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

摘要

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(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k

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)。

本发明是基于这样的认识，即，在速度的精细测量中既能够精确地表示出长度变化Δx也能够表示出与此相关的时间变化Δt，这是因为在实际情况下，每个速度测量都表示为差商Δx/Δt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，根据本发明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，在本发明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k₁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Δx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，在本发明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。因此由本发明可知，在粗略测量中经历一段较短的观察时间t₁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，通过本发明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。

根据本发明的第一优选实施例，首先利用较大周期长度的第一光栅常数k₁和通过较短的观察时间t₁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。根据本发明的技术方案，这种粗略测量通过较短的观察时间t₁利用较大的第一光栅常数k₁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k₁减小的光栅常数k₂并且经过加长的观察时间t₂的条件下来进行精细测量，该加长的观察时间使在分析过程中相应地得到更多数量的采样值。如已经提到的，如果在频率空间上的相关的较多数量的采样值实现了相应的较多数量的支持点以及因此实现了较高的频率分辨率，那么就能够使速度值最终得到精确地测定。

加长的观察时间t₂还不能够完全成像相对速度的时间动态，因此在本发明的方法中不再进行加权，这是由于在粗略测量的条件下已经证实速度的恒定性。

在本发明的方法中可以了解到，对于相对速度的精细测量，在许多情况下会违背采样法则，这是因为由一个或多个光敏元件读取的周期信号的频率由于奈奎斯特频率1/2f_abtast的变小的光栅常数k₂而发生改变。由此就导致了公知的“频谱混叠现象(Aliasing)”。然而，由此在频谱中导致的含糊不清能够通过粗略测量的信息来避免，因此在精细测量中选取这样的频率值，使该频率值大体上对应于由粗略测量测定的速度值。

用作空间频率滤波器的具有可变的光栅常数的掩模光栅能够形成为多个光学光栅，这些光学光栅具有不同的且分别固定的光栅常数。根据本发明方法的特别优选的实施例可知，传感器包括多个彼此间隔设置的光敏元件，其中，通过光敏元件的输出信号的周期加权而产生掩模光栅或空间频率滤波器。通过这种方式使掩模光栅、也就是空间频率滤波器顺利地在其光栅常数k上进行变化，从而通过速度的简单变化能够提供用于粗略测量或精细测量的各种必要条件。在传感器的光敏元件中，优选采用电荷耦合器件(CCD)、互补性氧化金属半导体(CMOS)件、互补性氧化金属半导体列阵或互补性氧化金属半导体排列、光电二极管或光电晶体三极管。如果采用例如具有1024个线性相互设置的像素的CCD相机列，那么掩模光栅能够在以较大的光栅常数k₁的条件下例如通过由每64个相邻的像素构成的块的交替加权而实现。具有较小光栅常数的精细光栅能够例如通过由每8个相邻的像素构成的块来实现，这些块可交替地进行加权。

根据本发明方法的又一优选实施例，在粗略测量中，使在空间频率滤波方法中由至少一个光敏元件读取的空间频率滤波信号的信息内容、或使具有与空间频率滤波信号相对应的频率f₁的功率密度谱的信息内容受到控制。优选为了控制由至少一个光敏元件读取的空间频率滤波信号的信息内容、或控制具有与所述空间频率滤波信号相对应的频率f₁的功率密度谱的信息内容，采用围绕频率f₁的信号的质量特征或用于频率f₁的空间频率滤波信号的质量特征，这些质量特征特别是指半最大值全宽度和/或信号噪声比和/或信号功率与噪声功率的对数比和/或无干扰的动态范围。如果用于频率f₁的在粗略测量中测得的空间频率滤波信号的用于控制的信息内容很少，那么可以放弃该测量。

所得到的频率信号的过少的信息内容可能是由于这样的情况造成的，即，在粗略测量中选取的光栅常数k₁不适应在物体表面上观察到的结构特征的量值范围。在此为了在粗略测量中得到有效的结果，根据本发明的再一优选实施例可知，在粗略测量中，为了接下来的测量使第一光栅常数k₁与物体表面上的一个结构特征相适应。

与上述内容类似，还可以在精细测量中，使由传感器读取的空间频率滤波信号的信息内容、或使具有与所述空间频率滤波信号相对应的频率f₂的功率密度谱的信息内容受到控制，其中，优选采用围绕频率f₂的信号的质量特征或用于频率f₂的空间频率滤波信号的质量特征，这些质量特征特别是指半最大值全宽度和/或信号噪声比和/或信号功率与噪声功率的对数比和/或无干扰的动态范围。

如果对于信息内容的控制来说，该信息内容对于有效测量太少，那么放弃该测量。此外还实现了，在这样的情况下，即，空间频率滤波信号或在功率密度谱中与空间频率滤波信号相对应算出的频率f₂具有很少的信息内容时，频率f₂通过最终算出的有效频率f₂^*、由多个最后算出的有效频率的平均值、特别是算术平均值或中位数或最后算出的有效频率的过程推算值来代替。在频率f₂的信息内容很少的情况下，最终具有优势的是，为了接下来的测量，使设置用于精细测量的第二光栅常数k₂与物体表面上的一个或多个结构特征相适应。

根据本发明方法的再一个实施例，在完成精细测量之后，在粗略测量的过程中测定的频率f₁和由精细测量测定的频率f₂之间进行可行性验证。在有效的测量中，可行性验证的结果必须是：由精细测量测定的频率f₂与由粗略测量测定的频率f₁大体上一致。如果不是这样的情况，那么就由于测量值缺少可行性而放弃该测量。

因此，本发明的目的还在于提供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，该传感器结构简单，而且在较大的速度范围内，既能实现恒定的相对速度的精准测量，又能实现改变的相对速度的精准测量。

本发明的上述目的通过权利要求16的前序部分所述的传感器这样得以实现，即，控制装置和评估装置是这样设置的，即，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粗略测量，而且接下来，为了实现精确测定，而在较小的第二光栅常数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。

本发明的传感器结构特别简单，这是因为该传感器由很少的组件构成，这些组件在商业上适用于许多实施条件。此外，前述内容同样也适用于本发明的传感器的优点。

开始所述的目的还通过一种可以在数据处理设备中读取的存储介质得以实现，该存储介质具有在其上存储的计算机程序，其中，计算机程序包括这样的命令，即，这些命令使至少一个处理器执行根据权利要求1至15中任意一项所述的方法。

附图说明

接下来，根据示出实施例的附图对本发明进行详细说明。图中示出了：

图1为本发明用于测量物体表面和传感器之间的相对速度的传感器的示意图；

图2a为本发明用以测量物体表面和传感器之间的相对速度的方法的流程图；以及

图2b为图2a的流程图的延续示意图。

具体实施方式

图1中示出了本发明的传感器1的简化示意图，该传感器通过空间频率滤波方法用来测量物体表面0和传感器1之间的相对速度。该传感器1包括多个彼此间隔设置的光敏元件2、光学系统2a以及控制装置3，这些光敏元件例如以电荷耦合元件(CCD)相机列的形式设置，光学系统使物体表面0在光敏元件2上成像，控制装置通过采样频率f_abtast来读取传感器1的光敏元件2。为了产生掩模光栅，使光敏元件的输出信号交替地进行正负加权，其中，在光栅常数k的设置过程中能够使光敏元件2在此合并成长度可变的块。控制装置3将由光敏元件2读取的光度值继续传递给评估装置4，该评估装置在其自身方面又产生一个与待测相对速度成正比的信号。将这个信号作为速度值传递到输出单元5上，然后在此能够将信号输出给用户。

在控制装置3和评估装置4中，光敏元件2的信号——例如在信号处理器中——通过以下方式进行处理：

在图2a和2b中示出了本发明的根据空间频率滤波方法来测量物体表面0和传感器1之间的相对速度的方法的流程图。

根据本发明，首先在设置成较大的第一光栅常数k₁、经过一段较短的观察时间t₁的条件下，进行至少两次对相对速度的测量。这个称为“粗略测量”的过程在图2a中示出。此外还根据本发明可知，在至少两次的测量结果大体上一致的情况下，为实现精确测定，而在设置成较小的第二光栅常数k₂、经过一段较长的观察时间t₂的条件下，再次对相对速度进行测量。这个过程称为“精细测量”，并且在图2b中示出了该过程的详细流程图。

现在，根据图2a和2b对本发明的方法进行详细说明。一个物体具有表面0，该表面例如为材料幅面，使该物体以速度v在传感器1的下方运动。在进行粗略测量的条件下，对光敏元件进行n次读取，其中，通过控制装置3根据各个光敏元件2的输出信号的相对应的加权而设定一个较大的光栅常数k₁。如果光敏元件例如采用1024像素的CCD相机列，那么就能够这样形成掩模光栅，即，由彼此相邻设置的像素合并成各个块，并且各个块可以交替地进行正负加权。在粗略的光栅常数k₁的条件下，这些块例如包括64个相邻的像素。除了实现较大的已选光栅常数k₁之外，n个读取过程中的每一个过程都经过一段较短的观察时间t₁，例如为1毫秒。一个较短的观察时间t₁的优点在于，实现了物体速度在时间上的精确的动态成像，从而能够精确地预测出，物体是以恒定的还是以不恒定的速度进行运动。

通过交替的成块的像素信号的加权，在控制装置3中n次产生时间上的周期信号，然后再将该信号传递到评估装置4上。在该评估装置中，通过快速傅里叶变换FFT或其它可替代的方法、例如自相关分析，使n个取决于时间的空间频率滤波信号分配给它们主导的n个频率f₁¹-f₁ⁿ。然后在评估装置中，再根据用于f₁¹-f₁ⁿ的各个空间频率滤波信号的一个、优选多个质量特征来对这些频率f₁¹-f₁ⁿ的信息内容进行验证。对此，适于作为质量特征的有，半最大值全宽度FWHM₁和/或信号噪声比SNR₁和/或信号功率与噪声功率的对数比SINAD₁和/或无干扰的动态范围SFDR₁。如果根据前述质量标准，用于f₁¹-f₁ⁿ的一个或多个空间频率滤波信号的信息内容太少，那么使光敏元件的n次读取优选以第一光栅常数k₁重复进行，该第一光栅常数能够更好地适应于位于物体表面0上的结构特征S。如果该结构特征例如很小，以至于该结构特征不能够通过掩模光栅来分辨，该掩模光栅是由光敏元件2的输出信号的加权函数产生的，因此必须使光栅常数k₁变小。在此，与其相对的观察时间t₁优选保持不变。

如果光敏元件2的重新n次读取、以及接下来得出空间频率滤波信号的相对应的主导频率f₁¹-f₁ⁿ使得用于f₁¹-f₁ⁿ的空间频率滤波信号的信息内容足够多，那么在接下来的步骤中要检验的是，是否所得出的频率信号与在此严格成正比的速度值大体上是一致的。5-10％的偏差在此可以视为是充分一致的。如果不具备这样的一致性，那么因为物体在测量时间点上明显不是以恒定的速度运动，所以必须要在下一个时间点进行重复测量，因而只能放弃已经进行的测量。

如果确定了充分的一致性，那么使速度测量在接下来要精细化，如图2b所示。

那么，精细测量要求具有相对于光栅常数k₁而变小的光栅常数k₂(例如由每8个像素构成的块)，并且经过一段加长的观察时间t₂，在分析过程中，这样的时间适合于使采样值的数量增多。加长的观察时间例如为4毫秒。在傅里叶变换的信号中，采样值数量的增加实现了相对应的较高数量的支持点，并且因此实现了较高的频率分辨率，从而使频率信号f₂以及由此使待测的速度值最终能够精确地测定。

用于f₂的在精细测量条件下得出的空间频率滤波信号的或通过FFT产生的功率密度谱的信息内容，再次优选根据这些质量标准来表示，诸如频率信号f₂的半最大值全宽度FWHM₂和/或信号噪声比SNR₂和/或信号功率与噪声功率的对数比SINAD₂和/或无干扰的动态范围SFDR₂。如果用于f₂的空间频率滤波信号的信息内容并不足够多，那么必须再次在光栅常数k₂与物体0的结构特征S相适应的条件下进行光敏元件的重新读取，其中，同时还使待选择的光栅常数k₂小于光栅常数k₁。

如果用于f₂的空间频率滤波信号的信息内容——也就是在重复测量之后——足够多，那么在当前情况下要进行可行性控制，在该可行性控制的条件下验证，是否精确测定的频率f₂大体上与粗略测得的频率f₁¹-f₁ⁿ相一致。如果在这样的情况下，那么可以使频率f₂作为对此成正比的速度值而传递到输出单元5上。如果频率f₂对此不具有可行性，并因此与之前的粗略测得的频率f₁¹-f₁ⁿ不相一致，那么只能或者放弃测量，或者使频率f₂通过最后算出的有效频率f₂^*来代替。

可替换地，还可以采用多个最后算出的有效频率的平均值、特别是算术平均值或中位数或最后算出的有效频率的过程推算值。然后，这些值可以替代不具有可行性的频率f₂而传递到输出元件5上。