DE4409241C2 - Optischer Korrelator zur berührungslosen optischen Messung von Wegen und Geschwindigkeiten relativ zueinander bewegter Objekte - Google Patents

Optischer Korrelator zur berührungslosen optischen Messung von Wegen und Geschwindigkeiten relativ zueinander bewegter Objekte

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem optischen Korrelator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Optische Korrelatoren, die zur berührungslosen optischen Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten geeignet sind, sind in vielfachen Ausführungsformen bekannt (DE-OS 32 29 343; DE-OS 39 11 830; DE-OS 40 18 189; DE-OS 40 34 846).
Solche optischen Korrelatoren werden häufig in der Kfz-Meßtechnik zur Geschwindigkeits- und Richtungsbestimmung eingesetzt; sie eignen sich aber auch für sonstige industrielle Zwecke, bei denen bewegte Meßgüter bzw. deren Geschwindigkeit gemessen werden soll, beispielsweise ist ein Einsatz im Bereich industrieller Fertigungsstraßen für Bandgüter, insbesondere mit Produkten sinnvoll, die taktil nur schwer oder gar nicht meßbar sind wie beispielsweise glühende gewalzte Eisenträger in Walzwerken.
Optische Korrelatoren bilden die unregelmäßige Oberfläche des Meßguts auf einer regelmäßigen Struktur des Sensorelements ab. Diese Struktur bewertet die Bildinformation abschnittsweise mit verschiedenen Koeffizienten, führt also eine Kreuzkorrelation zwischen der Oberflächenstruktur und dem Sensorelement durch. Wegen der begrenzten Ausdehnung des Sensorelements wird hier auch von einem Ortsfrequenzfilter gesprochen, dessen Filtergüte wesentlich von der Auslegung der Filterkoeffizienten bestimmt wird.
Der Ausgang Y(t) des Filters ist eine Zeitfunktion und bestimmt sich aus
Y(t) = s(t) × K
wobei s(t) der Vektor der Abtastwerte der Oberfläche (zeitlich variabel) und K der Koeffizientenvektor ist. Das Korrelationsergebnis ist im Zeitmittel eine geschwindigkeitsproportionale Frequenz, die mit speziellen Mitlauffiltern zu zählbaren Impulsen aufbereitet wird.
Für ein erwartungswertgetreues Meßergebnis wird ein möglichst gleichmäßiges Leistungsdichtespektrum vorausgesetzt (örtliches weißes Rauschen). Wird diese Voraussetzung beispielsweise durch eine deterministische Struktur (z. B. Gewebe) auf der Oberfläche verletzt, kann es je nach ihrer Ausprägung zu mehr oder weniger verfälschten Meßergebnissen kommen. Bedeutend ist hierbei, in welchem Verhältnis dominante Ortsfrequenz fd und Mittenfrequenz des Ortsfrequenzfilters fm zueinander stehen.
Ein optischer Korrelator zur berührungslosen optischen Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten, bei dem eine unregelmäßige Oberfläche des Meßguts auf einer regelmäßigen Struktur eines Sensorelements abgebildet wird, geht aus der DD 218 170 A1 hervor.
Aus der DE 40 09 737 C2 ist es bekannt, ein unregelmäßiges Sensorausgangssignal mittels einer schmalbandigen und elektronisch erzeugbaren Gewichtungsfunktion zu bewerten, die ein diskretes Frequenzspektrum weitgehend ohne Gleichstrom- und Oberwellen- Signalanteile aufweist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei optischen Korrelatoren die Meßgenauigkeit zu erhöhen und Störungen zu eliminieren.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, daß durch den Einsatz unterschiedlicher Mittenfrequenzen für das Ortsfrequenzfilter die Empfindlichkeit wesentlich verbessert werden kann.
Zwar läßt sich dem Problem auch dadurch begegnen, daß die Güte des optischen Filters erhöht wird, dies ist jedoch aufgrund der physikalischen Grenzen, an welche solche Maßnahmen stoßen, nicht oder nur sehr schwierig realisierbar.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Korrelierung teilerfremder Mittenfrequenzen im vorgegebenen Verhältnis parallel mit der Ortsfrequenz des zu messenden Objekts, wobei durch geeignete Verrechnung eine dominante und störende Ortsfrequenz auch bei oberwellenbehafteter Struktur eliminiert werden kann.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung dargestellt und ist in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt das Verhältnis der dominanten Ortsfrequenz fd und der Mittenfrequenz des Ortsfrequenzfilters fm zueinander.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Basis des optischen Korrelators ist ein CCD-Zeilenelement, welches einen seriellen Pixelstrom erzeugt, der mit verschiedenen Koeffizientenreihen bewertet wird, beispielsweise wie folgt:
K1 = (1, 2, 1, -1, -2, -1, 1, 2, 1, . . .)
K2 = (1, 2, 2, 1, -1, -2, -2, -1, . . .)
K3 = (1, 2, 3, 2, 1, -1, -2, -3, -2, -1, . . .).
Es werden daher bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei teilerfremde Mittenfrequenzen im Verhältnis 1/3 : 1/4 : 1/5 verwendet, die parallel mit der Ortsfrequenz des Meßgutes korreliert werden. Durch geeignete Verrechnung kann die dominante und störende Ortsfrequenz auch bei oberwellenbehafteter Struktur eliminiert werden.
Zur Richtungserkennung werden die Koeffizientenreihen um wenige Positionen verschoben. Auf diese Weise entsteht ein Drehfeldsignal, mit dem eine Richtungserkennung durch bekannte Verfahren dann sehr einfach möglich ist:
K2 = (1, 2, 2, 1, -1, -2, -2, -1, . . .)
K2' = (2, 1, -1, -2, -2, -1, 1, 2, . . .).
Auf diese Weise ergibt sich bei einem optischen Korrelator beispielsweise ein Meßbereich von ±500 m/min, wobei durch ein digitales Mitlauffilter auch Geschwindigkeiten von Null möglich sind.

Claims (4)

1. Optischer Korrelator zur berührungslosen optischen Messung von Wegen und Geschwindigkeiten von relativ zueinander bewegten Objekten, wobei eine unregelmäßige Oberfläche des zu messenden Objekts auf einer regelmäßigen Struktur eines Sensorelements zur Ortsfrequenzfilterung abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Ortsfrequenzfilter mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen zur parallelen Korrelation eingesetzt sind.
2. Optischer Korrelator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß teilerfremde Mittenfrequenzen in einem vorgegebenen Tellerverhältnis (1/3 : 1/4 : 1/5) verwendet sind, die zur Eliminierung einer störenden Ortsfrequenz parallel mit der Ortsfrequenz des zu messenden Objekts korreliert werden.
3. Optischer Korrelator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem CCD-Zeilenelement als Sensorelement stammender serieller Pixelstrom mit verschiedenen die Mittenfrequenzen definierenden Koeffizientenreihen bewertet wird.
4. Optischer Korrelator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung eines Drehfeldsignals für die Richtungserkennung die Koeffizientenreihen um vorgegebene Positionen verschoben werden.
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