Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01B11/00 

и его амплитуда не зависит от оцениваемых параметров, которые в этом случае существенно неэиёргетические, что позволяет определить весовые коэффициенты Ц, , ,... ,Сзо заранее. Поток излучения от точечного источника 1 когерентного излучения делится оптическим делителем 3 на три пучка равной амплитуды. Фазовый транспарант 2, амплитудные транспаранты 7 и 8 и обусловленные ими оптические

0

связи реализуют производные от информативного сигнала, линза 9 реализует пространственное интегрирование. Нормирующие усилители позволяют учесть весовые коэффициенты С,, ,.,.,С, при обработке информативного сигнала, преобразованного в электрический фотоприемниками 10,11 ,12. Сумматоры 25, 26 и 27 и обусловленные ими связи позволяют смоделировать алгоритм обработки. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является увеличение информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем координатам. В качестве информативного сигнала используется волна излучения со сферическим фазовым фронтом, формируемая точечным источником 1 когерентного излучения, связанным с контролируемым объектом. Устройство реализует обработку информативного сигнала на основе критерия максимального правдоподобия, что позволяет получить оптимальную оценку составляющих перемещения при параксиальном приближении волны излучения согласно соотношениям, приведенным в тексте списания. Весовые коэффициенты С₁₀,С₁₁,...,С₃₀ являются постоянными величинами, не зависящими от входных сигналов, т.е. информативный сигнал является фазовым и его амплитуда не зависит от оцениваемых параметров, которые в этом случае существенно неэнергетические, что позволяет определить весовые коэффициенты С₁₀, С₁₁..., С₃₀ заранее. Поток излучения от точечного источника 1 когерентного излучения делится оптическим делителем 3 на три пучка равной амплитуды. Фазовый транспарант 2, амплитудные транспаранты 7 и 8 и обусловленные ими оптические связи реализуют производные от информативного сигнала, линза 9 реализует пространственное интегрирование. Нормирующие усилители позволяют учесть весовые коэффициенты С₁₀, С₁₁,..., С₃₀ при обработке информативного сигнала, преобразованного в электрический фотоприемниками 10, 11, 12. Сумматоры 25, 26 и 27 и обусловленные ими связи позволяют смоделировать алгоритм обработки. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в производстве различных объектов.

. Цель изобретения - увеличение информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем координатам.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит точечный источник 1 когерент ного излучения (ИКИ), связанный с контролируемым объектом, установленные по ходу излучения фазовый трансХч-

порант 2 с пропусканием ехр

Xs-vU

z. j

частично отражающие поворотные зеркала 3 и 4 и полностью отражающее поворотное зеркало 5, развернутые относительно направления излучения на углы соответственно Q, , б , 0j амплитудный транспорант 6 с пропусканием вдоль координаты X по закону РХ и амплитудный транспорант 7 с пропусканием вдоль координаты Y по закону PY, установленные по ходу потоков излучения, отраженных от поворотных зеркал 3 и 4 (первый м второй пучки излучения соответственно), фокусирующую линзу 8, установленную в поперечном сечении первого и второго пучков потока излучения, отраженного от поворотного зеркала 5 (третьего пучка), три фотоприемника 9-11, установленные в плоскости рег - страции так, что на их фоточувствительных поверхностях фокусируются первый, второй и третий пучки излученияJ три предварительных

Хч-

,

усилителя 12 - Т, соединенные последовательно с фотоприемниками 9-11 и имею1чие передаточную характеристи20 ку, пропорциональную корню квадратному из величины входного сигнала, девять усилителей 15-23 взвешивания с передаточными характеристиками,пропорциональными весовым коэффициентам

25 Cj-, при этом входы первых трех усилителей 13 17 взвешивания соединены с выходом предварительного усилителя 12, входы вторых трех усилителей 18, 19 и 20 взвешивания - с выходом

30 предварительного усилителя 13f а входы третьих трех усилителей 21 - 23 взвешивания - с выходом предварительного усилителя , три трехвходовых сумматора 2 - 2б и три нормирующих 35 усилителя 27 - 29, соединенные последовательно с сумматорами 2 - 26, при этом выходы усилителей 15, 18 и 21 взвешивания соединены с входами первого сумматора 2k, выходы усилителей

40 1б, 19 и 22 взвешивания - с входами второго, сумматора 25, выходы усилителей 17, 20 и 23 взвешивания - с входами третьего сумматора 26, а выходы нормирующих усилителей 27, 28 и 29

45 являются выходами устройства.

Способ измерения заключается в следующем.

Формируют с помощью источника излучения, связанного с контролируемым объектом волну излучения со сферическим фазовым фронтом. Выполняют, пространственную фазовую модуляцию волны. Разделяют в пространство модулированную по фазе волну на три пучка равной амплитуды. Модулируют по амплитуде первый пучок вдоль координаты X по закону РХ, второй пучок - вдоль координаты Y по зако51522028

ну PY.-фокусируют каждый пучок в плоскость регистрации. Преобразуют каждый пучок в электрический сигнал. Величину перемещения вдоль координат определяют из соотношений:

R,Ri

2К

2К Г Р 4X jjY-SJ (Cf,X+C,J-C,,)U(X,Y,Z) X

5 г

-jK()

-в .Л

X е

dXdY; (1)

R,Rt

JNTz .)U(X,Y,Z) X

в О

dXdY; (2)

.

б о

X е

-jKr/ l)

R,R,

dZ jrp|-5 (C3pC+C3jf-C,,o)U(X,Y,Z) X Ne%JJ

.) X е dXdY, (3)

.,2 где К

/ - длина волны; N, - спектральная плотность шума

у Y л I 1 о

Z - координаты начального положения источника излучения;

R,,

г г

(1 )2

...,Сзс-постоянные коэффициенты, не зависимые от входного си|- нала;

X,Y,Z - координаты плоскостей обработки входного сигнала; стороны прямоугольника усреднения вдоль координат X и Y соответственно;

Р - коэффициент пропорциональности.

Способ синтезирован на основе критерия максимального правдоподобия, согласно которому при аппроксимации входного сигнала U(X,Y,Z) как аддитивной смеси детерминированного сигнала и белого шума, оценка может быт получена из соотношения:

дД 1 А:. 8. (k)

где - i-я составляющая вектора

оценки ii/ размерностью п;

Й, RI

if Nji

-S(r)S()dXdY; (5)

о л;ЗЛр

и, fit

(r)()dXdY; (6)

где A;J - элементы информационной

матрицы А;

A;i - элементы обратной информационной матрицы:

AVe

ГДТ

(7)

0

0

5

0

где IAI - определитель матрицы А; - алгебраическое дополнение

матрицы,

Д| - 1-я составляющая информативного вектора 1. Лля волны со сферическим фазовым фронтом в параксиальном приближении

S()(f2.)L (8)

L 0 0 - Для такого сигнала могут быть определены оценки трех информативных составляю1цих X., Y и Z. Поскольку ин- 5 формативный сигнал является чисто фазовым, т.е. амплитуда его не зависит от оцениваемых параметров, то коэффициенты А-( являются величинами постоянными (поскольку в этом случае « параметры существенно неэнергетические) .и, следовательно, могут быть рассчитаны заранее.

Обозначив элементы Л;{ 6 и учитывая, что d ;j C;, согласно соотношений (4) и (6) для сигнала (8) получим 5 соотношения (1), (2) и (3), причем

С X -,

г - 9 ° . ti - ,1 2 -- ,

г

мЛ

C,6i - 2

c,.;

. . nx«

2 - ; , «i

,,ц

z,,

, e

с

V

4-2

2

Z.

l

г.

(9)

Cjo-6,3 Xc+bjiYo .

Осуществление операции пространственной фазовой модуляции обусловлена необходимостью перемножения информативного сигнала и() в производной

от информативного сигнала S(r), согласно оптимальному алгоритму (6)

Амплитудная модуляция первого пучка вдоль координаты X по закону РХ необходима для реализации производной от сигнала (8).

ах,

S(e)jEoK -exp{-jK(|2-X+|2-Y), (10)

где множитель перед экспонентной npoпорционалён координате X, а Р - нормирующий коэффициент пропорциональности, показыващий, что для пассивных пространственных транспорантов; произведение РХ не может превышать s.

Операция амплитудной модуляции второго пучка вдоль координаты Y по закону PY аналогична по назначению предыдущей операции.

Операция фокусирования каждого пучка в плоскость регистрации после фазовой и амплитудной модуляции экви- в алентна операции пространственного интегрирования в соотношениях (1), (2) и (З) и необходима для реализации этих интегралов.

Операция определения величины перемещения после преобразования оптического сигнала в электрический осуществляется формированием оптимальных оценок 4 X, (UY, iflZj согласно соотношениям (1), (2), (3) соответственно путем взвешенного суммирования трех информативных составляюцих для каждой оценки.

Таким образом, способ реализуется последовательным выполнением следующих операций:

expj-jK() 1 .Эта операция позвоI ti й J

ляет выделить разность пространствен- ного изменения фазы, возникающего при смещении источника относительно начальной точки с координатами X(,Y5,

0

0

5

0

5

0

ду которыми состоит только в пространственной амплитудной модуляции;

. Модулирование по амплитуде первого и второго пучков; соответственно,

вдоль координат X иY. по законам РХ и PY. Данная операция позволяет сформировать соответственно первое и второе слагаемые в алгоритмах (1), (2), (3) и является подготовительной перед интегрированием;

Как следует из соотношений (1), (2), (З) для получения оптимальной оценки достаточно осуществить взвешивание пространственных составляющих с весами и просуммировать результаты взвешивания.

Устройство работает следующим образом.

ИКИ 1 формирует волну со сферическим фазовым фронтом, которая,приходя на фазовый транспорант 2, модулируется по фазе и направляется на разделитель пучков, образованный зеркалами 3, i и 5. Углы наклона зеркал 61,62 03 выбираются так, чтобы первый, второй и третий пучки имели сдвиг по пространственной частоте. Первый пучок модулируется транспорантом 6 по амплитуде вдоль оси X, которая параллельна оптической оси устройства, по закону РХ. Второй пучок модулиру- ;ется по амплитуде транспорантом 7 вдоль оси Y по закону PY. Третий пучок не модулируют по амплитуде. Все операции амплитудной пространственной модуляции соответствуют слагаемым по интегралам в соотношениях (1), (2) и (3). Линза 8 реализует пространственный интеграл над входными сигналами, которые преобразуются в электрический сигнал.фотоприемниками 9, 10 и 11. Пространственный разнос пучков в фокусе линзы 8 получают путем соответствующего выбора углов 0,, 6, 03 поворота зеркал 3, и 5. Усилители 12, 13 и И формируют сигнал, пропорциональный корню квадратному из входного сигнала соответствующего фотоприемника 9, Ю и 11. Последнее связано с тем, что сигнал

915

на выходе фотоприемника пропорционален квадрату оптического поля на его входе. Усилители 15-23 взвешиваний учитывают весовые коэффициенты C,-j . Число усилителей 15 - 23 взвешивания равно числу коэффициентов С jj в соотношениях (1), (2), (3). Сумматоры 2k, 25 и 26 реализуют внешние суммы в соотношениях (1), (2), (3). Сумматор 2Ц формирует сумму (1), сумматор 25 - сумму (2), а сумматор 26 - сумму (3). Усилители 27f 28 и 29 учитывают постоянный

К

коэффициент 2 ----.

Формула изо 6 р е т е н и я

{-Ш. П}..

(. «после разделения

о 0

волны на три пучка модулируют по амплитуде первый пучок вдоль координаты X по закону РХ, второй пучок - вдоль координаты Y по закону PY, фокусируют каждый пучок в плоскость регистрации, осуществляют преобразование каждого пучка Б электрический сигнал, вдоль координат X, Y, Z определяют соответственно из соотношений

2К

Я,Й1

JNX (t,,X-bC,,Y-.C,,)U(X,Y,Z)x

о Д Чо , (г. -Г.) X е R, «3

dXdY;

(C,7.,.)U(X,Y,Z) k

о , .

-jk()f.)

J 0 «.

X e dXdY; R, PI

X+Cj,Y-C,,)U(X,Y,Z) X

10

-jK() X e dXdV,

-г-;

длина волны; спектральная плотность шума;

у Y о о

Zo - координаты начального положения источника излучения; Г Г

... ,Сзв-постоянные коэффициенты, не зависимые от входного си( нала U(X,Y,Z); X,Y,Z - координаты плоскостей обработки входного сигнала; R,R2- стороны прямоугольника усреднения вдоль координат X и Y соответственно;

Р - коэффициент пропорциональности.

,.,J,

(., установленным по

-п 0

ходу излучения между источником когерентного излучения, который выпол 1ен точечным и связан с контролируемым, объектом, и оптическим делителем, выполненным в виде первого и второго, частично отражающих, и третьего, полностью отражающего, зеркал, установленных по ходу излучения под углом к его направлению, первым и вторым амплитудными транспорантами с пропусканием соответственно вдоль-координаты X по закону РХ и вдоль координаты Y по закону PY, установленными соответственно по ходу пучков излучения, отраженных от первого и второго зеркал оптического делителя, линзой, установленной по ходу пучков излучения, отраженных от трех зеркал оптического делителя за амплитудными транспорантами, при этом первый, второй и тре- тий фотоприемники установлены в фокальной плоскости линзы и оптически сопряжены соответственно с пучками излучения, отраженными от первого.

второго и третьего зеркал оптического делителя, тремя преобразующими усилителями, коэффициент передачи каждого из которых пропорционален корню квадратному из амплитуды входного сигна- ла, а входы соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего фотоприемников, девятью нормирующими усилителями, входы первого, BTOрого и третьего из которых соединены с выходом первого преобразующего усилителя, .входы четвертого,пятого и шестого - с выходом второго преобразующего усилителя, а входы седьмого, восьмого и девятого - с выходом треть

его преобразую1цего усилителя, тремя трехвходовыми .сумматорами, входы первого из которых соединены соответственно с выходами первого, четвертого и седьмого нормирующих усилителей, входы второго - соответственно с выходами второго, пятого и восьмого нормирующих усилителей, а входы третьего - соответственно с выходами третьего, шестого и девятого нормирующих усилителей, и тремя выходными усилителями , входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего сумматоров, а выходы являются выходами устройства.