專利名稱：根據(jù)空間頻率濾波方法用以光學(xué)測(cè)量速度的方法和傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)空間頻率濾波方法用以測(cè)量物體表面和傳感器之間的相對(duì) 速度的方法，所述傳感器包括至少一個(gè)光敏元件，其中，對(duì)光敏元件以時(shí)間段進(jìn)行讀取，并 且其中，使空間頻率濾波器作為至少一個(gè)掩模光柵而形成，該掩模光柵具有可變的光柵常 數(shù)。本發(fā)明還涉及一種用于在空間頻率濾波方法中測(cè)量物體表面和傳感器之間的相對(duì)速度 的傳感器。
背景技術(shù)：
公知地采用傳感器用以測(cè)量觀察者和/或傳感器與物體表面之間的相對(duì)速度，這 些傳感器根據(jù)不同的方法進(jìn)行工作。通常情況下，在傳感器與表面之間的相對(duì)速度的測(cè)量 中，無論是傳感器相對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)還是物體相對(duì)于傳感器運(yùn)動(dòng)，這是無關(guān)緊要的。最終，速 度測(cè)量基本上取決于長(zhǎng)度的測(cè)定，例如在傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)物體在一確定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的 距離。根據(jù)測(cè)定的位移和所需的時(shí)間，由此能夠測(cè)定速度。通過經(jīng)由測(cè)定時(shí)間的簡(jiǎn)單整合， 還能夠使物體經(jīng)過的路程或長(zhǎng)度借由適宜的傳感器來測(cè)定。在此，用于無接觸式測(cè)量相對(duì) 速度的傳感器還適用于長(zhǎng)度測(cè)量。公知地可以有多種方法用于無接觸式測(cè)量相對(duì)速度。其中一種方法是采用空間頻 率濾波方法。在該方法中，為了速度測(cè)量要通過位置固定的光柵結(jié)構(gòu)的周期性的結(jié)構(gòu)來觀 察運(yùn)動(dòng)的物體。所采用的光傳感器裝置的根據(jù)時(shí)間的輸出信號(hào)(空間頻率濾波信號(hào))周期 性地伴隨有主頻率，該主頻率與垂直于光柵設(shè)置方向的物體的速度分量成正比。如果，空間 頻率濾波信號(hào)例如通過快速傅里葉變換而繼續(xù)進(jìn)行處理，那么在相對(duì)應(yīng)的頻譜中則具有與 該速度成正比的最大頻率。光柵能夠以不同的方式產(chǎn)生。在采用普遍的雙光束激光多普勒測(cè)速儀的情況下， 空間頻率濾波器這樣產(chǎn)生的，即，使激光束的兩部分強(qiáng)度相等的光束相交成一個(gè)角度φ，其 中，在兩道光束的交叉容量處產(chǎn)生用作掩模光柵的干涉條紋，這些干涉條紋的距離取決于 發(fā)光光源的波長(zhǎng)以及相交角度φ。這種方法的缺點(diǎn)在于，測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成非常耗費(fèi)工本，該 測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)精度要求最高。在空間頻率濾波方法的另一個(gè)技術(shù)方案中，采用不相干光源用于使物體發(fā)光，并 且進(jìn)行光柵采樣。在此，特別適宜采用活躍的掩模光柵作為空間頻率濾波器，也就是說使掩 模光柵由一維的光傳感器列陣來進(jìn)行仿制。在此，通過光傳感器的讀取電路的輸出信號(hào)的 交替變化的加權(quán)，能夠產(chǎn)生空間光柵頻率。相對(duì)于激光多普勒測(cè)速儀而采用空間頻率濾波 方法的優(yōu)點(diǎn)特別在于，該空間頻率濾波方法能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)較少的儀器消耗，并且使空間頻 率濾波器的光柵頻率具有適應(yīng)性，也就是說，能夠適應(yīng)所觀察的結(jié)構(gòu)特征大小不同的物體 表面。通過具有光柵結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)物體的疊加而在傳感器的一個(gè)或多個(gè)光敏元件中產(chǎn)生 周期性的輸出信號(hào)，如已經(jīng)提到的，例如通過傅里葉變換能夠分配給該輸出信號(hào)一個(gè)特征 性的頻率，該頻率本身與待測(cè)速度直接成正比。在此，使頻率分析還可以通過計(jì)數(shù)技術(shù)或自相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用來測(cè)定；在文獻(xiàn)中還公開有其它的方法。在空間頻率濾波方法中，最大的可 測(cè)量速度一方面取決于采樣，即，這里可以是指CCD相機(jī)的幀速率或光電二極管接下來連 接的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度，而另一方面取決于掩模光柵的周期長(zhǎng)度，這個(gè)周期長(zhǎng)度是由 光柵常數(shù)k來確定的。同時(shí)要考慮到采樣法則采樣頻率越高以及光柵常數(shù)k越大，最大可 測(cè)量速度就越大。然而同時(shí)還受到這樣的限制，即，隨著掩模光柵的光柵常數(shù)的增大，還使 測(cè)量的頻率分辨率以及因此使速度的精確度降低。此外還注意到，隨著觀察時(shí)間t的加長(zhǎng)， 也就是說，隨著與分析周期相關(guān)的采樣值的數(shù)量的增多，雖然使頻率分辨率提升，但卻使物 體運(yùn)動(dòng)的成像動(dòng)態(tài)以相同的方式降低，這是因?yàn)橛纱瞬辉倌軌驕?zhǔn)確地示出物體速度的瞬時(shí) 變化。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)空間頻率濾波方法用以測(cè)量物體表面和 傳感器之間的相對(duì)速度的方法，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)速度進(jìn)程的精細(xì)分辨的精準(zhǔn)測(cè)量，而且以 很少的儀器消耗經(jīng)過較大的速度范圍而沒有顯著滯后。上述目的通過權(quán)利要求1的前序部分所述的一種用以測(cè)量物體表面和傳感器之 間的相對(duì)速度的方法而這樣來實(shí)現(xiàn)，即，首先利用較大周期長(zhǎng)度的第一光柵常數(shù)&和/或 通過較短的觀察時(shí)間^對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量(粗略測(cè)量)，而且接下來，為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè) 定，而利用較小周期長(zhǎng)度的第二光柵常數(shù)k2和/或通過較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2的條件下，再次 對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量(精細(xì)測(cè)量)。本發(fā)明是基于這樣的認(rèn)識(shí)，S卩，在速度的精細(xì)測(cè)量中既能夠精確地表示出長(zhǎng)度變 化Δ χ也能夠表示出與此相關(guān)的時(shí)間變化At，這是因?yàn)樵趯?shí)際情況下，每個(gè)速度測(cè)量都表 示為差商Δχ/At的運(yùn)算值。通過具有減小的周期長(zhǎng)度的掩模光柵形式的測(cè)量的空間分辨 的精細(xì)化，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案可以了解到，長(zhǎng)度變化從粗略測(cè)量到精細(xì)測(cè)量的過程中 逐步精確化。同時(shí)，在本發(fā)明的兩步式的選擇方法中，首先利用較大周期長(zhǎng)度的第一光柵常 數(shù)&的粗略測(cè)量實(shí)現(xiàn)了經(jīng)過較寬的速度范圍的觀察，這是因?yàn)殡S著相應(yīng)的“粗略調(diào)節(jié)”的 掩模光柵產(chǎn)生的并且相對(duì)占有很小主導(dǎo)作用的、由光敏元件讀取的空間頻率濾波信號(hào)的頻 率實(shí)際上任何時(shí)候都不違背這樣的采樣法則，即，最大可測(cè)量的頻率必須低于采樣頻率的 一半。在完成粗略測(cè)量之后，通過以掩模光柵的減小的光柵常數(shù)k2再次對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行測(cè) 量。通過更精細(xì)的掩模光柵或空間頻率濾波器可以使物體的行程進(jìn)展Δχ以及由此使相關(guān) 的速度接下來得到更加精準(zhǔn)地測(cè)定。根據(jù)光柵常數(shù)的可補(bǔ)充或可替換的技術(shù)方案，在本發(fā)明的方法中還可以使觀察時(shí) 間根據(jù)由粗略測(cè)量到精細(xì)測(cè)量的過程而發(fā)生改變。因此由本發(fā)明可知，在粗略測(cè)量中經(jīng)歷 一段較短的觀察時(shí)間ti來進(jìn)行測(cè)量，從而能夠使物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)更好地表示出來，而且能 夠通過速度的恒定或非恒定而得出結(jié)論。接下來，對(duì)于精細(xì)測(cè)量使觀察時(shí)間加長(zhǎng)的話，從而 能夠由此更精準(zhǔn)地確定速度，這是因?yàn)橥ㄟ^加長(zhǎng)的觀察時(shí)間提供了更多數(shù)量的支持點(diǎn)，這 些支持點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了更高的頻率分辨率。因此，通過本發(fā)明的方法能夠使物體表面和傳感器之間的相對(duì)速度以很少的儀器 消耗和非常高的精確性得到測(cè)定，另一方面還能夠?qū)崿F(xiàn)快速跟隨速度的較大改變。根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，首先利用較大周期長(zhǎng)度的第一光柵常數(shù)Ic1和通過較短的觀察時(shí)間、的所述粗略測(cè)量至少進(jìn)行兩次，并且在這至少兩個(gè)測(cè)量結(jié)果大體上一致 的情況下，進(jìn)行通過較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2利用較小周期長(zhǎng)度的第二光柵常數(shù)k2的精細(xì)測(cè)量。 在這種情況下，因此再首先進(jìn)行速度的粗略測(cè)量，其中，如已經(jīng)提到的，由于所測(cè)物體速度 的較高的成像動(dòng)態(tài)，可以通過速度的恒定性或非恒定性得出精確的結(jié)論，而速度的實(shí)際最 終值僅粗略地進(jìn)行確定。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，這種粗略測(cè)量通過較短的觀察時(shí)間、利 用較大的第一光柵常數(shù)&的條件下進(jìn)行多次，至少進(jìn)行兩次，該較大的第一光柵常數(shù)自身 實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)較寬的速度范圍內(nèi)的測(cè)量，而該較短的觀察時(shí)間再次實(shí)現(xiàn)了物體速度的時(shí)間 動(dòng)態(tài)的精確成像。然后判斷，是否所得到的與待測(cè)速度成正比的頻率信號(hào)大體上是一致的， 其中，例如各個(gè)數(shù)值彼此間的5-10%的偏差可以視為是充分一致的。如果確定了這樣的一 致性，那么能夠由此得出，物體和傳感器之間具有恒定的相對(duì)速度，從而使測(cè)量能夠在接下 來的步驟中精細(xì)化，進(jìn)而使相對(duì)速度的值得以精確確定。由上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了，接下來，在相 對(duì)于光柵常數(shù)h減小的光柵常數(shù)1^2并且經(jīng)過加長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2的條件下來進(jìn)行精細(xì)測(cè)量， 該加長(zhǎng)的觀察時(shí)間使在分析過程中相應(yīng)地得到更多數(shù)量的采樣值。如已經(jīng)提到的，如果在 頻率空間上的相關(guān)的較多數(shù)量的采樣值實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的較多數(shù)量的支持點(diǎn)以及因此實(shí)現(xiàn)了 較高的頻率分辨率，那么就能夠使速度值最終得到精確地測(cè)定。加長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2還不能夠完全成像相對(duì)速度的時(shí)間動(dòng)態(tài)，因此在本發(fā)明的方法 中不再進(jìn)行加權(quán)，這是由于在粗略測(cè)量的條件下已經(jīng)證實(shí)速度的恒定性。在本發(fā)明的方法中可以了解到，對(duì)于相對(duì)速度的精細(xì)測(cè)量，在許多情況下會(huì)違 背采樣法則，這是因?yàn)橛梢粋€(gè)或多個(gè)光敏元件讀取的周期信號(hào)的頻率由于奈奎斯特頻 率l/2fabtast的變小的光柵常數(shù)k2而發(fā)生改變。由此就導(dǎo)致了公知的“頻譜混疊現(xiàn)象 (Aliasing) ”。然而，由此在頻譜中導(dǎo)致的含糊不清能夠通過粗略測(cè)量的信息來避免，因此 在精細(xì)測(cè)量中選取這樣的頻率值，使該頻率值大體上對(duì)應(yīng)于由粗略測(cè)量測(cè)定的速度值。用作空間頻率濾波器的具有可變的光柵常數(shù)的掩模光柵能夠形成為多個(gè)光學(xué)光 柵，這些光學(xué)光柵具有不同的且分別固定的光柵常數(shù)。根據(jù)本發(fā)明方法的特別優(yōu)選的實(shí)施 例可知，傳感器包括多個(gè)彼此間隔設(shè)置的光敏元件，其中，通過光敏元件的輸出信號(hào)的周期 加權(quán)而產(chǎn)生掩模光柵或空間頻率濾波器。通過這種方式使掩模光柵、也就是空間頻率濾波 器順利地在其光柵常數(shù)k上進(jìn)行變化，從而通過速度的簡(jiǎn)單變化能夠提供用于粗略測(cè)量或 精細(xì)測(cè)量的各種必要條件。在傳感器的光敏元件中，優(yōu)選采用電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)性 氧化金屬半導(dǎo)體(CMOS)件、互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體列陣或互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體排列、光 電二極管或光電晶體三極管。如果采用例如具有1024個(gè)線性相互設(shè)置的像素的CCD相機(jī) 列，那么掩模光柵能夠在以較大的光柵常數(shù)Iq的條件下例如通過由每64個(gè)相鄰的像素構(gòu) 成的塊的交替加權(quán)而實(shí)現(xiàn)。具有較小光柵常數(shù)的精細(xì)光柵能夠例如通過由每8個(gè)相鄰的像 素構(gòu)成的塊來實(shí)現(xiàn)，這些塊可交替地進(jìn)行加權(quán)。根據(jù)本發(fā)明方法的又一優(yōu)選實(shí)施例，在粗略測(cè)量中，使在空間頻率濾波方法中由 至少一個(gè)光敏元件讀取的空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容、或使具有與空間頻率濾波信號(hào)相 對(duì)應(yīng)的頻率fl的功率密度譜的信息內(nèi)容受到控制。優(yōu)選為了控制由至少一個(gè)光敏元件讀取 的空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容、或控制具有與所述空間頻率濾波信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻率的 功率密度譜的信息內(nèi)容，采用圍繞頻率的信號(hào)的質(zhì)量特征或用于頻率&的空間頻率濾波 信號(hào)的質(zhì)量特征，這些質(zhì)量特征特別是指半最大值全寬度和/或信號(hào)噪聲比和/或信號(hào)功率與噪聲功率的對(duì)數(shù)比和/或無干擾的動(dòng)態(tài)范圍。如果用于頻率的在粗略測(cè)量中測(cè)得 的空間頻率濾波信號(hào)的用于控制的信息內(nèi)容很少，那么可以放棄該測(cè)量。所得到的頻率信號(hào)的過少的信息內(nèi)容可能是由于這樣的情況造成的，S卩，在粗略 測(cè)量中選取的光柵常數(shù)&不適應(yīng)在物體表面上觀察到的結(jié)構(gòu)特征的量值范圍。在此為了 在粗略測(cè)量中得到有效的結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的再一優(yōu)選實(shí)施例可知，在粗略測(cè)量中，為了接 下來的測(cè)量使第一光柵常數(shù)&與物體表面上的一個(gè)結(jié)構(gòu)特征相適應(yīng)。與上述內(nèi)容類似，還可以在精細(xì)測(cè)量中，使由傳感器讀取的空間頻率濾波信號(hào)的 信息內(nèi)容、或使具有與所述空間頻率濾波信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻率f2的功率密度譜的信息內(nèi)容受 到控制，其中，優(yōu)選采用圍繞頻率f2的信號(hào)的質(zhì)量特征或用于頻率f2的空間頻率濾波信號(hào) 的質(zhì)量特征，這些質(zhì)量特征特別是指半最大值全寬度和/或信號(hào)噪聲比和/或信號(hào)功率與 噪聲功率的對(duì)數(shù)比和/或無干擾的動(dòng)態(tài)范圍。如果對(duì)于信息內(nèi)容的控制來說，該信息內(nèi)容對(duì)于有效測(cè)量太少，那么放棄該測(cè)量。 此外還實(shí)現(xiàn)了，在這樣的情況下，即，空間頻率濾波信號(hào)或在功率密度譜中與空間頻率濾波 信號(hào)相對(duì)應(yīng)算出的頻率f2具有很少的信息內(nèi)容時(shí)，頻率f2通過最終算出的有效頻率f/、由 多個(gè)最后算出的有效頻率的平均值、特別是算術(shù)平均值或中位數(shù)或最后算出的有效頻率的 過程推算值來代替。在頻率f2的信息內(nèi)容很少的情況下，最終具有優(yōu)勢(shì)的是，為了接下來 的測(cè)量，使設(shè)置用于精細(xì)測(cè)量的第二光柵常數(shù)k2與物體表面上的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)特征相適 應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明方法的再一個(gè)實(shí)施例，在完成精細(xì)測(cè)量之后，在粗略測(cè)量的過程中測(cè) 定的頻率和由精細(xì)測(cè)量測(cè)定的頻率f2之間進(jìn)行可行性驗(yàn)證。在有效的測(cè)量中，可行性驗(yàn) 證的結(jié)果必須是由精細(xì)測(cè)量測(cè)定的頻率f2與由粗略測(cè)量測(cè)定的頻率大體上一致。如果 不是這樣的情況，那么就由于測(cè)量值缺少可行性而放棄該測(cè)量。因此，本發(fā)明的目的還在于提供一種用于在空間頻率濾波方法中測(cè)量物體表面和 傳感器之間的相對(duì)速度的傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且在較大的速度范圍內(nèi)，既能實(shí)現(xiàn) 恒定的相對(duì)速度的精準(zhǔn)測(cè)量，又能實(shí)現(xiàn)改變的相對(duì)速度的精準(zhǔn)測(cè)量。本發(fā)明的上述目的通過權(quán)利要求16的前序部分所述的傳感器這樣得以實(shí)現(xiàn)，即， 控制裝置和評(píng)估裝置是這樣設(shè)置的，即，首先在具有較大周期長(zhǎng)度的第一光柵常數(shù)Iq、和/ 或經(jīng)過較短的觀察時(shí)間^的條件下對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行粗略測(cè)量，而且接下來，為了實(shí)現(xiàn)精確 測(cè)定，而在較小的第二光柵常數(shù)k2、和/或經(jīng)過較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2的條件下，再次對(duì)相對(duì)速 度進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樵搨鞲衅饔珊苌俚慕M件構(gòu)成，這些組件 在商業(yè)上適用于許多實(shí)施條件。此外，前述內(nèi)容同樣也適用于本發(fā)明的傳感器的優(yōu)點(diǎn)。開始所述的目的還通過一種可以在數(shù)據(jù)處理設(shè)備中讀取的存儲(chǔ)介質(zhì)得以實(shí)現(xiàn)，該 存儲(chǔ)介質(zhì)具有在其上存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序，其中，計(jì)算機(jī)程序包括這樣的命令，即，這些命令 使至少一個(gè)處理器執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至15中任意一項(xiàng)所述的方法。


接下來，根據(jù)示出實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖中示出了圖1為本發(fā)明用于測(cè)量物體表面和傳感器之間的相對(duì)速度的傳感器的示意圖2a為本發(fā)明用以測(cè)量物體表面和傳感器之間的相對(duì)速度的方法的流程圖；以 及圖2b為圖2a的流程圖的延續(xù)示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1中示出了本發(fā)明的傳感器1的簡(jiǎn)化示意圖，該傳感器通過空間頻率濾波方法 用來測(cè)量物體表面0和傳感器1之間的相對(duì)速度。該傳感器1包括多個(gè)彼此間隔設(shè)置的光 敏元件2、光學(xué)系統(tǒng)2a以及控制裝置3，這些光敏元件例如以電荷耦合元件(CCD)相機(jī)列的 形式設(shè)置，光學(xué)系統(tǒng)使物體表面0在光敏元件2上成像，控制裝置通過采樣頻率fabtast來讀 取傳感器1的光敏元件2。為了產(chǎn)生掩模光柵，使光敏元件的輸出信號(hào)交替地進(jìn)行正負(fù)加 權(quán)，其中，在光柵常數(shù)k的設(shè)置過程中能夠使光敏元件2在此合并成長(zhǎng)度可變的塊?？刂蒲b 置3將由光敏元件2讀取的光度值繼續(xù)傳遞給評(píng)估裝置4，該評(píng)估裝置在其自身方面又產(chǎn)生 一個(gè)與待測(cè)相對(duì)速度成正比的信號(hào)。將這個(gè)信號(hào)作為速度值傳遞到輸出單元5上，然后在 此能夠?qū)⑿盘?hào)輸出給用戶。在控制裝置3和評(píng)估裝置4中，光敏元件2的信號(hào)——例如在信號(hào)處理器中—— 通過以下方式進(jìn)行處理在圖2a和2b中示出了本發(fā)明的根據(jù)空間頻率濾波方法來測(cè)量物體表面0和傳感 器1之間的相對(duì)速度的方法的流程圖。根據(jù)本發(fā)明，首先在設(shè)置成較大的第一光柵常數(shù)Ic1、經(jīng)過一段較短的觀察時(shí)間、 的條件下，進(jìn)行至少兩次對(duì)相對(duì)速度的測(cè)量。這個(gè)稱為“粗略測(cè)量”的過程在圖2a中示出。 此外還根據(jù)本發(fā)明可知，在至少兩次的測(cè)量結(jié)果大體上一致的情況下，為實(shí)現(xiàn)精確測(cè)定，而 在設(shè)置成較小的第二光柵常數(shù)&、經(jīng)過一段較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2的條件下，再次對(duì)相對(duì)速度 進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)過程稱為“精細(xì)測(cè)量”，并且在圖2b中示出了該過程的詳細(xì)流程圖?，F(xiàn)在，根據(jù)圖2a和2b對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。一個(gè)物體具有表面0，該表 面例如為材料幅面，使該物體以速度ν在傳感器1的下方運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行粗略測(cè)量的條件下， 對(duì)光敏元件進(jìn)行η次讀取，其中，通過控制裝置3根據(jù)各個(gè)光敏元件2的輸出信號(hào)的相對(duì)應(yīng) 的加權(quán)而設(shè)定一個(gè)較大的光柵常數(shù)K。如果光敏元件例如采用1024像素的CCD相機(jī)列，那 么就能夠這樣形成掩模光柵，即，由彼此相鄰設(shè)置的像素合并成各個(gè)塊，并且各個(gè)塊可以交 替地進(jìn)行正負(fù)加權(quán)。在粗略的光柵常數(shù)Ic1的條件下，這些塊例如包括64個(gè)相鄰的像素。除 了實(shí)現(xiàn)較大的已選光柵常數(shù)h之外，η個(gè)讀取過程中的每一個(gè)過程都經(jīng)過一段較短的觀察 時(shí)間t1;例如為1毫秒。一個(gè)較短的觀察時(shí)間、的優(yōu)點(diǎn)在于，實(shí)現(xiàn)了物體速度在時(shí)間上的 精確的動(dòng)態(tài)成像，從而能夠精確地預(yù)測(cè)出，物體是以恒定的還是以不恒定的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過交替的成塊的像素信號(hào)的加權(quán)，在控制裝置3中η次產(chǎn)生時(shí)間上的周期信號(hào)， 然后再將該信號(hào)傳遞到評(píng)估裝置4上。在該評(píng)估裝置中，通過快速傅里葉變換FFT或其它 可替代的方法、例如自相關(guān)分析，使η個(gè)取決于時(shí)間的空間頻率濾波信號(hào)分配給它們主導(dǎo) 的η個(gè)頻率f^-fV1。然后在評(píng)估裝置中，再根據(jù)用于f^-fV1的各個(gè)空間頻率濾波信號(hào)的一 個(gè)、優(yōu)選多個(gè)質(zhì)量特征來對(duì)這些頻率f^-fV1的信息內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)此，適于作為質(zhì)量特征 的有，半最大值全寬度FWHM1和/或信號(hào)噪聲比SNR1和/或信號(hào)功率與噪聲功率的對(duì)數(shù)比 SINAD1和/或無干擾的動(dòng)態(tài)范圍SFDRp如果根據(jù)前述質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用于f^-f^的一個(gè)或多個(gè)空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容太少，那么使光敏元件的η次讀取優(yōu)選以第一光柵常數(shù)Ic1重 復(fù)進(jìn)行，該第一光柵常數(shù)能夠更好地適應(yīng)于位于物體表面0上的結(jié)構(gòu)特征S。如果該結(jié)構(gòu) 特征例如很小，以至于該結(jié)構(gòu)特征不能夠通過掩模光柵來分辨，該掩模光柵是由光敏元件2 的輸出信號(hào)的加權(quán)函數(shù)產(chǎn)生的，因此必須使光柵常數(shù)&變小。在此，與其相對(duì)的觀察時(shí)間 、優(yōu)選保持不變。如果光敏元件2的重新η次讀取、以及接下來得出空間頻率濾波信號(hào)的相對(duì)應(yīng)的 主導(dǎo)頻率fV-fVMi得用于A1-HA空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容足夠多，那么在接下來的 步驟中要檢驗(yàn)的是，是否所得出的頻率信號(hào)與在此嚴(yán)格成正比的速度值大體上是一致的。 5-10%的偏差在此可以視為是充分一致的。如果不具備這樣的一致性，那么因?yàn)槲矬w在測(cè) 量時(shí)間點(diǎn)上明顯不是以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，所以必須要在下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，因而 只能放棄已經(jīng)進(jìn)行的測(cè)量。如果確定了充分的一致性，那么使速度測(cè)量在接下來要精細(xì)化，如圖2b所示。那么，精細(xì)測(cè)量要求具有相對(duì)于光柵常數(shù)Ic1而變小的光柵常數(shù)k2 (例如由每8個(gè) 像素構(gòu)成的塊)，并且經(jīng)過一段加長(zhǎng)的觀察時(shí)間、，在分析過程中，這樣的時(shí)間適合于使采 樣值的數(shù)量增多。加長(zhǎng)的觀察時(shí)間例如為4毫秒。在傅里葉變換的信號(hào)中，采樣值數(shù)量的 增加實(shí)現(xiàn)了相對(duì)應(yīng)的較高數(shù)量的支持點(diǎn)，并且因此實(shí)現(xiàn)了較高的頻率分辨率，從而使頻率 信號(hào)f2以及由此使待測(cè)的速度值最終能夠精確地測(cè)定。用于f2的在精細(xì)測(cè)量條件下得出的空間頻率濾波信號(hào)的或通過FFT產(chǎn)生的功率 密度譜的信息內(nèi)容，再次優(yōu)選根據(jù)這些質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來表示，諸如頻率信號(hào)f2的半最大值全寬 度FWHM2和/或信號(hào)噪聲比SNR2和/或信號(hào)功率與噪聲功率的對(duì)數(shù)比SINAD2和/或無干 擾的動(dòng)態(tài)范圍SFDR2。如果用于f2的空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容并不足夠多，那么必須 再次在光柵常數(shù)k2與物體0的結(jié)構(gòu)特征S相適應(yīng)的條件下進(jìn)行光敏元件的重新讀取，其中， 同時(shí)還使待選擇的光柵常數(shù)k2小于光柵常數(shù)h。如果用于f2的空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容——也就是在重復(fù)測(cè)量之后——足 夠多，那么在當(dāng)前情況下要進(jìn)行可行性控制，在該可行性控制的條件下驗(yàn)證，是否精確測(cè)定 的頻率f2大體上與粗略測(cè)得的頻率f^-fV^H—致。如果在這樣的情況下，那么可以使頻率 f2作為對(duì)此成正比的速度值而傳遞到輸出單元5上。如果頻率f2對(duì)此不具有可行性，并因 此與之前的粗略測(cè)得的頻率fV-fV1不相一致，那么只能或者放棄測(cè)量，或者使頻率f2通過 最后算出的有效頻率f/來代替。可替換地，還可以采用多個(gè)最后算出的有效頻率的平均值、特別是算術(shù)平均值或 中位數(shù)或最后算出的有效頻率的過程推算值。然后，這些值可以替代不具有可行性的頻率 f2而傳遞到輸出元件5上。
權(quán)利要求
一種根據(jù)空間頻率濾波方法用以測(cè)量物體表面(0)和傳感器(1)之間的相對(duì)速度的方法，所述傳感器包括至少一個(gè)光敏元件(2)，其中，對(duì)所述光敏元件(2)在時(shí)間間隔上進(jìn)行讀取，并且其中，使空間頻率濾波器作為至少一個(gè)掩模光柵而形成，所述掩模光柵具有可變的光柵常數(shù)，其特征在于，首先利用較大周期長(zhǎng)度的第一光柵常數(shù)k1和/或通過較短的觀察時(shí)間t1對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量(粗略測(cè)量)，接下來，為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)定，而利用較小周期長(zhǎng)度的第二光柵常數(shù)k2和/或通過較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2再次對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量(精細(xì)測(cè)量)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，首先利用較大周期長(zhǎng)度的第一光柵常數(shù) h并通過較短的觀察時(shí)間、的所述粗略測(cè)量至少進(jìn)行兩次，并且在這至少兩個(gè)測(cè)量結(jié)果大 體上一致的情況下，進(jìn)行通過較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2利用較小周期長(zhǎng)度的第二光柵常數(shù)k2的精 細(xì)測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述傳感器(1)包括多個(gè)彼此間隔設(shè)置的光敏元件(2)，其中，通過所述光敏元件(2)的輸出信號(hào) 的周期加權(quán)而產(chǎn)生掩模光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在粗略測(cè)量中，使由至少 一個(gè)光敏元件(2)讀取的空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容、或使具有與所述空間頻率濾波信 號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻率的功率密度譜的信息內(nèi)容受到控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，為了控制由至少一個(gè)光敏元件(2)讀取的 空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容、或控制具有與所述空間頻率濾波信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻率的功 率密度譜的信息內(nèi)容，采用圍繞頻率&的信號(hào)的質(zhì)量特征或用于頻率&的空間頻率濾波信 號(hào)的質(zhì)量特征。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述質(zhì)量特征是指半最大值全寬度 (FffHM1)和/或信號(hào)噪聲比(SNR1)和/或信號(hào)功率與噪聲功率的對(duì)數(shù)比(SINAD1)和/或無 干擾的動(dòng)態(tài)范圍(SFDR1)15
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在用于頻率&的空間頻 率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容很少的情況下，放棄該測(cè)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在粗略測(cè)量中，為了接下 來的測(cè)量使第一光柵常數(shù)h與所述物體表面(0)上的至少一個(gè)結(jié)構(gòu)特征(S)相適應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在精細(xì)測(cè)量中，使由所述 傳感器(1)讀取的空間頻率濾波信號(hào)的信息內(nèi)容、或使具有與所述空間頻率濾波信號(hào)相對(duì) 應(yīng)的頻率f2的功率密度譜的信息內(nèi)容受到控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，為了控制信息內(nèi)容，采用圍繞頻率f2的 信號(hào)的質(zhì)量特征或用于頻率f2的空間頻率濾波信號(hào)的質(zhì)量特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述質(zhì)量特征是指半最大值全寬度 (FffHM2)和/或信號(hào)噪聲比(SNR2)和/或信號(hào)功率與噪聲功率的對(duì)數(shù)比(SINAD2)和/或無 干擾的動(dòng)態(tài)范圍(SFDR2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在信息內(nèi)容很少的情況 下，放棄該測(cè)量。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在這樣的情況下，即，空間頻率濾波信號(hào)或在功率密度譜中與所述空間頻率濾波信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻率f2具有很少的 信息內(nèi)容時(shí)，所述頻率f2通過最終的有效頻率f/、由多個(gè)最后算出的有效頻率的平均值、 特別是算術(shù)平均值或中位數(shù)或最后算出的有效頻率的過程推算值來代替。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，為了接下來的測(cè)量，使 所述第二光柵常數(shù)k2與所述物體表面(0)上的結(jié)構(gòu)特征(S)相適應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在完成精細(xì)測(cè)量之后， 在由粗略測(cè)量測(cè)定的頻率和由精細(xì)測(cè)量測(cè)定的頻率f2之間進(jìn)行可行性驗(yàn)證，其中，在缺 少可行性的情況下放棄該測(cè)量。
16.一種用于在空間頻率濾波方法中測(cè)量物體表面(0)和傳感器(1)之間的相對(duì)速度 的傳感器，其中，所述傳感器(1)包括至少一個(gè)光敏元件(2)和至少一個(gè)掩模光柵，所述掩 模光柵作為空間頻率濾波器具有可變的光柵常數(shù)，其中，所述傳感器(1)還包括控制裝置 (3)和評(píng)估裝置(4)，其中，所述控制裝置(3)在時(shí)間間隔上讀取所述傳感器(1)的至少一 個(gè)光敏元件(2)，并且所述評(píng)估裝置(4)分別產(chǎn)生與待測(cè)速度成正比的信號(hào)，其特征在于，所述控制裝置和評(píng)估裝置(3、4)是這樣設(shè)置的，即，首先利用較大周期長(zhǎng)度的第一光 柵常數(shù)h和/或通過較短的觀察時(shí)間^對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行粗略測(cè)量，而且接下來，為了實(shí)現(xiàn) 精確測(cè)定，而利用較小周期長(zhǎng)度的第二光柵常數(shù)k2和/或通過較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2再次對(duì)相 對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器(1)，其特征在于，所述傳感器(1)具有多個(gè)彼此間 隔設(shè)置的光敏元件(2)，其中，通過所述光敏元件(2)的周期加權(quán)或通過至少一個(gè)固定的掩 模光柵而產(chǎn)生掩模光柵。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器(1)，其特征在于，所述傳感器(1)的光敏元件(2) 為電荷耦合器件、互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體件、互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體列陣或互補(bǔ)性氧化金 屬半導(dǎo)體排列、光電二極管或光電晶體三極管。
19.一種用于測(cè)量物體表面(0)和傳感器之間的相對(duì)速度的傳感器(1)，其特征在于， 在該傳感器中集成多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求16至18中任意一項(xiàng)所述的傳感器(1)。
20.—種可以由數(shù)據(jù)處理設(shè)備讀取的存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)具有在其上存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī) 程序，其中，所述計(jì)算機(jī)程序包括這樣的命令，即，所述命令使至少一個(gè)處理器執(zhí)行根據(jù)權(quán) 利要求1至15中任意一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種根據(jù)空間頻率濾波方法用以測(cè)量物體表面(0)和傳感器(1)之間的相對(duì)速度的方法，傳感器包括至少一個(gè)光敏元件(2)，其中，對(duì)光敏元件(2)在時(shí)間間隔上進(jìn)行讀取，并且其中，使空間頻率濾波器作為至少一個(gè)掩模光柵而形成，該掩模光柵具有可變的光柵常數(shù)。本發(fā)明方法的特征在于，首先在具有較大周期長(zhǎng)度的第一光柵常數(shù)k1、和/或經(jīng)過較短的觀察時(shí)間t1的條件下，對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量(粗略測(cè)量)，而且接下來，為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)定，而在具有較小周期長(zhǎng)度的第二光柵常數(shù)k2、和/或經(jīng)過較長(zhǎng)的觀察時(shí)間t2的條件下，再次對(duì)相對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量(精細(xì)測(cè)量)。本發(fā)明還涉及一種用于速度測(cè)量的傳感器。
文檔編號(hào)G01P3/36GK101925823SQ200880125787
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者阿爾諾·貝格曼 申請(qǐng)人:弗拉巴有限公司