[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。本发明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。

背景技术

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。

发明内容

综上所述，本发明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k₁和/或通过较短的观察时间t₁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)。