RU2482499C2 - Способ растрового оптического измерения скорости объекта - Google Patents
Способ растрового оптического измерения скорости объекта Download PDFInfo
- Publication number
- RU2482499C2 RU2482499C2 RU2010126779/28A RU2010126779A RU2482499C2 RU 2482499 C2 RU2482499 C2 RU 2482499C2 RU 2010126779/28 A RU2010126779/28 A RU 2010126779/28A RU 2010126779 A RU2010126779 A RU 2010126779A RU 2482499 C2 RU2482499 C2 RU 2482499C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- raster
- pse
- speed
- distance
- pses
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 8
- 238000000899 pressurised-fluid extraction Methods 0.000 claims description 24
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к оптическим измерителям скорости, например, автомобиля, на котором закреплен измеритель, относительно дороги. Способ основан на формировании пространственной амплитудной модуляции света, отраженного от объекта, с помощью растра, расположенного между оптической системой и фотоприемниками, и детектировании модулированного света с помощью минимум четырех фотоприемников и минимум трех дифференциальных усилителей, по частоте результирующего выходного электрического сигнала с которых судят о скорости объекта. Изобретение обеспечивает высокую точность и надежность измерений даже в случае неконтрастных и мало отражающих поверхностей. 2 ил.
Description
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.
Claims (1)
- Способ растрового оптического измерения скорости объекта, включающий формирование пространственной амплитудной модуляции света, отраженного от освещенного объекта, в направлении движения объекта, с помощью оптической системы (ОС) и периодической пространственной амплитудной структуры (растра), регистрацию амплитуды модуляции света с помощью нескольких фоточувствительных элементов (ФЧЭ), расположенных в фокальной плоскости ОС последовательно в направлении измеряемой скорости, и формирование переменного электрического сигнала путем вычитания сигналов соседних ФЧЭ дифференциальным усилителем (ДУ), по частоте выходного сигнала с которого судят о скорости объекта, отличающийся тем, что растр располагают между ОС и ФЧЭ, предпочтительно в средней трети расстояния между ними, свет регистрируют с помощью как минимум четырех ФЧЭ, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, выходы первого и второго ФЧЭ соединяют, например, с инвертирующим и неинвертирующим входами первого, выходы третьего и четвертого ФЧЭ соединяют с инвертирующим и неинвертирующим входами второго ДУ, выходы обоих ДУ соединяют с различными входами третьего ДУ, по частоте выходного сигнала с которого судят о скорости объекта, период растра D выбирают из условия
D=K·S·(F-L+L·G/F)/F,
где К - множитель, оптимальная величина которого составляет 3,3;
S - расстояние между центрами ФЧЭ;
F - фокусное расстояние ОС;
L - расстояние от растра до ФЧЭ;
G - оптимальное расстояние от ОС до объекта.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010126779/28A RU2482499C2 (ru) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Способ растрового оптического измерения скорости объекта |
PCT/RU2011/000452 WO2012002843A1 (ru) | 2010-07-01 | 2011-06-24 | Способ растрового оптического измерения скорости объекта |
DE112011102253.0T DE112011102253B4 (de) | 2010-07-01 | 2011-06-24 | Verfahren zur optischen Raster-Messung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010126779/28A RU2482499C2 (ru) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Способ растрового оптического измерения скорости объекта |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010126779A RU2010126779A (ru) | 2012-01-10 |
RU2482499C2 true RU2482499C2 (ru) | 2013-05-20 |
Family
ID=45402332
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010126779/28A RU2482499C2 (ru) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Способ растрового оптического измерения скорости объекта |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE112011102253B4 (ru) |
RU (1) | RU2482499C2 (ru) |
WO (1) | WO2012002843A1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU903774A1 (ru) * | 1980-05-30 | 1982-02-07 | Предприятие П/Я А-3070 (Филиал Предприятия П/Я А-1001) | Фотоэлектрическое устройство дл измерени перемещени объекта |
SU1290171A1 (ru) * | 1985-09-11 | 1987-02-15 | Предприятие П/Я А-3503 | Бесконтактный измеритель скорости прот женного оптически неоднородного объекта |
JPS6315171A (ja) * | 1986-07-07 | 1988-01-22 | Mitsubishi Electric Corp | 空間フイルタ応用速度センサ |
JPS63273064A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-10 | Toyota Autom Loom Works Ltd | 非接触型速度検出装置 |
JPH05188062A (ja) * | 1991-06-29 | 1993-07-27 | Lucas Ind Plc | 移動センサ |
JPH06313770A (ja) * | 1993-04-28 | 1994-11-08 | Omron Corp | 空間フィルタ方式速度測定装置とそれを備えた速度制御システム及び自動車 |
WO2008033049A1 (fr) * | 2006-09-15 | 2008-03-20 | Stanislav Fedorovich Rastopov | Procédé et dispositif de mesure optique (sans contact) des variations de vitesse d'un objet |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS52143081A (en) * | 1976-05-25 | 1977-11-29 | Ono Sokki Seisakusho Kk | System for measuring speed of moving object by air filter detector |
JPS6313770A (ja) * | 1986-07-04 | 1988-01-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 紙送り装置 |
JPS6465460A (en) * | 1987-09-07 | 1989-03-10 | Hitachi Ltd | Space filter type speed measuring instrument |
GB8803683D0 (en) * | 1988-02-17 | 1988-03-16 | Lucas Ind Plc | Method of & apparatus for measuring speed |
DE19722524A1 (de) * | 1997-05-30 | 1998-12-03 | Huebner Johannes | Optischer Frequenzgeber mit Korrelator |
DE19852665A1 (de) * | 1998-11-16 | 2000-05-25 | Corrsys Korrelatorsysteme Gmbh | Verfahren zur Erzeugung eines trägerfrequenz-modulierten Signals |
-
2010
- 2010-07-01 RU RU2010126779/28A patent/RU2482499C2/ru not_active IP Right Cessation
-
2011
- 2011-06-24 DE DE112011102253.0T patent/DE112011102253B4/de not_active Expired - Fee Related
- 2011-06-24 WO PCT/RU2011/000452 patent/WO2012002843A1/ru active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU903774A1 (ru) * | 1980-05-30 | 1982-02-07 | Предприятие П/Я А-3070 (Филиал Предприятия П/Я А-1001) | Фотоэлектрическое устройство дл измерени перемещени объекта |
SU1290171A1 (ru) * | 1985-09-11 | 1987-02-15 | Предприятие П/Я А-3503 | Бесконтактный измеритель скорости прот женного оптически неоднородного объекта |
JPS6315171A (ja) * | 1986-07-07 | 1988-01-22 | Mitsubishi Electric Corp | 空間フイルタ応用速度センサ |
JPS63273064A (ja) * | 1987-04-30 | 1988-11-10 | Toyota Autom Loom Works Ltd | 非接触型速度検出装置 |
JPH05188062A (ja) * | 1991-06-29 | 1993-07-27 | Lucas Ind Plc | 移動センサ |
JPH06313770A (ja) * | 1993-04-28 | 1994-11-08 | Omron Corp | 空間フィルタ方式速度測定装置とそれを備えた速度制御システム及び自動車 |
WO2008033049A1 (fr) * | 2006-09-15 | 2008-03-20 | Stanislav Fedorovich Rastopov | Procédé et dispositif de mesure optique (sans contact) des variations de vitesse d'un objet |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
US 6403950 В1, Jun. 11, 2002. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2012002843A1 (ru) | 2012-01-05 |
DE112011102253B4 (de) | 2014-04-03 |
RU2010126779A (ru) | 2012-01-10 |
DE112011102253T5 (de) | 2013-05-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105466886B (zh) | 中红外扫描系统 | |
WO2017168984A1 (ja) | 撮像装置、撮像方法 | |
JPS6365922B2 (ru) | ||
CN107036638B (zh) | 光编码器 | |
JP2015108702A (ja) | 位相シフト量測定装置及び測定方法 | |
JPS6036003B2 (ja) | 被検査表面の検査方法 | |
US20060177102A1 (en) | Structure function monitor | |
CN100476365C (zh) | 位移检测光电式编码器 | |
CN101782430A (zh) | 一种基于哈达玛变换成像光谱仪的光谱复原方法 | |
JP2008185582A (ja) | 位相シフト量測定装置及び透過率測定装置 | |
RU2482499C2 (ru) | Способ растрового оптического измерения скорости объекта | |
US20140374603A1 (en) | Profilometry systems and methods based on absorption and optical frequency conversion | |
CN103968943A (zh) | 一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法 | |
WO2019176938A1 (ja) | 波長検出装置及び共焦点計測装置 | |
CN101925823B (zh) | 根据空间频率滤波方法用以光学测量速度的方法和传感器 | |
JP2019092088A (ja) | 撮像装置 | |
US7146060B2 (en) | Real-time correction of phase distortion | |
Dupont et al. | Binary pattern codification strategies in an active stereoscopic system based on flexible image guides | |
CN105103238B (zh) | 用于谱滤波的基于泰伯效应的近场衍射 | |
CN113790808A (zh) | 条纹追踪方法 | |
WO2008033049A1 (fr) | Procédé et dispositif de mesure optique (sans contact) des variations de vitesse d'un objet | |
JP2020030166A (ja) | 距離測定装置および方法 | |
JP2019215165A (ja) | 距離測定装置及び距離測定方法 | |
WO2023228493A1 (ja) | 速度測定装置及び速度測定方法 | |
US20230177644A1 (en) | Method and system for super-resolved imaging |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130702 |