技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空間濾波測速領(lǐng)域，特別是一種基于數(shù)字微鏡的空間濾波測速裝置。

背景技術(shù)：

空間濾波測速的基本概念來源于航空相機控制技術(shù)和紅外光學跟蹤技術(shù)。 一種采用濾波處理的影像增強方法，其理論基礎(chǔ)是空間卷積。目的是改善影像質(zhì)量，包括去除高頻噪聲與干擾，及影像邊緣增強、線性增強以及去模糊等。光學測量速度與傳統(tǒng)方法相比有非常重要的優(yōu)勢，如非接觸、非干擾?？臻g濾波技術(shù)可以用于測量輪船、汽車、飛機、火箭、風力發(fā)電機、輪船螺旋槳、飛行器轉(zhuǎn)動軸等固態(tài)物的速度檢測；水流、血流、工地攪拌機內(nèi)液態(tài)物料等液態(tài)物的速度檢測，以及粉塵、臺風等氣態(tài)物的速度檢測。

空間濾波的基本思想是通過具有平行狹縫的柵格來觀察移動物體的光學圖像。現(xiàn)在的空間濾波測速一般是采用一個發(fā)光源，透鏡，固定距離的平行光柵和光信號處理板進行測量速度。這種方法的測量精度固定，不能調(diào)整，導致系統(tǒng)的測量精度單一。GPS和DGPS方法的采樣率太低，跟不上快速運動的物體。聲學或光學三角測量都提供很高的位置數(shù)據(jù)速率，缺點是它需要外部接收，這限制它只能在一些平方米級區(qū)域的使用。

基于CCD或者CMOS圖像傳感器的空間濾波測速都是通過攝取圖像然后用軟件的方法得出物體的運動速度。圖像傳感器使用相關(guān)性粒子跟蹤/ PIV或空間濾波測速（SFV）來跟蹤結(jié)構(gòu)化表面的運動。沒有人工照明時，圖像會因為陽光和陰影之間的高動態(tài)切換而導致局部曝光不足或過曝光。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有空間濾波測速采樣率低，濾波參數(shù)不可調(diào)整的不足，本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字微鏡的空間濾波速度測量裝置，該發(fā)明裝置可以調(diào)整空間濾波器的濾波參數(shù)，而且能顯著提高空間濾波測量速度的精度。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種基于數(shù)字微鏡的空間濾波測量速度裝置，該裝置包括：

光源，用于照射運動物體；

準直透鏡，與光源光路連接，把光源發(fā)出的光先聚焦再準直后均勻照射在被測運動物體表面；

透鏡，與運動物體連接，將運動物體成像，并入射到數(shù)字微鏡器件上；

數(shù)字微鏡器件，與透鏡連接，通過控制微鏡的開關(guān)，數(shù)字微鏡器件上的小鏡片通過偏轉(zhuǎn)，可以形成兩組具有平行間距的光柵，兩組平行光柵可以作為空間濾波器對入射的光信號進行濾波，同時將光信號發(fā)射到光電探測器。

聚焦透鏡，與數(shù)字微鏡器件連接，將數(shù)字微鏡器件反射的光信號聚焦，并入射到光電探測器上。

光電探測器，與聚焦透鏡連接，接受聚焦透鏡聚焦的光信號，光信號強度的變化會導致光電探測器的電壓變化，至此便可將光信號轉(zhuǎn)化成電信號；

差分電路，光電探測器連接，接收光電探測器的信號，對輸入的兩端的信號相減并放大，消除大部分無關(guān)干擾信號。后將放大的信號傳入信號處理板。

信號處理板，與光電探測器、PC機、驅(qū)動電路連接，接收來自光傳感器的電信號，首先將接收的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，信號處理板中的FPGA對數(shù)字電信號處理，得出物體的運動速度。

驅(qū)動電路，與信號處理板連接，接收來自信號處理板的信號，驅(qū)動數(shù)字微鏡器件工作。

PC機，與信號處理板連接，控制信號處理板的工作模式，并接收來自信號處理板的信號。

所述數(shù)字微鏡器件上的鏡片能夠獨立偏轉(zhuǎn)，設(shè)置為兩組交替偏轉(zhuǎn)，形成兩組空間濾波器。

所述信號處理板包括MCU、FPGA和AD模塊，其中AD模塊與FPGA連接，MUC與FPGA連接； MCU接收來自PC機的命令信號給FPGA，并將FPGA的狀態(tài)返回給PC機；AD模塊將差分電路輸入的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給FPGA；FPGA對該數(shù)字信號進行處理。

所述裝置測速包括以下步驟：

1）信號處理板上電初始化，PC機設(shè)置其工作狀態(tài)；信號處理板工作后根據(jù)PC機傳入的參數(shù)將控制數(shù)字微鏡器件的信號傳入驅(qū)動電路；

2）驅(qū)動電路根據(jù)傳入的信號初始化并設(shè)置數(shù)字微鏡器件的工作狀態(tài)，數(shù)字微鏡器件控制微小鏡片的開關(guān)和鏡片轉(zhuǎn)動，使其形成兩組平行光柵；

3）打開光源；

4）準直透鏡把光源的光先聚焦再準直后均勻地照射到被測物體表面；

5）數(shù)字微鏡器件將接收的運動物體所成像的光信號分組反射到光電探測器；

6）光電探測器接收到數(shù)字微鏡器件反射的光信號后，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并將電信號傳送到差分電路上；

7）差分電路接收光電探測器的信號，并對其進行處理后傳入信號處理板；

8）信號處理板接收到差分電路的電信號，AD模塊將電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，信號處理板對數(shù)字信號處理后得到物體的運動速度，并將結(jié)果輸出到PC機顯示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明裝置的有益效果是：

1、本發(fā)明是在硬件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了空間濾波，可以對濾波參數(shù)進行調(diào)整，使系統(tǒng)的精度得到極大的提高；

2、本裝置結(jié)合數(shù)字微鏡器件靈活可變的柵格結(jié)構(gòu)，增大了物體運動的速度的可測量范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明數(shù)字微鏡器件的工作狀態(tài)示意圖；

圖4為本發(fā)明工作流程圖；

圖5為本發(fā)明信號處理板結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

參閱圖1-2，本發(fā)明由光學系統(tǒng)a和信號處理b組成，其中，光學系統(tǒng)a包括：光源1、運動物體3、準直透鏡2、透鏡4、數(shù)字微鏡器件5、聚焦透鏡6以及驅(qū)動電路10；信號處理b包括：光電探測器7、差分電路8、信號處理板9和PC機11。具體工作實施過程：信號處理板9與PC機11、驅(qū)動電路10連接，PC機通過信號處理板9上的MCU與其通信，設(shè)置其工作狀態(tài)，信號處理板9開始工作后，控制驅(qū)動電路9設(shè)置數(shù)字微鏡器件5的工作方式。所述光源1用于照射運動物體3；準直透鏡2與光源光路連接，把光源1發(fā)出的光先聚焦再準直后均勻照射在被測運動物體3表面；透鏡4與運動物體3光路連接，將運動物體3成像，并入射到數(shù)字微鏡器件5上；數(shù)字微鏡器件5與透鏡4連接，數(shù)字微鏡器件5上有多達百萬個可以單股控制的微鏡，工作模式的數(shù)字微鏡器件可以交替形成兩組具有平行間距的光柵，兩組平行光柵可以作為空間濾波器對入射的光信號進行濾波。聚焦透鏡6與數(shù)字微鏡器件5連接，將數(shù)字微鏡器件5反射的光信號聚焦，并入射到光電探測器7上；光電探測器7與聚焦透鏡6連接，接收聚焦透鏡6聚焦的光信號，光信號強度的變化會導致光電探測器7的電壓變化，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號；差分電路8與光電探測器7連接，接收光電探測器7的信號，對輸入的兩端的信號相減并放大，消除大部分無關(guān)干擾信號后將放大的信號傳輸，信號處理板9 接收來自差分電路8的電信號，首先將接收的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，信號處理板9中的FPGA對數(shù)字電信號處理，得出運動物體3的運動速度，并將物體運動速度結(jié)果傳輸給PC機顯示。

實施例

以運動的小球為例，參閱圖4，本發(fā)明的具體工作過程：

上電初始化，PC機11通過MCU與信號處理板9通信，設(shè)置信號處理板9的工作模式，信號處理板9開始工作后，將控制數(shù)字微鏡器件5工作模式的信號發(fā)送到驅(qū)動電路10，驅(qū)動電路10驅(qū)動數(shù)字微鏡器件5工作，使數(shù)字微鏡器件5上的微小反射鏡偏轉(zhuǎn)，形成兩組光柵。光源1入射到準直透鏡2上，準直透鏡2將光源1變成平行光線入射到小球3上，小球3通過透鏡4成像，所成的像入射到數(shù)字微鏡器件5上，數(shù)字微鏡器件5將入射的小球2的像分組反射到聚焦透鏡6上，聚焦透鏡6將入射的光信號聚焦入射到光電探測器7，光電探測器7將入射的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸入到差分電路8，差分電路8對信號處理后輸入到信號處理板9。信號處理板9將傳入的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，信號處理板對其處理后得出小球3的速度，輸送給PC機11顯示。

參閱圖3，本發(fā)明數(shù)字微鏡器件5的微鏡工作過程示意圖；圖中A表示數(shù)字微鏡器件5上的一個微鏡，每一個微鏡都可以由輸入電信號被控制向兩個不同的方向偏轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)“開”和“關(guān)”狀態(tài)。因此用輸入電信號控制微鏡的偏轉(zhuǎn)方向就可以實現(xiàn)對輸入光信號的調(diào)制，當微鏡處于“開”狀態(tài)時，輸入光信號被反射出去，代表輸出“1”；當微鏡處于“關(guān)”狀態(tài)時，輸入光信號被光吸收面吸收，沒有光信號輸出，代表輸出“0”。

參閱圖4，上電后，信號處理板執(zhí)行初始化程序，PC機與信號處理板上的MCU通信，配置工作方式。驅(qū)動電路接收信號處理板的信號，初始化并配置數(shù)字微鏡器件的工作狀態(tài)，控制數(shù)字微鏡器件上面的小鏡片開關(guān)以及偏轉(zhuǎn)。運動物體所成的像入射到數(shù)字微鏡器件后，數(shù)字微鏡器件對光信號進行濾波。進行濾波后的信號經(jīng)光電探測器輸入到差分電路，差分電路處理后傳入信號處理板，信號處理板對信號處理后得出運動物體的速度并輸出到PC機上。

參閱圖5，本發(fā)明的信號處理板9包括MCU（STM3F130VCT6）、FPGA(XC6SLX150FGG676)和AD(AD7714)模塊。MCU通過USB接口接收來自PC機的命令信號給FPGA，并將FPGA的狀態(tài)返回給PC機。AD將差分電路輸入的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給FPGA；FPGA對AD輸出的數(shù)字信號進行處理。