根据空间频率滤波方法用以光学测量速度的方法和传感器技术

本发明专利技术涉及一种根据空间频率滤波方法用以测量物体表面（０）和传感器（１）之间的相对速度的方法，传感器包括至少一个光敏元件（２），其中，对光敏元件（２）在时间间隔上进行读取，并且其中，使空间频率滤波器作为至少一个掩模光栅而形成，该掩模光栅具有可变的光栅常数。本发明专利技术方法的特征在于，首先在具有较大周期长度的第一光栅常数ｋ１、和／或经过较短的观察时间ｔ１的条件下，对相对速度进行测量（粗略测量），而且接下来，为了实现精确测定，而在具有较小周期长度的第二光栅常数ｋ２、和／或经过较长的观察时间ｔ２的条件下，再次对相对速度进行测量（精细测量）。本发明专利技术还涉及一种用于速度测量的传感器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种根据空间频率滤波方法用以测量物体表面和传感器之间的相对 速度的方法，所述传感器包括至少一个光敏元件，其中，对光敏元件以时间段进行读取，并 且其中，使空间频率滤波器作为至少一个掩模光栅而形成，该掩模光栅具有可变的光栅常 数。本专利技术还涉及一种用于在空间频率滤波方法中测量物体表面和传感器之间的相对速度 的传感器。
技术介绍
公知地采用传感器用以测量观察者和/或传感器与物体表面之间的相对速度，这 些传感器根据不同的方法进行工作。通常情况下，在传感器与表面之间的相对速度的测量 中，无论是传感器相对于物体运动还是物体相对于传感器运动，这是无关紧要的。最终，速 度测量基本上取决于长度的测定，例如在传感器的测量范围内物体在一确定时间内经过的 距离。根据测定的位移和所需的时间，由此能够测定速度。通过经由测定时间的简单整合， 还能够使物体经过的路程或长度借由适宜的传感器来测定。在此，用于无接触式测量相对 速度的传感器还适用于长度测量。公知地可以有多种方法用于无接触式测量相对速度。其中一种方法是采用空间频 率滤波方法。在该方法中，为了速度测量要通过位置固定的光栅结构的周期性的结构来观 察运动的物体。所采用的光传感器装置的根据时间的输出信号(空间频率滤波信号)周期 性地伴随有主频率，该主频率与垂直于光栅设置方向的物体的速度分量成正比。如果，空间 频率滤波信号例如通过快速傅里叶变换而继续进行处理，那么在相对应的频谱中则具有与 该速度成正比的最大频率。光栅能够以不同的方式产生。在采用普遍的双光束激光多普勒测速仪的情况下， 空间频率滤波器这样产生的，即，使激光束的两部分强度相等的光束相交成一个角度φ，其 中，在两道光束的交叉容量处产生用作掩模光栅的干涉条纹，这些干涉条纹的距离取决于 发光光源的波长以及相交角度φ。这种方法的缺点在于，测量系统的构成非常耗费工本，该 测量系统对于光学精度要求最高。在空间频率滤波方法的另一个技术方案中，采用不相干光源用于使物体发光，并 且进行光栅采样。在此，特别适宜采用活跃的掩模光栅作为空间频率滤波器，也就是说使掩 模光栅由一维的光传感器列阵来进行仿制。在此，通过光传感器的读取电路的输出信号的 交替变化的加权，能够产生空间光栅频率。相对于激光多普勒测速仪而采用空间频率滤波 方法的优点特别在于，该空间频率滤波方法能够实现相对较少的仪器消耗，并且使空间频 率滤波器的光栅频率具有适应性，也就是说，能够适应所观察的结构特征大小不同的物体 表面。通过具有光栅结构的运动物体的叠加而在传感器的一个或多个光敏元件中产生 周期性的输出信号，如已经提到的，例如通过傅里叶变换能够分配给该输出信号一个特征 性的频率，该频率本身与待测速度直接成正比。在此，使频率分析还可以通过计数技术或自相关技术的应用来测定；在文献中还公开有其它的方法。在空间频率滤波方法中，最大的可 测量速度一方面取决于采样，即，这里可以是指CCD相机的帧速率或光电二极管接下来连 接的A/D转换器的采样速度，而另一方面取决于掩模光栅的周期长度，这个周期长度是由 光栅常数k来确定的。同时要考虑到采样法则采样频率越高以及光栅常数k越大，最大可 测量速度就越大。然而同时还受到这样的限制，即，随着掩模光栅的光栅常数的增大，还使 测量的频率分辨率以及因此使速度的精确度降低。此外还注意到，随着观察时间t的加长， 也就是说，随着与分析周期相关的采样值的数量的增多，虽然使频率分辨率提升，但却使物 体运动的成像动态以相同的方式降低，这是因为由此不再能够准确地示出物体速度的瞬时 变化。
技术实现思路
综上所述，本专利技术的目的是提供一种根据空间频率滤波方法用以测量物体表面和 传感器之间的相对速度的方法，该方法实现了对速度进程的精细分辨的精准测量，而且以 很少的仪器消耗经过较大的速度范围而没有显著滞后。上述目的通过权利要求1的前序部分所述的一种用以测量物体表面和传感器之 间的相对速度的方法而这样来实现，即，首先利用较大周期长度的第一光栅常数&和/或 通过较短的观察时间^对相对速度进行测量(粗略测量)，而且接下来，为了实现精确测 定，而利用较小周期长度的第二光栅常数k2和/或通过较长的观察时间t2的条件下，再次 对相对速度进行测量(精细测量)。本专利技术是基于这样的认识，S卩，在速度的精细测量中既能够精确地表示出长度变 化Δ χ也能够表示出与此相关的时间变化At，这是因为在实际情况下，每个速度测量都表 示为差商Δχ/At的运算值。通过具有减小的周期长度的掩模光栅形式的测量的空间分辨 的精细化，根据本专利技术的技术方案可以了解到，长度变化从粗略测量到精细测量的过程中 逐步精确化。同时，在本专利技术的两步式的选择方法中，首先利用较大周期长度的第一光栅常 数&的粗略测量实现了经过较宽的速度范围的观察，这是因为随着相应的“粗略调节”的 掩模光栅产生的并且相对占有很小主导作用的、由光敏元件读取的空间频率滤波信号的频 率实际上任何时候都不违背这样的采样法则，即，最大可测量的频率必须低于采样频率的 一半。在完成粗略测量之后，通过以掩模光栅的减小的光栅常数k2再次对相对速度进行测 量。通过更精细的掩模光栅或空间频率滤波器可以使物体的行程进展Δχ以及由此使相关 的速度接下来得到更加精准地测定。根据光栅常数的可补充或可替换的技术方案，在本专利技术的方法中还可以使观察时 间根据由粗略测量到精细测量的过程而发生改变。因此由本专利技术可知，在粗略测量中经历 一段较短的观察时间ti来进行测量，从而能够使物体运动的动态更好地表示出来，而且能 够通过速度的恒定或非恒定而得出结论。接下来，对于精细测量使观察时间加长的话，从而 能够由此更精准地确定速度，这是因为通过加长的观察时间提供了更多数量的支持点，这 些支持点实现了更高的频率分辨率。因此，通过本专利技术的方法能够使物体表面和传感器之间的相对速度以很少的仪器 消耗和非常高的精确性得到测定，另一方面还能够实现快速跟随速度的较大改变。根据本专利技术的第一优选实施例，首先利用较大周期长度的第一光栅常数Ic1和通过较短的观察时间、的所述粗略测量至少进行两次，并且在这至少两个测量结果大体上一致 的情况下，进行通过较长的观察时间t2利用较小周期长度的第二光栅常数k2的精细测量。 在这种情况下，因此再首先进行速度的粗略测量，其中，如已经提到的，由于所测物体速度 的较高的成像动态，可以通过速度的恒定性或非恒定性得出精确的结论，而速度的实际最 终值仅粗略地进行确定。根据本专利技术的技术方案，这种粗略测量通过较短的观察时间、利 用较大的第一光栅常数&的条件下进行多次，至少进行两次，该较大的第一光栅常数自身 实现了在一个较宽的速度范围内的测量，而该较短的观察时间再次实现了物体速度的时间 动态的精确成像。然后判断，是否所得到的与待测速度成正比的频率信号大体上是一致的， 其中，例如各个数值彼此间的5-10%的偏差可以视为是充分一致的。如果确定了这样的一 致性，那么能够由此得出，物体和传感器之间具有恒定的相对速度，从而使测量能够在接下 来的步骤中精细化，进而使相对速度的值得以精确确定。由上述内容实现了，接下来，在相 对于光栅常数h减小的光栅常数1^2并且经过加长的观察时间t2的条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种根据空间频率滤波方法用以测量物体表面（０）和传感器（１）之间的相对速度的方法，所述传感器包括至少一个光敏元件（２），其中，对所述光敏元件（２）在时间间隔上进行读取，并且其中，使空间频率滤波器作为至少一个掩模光栅而形成，所述掩模光栅具有可变的光栅常数，其特征在于，首先利用较大周期长度的第一光栅常数ｋ↓［１］和／或通过较短的观察时间ｔ↓［１］对相对速度进行测量（粗略测量），接下来，为了实现精确测定，而利用较小周期长度的第二光栅常数ｋ↓［２］和／或通过较长的观察时间ｔ↓［２］再次对相对速度进行测量（精细测量）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔诺贝格曼，
申请(专利权)人：弗拉巴有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]