СПОСОБ РАСТРОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТА
METHOD OF RASTER-SCAN OPTICAL MEASUREMENT OF BODY SPEED

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.