DE102006030399B3

DE102006030399B3 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen

Info

Publication number: DE102006030399B3
Application number: DE200610030399
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Schertler
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-30

Abstract

Ein Verfahren zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen, welche eine 2-dimensionale Intensitätsverteilung aufweisen. Erfindungsgemäß wird aus dem 2-dimensionalen Interferogramm mittels einer 2D-1D-Transformation (2) ein 1-dimensionaler Intensitätsvektor erzeugt, wobei die 2D-1D-Transformation so gewählt ist, dass in der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung vorhandene Intensitätsextrema äquidistant in dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor (d.h. mit einer dominanten Frequenz) erscheinen, der 1-dimensionale Intensitätsvektor einer Fourier-Transformation (3) unterzogen wird und aus dem durch die Fourier-Transformation erhaltenen Fourier-Vektor Frequenz- und Phasenlage der dominanten Frequenz ermittelt werden. Durch Rückrechnung (4) der dominanten Frequenz und ihrer Phasenlage vom Frequenzraum in den Ortsraum kann die jeweilige Lage der Intensitätsextrema in dem 2-dimensionalen Interferogramm ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen, welche eine 2-dimensionale Intensitätsverteilung aufweisen.
Es sind verschiedene spektroskopische Meßmethoden bekannt, bei welchen durch Auswertung von unter Verwendung einer optischen Strahlung erzeugten Interferogrammen beispielsweise minimale Längen- oder Wellenlängenänderungen quantitativ bestimmt werden. Solche Interferogramme zeigen in einer 2-dimensionalen Intensitätsverteilung ringförmig angeordnete Intensitätsextrema, beispielsweise Intensitätsmaxima und -minima von Fabry-Perot-Interferenzbildern. Die Grundlagen der Erzeugung von Fabry-Perot-Interferenzbildern sind beschrieben in beispielsweise R. Guenther, Modern Optics, Chapt. 4 "Interference", John Wiley and Sons, 2001. Aus der CH 545 486 ist eine Einrichtung zur Analyse des intensitätsmäßig aufgezeichneten Interferenzmusters eines schwingenden, mit kohärentem Licht beleuchteten Objekts bekannt, bei der von dem zu analysierenden Interferenzmuster ein räumliches Fourier-Spektrum erzeugt und dieses einer Raumfrequenzfilterung unterzogen und abgebildet wird. Bei manchen spektroskopischen Messmethoden dieser Art ist eine schnelle computergestützte Auswertung, insbesondere in "Echtzeit" wünschenswert, beispielsweise an Bord von Lufffahrzeugen zur Erfassung von auf diese einwirkenden Böen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Einrichtung zur Vermessung von Interferogrammen der genannten Art zu schaffen, mit welchen eine schnelle und genaue Erfassung der Lage der Intensitätsextrema möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen, welche eine 2-dimensionale Intensitätsverteilung aufweisen, geschaffen. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass aus dem 2-dimensionalen Interferogramm mittels einer 2D-1D-Transformation ein 1-dimensionaler Intensitätsvektor erzeugt wird, wobei die 2D-1D-Transformation so gewählt ist, dass in der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung vorhandene Intensitätsextrema äquidistant in dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor (d.h. mit einer dominanten Frequenz) erscheinen, dass der 1-dimensionale Intensitätsvektor einer Fourier-Transformation unterzogen wird, und dass aus dem durch die Fourier-Transformation erhaltenen Fourier-Vektor Frequenz und Phasenlage der dominanten Frequenz ermittelt werden. Für ringförmige Fabry-Perot-Interferogramme kann zur Erfüllung der Äquidistanzbedingung beispielsweise die 2D-1D-Transformation durch radiale Mittelung von Intensitätswerten der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung zu gegebenem Radius R_N definiert werden (R_N < R_N+1 für N = 1, 2, ...), wobei die so gemittelte Intensität I_N das N-te Element des 1-dimensionalen Intensitätsvektors darstellt und N proportional zum Quadrat von R_N ist.
Es kann vorgesehen werden, dass durch Rückrechnung der Frequenz und Phasenlage der dominanten Frequenz des Invertierung der 2D-1D-Transformation aus dem Fourier-Vektors in den Ortsraum die jeweilige Lage der Intensitätsextrema in dem 2-dimensionalen Interferogramm ermittelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Intensitätsextrema von Fabry-Perot-Interferogrammen erfaßt.
Das Verfahren kann durch Implementierung in Software durchgeführt werden.
Alternativ kann das Verfahren durch Implementierung in Hardware durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann durch das Verfahren die Erfassung von Ringradien in Interferogrammen in Echtzeit durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren zur Erfassung von Längen- oder Wellenlängenänderungen durchgeführt.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren an Bord eines Luftfahrzeugs durch zur Erfassung von Böen durchgeführt wird.
Weiter wird durch die Erfindung eine Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen, welche eine 2-dimensionale Intensitätsverteilung aufweisen, geschaffen. Erfindungsgemäß ist eine 2D-1D-Transformationseinheit zur Erzeugung eines 1-dimensionalen Intensitätsvektors aus dem 2-dimensionalen Interferogramm vorgesehen, wobei die in der 2D-1D-Transformationseinheit durchgeführte 2D-1D-Transformation so gewählt ist, dass in der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung vorhandene Intensitätsextrema äquidistant in dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor (d.h. mit einer dominanten Frequenz) erscheinen, und dass eine Fourier-Transformationseinheit zur Erzeugung eines Fourier-Vektors aus dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor und zur Abgabe einer Information bezüglich Frequenz und Phasenlage der dominanten Frequenz vorgesehen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Invertierungseinheit vorgesehen, um durch Rückrechnung der Frequenz und Phasenlage der dominanten Frequenz desinvertierung der 2D-1D-Transformation aus dem Fourier-Vektors in den Ortsraum die jeweilige Lage der Intensitätsextrema in dem 2-dimensionalen Interferogramm zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Einrichtung zur Erfassung von Intensitätsextrema von Fabry-Perot-Interferogrammen vorgesehen.
Die Einrichtung kann durch Implementierung in Software vorgesehen sein.
Alternativ kann die Einrichtung durch Implementierung in Hardware vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen in Echtzeit vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung zur Erfassung von Längen- oder Wellenlängenänderungen vorgesehen.
Die Einrichtung kann an Bord eines Luftfahrzeugs zur Erfassung von Böen vorgesehen sein.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 eine Darstellung eines typischen 2-dimensionalen Fabry-Perot-Interferogramms, wie es durch Verfahren und Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interterogrammen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ausgewertet werden kann;
2 ein Diagramm, welches eine 1-dimensionale Intensitätsverteilung wiedergibt, die durch eine 2D-1D-Transformation gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten wird;
3 ein Fourier-Spektrum, welches durch Fourier-Transformation der Intensitätsverteilung von 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten wird;
4 ein Diagramm, welches eine Phaseninformation wiedergibt, die aus der bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführten Fourier-Transformation erhalten worden ist;
5 eine Darstellung des 2-dimensionalen Interferogramms von 1 mit den durch die mittels der Fourier-Transformation enthaltenen Informationen über dominante Frequenz und Phase zurückberechneten Ringradien; und
6 ein vereinfachtes Blockdiagramm, welches zur Erläuterung von Verfahren und Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dient.
1 zeigt ein Interferogramm mit einer 2-dimensionalen Intensitätsverteilung, wie es typischerweise mittels eines Fabry-Perot-Interferometers bei der Messung beispielsweise von minimalen Längen- oder Wellenlängenänderungen erhalten wird. Es sind in Form von Ringradien angeordnete Intensitätsextrema zu erkennen, insbesondere drei Intensitätsmaxima mit von innen nach außen abnehmender Intensität.
Zur Vermessung des Interferogramms, bestehend in einer Erfassung der Ringradien und Berechnung derselben, ist eine 2D-1D-Transformation vorgesehen, durch welche die 2-dimensionale Intensitätsverteilung des Interferogramms auf einen 1-dimensionalen sogenannten Intensitätsvektor abgebildet wird, d.h. auf eine 1-dimensionale Intensitätsverteilung, wie sie in 2 gezeigt ist. Bei dieser ist die Intensität gegen einen geeignet gewählten Index aufgetragen. Dabei ist die 2D-1D-Transformation so gewählt, dass die in der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung des Interferogramms vorhandenen Intensitätsmaxima bzw. Intensitätsextrema äquidistant in dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor erscheinen, also die Extrema mit einer dominanten Frequenz wiederkehren. Die Art der 2D-1D-Transformation ergibt sich also aus der Art des Interferogramms und ist dementsprechend an diese anzupassen. Für ringförmige Fabry-Perot-Interterogramme kann zur Erfüllung der Äquidistanzbedingung beispielsweise die 2D-1D-Transformation durch radiale Mittelung von Intensitätswerten der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung zu gegebenem Radius R_N definiert werden (R_N < R_N+1 für N = 1, 2, ...), wobei die so gemittelte Intensität I_N das N-te Element des 1-dimensionalen Intensitätsvektors darstellt und N proportional zum Quadrat von R_N ist.
In 2 ist die periodische Komponente des Signals gut zu erkennen, nämlich die ersten beiden Maxima im Bereich des Index 80 und des Index 200, welche mit den innersten beiden Ringen des Interferogramms von 1 korrespondieren.
Die so erhaltene 1-dimensionale Intensitätsverteilung (Intensitätsvektor) wird nun durch eine Fourier-Transformation in den Frequenzraum abgebildet, so dass sich für das vorliegende Ausführungsbeispiel das in 3 dargestellte Frequenzspektrum ergibt. In diesem ist die dominante Frequenz durch eine senkrechte Linie hervorgehoben.
Die aus der Fourier-Transformation des Intensitätsvektors erhaltene Phaseninformation ist in 4 in Frequenzabhängigkeit dargestellt, wo ebenfalls die dominante Frequenz durch eine senkrechte Linie wiedergegeben ist.
Durch Rückrechnung kann aus der Information über Phase und Frequenz die Lage der Intensitätsextrema, also der Ringradien des Interferogramms exakt ermittelt werden, wie es in 5 dargestellt ist. Das heißt, die durch die Fourier-Transformation im Frequenzraum ermittelte dominante Frequenz und Phase kann wieder eindeutig zurück in den Ortsraum abgebildet werden, wodurch sich dann die exakten Ringradien ergeben.
In 6 ist in vereinfachter schematisierter Form der Aufbau einer Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen, welche eine 2-dimensionale Intensitätsverteilungaufweisen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Eine 2D-1D-Transformationseinheit 2 dient zur Erzeugung des 1-dimensionalen Intensitätsvektors aus dem 2-dimensionalen Inteferogramm, welches der 2D-1D-Transformationseinheit 2 in einer geeigneten Form, beispielsweise in Form eines als Bitmap kodierten Pixelmusters eingegeben wird. Die 2D-1D-Transformationseinheit 2 ist so ausgebildet, dass in der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung vorhandene Intensitätsextrema äquidistant in einem 1-dimensionalen Intensitätsvektor mit einer dominanten Frequenz erscheinen, wie oben beschrieben.
Der 2D-1D-Transformationseinheit 2 nachgeschaltet ist eine Fourier-Transformationseinheit 3, die zur Erzeugung eines Fourier-Vektors aus dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor vorgesehen ist und die eine Information bezüglich der dominanten Frequenz und der ihrer Phasenlage liefert.
Diese Information wird einer Invertierungseinheit 4 zugeführt, in welcher durch Invertierung der 2D-1D-TransformationRückrechnung von dem Frequenzraum in den Ortsraum aus dominanter Frequenz und ihrer Phase des Vektors die jeweilige Lage der Intensitätsextrema im 2-dimensionalen Interferogramm ermittelt wird. Diese Information kann typischerweise numerisch zur Verfügung gestellt werden, um daraus beispielsweise die eingangs genannten minimalen Längen- oder Wellenlängenänderungen auszuwerten.
Die Implementierung von Verfahren und Einrichtung kann Software- oder Hardware-mäßig erfolgen.
Die Erfassung der Ringradien in der beschriebenen Weise kann schnell, genau und deterministisch erfolgen, die Vermessung kann in Echtzeit erfolgen. Die Ausführungsgeschwindigkeit kann um zwei bis drei Größenordnungen, d.h. um den Faktor 100 bis 1.000 größer sein als bei herkömmlichen, beispielsweise iterativen Auswertemethoden.
Verfahren und Einrichtung sind aufgrund ihrer Robustheit und Schnelligkeit geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise an Bord eines Luftfahrzeugs zur Erfassung von Böen in einer Böensensorik, wie sie beispielsweise zur Verminderung von Strukturbelastungen des Luftfahrzeugs vorgesehen sein kann.

Claims

Verfahren zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen, welche eine 2-dimensionale Intensitätsverteilung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem 2-dimensionalen Interferogramm mittels einer 2D-1D-Transformation ein 1-dimensionaler Intensitätsvektor erzeugt wird, wobei die 2D-1D-Transformation so gewählt ist, dass in der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung vorhandene Intensitätsextrema äquidistant in dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor erscheinen, dass der 1-dimensionale Intensitätsvektor einer Fourier-Transformation unterzogen wird, und dass aus dem durch die Fourier-Transformation erhaltenen Fourier-Vektor Frequenz- und Phasenlage der dominanten Frequenz ermittelt werden, die der Lage der äquidistanten Intensitätsextrema entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Rückrechnung der Frequenz und Phasenlage der dominanten Frequenz von dem Frequenzraum in den Ortsraum die jeweilige Lage der Intensitätsextrema in dem 2-dimensionalen Interferogramm ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die intensitätsextrema von Fabry-Perot-Interferogrammen erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durch Implementierung in Software durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durch Implementierung in Hardware durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Echtzeit durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Erfassung von Längen- oder Wellenlängenänderungen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an Bord eines Luftfahrzeugs zur Erfassung von Böen durchgeführt wird.
Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interterogrammen, welche eine 2-dimensionale Intensitätsverteilung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine 2D-1D-Transformationseinheit (2) zur Erzeugung eines 1-dimensionalen Intensitätsvektors aus dem 2-dimensionalen Interferogramm vorgesehen ist, wobei die in der 2D-1D-Transformationseinheit durchgeführte 2D-1D-Transformation so gewählt ist, dass in der 2-dimensionalen Intensitätsverteilung vorhandene Intensitätsextrema äquidistant in dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor erscheinen, und dass eine Fourier-Transformationseinheit (3) zur Erzeugung eines Fourier-Vektors aus dem 1-dimensionalen Intensitätsvektor und zur Abgabe einer Information bezüglich Frequenz und Phasenlage der dominanten Frequenz vorgesehen ist, die der Lage der äquidistanten Intensitätsextrema entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Invertierungseinheit (4) zur Rückrechnung der Frequenz und Phasenlage der dominanten Frequenz von dem Frequenzraum in den Ortsraum vorgesehen ist, um die jeweilige Lage der Intensitätsextrema in dem 2-dimensionalen Interferogramm zu ermitteln.
Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung der Intensitätsextrema von Fabry-Perot-Interterogrammen vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung durch Implementierung in Software vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung durch Implementierung in Hardware vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung von Ringradien in Interferogrammen in Echtzeit vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung von Längen- oder Wellenlängenänderungen vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung an Bord eines Luftfahrzeugs zur Erfassung von Böen vorgesehen ist.