Способ измерения линейных перемещений Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

разделяют в пространстве промодулиро- ванную по фазе волну на три пучка равной амплитуды; - модулируют по амплитуде первый пучок - вдоль координаты X по закону РХ, второй пучок Y- вдоль координаты Y по закону PY, третий пучок - вдоль координаты Z по закону Р(Х2+ Y2); - фокусируют каждый пучок в плоскость регистрации; - осуществляют преобразование каждого пучка в электрический сигнал; - определяют величину перемещения вдоль координат X, Y, Z, соответственно из соотношений:

01/ R1R2

AX JT4T5-// CnX + Ci2Y +

о о

&k 2 АГе1Ве ,

I 1

где ДА| - i-я составляющая n-мерного вектора оценки АЯ;

о R1R2 а. a„w

A - {№ sN-ai:-sMdXdv.

35

о R1R2 - д Be Tf//U(r)-S(r0)dXdY о оале

Aie - элементы информационной матрицы;

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение области использования способа за счет увеличения диапазона измерений по координате Z. Волну со сферическим фазовым фронтом от источника 1 когерентного излучения, связанным с объектом, модулированную по фазе, разделяют в пространстве с помощью поворотных зеркал 3, 4, 5 на три пучка равной амплитуды, каждый из которых модулируют с помощью амплитудных транспарантов 6, 7, 8 по заданным законам. Получены аналитические соотношения для оптимальных алгоритмов обработки, по которым осуществляют оценки трех составляющих ΔХ, ΔY, ΔZ, пропорциональных перемещениям объекта по трем координатам. Информативный сигнал является фазовым, его амплитуда не зависит от величин оцениваемых параметров, и весовые коэффициенты, в соответствии с которыми осуществляется обработка, величины постоянные, в соответствии со способом осуществляют амплитудную модуляцию третьего пучка вдоль координаты Z, что позволяет расширить диапазон измерений. 1 ил.

+ Ci3(X2 + Y2)U(X,Y,Z) х

ехрНфх+ Y L v/o o

dXdY,

nif R1R2 AY jT4Ј-// C2lX + C22Y +

4Qt-G о О

-fC23(X2 + Y2)U(X,Y,Z) x

x expHK&X+-ЈwhdXdY, Z.0Z.Q ))

ot/ R1R2 AZ JTg /J C3iX4C32Y +

+ C33(X2 + Y2)U{X,Y,Z) x

x expf-jK&X+ YlldXdY, 1. Z.oЈo /J

г1

Aie - элементы обратной информаци- онной матрицы;

(а) - определитель матрицы; aie - алгебраические дополнения; AI - 1-я составляющая информативного вектора.

Для волны со сферическим фазовым фронтом в параксимальном приближении имеет информативный сигнал:

50

S (г1)- Ео ехрЛК Й2-X + У}.

L о . Ј-о }

Для такого сигнала могут быть определены оценки трех информативных составляющих X, Y, Z. Поскольку информативный сигнал является чисто фазовым, а следова- тельно,его амплитуда не зависит от величины оцениваемых параметров, то

коэффциенты АГе1 являются величинами постоянными, так как в этом случае параметры

существенно неэнергетические и могут быть рассчитаны заранее. Обозначив АГе и используя известную методику синтеза измерителя, получим соотношения (1), где

Cn crii; Ci2 , С1з

г. LQ

С21 с$1; С22 С2з - с%з;

Ј Ј-0

Сзз тг

г /.о

Рассматриваемый способ отличает от прототипа наличие операций амплитудной модуляции третьего пучка вдоль координаты Z по закону P(X2+Y2), уточняющей алгоритм (1) и необходимой для реализации производной от сигнала:

К

221

(X2 + Y2) x

expf-jK (Ј

X +. Y Zo

Данная операция позволяет сформулировать третье слагаемое в алгоритмах (1) и является подготовительной перед интегрированием. Множитель перед экспо- нентой пропорционален изменению координаты 2, а Р - нормирующий коэффициент пропорциональности показывает, что для пассивных пространственных транспарантов произведение Р(Х2+ Y ) не может быть больше 1.

Устройство для реализации способа измерения линейных перемещений содер- житточечный источник 1 когерентного излучения, связанный с контролируемым объектом (не показан), установленные по ходу излучения фазовый транспарант 2 с

f-jK&x+W L {-оt-ъ

пропусканием ехр

частично отражающие поворотные зеркала 3, 4 и полностью отражающее поворотное зеркало 5, развернутые относительно направления излучения на углы соответственно 01,02,03, амплитудный транспарант 6 с пропусканием вдоль координаты X по закону РХ, амплитудный транспарант 7 с пропусканием вдоль координаты Y по закону PY и амплитудный транспарант 8 с пропусканием вдоль координаты Z по закону Р(Х2+ Y2), установленные соответственно по ходу пучков излучения, отраженных от зеркал 3, 4 и 5

первый гморой п третий гк :кп излучения соответственно, форсирующую тмнзу 9, установленную по ходу излучения после транспарантов 6. 7, 8, тон фотоприемника 10, 1 и 12, устзнозлен.ше в плоскости регистрации так, ч го на их с оточузствитоль- ных поверхностях фокуе- руотся соответственно первый, второй и третий пучки излучения, трк усилителя 13, 1-а и 15, соединеиные псследователм1о с фотоприемниками 10, 11 и 12 соответственно, имеющие передаточную характеристику, пропооцпональн ю корню квадратному из величины входного сигнала, девять усилителей 16-24 езвешпв тп с передаточными фучкиияг.н1, пропорциональными весовым корффпциентэм Cij, при атом входы первых трех усилителей 16, 17, 18 взве- шивзчгя соединены с выходом усилителя

13, входы вторых трех усилителей 19, 20 и 21 взвешивания соединены с выходом усилителя 1-1, а входы третьих ipex усилителей 22, 23 и 2-1 взвешивания соединены с выходом усилителя 15, iпи трсхсходовых сумматорэ 25, 26, 27 и три нормирующих усипителя 28, 29 /, 30. сос/ ненные последовательно с сумм-}горами 25. 6 и 27 соответственно, при этоь- выходы усилителей 16, 19 и 22 взвешивания соединены соответственно с входами первого сумматора 25, выходы усилителей 17, 20 и 23 взвешивания - соответственно с входами второго сумматора 26, выходы усилителей 18 2 i и 2л взсечшгания соединены

соответственно с входами треп его сумматора 2 7, а выходы нормирующих усилителей 28, 29 и 30 являются выходами устройства.

Устройство реализующее рассматрпваемый способ, отличается от устройства для реализации прототипа, наличием амплитудною транспаранта 8, с помощью которого осуществляется операция амплитудной модуляции третьего пучка излучения (отрахенного зеркалом 5) вдоль координаты Z по закону P(Xr-+-Y2).

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 когерентного излучения

формирует волну со сферическим фазовым фронтом, которая, проходя через транспарант 2, модулируется по фазе и направляется на расщепитель, образованный зеркалами 3, 4 и 5. Углы

0 i, ©2 , f 3 наклона зеркал 3, 4 и 5 выбираются так, чтобы пучки, отраженные от них, первый, вюрой :л третий, имели сдвиг по пространственной частоте. Первый, пучок модулируется транспарантом 5 по амплитуде рдоль оси X, которая параллельна оптической оси источника 1, по закону РХ, второй пучок модулируется по амплитуде транспарантом 7 вдоль оси Y по закону PY, третий пучок модулируется по амплитуде транспарантом 8 вдоль оси Z по закону P(X2+Y2). Взаимная ориентация координатных осей X, Y показана на чертеже. Указанные операции амплитудной пространственной модуляции соответствуют слагаемым под интегралом в соотношениях (1).

Линза 9 реализует пространственный интеграл над входными сигналами, которые преобразуются в электрический сигнал фотоприемниками 10, 11 и 12, Пространственный разнос пучков в фокусе линзы 9 получают путем соответствующего выбора углов поворота зеркал 3, 4 и 5. Усилители 13, 14 и 15 формируют сигнал соответствующего фотоприемника 10, 11 и 12. Последнее связано с тем, что сигнал на выходе фотоприемника пропорционален квадрату оптического поля на его входе. Усилители 16-24 взвешивания осуществляют учет коэффициентов Cij. Число усилителей равно числу коэффициентов Cij в соотношениях (1).

Сумматоры 25, 26, 27 реализуют внешние суммы в (1): сумматор 25 формирует первую сумму, сумматор 26-вторую, а сумматор 27 - третью сумму в (1). Нормирующие усилители 28,29,30 учитывают постоI/

янный коэффициент 2.

No Zo

Использованное в прототипе допущение о линейности производной S (TO)

от параметров X и Y существенно ограничивает диапазон однозначных измерений, что оказывается недостаточным для ряда приложений и требует использовать точ- ную-формулу для производной, что при реализации измерителя предполагает необходимость использовать дополнительную операцию модуляции волны в третьем канале (третьего пучка излучения), последнее обеспечивает в предлагаемом техническом решении преодоление ограниченной области использования из-за недостаточности диапазона измерений по координате Z.

Формула изобретения Способ измерения линейных перемещений по авт. св. СССР № 1522028, отличающийся тем, что, с целью расширения

области использования за счет увеличения диапазона измерений по координате Z, после разделения волны на три пучка модулируют по амплитуде также и третий пучок - вдоль координаты Z по закону P(X2+Y2), a

величину перемещения вдоль координат X, Y, Z определяют соответственно, из соотношений:

nix R1R

ЛХ C11X+C12Y +

15

о о

0

5

0

5

0

5

0

+ С13 (X2 + Y2) U(X,Y,Z) x

х exp/-jKf X+-Y Y)ldXdY,

I V oЈ-0 }}

91/ R1R2 AY + C22Y-f

о О

О О /2 , /2

+ С23 (Х + Y) U(X,Y,Z) x

«P{HK X+ v)}dXdY.

91/ R1R2

AZ j-jcft-// C3lX+C32Y + IMoZo о о

о о /2 , v/2

+ C33(X/ + Y)U(X,Y,Z) x

И Х+ YUdXdY, ZoZo

x exp

где К -jj-;

Я-длина волны;

No - спектральная плотность шума;

Хо, YO, Zo - опорное значение координат источника излучения, относительно которых производится отсчет;

Ci,j 0« 2, 3) - постоянные коэффициенты, не зависящие от входного сигнала U (X, Y, Z);

X, Y, Z - координаты плоскостей обработки входного сигнала;

Ri, R2 - стороны прямоугольника усреднения вдоль координат X, Y соответственно;

Р - коэффициент пропорциональности.