面阵CMOS图像传感器窄带滤波测速技术研究

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	面阵CMOS图像传感器窄带滤波测速技术研究
其他题名	Research on Narrow Bandpass Filter Velocimetry Based on Area CMOS Image Sensor
	赵军丽
学位类型	博士
导师	吴易明
	2015-09
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
关键词	窄带滤波器面阵cmos图像传感器速度测量窄带信号处理
摘要	窄带滤波测速系统采用具有明暗相间透射比结构的窄带滤波器，输出频率与被测目标运动速度成正比的周期信号，结合时钟信号，实现被测目标的速度和相对位移的测量。该系统不依赖于相干光源，稳定性好，结构简单，因此在远距、大空间范围、大尺寸的固体测速领域有着广阔的应用前景和价值。随着光电探测器像素阵列的光学间隔达到了微米级别，窄带滤波测速系统的测量精度大幅提高，因此该方法近些年来越来越受到重视，发展十分迅速。本论文根据“借助于具有随机分布图案的目标进行自主位移、速度以及相关衍生几何量测量”的要求，提出了以面阵CMOS图像传感器为窄带滤波器的测速方法。基于像素自由组合、灰度加权的原理，构建参数可调的新型窄带滤波器。通过理论、仿真和实验研究。论文的主要工作内容和成果如下： 1、系统调研和分析了高精度位移、速度测量方法和相关产品；重点分析了窄带滤波测速方法中所采用的窄带滤波器件的种类、特性和发展趋势；综合比较之下，CMOS图像传感器在灵敏度、分辨率、商用程度（制造工艺简单、价格低廉）、信号采集读取速度和功耗等方面都具有显著的优势，因此确立了以CMOS图像传感器作为窄带滤波器件的研究方向。 2、建立了窄带滤波测速系统的数学模型，并以矩形类矩形透射函数为例，运用时域卷积和频域滤波理论推导了窄带滤波测速系统的传递函数。具有明暗相间的周期阵列结构是一个窄带滤波器，能够输出空间频率为1/T₀的周期信号，结合时钟信号，可以实现运动目标速度和位移的测量；将差分检波技术、鉴向技术、三角法速度合成技术应用于CMOS图像传感器，给出了CMOS二维鉴向差分窄带滤波器的构建方法。 3、通过理论推导和仿真计算，分析了窄带周期、占空比、探测区域形状和透射函数对窄带滤波器功率谱的影响。结果表明：（1）六类窄带滤波器均能够提取零和1/T₀窄带频谱；（2）高斯加权形、矩形、圆形对应的窄带频谱宽度依次增加；（3）正弦透射函数窄带滤波器的频谱宽度小于矩形透射函数，不包含高次频谱，但是信号幅度值低；（4）因为CMOS窄带滤波器的窄带周期可以取较大值，一般情况下使用矩形类矩形透射函数已经能够满足使用要求。而在显微系统中，窄带周期出现小于6的情况时，可以采用由像素组合和灰度值加权方法形成的高斯加权形正弦透射函数。确立了目标光学特性可测时的通用要求、最优和失效模型；分析了光学系统放大倍率、图像采集速度对测量结果的影响，给出了系统各模块之间参数匹配设置的方法。 4、受被测目标图案分布随机性、速度波动以及光环境的影响，传统的频谱扫描仪、频率跟踪器、计数方法不再适用基频随机振幅离散信号的处理。本论文提出了一种以数字信号硬件处理方法和平台为基础，通过相关算法有效地抑制噪声，结合快速傅里叶频谱变换分析和线性频谱校正技术，能够快速、高精度地获取窄带信号频率信息的方法。 5、搭建了基于CMOS图像传感器的二维鉴向差分窄带滤波测速系统，并以人造随机物体（鼠标垫）、花纹水泥路面以及建筑群（自然景物）为被测目标进行实验验证。结果表明，基于CMOS图像传感器的二维鉴向差分窄带滤波测速系统对于对比度分布不均匀的目标和连续图案目标的位移测量精度分别达到2％和1.5％，增加采样数据并进行统计平均处理后，速度测量精度优于0.5％。本论文的研究表明：利用面阵CMOS图像传感器，基于像素组合和灰度加权构建的多个窄带滤波器，在不影响监视和其它测量功能的同时，能够实现二维位移和速度的高精度测量。
学科领域	工程光学
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.opt.ac.cn/handle/181661/27839
专题	研究生部
作者单位	中国科学院西安光学精密机械研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	赵军丽. 面阵CMOS图像传感器窄带滤波测速技术研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2015.

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面阵CMOS图像传感器窄带滤波测速技术研（3497KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-SA	请求全文