Способ растрового оптического измерения скорости объекта



Способ растрового оптического измерения скорости объекта
Способ растрового оптического измерения скорости объекта

 


Владельцы патента RU 2482499:

Растопов Станислав Федорович (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к оптическим измерителям скорости, например, автомобиля, на котором закреплен измеритель, относительно дороги. Способ основан на формировании пространственной амплитудной модуляции света, отраженного от объекта, с помощью растра, расположенного между оптической системой и фотоприемниками, и детектировании модулированного света с помощью минимум четырех фотоприемников и минимум трех дифференциальных усилителей, по частоте результирующего выходного электрического сигнала с которых судят о скорости объекта. Изобретение обеспечивает высокую точность и надежность измерений даже в случае неконтрастных и мало отражающих поверхностей. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к оптическим измерителям скорости, например, автомобиля, на котором закреплен измеритель, относительно дороги, скорости движущихся тел относительно неподвижного измерителя и т.п.

Оптические измерители скорости в общем случае включают осветитель объекта измерения, оптическую систему для формирования его изображения и фоточувствительные элементы (ФЧЭ) для анализа скорости перемещения изображения. По скорости движения изображения, зная увеличение оптической системы, судят о скорости объекта. Для измерения скорости объекта известно также применение так называемых пространственных фильтров, выделяющих из стохастической структуры поверхности объекта пространственную периодичность. При перемещении изображения объекта по такой структуре формируется переменный электрический сигнал, частота которого прямо пропорциональна скорости объекта. Такой фильтр может быть реализован периодической решеткой ФЧЭ, расположенных вблизи плоскости изображения (патент США US 4921345 от 05.01.1990 г., патент Японии JP 52143081 от 29.11.1977 г.), пространственный фильтр состоит из линейки ФЧЭ, элементы которой объединены через один, сигналы с которых соединены с различными входами дифференциального усилителя. Сигнал от средней яркости объекта вычитается, а сигнал, пропорциональный скорости, оказывается в противофазе на входах усилителя и складывается на его выходе. Известен также измеритель скорости, в котором используется периодическая амплитудная или фазовая решетка, штрихи которой расположены перпендикулярно направлению движения изображения. Такие решетки разбивают изображение на два либо более, которые фокусируются дополнительной оптической системой на два либо более ФЧЭ (патент США US 6403950 от 6.11.2002). Пространственный сдвиг изображения в прототипе выбирается равным либо меньшим, предпочтительно в 2 раза, расстояния между ФЧЭ. Сигналы с ФЧЭ объединяются попарно через один, сигналы пар ФЧЭ вычитаются для уменьшения паразитной низкочастотной составляющей сигнала, обусловленной текущей яркостью объекта, и измеряется частота полезного сигнала, пропорциональная скорости объекта.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является измеритель скорости, содержащий фокусирующую оптическую систему (ОС) и амплитудную и/или фазовую пространственную структуру (ПС), расположенную в главной плоскости ОС в пространстве изображений либо максимально близко к ней (патент РСТ RU/2006/000485, прототип). Сформированное ПС изображение либо последовательность изображений объекта регистрируют в фокальной плоскости ОС с помощью двух или более ФЧЭ, электрические сигналы с соседних ФЧЭ вычитают и по частоте результирующего электрического сигнала судят о скорости объекта. Для обеспечения независимости частоты измеряемого сигнала при данной скорости объекта от расстояния до него ФЧЭ располагают в фокальной плоскости ОС. Оптимальное расстояние S между центрами ФЧЭ в направлении измеряемой скорости также выбирают в два раза меньшим пространственного сдвига изображений в фокальной плоскости ОС.

Недостатком прототипа является низкая чувствительность измерений из-за нерезкости изображений в фокальной плоскости, что снижает амплитуду регистрируемого сигнала.

Другим недостатком прототипа является неполная компенсация паразитной низкочастотной составляющей электрического сигнала с ФЧЭ, поскольку вычитаются только постоянные уровни яркости объекта и ее флуктуации, а при наличии градиента яркости (ее монотонное возрастание или убывание в процессе измерения) мгновенная освещенность соседних ФЧЭ различна, что приводит к неполной компенсации низкочастотной составляющей электрического сигнала.

Целью изобретения является увеличение чувствительности измерений путем повышения отношения сигнала к шуму (С/Ш) за счет увеличения амплитуды регистрируемого сигнала и уменьшения его паразитной низкочастотной составляющей.

Поставленная цель достигается тем, что ПС в виде амплитудного растра располагают между ОС и плоскостью ФЧЭ (фокальной плоскостью ОС), предпочтительно в средней трети расстояния между ними. Растр, например, в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных полос разбивает (модулирует) пучок света, отраженный от объекта, на темные и светлые полосы, которые перемещаются относительно ФЧЭ при движении объекта, при наличии перепадов его яркости.

Для подавления паразитной (не связанной напрямую со скоростью объекта) низкочастотной части (НЧ) сигнала, обусловленной средней мгновенной яркостью объекта и ее первой производной, в плоскости регистрации имеются как минимум четыре ФЧЭ, расположенные последовательно в направлении измеряемой скорости. Выходы 1-го и 2-го ФЧЭ вычитаются дифференциальным усилителем (ДУ), выходы 3-го и 4-го ФЧЭ вычитаются вторым ДУ, выходы обоих ДУ вычитаются 3-им ДУ, по частоте сигнала с которого судят о скорости объекта. Для дальнейшего подавления НЧ сигнала, обусловленной второй производной яркости объекта, используют большее количество последовательных ФЧЭ, например 6. При этом аналогичное вычитание сигналов производят с еще четырех ФЧЭ, а именно с 3-го по 6-й. Выходные сигналы первой и второй четверки ФЧЭ также вычитают. При этом амплитуда выходного полезного сигнала с 3-го/4-го ДУ в 3/6 раз выше исходных сигналов с ФЧЭ при оптимальном фазовом сдвиге.

Для получения нужного фазового сдвига сигналов период растра D выбирают таким, чтобы период теневой картины в плоскости ФЧЭ был в К раз больше периода ФЧЭ (подробнее см. далее).

Отметим, что при данном способе от ОС не требуется создание изображения. ОС служит только для увеличения количества регистрируемого света, отраженного от объекта, и для обеспечения независимости частотного отклика (частоты сигнала, соответствующей некоторой измеряемой скорости) от G. При этом G может быть и меньше F.

Изобретение поясняется двумя фигурами. Фиг.1 иллюстрирует реализацию способа в общем виде, где

1 - плоскость объекта,

2 - фокусирующая ОС,

3 - амплитудный растр,

4 - плоскость ФЧЭ, совпадающая с фокальной плоскостью ОС,

5 - ФЧЭ,

6, 7, 8, 9, 10, 11 - выходы ДУ.

Сплошными линиями без стрелок условно показан ход лучей, формирующих край теневой картины для одного периода растра. Жирными стрелками показано смещение объекта и соответствующее смещение краев теневой картины.

На фиг.2 представлены типичные осциллограммы выходного напряжения ДУ U от времени Т, с теми же обозначениями.

Способ реализуется следующим образом. Отраженный свет от освещенного объекта в плоскости 1, например яркой его точки, собирается фокусирующей ОС, например, линзой который модулируется растром 3, который выполнен, например, в виде периодических прозрачных и непрозрачных штрихов, расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению движения. При перемещении объекта теневая картина, сформированная растром, перемещается в плоскости ФЧЭ 4 и формирует переменный электрический сигнал ФЧЭ 5. Период теневой картины Y в плоскости 4 составляет

где

D - период растра;

F - фокусное расстояние ОС;

L - расстояние между плоскостью ФЧЭ и плоскостью растра;

G - расстояние до объекта.

Здесь и далее для вывода формул используется стандартный геометрический расчет и формула линзы.

Скорость перемещения теневой картины при единичной скорости перемещения объекта, например, 1 м/с в плоскости 4 равна

Отношение величин (2) и (1) определяет частотный отклик измерителя и составляет

Чем меньше отношение L/F, т.е. чем ближе плоскость растра к плоскости ФЧЭ, тем меньше (3) и больше резкость теневой картины (больше амплитуда полезного сигнала). Однако пропорционально уменьшается число штрихов растра, формирующих переменный сигнал от единичного перепада яркости объекта, что уширяет частотный спектр сигнала, т.е. снижает точность измерений скорости. Оптимальное отношение L/F определяется конкретной задачей (например, требуемый частотный отклик: чем меньше L/F, тем больше максимальная измеряемая скорость). Экспериментально показано, что оптимальное соотношение амплитуда/узкополосность сигнала достигается при L/F=0,5 и может варьироваться от 2/3 до 1/3 для большинства применений.

Для подавления паразитной НЧ сигнала выходы 1-го и 2-го ФЧЭ соединяют, например, с инвертирующим и не инвертирующим входами 1-го ДУ 6, выходы 3-го и 4-го ФЧЭ соединяют с инвертирующим и не инвертирующим входами 2-го ДУ 7, выходы обоих ДУ соединяют с различными входами 3-го ДУ 8, по частоте сигнала с которого судят о скорости объекта. При этом на первой стадии вычитается сигнал от флуктуации яркости объекта в области измерения, а на второй - сигнал, обусловленный долговременным (по сравнению с периодом полезного сигнала) градиентом яркости. Это иллюстрируется фиг.2, где схематически представлены выходные сигналы напряжения U от времени Т для ДУ 6 и 7. Здесь яркость вначале нарастает, затем остается постоянной, затем спадает. Поскольку на соседние ФЧЭ 5 в данный момент времени попадает свет от различных областей объекта, их разностный сигнал монотонно возрастает при монотонном возрастании яркости объекта, причем практически одинаково на обеих парах ФЧЭ 5 с точностью до более высоких производных яркости. Для дальнейшего подавления НЧ сигнала, обусловленного второй производной яркости объекта, используют 6 ФЧЭ, с первых 4-х сигналы вычитают, как указано выше, и такое же вычитание применяют для ФЧЭ с 3-го по 6-й с помощью ДУ 9 и 10. Результирующие сигналы с каждой четверки ФЧЭ вычитают еще одним ДУ 11. Такую процедуру можно каскадировать для подавления НЧ сигнала от высших производных, однако их вклад уже практически мал.

Для получения нужного сдвига фаз между соседними ФЧЭ период Y (см. (1)) должен быть в К раз больше периода ФЧЭ S для оптимального G, т.е. период растра выбирают из условия

D=K*S*(F-L+L*G/F)/F

Для 4-х ФЧЭ и оптимального G К=3,3. Это следует из прямого расчета разности синусов. При этом амплитуда выходного сигнала в 3 раза выше исходных сигналов. При изменении расстояния до объекта К может изменяться от 2 до 8. За критерий взята амплитуда выходного сигнала, сравнимая с амплитудой исходных полезных сигналов, т.е. исходные сигналы еще не ухудшаются. Это означает, что допустимое расстояние до объекта G может изменяться в 4 раза и более. При этом частотный отклик постоянен во всем этом диапазоне.

Способ растрового оптического измерения скорости объекта, включающий формирование пространственной амплитудной модуляции света, отраженного от освещенного объекта, в направлении движения объекта, с помощью оптической системы (ОС) и периодической пространственной амплитудной структуры (растра), регистрацию амплитуды модуляции света с помощью нескольких фоточувствительных элементов (ФЧЭ), расположенных в фокальной плоскости ОС последовательно в направлении измеряемой скорости, и формирование переменного электрического сигнала путем вычитания сигналов соседних ФЧЭ дифференциальным усилителем (ДУ), по частоте выходного сигнала с которого судят о скорости объекта, отличающийся тем, что растр располагают между ОС и ФЧЭ, предпочтительно в средней трети расстояния между ними, свет регистрируют с помощью как минимум четырех ФЧЭ, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, выходы первого и второго ФЧЭ соединяют, например, с инвертирующим и неинвертирующим входами первого, выходы третьего и четвертого ФЧЭ соединяют с инвертирующим и неинвертирующим входами второго ДУ, выходы обоих ДУ соединяют с различными входами третьего ДУ, по частоте выходного сигнала с которого судят о скорости объекта, период растра D выбирают из условия
D=K·S·(F-L+L·G/F)/F,
где К - множитель, оптимальная величина которого составляет 3,3;
S - расстояние между центрами ФЧЭ;
F - фокусное расстояние ОС;
L - расстояние от растра до ФЧЭ;
G - оптимальное расстояние от ОС до объекта.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборам для определения аэродинамических характеристик перемещающихся тел путем непосредственного измерения скорости этих тел в двух точках.

Изобретение относится к области измерительной техники и приборостроения и может найти применение в метрологии, в измерительных системах и системах управления различными объектами.

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для воспроизведения угловой скорости (мерам угловой скорости). .

Изобретение относится к области техники навигации наземных транспортных средств (НTC). .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в доплеровской анемометрии. .

Изобретение относится к оптике, в частности к методам определения скорости быстродвижущихся в пространстве тел

Изобретение относится к измерителям скорости интерферометрическим методом по доплеровскому смещению длины волны света, отраженного от исследуемого объекта, с использованием интерферометра Фабри-Перо и может быть использовано для увеличения яркости интерференционной картины на щелевой диафрагме на выходе оптической системы в 2-10 раз при малом увеличении габаритов. Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является уменьшение габаритов оптической системы, возможность использовать передачу света по оптическому волокну и увеличение освещенности щелевой диафрагмы регистратора. Технический результат достигается тем, что устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с волоконным вводом излучения, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, интерферометр Фабри-Перо, длиннофокусную строящую линзу в фокальной плоскости которой находятся щелевая диафрагма и детектор, содержит последовательно расположенные на одной оптической оси перед цилиндрической линзой с положительным фокусным расстоянием коллимирующую линзу и две цилиндрических линзы с отрицательным фокусным расстоянием. 4 ил.

Способ включает детектирование отраженных импульсов света, оцифровывание принятых сигналов, расчет дальностей до объектов и скоростей движущихся объектов, определение угловых координат. При оцифровывании сигналы дифференцируют. Одновременно измеряют временные интервалы между моментами излучения и частями дифференцированных сигналов, соответствующих фронтам принятых импульсов света, и временные интервалы t2 между частями дифференцированных сигналов, соответствующих фронтам и спадам принятых импульсов света. Рассчитывают скорости υ движущихся объектов: υ = c ⋅ ( 1 − t 2 t 1 ) , где с - скорость света в среде; t1 - длительность излученного импульса света. Устройство содержит блок оцифровывания сигнала, выполненный из многоканального измерителя временных интервалов и n-дифференциаторов, входы которых соединены с выходами фоточувствительных элементов, а выходы - с входами сигналов многоканального измерителя временных интервалов, выход которого соединен с входом блока управления. Технический результат - одновременность и точность обнаружения объектов, измерения скорости движения объектов, расстояний и угловых координат. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронным устройствам для определения параметров движения объектов и может быть использовано для измерения составляющих вектора скорости движения летательных и плавательных аппаратов различного назначения относительно подстилающей поверхности. Устройство содержит проекционно-оптическую систему, вычислительный блок, два оптоэлектронных канала обработки информации, каждый из которых включает два блока сравнения, блок суммирования, блок дифференцирования и приемник излучения в виде прямоугольника. При этом в устройство в каждый канал введены два дополнительных блока суммирования, три блока сравнения, блок деления, приемник излучения, смещенный относительно первого приемника излучения. Технический результат заключается в повышении точности определения параметров вектора скорости движения за счет уменьшения чувствительности к низкочастотным шумам при одновременном уменьшении чувствительности к изменению освещенности сцены. 1 ил.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании измерителей вектора угловой скорости на основе волоконно-оптических гироскопов с использованием одномодовых световодов. Оптическая схема содержит два делителя оптической мощности 2×2 (делитель имеет два входа и два выхода), один делитель 1×2 (делитель имеет один вход и два выхода), три циркулятора оптического излучения (циркулятор имеет два входа и один выход) и три фотоприемника. Дополнительно введен второй источник оптического излучения. Технический результат - повышение надежности измерителей вектора угловой скорости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и касается датчика угловой скорости. Датчик включает в себя волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником и приемником оптического излучения. Приемник излучения соединен с блоком обработки информации и с чувствительным элементом. Чувствительный элемент включает в себя центрально-закрепленную балку и четыре устройства ориентации оптического излучения, симметрично расположенных напротив двух противоположных горизонтальных плоскостей балки. Балка выполнена из пьезоматериала со светопоглощающим покрытием, нанесенным напротив горизонтальных плоскостей устройств ориентации оптического излучения. Устройства ориентации выполнены из кварцевого стекла и частично покрыты зеркальным напылением. Зеркальное напыление отсутствует на областях, соответствующих прямоугольной проекции балки на поверхности устройств ориентации. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей датчика. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения угловой скорости. Для определения угловой скорости формируют два пучка когерентного оптического излучения. Каждый из двух пучков дополнительно делят на два части. С помощью кольцевого интерферометра изменяют интенсивность и фазу только одной из частей каждого пучка. Ввод измерительных пучков в резонатор интерферометра осуществляют во взаимно противоположных направлениях. Прошедшую через интерферометр часть первого пучка и оставшуюся исходную часть того же пучка направляют на первый фотоприемник. Прошедшую через интерферометр часть второго пучка и оставшуюся исходную часть того же пучка направляют на второй фотоприемник. Угловую скорость определяют по величине разности собственных частот резонатора интерферометра для волн, обходящих его по взаимно противоположным направлениям. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения угловой скорости при отсутствии потерь в резонаторе кольцевого интерферометра или при их компенсации. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа многоканального измерения смещения длины волны света. Измерения осуществляются с использованием интерферометра Фабри-Перо. Свет источников света через коллимирующую систему направляют на интерферометр Фабри-Перо и с помощью линзы фокусируют интерферометрическую картину на регистраторе. При этом на интерферометр Фабри-Перо направляют свет от нескольких независимых источников света, которые освещают различные области интерферометрической картины, а затем в каждой области интерферометрической картины компенсируют размытие интерферометрических колец, вызванное непараллельностью зеркал интерферометра, заменяя на регистраторе плоскость фокуса на плоскость, где лучи всех интерференционных картин непараллельного интерферометра Фабри-Перо пересекаются, создавая частичный псевдофокус. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного измерения смещений частоты излучения от разных независимых источников в одном канале и повышении резкости интерференционных колец с обеих сторон от центра интерферограммы. 3 ил.

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для измерений абсолютных значений ускорения свободного падения. Баллистический гравиметр содержит вакуумную камеру, устройство сбрасывания пробного тела, источник излучения, фотоприёмник, устройство синхронизации и обработки сигнала. На пробном теле закреплён оптический элемент, который выполнен в виде дифракционной решётки. Штрихи указанной решётки расположены горизонтально. На пути лучей света, дифрагирующих на решётке при работе устройства, установлен оптический мультиплексор, выход которого подключён к фотоприёмнику. Технический результат заключается в увеличения временной разрешающей способности, уменьшения габаритов устройства и упрощения алгоритма обработки сигналов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости вращения объектов, как гироскопы. В резонансном способе измерения частоты вращения объекта измеряемую частоту вращения определяют как разность между собственной частотой вращения полости на выбранном типе электромагнитного колебания и собственной частотой «неподвижной» полости на том же типе колебания, деленную на постоянное число, определяемое выбранным при расчете полости типом колебания, а направление вращения определяют знаком этой разности. Устройство, реализующее резонансный способ измерения частоты вращения объекта, содержит монохроматический автогенератор перестраиваемой частоты, зонд-возбудитель, детектор электромагнитного поля, устройство перестройки частоты автогенератора, частотомер и решающее устройство, которое вычисляет частоту вращения как разность между резонансной частотой вращения полости и резонансной частотой «неподвижной» полости, деленную на постоянное число, определяемое выбранным при расчете полости типом электромагнитного колебания, а направление вращения определяет знаком этой разности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх