激光外差振动谱提取分析的车辆标识技术_罗韵

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｎｇ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｒｔｅｒ ｏｆ ３°ｆｒｅｅｄｏｍ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｂｕｉｌｔ．Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｔｈａｔ ｔｗｏ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ｅｎｇｉｎｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ，ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｕｒｖｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ，ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅ ｔｗｏ ｃａｒｓ ａｒｅ ｍａｒｋｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｔｉｎｃｔｅｄ ｗｅｌｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌｉｎｄ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｉｍａｇｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍａｄｅ ｕｐ． Ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｗｏｒｋ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １４０．３５１８；１４０．３４１０；２３０．００４０；１５０．１０５５
ｏｆ ａｂｓｏｒｂｅｒ
性刚度，ｔ是响 应 时 间，ｆ（ｔ）是 激 励 函 数，ｘ（ｔ）是 响
应函数。本文所做工作是已知汽车 结 构 振 动 特 性 求
解其在一定的激励条件下的响应函数。通常情况下
汽车的实际振动效果是结合 实 际 的 汽 车 结 构，提 取 汽 车 的 对
１ 引 言
近年来，随着 智 能 交 通 的 发 展 ，汽 车 产 业 不 断 进 步，车型识别技术已发展成为国内外热门研究课题之 一［１－４］，国 内 外 已 有 相 关 学 者 对 基 于 摄 像 或 视 频 成 像 方法 进 ［５－１２］ 行 车 辆 识 别 的 技 术 进 行 了 大 量 的 研 究。 然 而 由 于 社 会 快 速 发 展 ，汽 车 品 牌 繁 多 。 各 车 品 牌 之 间存在着各种 外 形 相 似 、参 数 近 似 的 车 型 ，单 纯 地 依 靠现有的基于汽车视频摄影成像法对各车型进行准 确、快速地 识 别 具 有 一 定 的 盲 点 与 困 难［１３］。在 实 际 使用过程中 ，成 像 目 标 外 形 近 似 、成 像 模 糊 以 及 汽 车
第 ４１ 卷 第 １１ 期 ２０１４ 年 １１ 月
中 国 激 光 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＡＳＥＲＳ
Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１４
激光外差振动谱提取分析的车辆标识技术
罗 韵１ 冯国英１ 刘 建１ 周晟阳１ 周寿桓１，２
（１ 四川大学电子信息学院激光微纳工程研究所，四川 成都 ６１００６４；２ 华北光电技术研究所，北京 １０００１５）
图１ 汽车振动结构简图 Ｆｉｇ．１ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｋｅｔｃｈ
２ 理论分析
不同 结 构 的 车 辆 有 着 不 同 的 结 构 特 性，汽 车 质
量分配，结构阻尼，汽 车 刚 度 矩 阵 等 相 关 参 数 不 同，
其本质反 应 在 汽 车 结 构 对 外 界 激 励 振 动 响 应 的 不
称１／４ 结 构 进 行 理 论 分 析。 图 １ 是 包 含 吸 振 器 的
１／４ 汽 车 ３ 自 由 度 振 动 模 型 ［２２］，其 振 动 方 程 为
ｍ１¨ｘ１ ＋ （ｃ１ ＋ｃ２ ＋ｃ３）ｘ·１ －ｃ２ｘ·２ －ｃ３ｘ·３ ＋
（ｋ１ ＋ｋ２ ＋ｋ３）ｘ１ －ｋ２ｘ２ －ｋ３ｘ３ ＝ｃ１ｙ·＋ｋ１ｙ，
效 果 的 参 数 主 要 有 汽 车 车 身 质 量 、车 轮 质 量 、动 力 吸
振 器 质 量 、轮 胎 刚 度 、悬 架 刚 度 、吸 振 器 刚 度 、轮 胎 阻
尼、悬架阻尼及 吸 振 器 阻 尼 等。 在 确 定 了 以 上 参 数
后可以结合振动 方 程 理 论 运 用 Ｍａｔｌａｂ 软 件 对 汽 车
Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
Ｌｕｏ Ｙｕｎ１ Ｆｅｎｇ Ｇｕｏｙｉｎｇ１ Ｌｉｕ Ｊｉａｎ１ Ｚｈｏｕ Ｓｈｅｎｇｙａｎｇ１ Ｚｈｏｕ Ｓｈｏｕｈｕａｎ１，２
（通 信 联 系 人 ）
１１０８００１－１
中 国 激 光
体 表 面 必 须 与 传 感 器 有 物 理 接 触 ，不 能 实 现 远 距 离 、 非接触性振动谱 的 测 量，因 而 有 较 大 的 局 限 性。 然 而在激光光学测量领域 ，运 ［１５－１９］ 用激光 技 术 可 以 实 现远距、准确 的 振 动 谱 的 获 取［２０］，其 很 好 地 弥 补 了 传统方法的不足。 因 而 结 合 激 光 检 测 技 术，在 对 所 研究车辆进行视频成像以获取外形特征的基础上， 再对汽车振动特征 谱 进 行 了 提 取 分 析，对 车 型 识 别 技术进行了初步 研 究。 所 得 实 验 结 果 表 明：对 于 外 形近似或成像过程中环境原因导致的成像不足或模 糊情况下的目标汽 车，单 一 依 靠 视 频 成 像 技 术 对 车 辆 进 行 标 志 识 别 ，效 果 非 常 不 好 ，而 本 文 在 视 频 成 像 的基础上再叠加的振动频率特征谱的汽车标志技术 可以很好地对相似 车 辆 进 行 标 志 识 别，其 弥 补 了 基 于视频成像法的成像盲点。
振动相关数据进行理论分析。
由 文 献 ［２１］可 知 ，振 动 物 体 的 振 动 方 程 为
ｍｘ¨ ＋ｃｘ·＋ｋｘ ＝ｆ（ｔ），
（１）
式 中ｍ是 振 动 物 体 质 量 ，ｃ为 系 统 阻 尼 ，ｋ为 振 动 弹
图 ２ ３ 自 由 度 的 １／４ 的 汽 车 模 型 Ｆｉｇ．２ ３－ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ （ＤＯＦ）ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
Ｔａｂｌｅ １ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｗｈｅｅｌ ｍａｓｓ ｍ１／ｋｇ Ｂｏｄｙ ｍａｓｓ ｍ２／ｋｇ Ａｂｓｏｒｂｅｒ ｍａｓｓ ｍ３／ｋｇ Ｔｉｒｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｋ１／（Ｎ／ｍ） Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｋ２／（Ｎ／ｍ） Ａｂｓｏｒｂｅｒ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｋ３／（Ｎ／ｍ） Ｔｉｒｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｃ１／（Ｎ·ｓ／ｍ） Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｄａｍｐｉｎｇ ｃ２／（Ｎ·ｓ／ｍ） Ａｂｓｏｒｂｅｒ ｄａｍｐｉｎｇ ｃ３／（Ｎ·ｓ／ｍ） Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎｐｕｔ Ｆ／Ｎ
（ ） １ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ＆Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００６４，Ｃｈｉｎａ ２ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１５，Ｃｈｉｎａ
同。在振动特性方面主要反映在汽车振动的振动特
征谱，物理学上主要 反 映 在 汽 车 行 驶 过 程 中 各 部 位
的 位 移 、速 度 、加 速 度 响 应 曲 线 以 及 相 关 参 数 对 频 率
的响应曲线等的不同。
图１ 是 汽 车 结 构 的 振 动 参 数 简 图，图 ２ 是 其 对
应 的 ３ 自 由 度 的 １／４ 的 汽 车 模 型 图 。 影 响 汽 车 振 动
Ｖｅｈｉｃｌｅ－Ａ ３８ ２０２ １０
２００００ ２２３６６ １８４０４
２００ １６２７．３ １７０．１ ０．２ｙ［ｓｉｎ（１０ｔ）］
车辆 振 动 信 息 获 取 技 术，传 统 方 法 主 要 有 机 械 法，电 测 法 等。 这 些 方 法 测 量 精 度 低、误 差 大，且 物
收 稿 日 期 ：２０１４－０５－０７；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１４－０７－０３ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （６０８９０２０３，１０６７６０２３） 作 者 简 介 ：罗 韵 （１９８８－ ），男 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 激 光 技 术 应 用 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｏｙｕｎ＿ｓｃｕ＠１２６．ｃｏｍ 导 师 简 介 ：冯 国 英 （１９６９－ ），女 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 激 光 技 术 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｉｎｇ＿ｆｅｎｇ＠ｓｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
摘要 结合机械振动原理方程分析计算了不同结构 参 数 下 的 ３ 自 由 度 的 １／４ 汽 车 结 构 的 振 动 响 应 理 论 曲 线 及 振 动频谱图；运用激光外差技术测量原理设计搭建了汽车振动信息实验测量方案；针 对 外 形 近 似、发 动 机 输 出 信 息 相 同的情况，采用视频成像法对存在识 别 盲 点 的 两 车 进 行 了 振 动 信 息 采 集 实 验。 通 过 分 析 采 集 到 的 振 动 信 号 的 时 域、频谱曲线，成功地找到了甲乙两车频谱的标志特 征 点，很 好 地 对 两 车 进 行 了 标 志 与 区 分，弥 补 了 视 频 成 像 车 型 识 别 法 的 盲 点 ，为 基 于 激 光 检 测 汽 车 振 动 信 号 的 车 辆 识 别 技 术 提 供 了 理 论 和 实 验 基 础 依 据 。 关 键 词 测 量 ；激 光 外 差 ；振 动 分 析 ；车 型 识 别 中图分类号 ＴＢ５３４＋ ．２ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２０１４４１．１１０８００１