空間濾波測速研究進展

朱志雄

(重慶理工大學光電信息學院，重慶 400054)

速度參量的測量在工業(yè)生活中極為常見。例如輪船、汽車、飛機、火箭、風力發(fā)電機、輪船螺旋槳、飛行器轉動軸等固態(tài)物的速度檢測，水流、血流、工地攪拌機內液態(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。速度參量如位移(角位移)、轉速和加速度等是確定這些氣態(tài)、液態(tài)渦旋流場或旋轉機械系統(tǒng)的運動特性和工作狀態(tài)的重要參數(shù)。通過精確測量這些速度參量，可以了解運動物體的狀態(tài)和性能，判斷它們的運動特性。因此，速度參量的測量是檢測技術領域中重要的組成部分，在機械量、幾何量及流體物理量測量領域里有著極其廣泛的應用。

在轉速測量方面，比較成熟的測量方法主要是采用柵式角位移傳感器來測量角位移量及其轉速。以感應同步器、時柵、磁柵、容柵、光柵和角數(shù)字編碼盤為代表的柵式角位移傳感器通常被運用于固態(tài)旋轉物體的轉速測量，極少被用來測量液態(tài)、氣態(tài)渦旋流場的轉速。目前，國內外的文獻和研究報道中所涉及的測量液態(tài)、氣態(tài)物質的速度主要是指測量其線速度。液態(tài)、氣態(tài)物質的速度測量分為接觸式測量和非接觸式測量。氣象站、碼頭、機場采用風杯式風速儀;自來水管道水表等采用接觸式測量氣、流體的速度。在在線速度測量方面，雷達、超聲波測速，激光多普勒法測速等是非接觸式測量的典型代表。其中，以激光多普勒法為代表的光學測速法由于其光學結構穩(wěn)定、精度高、被測對象范圍廣等優(yōu)勢受到越來越多的青睞。近年來關于光學測速的研究報道和文獻也越來越多。

1 光學測速法的分類

隨著光電子技術的發(fā)展，之前被認為不可能的光學測量技術現(xiàn)在被證明是可行的。一個比較典型的例子是光學測量在速度測量方面的應用。眾所周知，與其他傳統(tǒng)的測速方法相比，光學方法用于測量速度有著很多優(yōu)勢，例如它能實現(xiàn)非接觸式測量、非干擾性操作等?？偨Y近年來的相關報道和文獻資料，光學測速法可概括為4大類，即激光多普勒測速法(LDV)、粒子圖像測速法(PIV)、激光散斑測速法(LSV)以及空間濾波測速法(SFV)。

1.1 激光多普勒測速法

LDV 法是 Cummins等［1-2］于1964年提出的一種光學測速方法。此方法一經(jīng)提出便得到了大量研究人員的關注。目前LDV技術已經(jīng)非常成熟和完善。LDV的機理是運動粒子在激光照射下會發(fā)生反(散)射，并會產(chǎn)生激光多普勒效應。此時運動粒子散射光的頻移包含了粒子速度的信息，根據(jù)頻移中的速度信息可提取出運動粒子的速度。LDV應用非常廣泛，可用于燃燒混合物、火焰、旋轉機械、窄通道、化學反應流動、風洞或循環(huán)水洞中流動速度的測量。有研究者還用LDV法來測量微小粒子的旋轉速度［3］，并取得了良好的實驗效果。LDV法的優(yōu)缺點如下:

優(yōu)點:①無需流動校正;②與被測物的溫度、密度及流體成分無關，僅對速度敏感;③輸出量與速度成線性關系;④動態(tài)響應快。

缺點:①需要示蹤粒子;② 示蹤粒子需與被測體一起運動;③對介質和實驗通道有光學要求，要求光能透過被測體。

1.2 粒子圖像測速法

PIV法由攝影法衍變而來。攝影法是利用電影膠片對示蹤微粒的圖像進行記錄，將示蹤微粒各個時刻的位置記錄在連續(xù)幀上，依據(jù)各幀之間的時間間隔即可計算出微粒速度。如果對每幀上的微粒圖像分別進行分析，則采用這種技術能得到速度的二維分布。該方法是利用2個連續(xù)的激光脈沖記錄示蹤微粒在2個連續(xù)時刻的瞬時分布，從而得到一張兩次曝光的圖像。已知連續(xù)脈沖的間隔，則可利用示蹤微粒的每一對圖像來分析此示蹤微粒的移動方向和速度。于是，通過多幅照片上的示蹤微粒圖像即可得出速度的矢量分布，高速計算機的輔助則使實際測量成為可能。采用此種方法能得到大量示蹤微粒的運動軌跡，這種技術即粒子圖像測速(PIV)，目前被廣泛應用于流體力學和懸浮微?？茖W中［4］。

在PIV測速法中，當所用示蹤粒子濃度很低時，PIV測速法又稱為粒子追蹤測速法(PTV)。PTV可通過兩種方式實現(xiàn)，一種是分析順序采集、曝光時間較短的多幀圖像數(shù)據(jù)，然后匹配同一物理粒子，進而計算出速度參量;另一種是計算較長曝光時間下的粒子光學軌跡長度而計算得到速度信息［5-6］。PTV可在2D平面或3D空間內進行測速。在2D平面內測速時需要1臺相機，采集圖像時相機光學主軸垂直于平面光源;在3D空間內PTV能對流場進行更精細的刻畫，但在硬件配置和數(shù)據(jù)處理方面具有很高的要求。Kraizer等［7］提出了一種實時PTV技術，與之前方法不同的是，該技術中數(shù)字相機利用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)將圖像數(shù)據(jù)進行前處理，僅將處理后的“粒子”特征信息而非圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡在線傳遞給計算機進行后續(xù)計算，避免了繁重的傳輸任務，降低了對硬件的要求，同時提高了處理速度，適合同遠程控制和寬帶網(wǎng)絡結合使用。

1.3 激光散斑測速法

LSV也稱為激光斑紋測速法，是 Stavis于1966年提出的一種方法［8］。其基本原理是利用激光照射漫反射板或粗糙平面，由于板或平面發(fā)生散射形成散射波，較多的散射波進行隨機相位的干涉從而形成散射斑圖，被測目標的運動導致散斑圖中的干涉強度在時間和空間上發(fā)生變化，故通過對這些變化的光電信號進行頻率分析或相關性分析即可確定被測物的速度。記錄于像平面的散斑圖包含了物平面的兩維速度信息，將照相法或計算機圖像分析應用于散斑圖可以得到形象化的速度分布，這種方法即激光散斑照相法在測速方面的應用。文獻［9-10］詳細討論了散斑圖干涉強度的變化和被測物的運動之間的關系;施奈爾、皮奧特等［11］用光電傳感器陣列作為空間濾波器，研究了激光散斑測量物體運動的統(tǒng)計特性。

在PIV測速法中，當所用示蹤粒子濃度很高且粒子圖像在被測區(qū)重疊時，高濃度的示蹤粒子對入射光的散射會產(chǎn)生隨機相位的干涉，示蹤粒子的運動導致散斑圖中的干涉強度在時間和空間上發(fā)生變化，通過檢測這些變化即可得出被測流場的速度信息。此時的PIV測速即LSV測速。

1.4 空間濾波測速法

簡單地說，凡是能通過改變頻譜從而改變輸出信息的操作都可稱之為空間濾波。光學空間濾波的具體操作為:物體的像經(jīng)過光學傅氏透鏡(傅立葉變換)后在頻譜面上得到物信息的頻譜，然后在頻譜面上放置濾波器(如狹縫、圓孔等)以改變或提取某些頻段的振幅或相位;處理后的物像再經(jīng)過光學傅氏透鏡(傅立葉逆變換)，最后在像平面(輸出面)上得到濾波后的輸出信息。在頻譜面上放置的諸如狹縫、圓孔等光闌起空間濾波作用，這類器件通稱為空間濾波器。

當微粒圖像通過周期性排列的平行狹縫時，隨著光強的周期性變化將會產(chǎn)生電信號，通過測量信號的頻率即可得出微粒的速度，這就是SFV技術。早期的時候，由于空間濾波法的精度沒有激光多普勒法的精度高等原因，該方法自1963年由Ator提出后，在很長一段時間內并沒有受到研究人員的關注［12］。

在上述光學測速方法中，LDV和LSV均是利用相干技術的干涉測量的原理，通過相干光束的相互干涉來實現(xiàn)測速。這兩種方法需要使用昂貴的激光器，所以成本高，難以普及，且不宜便捷式測量。PIV和SFV是非相干技術，非相干技術包括照相法和攝影法?？臻g濾波測速用到的空間濾波技術由光電圖像追蹤技術衍變而來。

2 空間濾波測速的原理

光學空間濾波測速的基本光學系統(tǒng)如圖1所示。在一定的探測區(qū)域內，光源照射在一個以速度v0沿x0方向移動的被測物體(如粒子)上，在被測物表面產(chǎn)生散射，散射光通過鏡頭L成像在空間濾波器SF上。經(jīng)過空間濾波器的光被其后方的一個光電探測器PD接收，光電探測器輸出周期性變化的正弦信號。這是因為被測物以速度v0運動且空間濾波器SF的周期透射比是p，故PD探測到的總光強會產(chǎn)生周期性變化，并且PD輸出的信號的中心頻率f0與被測物的運動速度v0相關。通過頻譜計數(shù)器或頻譜分析儀測取光電探測器的輸出信號的中心頻率f0，可得到被測物的運動速度為［13］

式中:p是空間濾波器的周期透射比;M是光學成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)。因此，通過式(1)即可實現(xiàn)對速度的測量。

圖1 空間濾波測速的基本光學系統(tǒng)

3 空間濾波測速的發(fā)展和應用

3.1 空間濾波測速的發(fā)展歷程

典型的空間濾波器是有著透光和不透光條紋的透射光柵或平行狹縫?？臻g濾波測速的基本概念來源于航空相機控制技術和紅外光學跟蹤技術，而Ator［13］則明確提出將空間濾波方法用于速度的測量，通過模擬利用平行狹縫作為空間濾波器的過程，明確了該方法的可行性。文獻［14］從相關性理論的角度對這種方法進行論證分析，進一步確定了該方法用于速度測量的可行性。Gaster通過研究液體流速，實驗性地驗證了空間濾波測速法的正確性［15］。Naito 和Tsutsumi［16］給出了空間濾波法的理論基礎，分析了透射光柵的空間功率譜密度函數(shù)，并證明了透射光柵相當于一個空間濾波器，能用于對速度的測量。為了提高空間濾波器用于速度測量的選擇性，Kobayashi和Naito［17］進一步討論了窄帶通空間濾波器的最優(yōu)性問題。在這些研究的基礎上，Kobayashi［17］和其研究組成員將空間濾波探測器進行了拓展，提出了具有空間濾波器功能的光電探測器。Tsudagawa［18］等引進了平行四邊形視場，用以提高空間濾波器在低頻域的濾波特性。Itakura等［19］利用液晶元件陣列構建了一種新型的空間濾波器，通過將其用于河流的流體速度矢量的測量，驗證了這種空間濾波器的實用性。

除了光柵和十字狹縫，其他光學元件也可用于速度測量的空間濾波器。Hayashi和Kitagawa等［20］利用光纖陣列構建了一種新的空間濾波器，并證明了這種空間濾波器用于速度測量的有效性。此外，他們將這種空間濾波器用于兩維的速度分量和距離的測量，以及速度方向的辨別。Ushizaka［21］研究了透鏡光柵的成像和折射特性，認為其和棱鏡光柵的原理相似，同樣可以作為空間濾波器。至此，空間濾波器的理論已相當成熟。

3.2 空間濾波測速的應用歷程

空間濾波可運用于多種方式的對目標速度的測量。Ushizaka和Asakura［22］研究了一種帶有顯微鏡的光學成像系統(tǒng)的空間濾波測速法，并將其應用于對一個直徑為130 μm～3.3 mm的細小玻璃管內的液體流速分布的測量。此外，Aizu等［12］構建了一種差分式透射光柵測速計，提高了濾波器濾除多余低頻成分的能力，并證明了其在顯微領域測量流速的有效性。Koyama等［22］將這類空間濾波測速計應用于血液流速方面的研究，取得了良好的實驗效果。Aizu等對空間濾波法進行了改進，使其能感測速度的變化程度?；诠鈱W成像的特性，空間濾波法還可用于測量光學系統(tǒng)的離焦量、成像距離以及成像位移等［16，22］。

在雙電子束 LDV 系統(tǒng)的基礎上，Chang［23］從理論和實驗方面提出并研究了一種邊緣成像技術。這種技術無需在運動物體前放置光柵，而是在一個運動物體上模擬光柵照明，使經(jīng)過調制后的散射光被光電探測器接受，通過分析光電探測器的輸出信號即可提取出被測目標的速度信息。Ballik和Chan等［24-25］提出的條紋成像技術與之類似。Ohno等［26］提出了采用空間濾波探測器來感測兩維隨機運動的方法，該方法能測取運動物體的平均速度、尺寸及數(shù)量等。Wang和Tichenor在文獻［27］中描述了一種測量散射粒子大小的方法，并用實驗驗證了這種方法的準確性。該方法使用調制后的、伴有漸變場的透射光柵。

4 空間濾波測速的最新研究狀況

近年來，一些研究人員把光學空間濾波測速原理同靜電傳感器的濾波效應結合起來，提出了一種基于空間濾波的靜電傳感器測量顆粒速度的方法。例如，Xu等［28-31］相繼提出了基于單環(huán)和圓環(huán)狀線性靜電傳感器陣列的空間濾波顆粒速度測量方法。該方法主要采用環(huán)狀靜電傳感器，傳感器的輸出信號是其敏感區(qū)域內的所有顆粒所帶電荷的疊加，從而獲得管道截面上顆粒的加權平均速度。在此基礎上，李健等［32-33］提出一種基于圓弧狀靜電傳感器矩陣的氣固兩相流顆粒局部平均速度測量方法，開發(fā)了基于圓弧狀靜電傳感器矩陣空間濾波器的顆粒局部平均速度測量系統(tǒng)。通過在重力輸送顆粒流實驗裝置上進行實驗發(fā)現(xiàn)，該方法能獲得敏感區(qū)域內顆粒流動平均速度信息，在一定程度上實現(xiàn)了對顆粒局部平均速度的測量。但是該方法的測量精度不高，誤差較大，有待進一步的研究與改進。

闞哲［34-36］通過實驗驗證了插入式靜電傳感器空間濾波原理的可行性，利用插入式靜電傳感器和空間濾波原理提出了一種新的測量固相顆粒傳送速度的方法，建立了一套氣/固兩相流流體速度模擬實驗裝置，通過測量細線在不同運動速度時傳感器的輸出變化，驗證了該方法的可行性。但該裝置測得的速度范圍有限，僅在被測體速度為2～7 m/s時才能取得明顯的實驗效果?；陟o電傳感器的空間濾波測速法，為了利用靜電磁場陣列的空間濾波特性，需在管道外壁粘貼靜電傳感器以組成靜電傳感器陣列，并在管壁外圍套上一個金屬防護罩以消除外界磁場干擾。受材料和加工技術的限制，該方法只適于對管道內流體物速度的測量，對其他諸如轉動類的機械旋轉軸則無法測量。同時，該方法中干擾靜電磁場的干擾源較多，精度難以提高。

Hosokawa 和Tomiyama［37］提出一種基于時間序列粒子圖像的空間濾波測速法，該方法能在測試區(qū)內測量單個示蹤粒子的速度，其精度和分辨率都較高。他們將這種方法和LDV法同時運用于湍流和層流的實驗測速中，實驗結果表明該方法具有與LDV法相媲美的精度和分辨率。在文獻［38］中，鄭麗娜提出了一種利用線陣CCD空間濾波效應進行航空相機像移速度測量的新方法，將線陣CCD輸出圖像進行隔行采樣，模擬多狹縫的空間濾波特性，實現(xiàn)了對航空相機像移速度的光學非接觸測量。該方法可方便地對空間濾波器的響應進行調制，改變其頻率特性以適應不同目標頻率分布的要求。線陣CCD既作為空間濾波器又作為光電接收元件，裝置結構簡單，可減少安裝調試的誤差，同時其精度高，能滿足航空相機像移補償?shù)木纫蟆?/p>

5 展望

根據(jù)線速度和角速度的關系ν=ωr可知:若能測取物體的線速度，那么只要知道物體的旋轉半徑便能間接測取物體的角速度。現(xiàn)有的空間濾波測速能很好地測取直線運動物體的線速度，但是在遙測旋轉物體轉速時，大多數(shù)情況下很難準確測取甚至無法測取物體的旋轉半徑，例如氣態(tài)、液態(tài)的渦旋流場的旋轉半徑，利用空間濾波技術遙測轉速難度極大。因此，現(xiàn)行的空間濾波技術主要被用于線速度的測量，極少用來測量旋轉物體(旋轉機械，氣態(tài)、液態(tài)的旋渦流場)的轉速。

利用光電池陣列組成空間濾波器來測取旋轉物體的轉速是現(xiàn)行空間濾波測速領域中的一個研究熱點，但是關于這方面的研究報道不多，并且該技術存在很大的改進空間?；诠怆姵鼐€陣對的轉速測量機理是利用旋轉物體端面的隨機圖像，通過光學成像系統(tǒng)成像于光電池陣列上。該光電池陣列是對光強變化特別敏感的光電傳感器，其兼具空間濾波和光電轉換的功能。光電池陣列接收到隨機信號后輸出含有轉速信息的準正弦波信號，對該準正弦波信號加以放大、濾波、整形處理分析，得到被測旋轉體的轉速等信息。該方法經(jīng)過優(yōu)化設計后，可同時適用于對旋轉機械結構、渦旋的氣流、液態(tài)流以及粉塵等的絕對瞬時純角速度的測量。同時，該方法環(huán)境適應能力、抗干擾性強，對諸如晃動、震動之類的誤差源不敏感，具有與現(xiàn)有轉速測量方法相媲美的高分辨率和精度。因此，深入研究分析空間濾波測速具有遠大的發(fā)展前景和重大的現(xiàn)實意義。

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