DE102014007291A1

DE102014007291A1 - Vefahren zur Messung von Wegen und Geschwindigkeiten

Info

Publication number: DE102014007291A1
Application number: DE102014007291.6A
Authority: DE
Inventors: Ubbo Ricklefs; Frank Wasinski
Original assignee: TECH HOCHSCHULE MITTELHESSEN; Technische Hochschule Mittelhessen
Current assignee: TECH HOCHSCHULE MITTELHESSEN; Technische Hochschule Mittelhessen
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten, mit einem oder mehreren mittels Ortsfrequenz-Filterverfahren arbeitenden optische Einzelsensoren Dieses Verfahren weist folgende Schritte auf: a) Einteilung der Bildebene in n Streifen oder Segmente b) Festlegung eines Vektors W der n Filterkoeffizienten wk, wobei Summe über alle n Filterkoeffizienten wk null ergibt, und dass die Anzahl der Filterkoeffizienten der Anzahl der Streifen oder Segmente entspricht, und der Vektor W der Filterkoeffizienten wk symmetrisch ist, so dass für einen beliebigen Filterkoeffizienten wk gilt wk = wn-k+1 c) Messung der n Helligkeitswerte sk der Einzelsensoren der Streifen oder Segmentes d) Summation der mit der n Filterkoeffiziente wk gewichteten n Helligkeitswerten sk des zu einem Gesamtwert der Helligkeit G.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten mit Korrelations-Geschwindigkeitssensoren. Diese Sensoren funktionieren einem Ortsfrequenzfilterverfahren.
[Stand der Technik]
Für die Messung von Relativgeschwindigkeiten zwischen einem Beobachter bzw. Sensor und der Oberfläche eines Objekts sind Sensoren bekannt, welche nach verschiedenen Verfahren arbeiten. Generell ist bei der Messung der Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Sensor und einer Oberfläche unerheblich, ob sich der Sensor gegenüber dem Objekt bewegt oder das Objekt gegenüber dem Sensor. Schließlich basiert die Geschwindigkeitsmessung dem Grunde nach auf der Bestimmung einer Länge, beispielsweise des zurückgelegten Weges des Objekts im Messbereich des Sensors innerhalb einer bestimmten Zeit. Aus der gemessenen Verschiebung und der benötigten Zeit kann damit die Geschwindigkeit bestimmt werden. Durch einfache Integration über die gemessene Zeit kann auch die zurückgelegte Wegstrecke bzw. die Länge eines Objektes mit einem entsprechenden Sensor bestimmt werden. Sensoren zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind daher auch zur Längenmessung geeignet.
Zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind mehrere Verfahren bekannt. Eines dieser Verfahren ist das Ortsfrequenzfilterverfahren. Bei diesem wird ein bewegtes Objekt durch ortsfeste, gitterförmige periodische Strukturen zur Geschwindigkeitsmessung beobachtet. Das zeitabhängige Ausgangssignal (Ortsfrequenzfiltersignal) der verwendeten Fotosensoranordnung ist periodisch mit einer dominanten Frequenz, welche proportional zur senkrecht zur Ausrichtung des Gitters orientierten Geschwindigkeitskomponenten des Objektes ist.
Die Schrift DE 4309959 A1 beschreibt einen Sensor, dessen Bild in Streifen unterteilt wird. Die Bildinformationen der Streifen werden aufsummieren, wobei einige Streifen dabei ausgelassen werden können. Die Summensignale werden in einer Diskriminierungseinheit miteinander verglichen, um so zu einem Wechselsignal zu gelangen, dessen Nulldurchgänge gezählt werden können, um darüber auf die Signalfrequenz und damit auf die Geschwindigkeit schließen zu können. Nicht angegeben ist die Charakteristik der Ortsfrequenzfilter. Ebenso wird das Problem der Phasensprünge und der damit verbundenen Messunsicherheit nicht betrachtet.
In DE 00 0004 409 241 C2 werden Ortsfrequenzfilter beschrieben, die die einzelnen Streifen des Bildes mit Wichtungsfaktoren – den Filterkoeffizienten belegen. Die hier beschriebenen Wichtungen führen zu einer Ortsfrequenzfilterung. Sie haben aber den Nachteil, dass die gefilterten Signale in der Regel ein deutliches Offset aufweisen. Um dennoch zur Geschwindigkeitsmessung auf die einfache Nulldurchgangszählung zurückgreifen zu können, müssten diese Signale zusätzlich zeitlich gefiltert werden. Die hier angesprochenen Filterkoeffizienten z. B. für den Filter K1 = {1, 2, 1, –1, –2, –1, 1, 2, 1, ...} können je nach Start- und Abschlusssequenz entweder als insgesamt symmetrisches oder antisymmetrisches Filter aufgefasst werden. Die Grundsequenz ist antisymmetrisch. Weiter wird hier vorgeschlagen, dass phasenverschobenen Filter dadurch gebildet werden, dass die Wichtungskoeffizienten der Filter zyklisch getauscht werden. Dies führt insbesondere bei kurzen Filtersequenzen zu Offseteffekten.
Die bekannten Filterungen z. B. durch die alternierende Wichtung der Streifen mit +1/–1 führen somit zu folgenden Schwierigkeiten:

1. Die Unterdrückung des Offsets durch ein zeitliches Bandpassfilter führt dazu, dass der Sensor bei Geschwindigkeit null nicht messen kann.
2. Aus dem Signal G(u₀(t)) lässt sich nicht auf die Bewegungsrichtung schließen.
3. Einzelne Objekte, die sich durch das Bildfeld bewegen, erzeugen einzelne Bursts d. h. starke Änderungen in der Amplitude. Die typischen Bursts ( ) zeigen eine Periodenanzahl, die der halben Anzahl der Streifen des Sensorfeldes entspricht. Am Ende der Bursts kommt es in der Regel zu Phasensprüngen. Diese Phasensprünge kommen dadurch zustande, dass das Messsignal von größeren Objekten (z. B. steine auf einer Straße) bestimmt wird, die nacheinander in das Bildfeld laufen. Da diese Objekte in der Regel untereinander unkorreliert sind, führt dieser Phasensprung zu einem Messfehler in der Geschwindigkeitsbestimmung ( , ).

[Aufgabe]
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine genauere und sicherere Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen einem Sensor und einer dazu beabstandete Oberfläche des zu untersuchendes Objektes zu ermöglichen.
[Lösung der Aufgabe]
Die Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
In der einfachsten Ausführung dieser Sensoren wird eine Oberfläche gleichzeitig an zwei Stellen, die einen Abstand d voneinander haben, abgetastet. Wird der Sensor relativ zur Oberfläche in Richtung der zweiten Messstelle bewegt, dann erscheint ein zufälliges Muster an der Stelle x auf der Oberfläche zuerst an der ersten Messstelle und nach der Zeitspanne Δt erscheint das Muster an der zweiten Messstelle. Die Geschwindigkeit bestimmt man dann als v = d/Δt.
Bei einer optischen Abbildung der Oberfläche auf Photodioden im Abstand d entspricht dieser Abstand d über den Abbildungsmaßstab β des Objektivs eine Strecke D in der Objektebene. Bei der Subtraktion der Diodensignale entspricht das Messsignal der Helligkeitsdifferenz zwischen diesen beiden Oberflächenpunkten.
Bei einer Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor und Oberfläche wird dieser ortsabhängige Helligkeitsunterschied zu einem zeitlichen Signal. Bei einer festen Geschwindigkeit sind also Messort und Messzeitpunkt gleichwertig.
Dabei wird die Oberfläche auf einen Empfängerfläche auf der sich Helligkeitssensoren befinden abgebildet. Das heißt die Helligkeitswerte wird von d aus der Bewegung des Bildes der Oberfläche im Sensor wird auf die Bewegung des Sensors gegenüber der Oberfläche geschlossen.
Im Folgenden wird, nur die Bewegung des Sensors entlang einer Achse der x-Achse bzw. y-Achse untersucht. Diese wird wie in gezeigt invertiert mit der gewählten Vergrößerung β auf die u-Achse bzw. v-Achse in der Bildebene abgebildet.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche des zu untersuchendes Objektes auf eine Bildebene mit Helligkeitssensoren (Einzelsensoren) abgebildet ( ). Aus der Bewegung des Bildes der Oberfläche auf der Empfängerfläche mit Helligkeitssensoren, wird auf die Bewegung des Sensors gegenüber der Oberfläche geschlossen.
Jeder Einzelsensor misst die Helligkeit eines Ausschnitts der Bildebene. Dieser Ausschnitt kann gefiltert werden. Die Filterung der hohen Ortsfrequenzen geschieht dabei dadurch, dass der Bildausschnitt in n Streifen oder Segmente zerlegt wird. Die Streifen lassen sich als Einzelsensoren z. B. Photodioden in einem Photodiodenarray oder auch mittels Software die Messwerte von mehreren Einzelsensoren (Pixel) in entsprechenden Streifen zu einem Messwert zusammengefasst werden.
Als verwendbare Fotosensoren kommen alle nach dem Stand der Technik bekannten und geeigneten Empfänger zur optischen Strahlungsmessung in Frage, so zum Beispiel Fotodioden oder so genannte CCDs (Charge Coupled Devices) und dergleichen. Die geometrische Ausgestaltung der einzelnen Fotosensoren kann dabei beliebig sein.
Die Fotosensoren sind beispielsweise in einen anwenderspezifischen IC (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) bzw. digitalen Baustein integriert.
Jeder Streifen weist einen integralen Helligkeitswert auf. Die Helligkeitsverteilung im Bild kann durch eine Funktion ĝ(u, v) beschrieben werden ( ). Integriert man die Funktion ĝ(u, v) in v-Richtung über die Höhe der Streifen, so erhält man eine Funktion g(u), die die über v summierten Helligkeitswerte als Funktion von u entlang der u-Achse wiedergibt. Ein Streifen an der Stelle u_k summiert diese Funktion g(u) zusätzlich über die Streifenbreite d.
Die Einzelsensoren (oder der Einzelsensor) jedes Streifen liefern einen Helligkeitswert s_k, der der Gesamthelligkeit über diesem Streifen entspricht. In der Praxis wird einem Einzelstreifen wenigstens ein Einzelsensor zuordnet.
In einem alternativen Verfahren werden die Signale der Einzelstreifen durch die Summation der Helligkeitswerte der in den einzelnen Streifen liegenden Einzelsensoren erzeugt. Dies ist vorteilhaft wenn das Helligkeitssignal örtlich stark variiert.
Die Helligkeitswerte s_k der Einzelstreifen, spannen einen Messwertevektor S auf.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Helligkeitswerte s_k werden mit w_k gewichtet und zu einem Gesamtwert der Helligkeit G summiert.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Filterkoeffizienten w_k dabei so gewichtet, dass

1. Die Summe über die Filterkoeffizienten wird null beträgt. Σ n / k=1w_k = 0, wo n der Anzahl der Filterkoeffizienten des Vektors entspricht. und
2. Der Vektor W der Filterkoeffizienten w_k ist symmetrisch, so dass es gilt: w_k = w_n-k+1

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten, mit einem oder mehreren mittels Ortsfrequenz-Filterverfahren arbeitenden optische Einzelsensoren, umfasst also die folgenden Schritte:

a) Einteilung der Bildebene in n Streifen oder Segmente
b) Festlegung eines Vektors W der Filterkoeffizienten w_k, wobei Summe über alle Filterkoeffizienten w_k null ergibt, und und dass die Anzahl der Filterkoeffizienten der Anzahl der Streifen oder segmente entspricht und der Vektor W der Filterkoeffizienten w_k symmetrisch ist, so dass für einen beliebigen Filterkoeffizienten w_k gilt w_k = w_n-k+1
c) Messung der n Helligkeitswerte s_k der Einzelsensoren der Streifen oder Segmentes
d) Summation der mit w_k gewichteten n Helligkeitswerte s_k des Vektors S zu einem Gesamtwert der Helligkeit G.

Wie man z. B. in dem in gezeigten Beispiel sieht, dienen symmetrische Filter zur Unterdrückung des Offsets und von Phasensprüngen. Gegenüber der sonst üblichen unsymmetrischen Filterung stellt dies einen großen Vorteil dar.
Wenn die Anzahl der Filterkoeffizienten w_k vor der Messung kleiner als die Anzahl der Signale s_k der Streifen ist, werden In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens am Ende und/oder am Anfang der Vektors W 0-Wichtungen eingefügt, sodass bei der Messung die Anzahl der Einzelsignale der Anzahl der Filterkoeffizienten entspricht. So kann wieder ein Gesamtwert der Helligkeit G gemessen werden. Das Einfügen erfolgt so, dass die Bedingungen 1. und 2. erfüllt sind. Der Filterkoeffizienten w_k.
Eine 0-Wichung des Filterkoeffizienten w_k entspricht dem Wert w_k = 0.
Den Anfang des Vektors W bildet w₀. Das Ende des Vektors W bildet w_n. So können mehrere Filter erzeugt werden, wobei die 0-Wichtungen am Anfang und Ende des Filtervektors in unterschiedlicher Anzahl eingefügt werden können, und dass mit diesen Filtern gleichzeitig mehrere Messwerte erzeugt werden. Damit kann sicher die Bewegungsrichtung bestimmt werden.
Dieses Verfahren stellt die zuverlässige und fehlerfreie Ermittlung der Messwerte für Vorrichtungen zur Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten sicher.
Ausführungsbeispiele
Ein einfaches Beispiel für diese Filterung zur Erzeugung eines Messwertes G₁₂₃ ist in der Tab. 1 angegeben.

k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... ... ... ... n – 1 n

w_k –1 +2 –1 –1 +2 –1 –1 +2 –1 +2 –1

Tab. 1 Filter W₁₂₃ zur Erzeugung von G₁₂₃ G₁₂₃ = W₁₂₃·S

Ein weiteres Beispiel für unsymmetrische und symmetrische Filter ist in Tab. 2 zu finden

k	1	2	3	4	5	6	7	8	...	...	...	n – 3	n – 2	n – 1	n
W₁₃	–1	0	+1	0	–1	0	+1	0				–1	0	+1	0
W₂₄	0	–1	0	+1	0	–1	0	+1				0	–1	0	+1
W_13-24	–1	+1	+1	–1	–1	+1	+1	–1				–1	+1	+1	–1

Tab. 2 Während W₁₃ und W₂₄ unsymmetrische Filter sind, ist W_13-24 ein symmetrisches Filter

zeigt das Ergebnis für den Vergleich der symmetrischen und unsymmetrischen Filterung. In dem gezeigten Beispiel zeigen die Filter eine 4-er Periodizität. Die Summe der Filterkoeffizienten wird für alle drei Filter zu null. Während W₁₃ und W₂₄ unsymmetrisch sind, ist W_13-24 symmetrisch. G₁₃ = W₁₃·S G₂₄ = W₂₄·S G_13-24 = W_13-24·S
Dasselbe Ergebnis erhält man mit G_13-24 = G₁₃ – G₂₄
Die Diagramme in , und wurden erhalten, indem in ein Ausschnitt des Oberflächenbildes in Streifen unterteilt wurde und dann die Verschiebung des Sensors im Bild simuliert wurde. Wie man in sieht, unterdrückt das symmetrische Filter W_13-24 den Offset und löst damit die Aufgabe nach 4.a. Gegenüber der sonst üblichen unsymmetrischen Filterung stellt dies einen großen Vorteil dar. Außerdem liefert diese Filterung erheblich größere Signalamplituden, so dass ein zusätzliches schmalbandiges zeitliches Filter zur Unterdrückung des Rauschens in der Regel nicht benötigt wird.
Dies zeigt auch die Fourier Analyse. In sind die Signalanteile der Ausgangsoberfläche in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz f_x (Wiener Spektrum) dargestellt. Das der üblichen unsymmetrischen Filterung G₁₂ ist in gezeigt. Dieses Ergebnis ist zu vergleichen mit dem Signal nach der symmetrischen Filterung G₁₂₃, das in gezeigt ist. Anzahl und Geometrie der zu Grunde gelegten Streifen ist in allen Fällen gleich. Da die Simulationen mit einem Kamerabild durchgeführt wurden, sind die Ortsfrequenzen in Linienpaaren pro Pixel (lp/pix) angegeben. Als Breite der Streifen wurde fünf Pixel gewählt. Dies führt bei der üblichen unsymmetrischen Filterung mit W₁₂ bei der Ortsfrequenz von 0,1 Linienpaaren/Pixel (lp/pix) zu einem schmalbandigen Durchlass-bereich. Man erkennt aber auch, dass die Signalanteile im niederfrequenten Bereich gleich hohe Signalanteile liefern, wie im Durchlassbereich des Filters. Nur das Signal im Durchlassbereich des Filters soll aber für die Messung ausgewertet werden. Deshalb muss – wie beschrieben – dieses Signal zusätzlich im Zeitbereich gefiltert werden. Das symmetrische Filter W₁₂₃ liefert die höchsten Werte G₁₂₃ im Durchlassbereich und unterdrückt die niederfrequenten Ortsfrequenzanteile wirkungsvoll. Auf die zusätzliche Filterung im Zeitbereich kann verzichtet werden. (Da bei diesem Filter die Grundperiode aus drei Streifen gebildet wird, verschiebt sich der Durchlassbereich in diesem Beispiel auf 0,066 lp/pix.)
Die besprochenen Filter bestehen aus einem Basisfilter W₀, mit dem durch mehrfaches Aneinanderreihen die Filter W erzeugt werden. Im Beispiel wird das Filter W_13-24 durch das n/4-fache Aneinanderreihen des Grundfilters W₀ erzeugt. W₀ = {–1, +1, +1, –1} W_13-24 = {W₀, W₀, W₀, ..., W₀}
Wenn das Filter W₀ die Forderung nach der Symmetrie erfüllt und die Summe seiner Filterkoeffizienten zu null wird, dann sind diese Forderungen auch für das Gesamtfilter erfüllt.
Eine Phasenverschiebung zwischen einzelnen Filtern kann durch das Einfügen von 0-Elementen am Anfang/Ende erzeugt werden. W_/0 = {W, 0} W_/1 = {0, W}

k 1 2 3 4 5 6 7 8 ... ... ... ... n – 2 n – 1 n

W_13-24/0 –1 +1 +1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 –1 0

W_13-24/1 0 –1 +1 +1 –1 –1 +1 +1 +1 +1 –1
Entsprechend kann man für G_13-24 dann wieder schreiben: G_13-24 = W_13-24/0·S G_24-35 = W_13-24/1·S
Im Zeitbereich liefern die Signale G_13-24(u₀(t)) und G_24-35(u₀(t)) beim Verschieben des Sensors in Richtung der u-Achse Bursts, die gegeneinander phasenverschoben sind. Aus dem Vergleich der beiden Signale gegeneinander lässt sich in bekannter Weise die Bewegungsrichtung bestimmen ( ).
Liefert das Signal G_13-24(u₀(t)) an einer Stelle u₀ einen Phasensprung ( ), dann zeigt das Signal G_24-35(u₀(t)) diesen Phasensprung um die Zeitspanne Δt später. Die Zeitspanne Δt benötigt der Sensor, um das Bild auf dem Streifendetektor um eine Streifenbreite d weiter zu schieben. Zählt man jetzt nicht – wie üblich – die Nulldurchgänge der Bursts, sondern misst man den zeitlichen Versatz zwischen den beiden Signalen, so lässt sich damit die Geschwindigkeit v im Bild bestimmen, ohne dass die Phasensprünge Messfehler verursachen. ν = d/Δt
Zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Sensors gegenüber der Oberfläche muss zusätzlich die Vergrößerung β durch das Objektiv berücksichtigt werden.
Es lassen sich leicht weitere Filter angeben, die die Forderungen zur Filterbildung erfüllen:

a. Die Summe der Filterkoeffizienten des Grundfilters W₀ muss zu null werden,
b. das Grundfilter W₀ muss symmetrisch bezüglich seiner Mitte sein,
c. das Gesamtfilter W wird durch mehrfache Aneinanderreihung der Grundfilter W₀ erzeugt,
d. phasenversetzte Filter werden erzeugt, indem am Anfang bzw. am Ende der W-Filter null-Elemente eingefügt werden.

Beispiel für ein weiteres Filter (W₀ durch fette Formatierung hervorgehoben)

k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

...

n – 1

n

n + 1

n + 2

W_123/0

–1

+2

–1

+2

–1

+2

–1

+2

–1

0

W_123/1

0

–1

+2

–1

+2

–1

+2

–1

+2

–1

0

W_123/2

0

–1

+2

–1

+2

–1

+2

–1

Hier lassen sich die Messsignale: G₁₂₃ = W_123/0·S G₂₃₄ = W_123/1·S G₃₄₅ = W_123/2·S bilden. Die Signale G₁₂₃, G₂₃₄ und G₃₄₅ sind gegeneinander phasenverschoben und erzeugen ein typisches Drehfeld, wie es zur Bestimmung der Bewegungsrichtung und zur Interpolation der Phase benötigt wird (in dargestellt für G₁₂₃ und G₂₃₄).
[Abbildungslegenden und Bezugszeichenliste]
In der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Diese Offenbarung der Erfindung soll die Merkmale oder Hauptelemente der Erfindung nicht auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschränken. Vielmehr können die verschiedenen Elemente, Aspekte und Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, durch einen Fachmann auf dem Gebiet auf verschiedene Arten kombiniert werden, um einen oder mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
zeigt eine auf Kamerachip durch Abbildung einer Oberfläche erzeugte Helligkeitsverteilung g(u, v). Der Rahmen kennzeichnet den Bereich des Bildes, in dem die Sensor-Empfängerfläche simuliert wird. Die Empfängerfläche des Sensors unterteilt das Bild in diesem Bereich in n Streifen; (Koordinatenangaben in Pixeln).
zeigt ein beispielhaftes Sensorsignal G(u₀(t)). Die 32 Streifen sind alternierend mit +1/–1 ... gewichtet, und über ein (zeitliches) Hochpassfilter, aufgezeichnet.
Die Anzahl der der Schwingungen entspricht hierbei der halben Streifenzahl. Zwischen den Schwingungen S finden Phasensprünge P statt.
zeigt die Zerlegung des Bildsignals in einzelne Streifen. Die x-Achse des der Objektoberfläche (O_f), entspricht dabei der u-achse der Bildfläche. B_x zeigt dabei die Bewegungsrichtung der Oberfläche gegenüber dem Sensor entlang der x-Achse. B_u zeigt dabei die resultierende Bewegungsrichtung der Abbildung entlang der u-Achse. Einzelne Objekte (O1, O2, O3) auf der Objektoberfläche (O_f), die sich durch das Bildfeld bewegen erzeugen einzelne Bursts. Da die Position der Objekte (O1, O2, O3) untereinander unkorreliert ist treten Phasensprünge zwischen den Bursts auf. Diese Burst sind im unteren Teil der Darstellung abgebildet.
zeigt die Signalamplitude A des unsymmetrischen Filters G₄₃ und des symmetrischen Filters G_43-24
zeigt den Der Versatz V zwischen den Messwerten G₁₂₃(u,,(t)) und G₂₃₄(u,,(t)). Dieser entspricht einer Streifenbreite d. Bei der Verschiebung des Sensors gegenüber der Oberfläche wird eine Zeitspanne Δt benötigt, um G₂₃₄(u₀(t + Δt) = G₁₂₃(u₀(t) zu erhalten. Bei bekanntem Abbildungsmaßstab β von der Oberfläche auf den Sensor bestimmt man so die Geschwindigkeit über die Relation:
ν = d / Δt·β Die Messfehler durch den Phasensprung werden dabei vermieden.
zeigt die Spektren der der fouriertransformierten Leistungsdichte p'(g(u)) verschiedener Signale.
Teilabbildung a) zeigt das Leistungsspektrum des Ausgangssignals,
Teilabbildung b) zeigt das unsymmetrisch gefilterte Signal mit einem hohen Anteil niedriger Ortsfrequenzen,
Teilabbildung c) zeigt das symmetrisch gefilterte Signal mit unterdrückten niederfrequenten Signalanteilen.
zeigt beispielhaft eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, mit deren Hilfe die Messungen der relativen Geschwindigkeit durchgeführt werden. Die Vorrichtung besteht aus einer Lampe 5, einer Blende 2, einem Gitter mit Optik 3, einem Sensor, zwei Objektiven 7, einem Spiegel 1 sowie Vorverstärker mit Photodioden 4.
zeigt das das Signalverlaufen durch das Optiksystem. Die Oberflächenstruktur 6 wird über das erste (telezentrisches) Objektiv 7 auf ein Prismengitter 3 abgebildet. Das Prismengitter 3 bewirkt eine Feldteilung. Über ein weiteres Objektiv werden die Prismen auf zwei Photodioden 4 abgebildet. Jede zweite Prismenflanke lenkt den zugehörigen Teil-Abbildungsstrahlengang auf die obere Photodiode 4, jede dazwischen liegende Prismenflanke lenkt den zugehörigen Teil-Abbildungsstrahlengang auf die untere Photodiode 4. Das verstärkte Differenzsignal dieser Dioden 4 ist das Messsignal dieses Sensors, das anschließend noch zusätzlich gefiltert und aufbereitet wird. Jede Diode summiert alle ihr zugeordneten Bildanteile.
Bezugszeichenliste

1: Spiegel
2: Blende
3: Gitter mit Optik
4: Photodioden mit Vorverstärker
5: Lampe
6: Objektoberfläche
7: Objektiv

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4309959 A1 [0004]
DE 000004409241 C2 [0005]

Claims

Verfahren zur Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten, mit einem oder mehreren mittels Ortsfrequenz-Filterverfahren arbeitenden optische Einzelsensoren, aufweisend folgende Schritte: a) Einteilung der Bildebene in n Streifen oder Segmente b) Festlegung eines Vektors W der n Filterkoeffizienten w_k, wobei Summe über alle n Filterkoeffizienten w_k null ergibt, und dass die Anzahl der Filterkoeffizienten der Anzahl der Streifen entspricht, und der Vektor W der Filterkoeffizienten w_k symmetrisch ist, so dass für einen beliebigen Filterkoeffizienten w_k gilt w_k = w_n-k+1 c) Messung der n Helligkeitswerte s_k der Einzelsensoren der Streifen oder Segmentes d) Summation der mit der n Filterkoeffiziente w_k gewichteten n Helligkeitswerten s_k des zu einem Gesamtwert der Helligkeit G.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Signale s_k der Streifen nach durch die Summation der Helligkeitswerte von Einzelsensoren in den Streifen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass wenn die Anzahl der Filterkoeffizienten w_k vor der Messung kleiner als Anzahl der Signale der Einzelsensoren s_k ist, bei der Messung 0-Wichtungen am Ende und/oder am Anfang des Vektors W eingefügt werden, dass die Anzahl der Filterkoeffizienten wk gleich Anzahl der Einzelsignale wieder der Anzahl der Filterkoeffizienten wk entspricht.
Vorrichtung zur Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten dadurch gekennzeichnet, dass die Messung nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3 erfolgt.