运动物体角位移与角速度的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种运动物体角位移与角速度的测量方法及系统，包括：生成满足泽尼克多项式分布的第一图案；将第一图案根据其实部和虚部进行拆分，得到第一图案的实部图案和虚部图案；根据实部图案和虚部图案中正数元素、负数元素及其分布位置，将实部图案和虚部图案分别拆分为两幅调制图案；将拆分得到的四幅调制图案依次加载到空间光调制器上；由空间光调制器对光源发出的激光进行强度调制，将调制后的激光投射到旋转运动目标物体上；采集不同时刻从目标物体反射的回光强度信号；基于不同时刻的回光强度信号以及调制图案，计算得到旋转运动目标物体的角位移和角速度。本发明专利技术可实现角位移和角速度的非接触式光学测量，可实现远距离快速测量。快速测量。快速测量。

【技术实现步骤摘要】
运动物体角位移与角速度的测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及光学探测
，具体是一种运动物体角位移与角速度的测量方法及系统。

技术介绍

[0002]单像素探测是指利用单个感光器件获取目标物体信息的技术，图像是目标物体最主要的信息，利用单像素光电探测器来获取目标物体的图像信息称为单像素成像技术。当前，单像素成像技术通常采用空间光调制产生不同强度分布的结构光场来照射目标物体，所产生的的回光强度由单像素光电探测器收集，对结构照明光场和回光强度进行多次采样，通过算法可重构出物体图像。由于传统成像方式采用的阵列探测器通常工作在可见光波段，在非可见光波段的制作成本极高，因此单像素成像技术在非可见光波段(如红外、紫外、太赫兹等波段)成像具有重要应用。此外单像素光电探测器采用桶探测方式收集回光，具备灵敏度高的优势，因此单像素成像可应用于远距离目标探测成像等弱光成像领域。
[0003]当前，单像素成像技术通常采用的结构照明光场包括随机光场、哈达玛光场和傅里叶光场。基于随机光场获取目标图像信息需要大量测量次数才能有效重构物体图案，成像效率较低，后来压缩感知技术被应用于随机光场的图像重构，可有效降低采样次数，但是压缩感知技术的重构算法运行时间较长。哈达玛光场和傅里叶光场是正交基光场，采用哈达玛光场照明可获得物体在哈达玛变换域的谱信息，采用傅里叶照明光场可获得物体在傅里叶变换域的谱信息，获得相应谱信息后进行逆变换即可获取目标物体的图像信息。通常，在正交基光场的照明下，单像素成像技术所需的采样数与目标物体的像素数相等才能完整重构出物体图像信息。
[0004]本专利技术借鉴单像素成像技术的原理和思想，提出一种基于泽尼克正交基光场的单像素测量角位移、角速度的方法和系统，利用泽尼克矩的旋转不变性，在仅采用4帧照明光场的条件下可测量出旋转目标物体的角位移、角速度等运动特征信息，可应用于目标物体旋转运动时的角位移、角速度的非接触测量，测量方法简洁、快速、高效。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种运动物体角位移与角速度的测量方法及系统，其能够非接触快速测量旋转运动的目标物体角位移、角速度。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术提出的技术方案为：
[0007]一方面，本专利技术提供一种运动物体角位移与角速度的测量方法，包括：
[0008]生成满足泽尼克多项式分布的第一图案；
[0009]将第一图案根据其实部和虚部进行拆分，得到第一图案的实部图案和虚部图案；
[0010]根据实部图案和虚部图案中正数元素、负数元素及其分布位置，将实部图案和虚部图案分别拆分为两幅调制图案；
[0011]将拆分得到的四幅调制图案依次加载到空间光调制器上；
[0012]空间光调制器对光源发出的激光进行强度调制，将调制后的激光投射到旋转运动目标物体上；
[0013]采集不同时刻从旋转运动目标物体反射的回光强度信号；
[0014]基于所述不同时刻的回光强度信号以及所述调制图案，计算得到旋转运动目标物体的角位移和角速度。
[0015]作为优选实施方案，将实部图案和虚部图案分别拆分为两幅调制图案，包括：
[0016]由实部图案拆分出的一幅调制图案保留实部图案中的正数元素，其余元素均取零，由实部图案拆分出的另一幅调制图案将实部图案中的非负数元素所在位置均取零，其余负数元素所在位置取该负数元素的绝对值；
[0017]由虚部图案拆分出的一幅调制图案保留虚部图案中的正数元素，其余元素均取零，由虚部图案拆分出的另一幅调制图案将虚部图案中的非负数元素所在位置均取零，其余负数元素所在位置取该负数元素的绝对值。
[0018]作为优选实施方案，所述第一图案表达式如下：
[0019][0020]其中r、θ分别为极坐标系下的径向坐标和角向坐标，m、n分别为泽尼克多项式的角向和径向阶数，G
m
(θ)分别是泽尼克多项式的径向和角向分量。
[0021]作为优选实施方案，G
m
(θ)的表达式为：
[0022][0023]G
m
(θ)＝e
imθ
。
[0024]作为优选实施方案，由第一图案的实部图案拆分出的两幅调制图案分别为和由第一图案的虚部图案拆分出的两幅调制图案分别为和将四幅调制图案和依次加载到空间光调制器上，由空间光调制器对光源发出的激光进行强度调制。
[0025]作为优选实施方案，基于所述不同时刻的回光强度信号以及所述调制图案，计算得到旋转运动目标物体的角位移和角速度，包括：
[0026]在t1时刻，满足和分布的激光依次投射到到旋转运动目标物体上，产生的回光强度分别为的激光依次投射到到旋转运动目标物体上，产生的回光强度分别为
[0027]在t2时刻，满足和分布的激光依次投射到到旋转运动目标物体上，产生的回光强度分别为的激光依次投射到到旋转运动目标物体上，产生的回光强度分别为
[0028]从t1时刻到t2时刻，目标物体旋转过的角位移为：
[0029][0030]目标物体旋转角速度为：
[0031][0032]作为优选实施方案，利用单像素光电探测器采集不同时刻从旋转运动目标物体反射的回光强度信号。
[0033]另一方面，本专利技术提供一种运动物体角位移与角速度的测量系统，包括：
[0034]调制图案生成模块，用于生成满足泽尼克多项式分布的第一图案，并将第一图案根据其实部和虚部进行拆分，得到第一图案的实部图案和虚部图案；根据实部图案和虚部图案中正数元素、负数元素及其分布位置，将实部图案和虚部图案分别拆分为两幅调制图案，得到四幅调制图案并加载到空间光调制器上；
[0035]光源装置，用于产生激光，并将产生的激光投影照射到空间光调制器上；
[0036]空间光调制器，用于对光源发出的激光进行强度调制，将调制后的激光投射到旋转运动目标物体上；
[0037]单像素光电探测器，用于采集不同时刻从旋转运动目标物体反射的回光强度信号；
[0038]计算模块，基于所述不同时刻的回光强度信号以及所述调制图案，计算得到旋转运动目标物体的角位移和角速度。
[0039]作为优选实施方案，所述调制图案生成模块和计算模块均由计算机实现。
[0040]作为优选实施方案，所述计算模块包括：
[0041]第一计算模块，利用t1时刻采集到的不同调制光场照射旋转运动目标物体的回光强度和t2时刻采集到的不同调制光场照射旋转运动目标物体的回光强度，计算旋转运动目标物体的角位移ΔΦ；
[0042]第二计算模块，利用第一计算模块计算得到的旋转运动目标物体的角位移ΔΦ和采集时刻t1和t2，计算得到旋转运动目标物体的角速度，ω＝ΔΦ/(t2‑
t1)。
[0043]作为优选实施方案，所述空间光调制器可以是数字微镜阵列(DMD)或者空间光相位调制器。
[0044]作为优选实施方案，所述光源包括激光器以及准直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运动物体角位移与角速度的测量方法，其特征在于，包括：生成满足泽尼克多项式分布的第一图案；将第一图案根据其实部和虚部进行拆分，得到第一图案的实部图案和虚部图案；根据实部图案和虚部图案中正数元素、负数元素及其分布位置，将实部图案和虚部图案分别拆分为两幅调制图案；将拆分得到的四幅调制图案依次加载到空间光调制器上；空间光调制器对光源发出的激光进行强度调制，将调制后的激光投射到旋转运动目标物体上；采集不同时刻从旋转运动目标物体反射的回光强度信号；基于所述不同时刻的回光强度信号以及所述调制图案，计算得到旋转运动目标物体的角位移和角速度。2.根据权利要求1所述的运动物体角位移与角速度的测量方法，其特征在于，将实部图案和虚部图案分别拆分为两幅调制图案，包括：由实部图案拆分出的一幅调制图案保留实部图案中的正数元素，其余元素均取零，由实部图案拆分出的另一幅调制图案将实部图案中的非负数元素所在位置均取零，其余负数元素所在位置取该负数元素的绝对值；由虚部图案拆分出的一幅调制图案保留虚部图案中的正数元素，其余元素均取零，由虚部图案拆分出的另一幅调制图案将虚部图案中的非负数元素所在位置均取零，其余负数元素所在位置取该负数元素的绝对值。3.根据权利要求2所述的运动物体角位移与角速度的测量方法，其特征在于，所述第一图案表达式如下：其中r、θ分别为极坐标系下的径向坐标和角向坐标，m、n分别为泽尼克多项式的角向和径向阶数，G
m
(θ)分别是泽尼克多项式的径向和角向分量。4.根据权利要求3所述的运动物体角位移与角速度的测量方法，其特征在于，G
m
(θ)的表达式为：G
m
(θ)＝e
imθ
。5.根据权利要求3或4所述的运动物体角位移与角速度的测量方法，其特征在于，由第一图案的实部图案拆分出的两幅调制图案分别为和由第一图案的虚部图案拆分出的两幅调制图案分别为和将四幅调制图案将四幅调制图案和依次加载到空间光调制器上，由空间光调制器对光源发出的激光进行强度调制。6.根据权利要求5所述的运动物体角位移与角速度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩凯，来文昌，孟琪，雷国忠，王彦，崔文达，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：