的路面特征確定與之一致的柵狀結構間距大小，有利于得到最佳的輸出信號曲線，方便后續的信號處理。在接下來的工作中，將在實際測速系統中對上述實驗結果進行驗證，并分析更多有利于實現輸出光強信號周期優化的因素。

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Cycle optimizing method used in optical velocity measurement

systems based on grid structure

LUONa，OUPan，ZHANGChunxi，ZHOUJinnan

(School of Instrumention Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract：In order to improve the measurement precision of optical velocity measurement systems based on grid structure, effect of spacing size of the grid structure on the period of output light intensity signal was studied using mathematical principles. Combined with image processing, optimal spacing size was selected so that the period of the output light intensity signal was optimized and the measurement precision was improved. After relevant theoretical analysis, simulation experiments were carried out for two different kinds of roads. The periodic information of different spacing under different output light intensity was obtained. The results show that when the spacing size of the grid structure is consistent with the surface feature point size, the optimum output light intensity period is obtained. For ordinary asphalt and concrete pavement, the best spacing is 1.0mm~1.5mm corresponding to the ground.

Key words:measurement and metrology; cycle optimizing; image processing; grid structure; differential output

文章編號：1001-3806(2015)01-0076-06

收稿日期：2013-12-12；收到修改稿日期：2014-04-16

作者簡介：羅娜(1990-)，女，碩士研究生，現主要從事光學測速方面的研究。

基金項目：教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目

中圖分類號：O348.11

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.014