Способ измерения модуля относительной скорости объекта Советский патент 1991 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оптической диагностике движущихся объектов, содержащих оптические неоднородности.

Цель изобретения - повышение информативности за счет дополнительной возможности измерения модуля скорости рассеивающих элементов относительно объекта при произвольном движении объ- екта в пространстве.

На фиг.1 изображена векторная диаграмма рассеяния, поясняющая физическую сущность способа измерения; на фиг.2 схема устройства, реализующего способ измерения.

Способ измерения осуществляют следующим образом (см. фиг.1).

Поверхность произвольно движущегося объекта освещают когерентным излучением с длиной волны А из точки О, для которой выполняется условие

О

о о о

Ч)

An)

sln2n}d «1

(1)

определяющее приближение волнового фронта к плоскому. Регистрируют динамическую спекл-структуру рассеянного объектом излучения в точке наблюдения Р, для которой выполняется условие

Аг1

sinzrd «1,

(2)

определяющее соответствие дифракционной картины в точке наблюдения приближению дифракции Фраунгофера.

Вектор 13 представляет собой линию наибольшей разности фаз, проведенную в плоскости объекта, соответствующую распространению излучения от точки расположения источника О до приемника Р. Начало вектора 3 соответствует точке А в пятне излучения на поверхнорсти объекта, оптический путь через которую от источника до точки наблюдения (регистрации) ОАР минимален, Конец вектора а соответствует точке В, оптический путь через которую ОВР максимален. Векторы 0 и гъ определяют направления освещения точек А и В объекта, векторы Т1и г - направления приема излучения, рассеянного в точках А и В поверхности объекта. Изображения объекта на фиг.1 соответствуют различным фазам его движения: а - положение объекта в момент времени t; б - положение объекта в момент времени t + tn - вектор скорости объекта; v - вектор скорости рассеивающих элементов относительно объекта.

Амплитуда рассеянного спекл-поля в точке регистрации может быть представлена следующим образом:

1 (a)exp{l- p lro-a + vr| + + Ir-a+ ri }x exp ip(a)d2a (3)

где Q - площадь рассеивающей области (пятна излучения);

3 - вектор, определяющий положение отдельного рассеивающего элемента d Q

v- скорость движения рассеивающего объекта как ансамбля рассеивающих элементов;

А - коэффициент, характеризующий инди- катриссу рассеяния, зависящий от оптических свойств рассеивающих неоднородностей объекта в пятне излучения;

Е (а) - распределение амплитуды освещаемого излучения в пятне;

р (а) - функция, определяемая случайным характером распределения рассеивающих неоднородностей объекта по высотам;

знак ... обозначает операцию усреднений по пятну излучения.

При выполнении пространственных условий (1) и (2), а также d/r0 , d/r «1 частотный энергетический спектр электрического сигнала, полученного из регистрируемого спекл-поля, принимает вид

5G(wHI{Al|E(S|E(-Vt-e)«p,

г

(:03r -COsT0Vn

(соьЯ.З -еоз J) 1 (Q- E|-cf()dlad7i }

«ехр 1 cjCd u I

Учитывая условия:

(4)

te.,(cf-e|.«r(ff-).8(vc-T)-fllnp

при Vf ± Ч

0

0

2л

атакжето, что функция ехр I -д- VT ( oos rv -

- cosrb v ) обуславливает сдвиг максимума частотного спектра на величину

2л , ч

СОм 27TfM f V -уЧ/-(СО8Г V - СО8ГО V),

5 - 2л ,

вектор рассеяния, для

к

( I V

ъ G(w) получим

Q(Ub|A2|E(o-) 1 I ц v I I |

со™ Ј

СОм

f

СО-. А

Ґ11 1-1 (-TV-1I../ cod , |1

E()aa| при С0„-0)0 ИбСО„4С00;

иС(ш)Опри )н-шош а)м+(ао

(5)

где

шэ 2лТ0 k(v+v) (cosT/31п

л-

+ i Л /-л- - Л Ч

cos го d ) + -4- v ( cos r v - cos ro v) -

полуширина информативного контура частотного спектра основания для пучка с рав- номерным распределением плотности

мощности по сечению и полуширина по уровню Г2 - для гауссового пучка.

Проводя спектральный анализ электрического сигнала и определяя частоту fn положения максимума частотного спектра,

значение модуля скорости рассеивающего объекта определяют соотношения .

(cos r v-cosroAv)l (6) определяя величину f0. значение модуля скорости рассеивающих элементов относительно объекта определяют из соотношения v (f0 - -fM)X A (cos ГЛ3 - cos 70AdY1 (7)

Таким образом, измерение модуля скорости объекта и модуля скорости рассеивающих элементов относительно объекта, при учете измеренных углов , , гоЛ3 и го возможно при произвольном движении объекта в пространстве, что расширяет область применения способа измерения скорости.

Способ реализуется с помощью устройства, изображенного на фиг,2.

Излучение когерентного источника 1 через диафрагму 2 (при близком расположении объекта для уменьшения расходимости пучка целесообразно использовать коллиматор) освещает движущийся объект 3. Приемник 4 излучения установлен в точке наблюдения рассеянного спекл-поля. С помощью оптического отсчетного устройства и угломера (не показаны) определяют положение линии наибольшей разности фаз d, связывающей точки А и В, соответствующие минимальному и максимальному расстояниям источник-объект- приемник, а также измеряют углы , , г v, . Фотоприемник 4 преобразует оптический сигнал в электрический, который подается на вход спектроанализатора 5. С помощью анализатора 5 определяют частоту fM, соответствующую положению максимума частотного спектра, его полуширину f0 и по отношениям (6) и (7) определяют модуль скорости рассеивающих элементов относительно объекта.

Формула изобретения

Способ измерения модуля относительной скорости объекта, заключающийся в том, что движущийся в известном направлении объект освещают когерентным излучением с длиной волны Я , определяют в пятне излучения на объекте положение точ

5

0

5

0

5

ки, оптический путь через которую от источника излучения до точки регистрации минимален, и точки, оптический путь через которую максимален, измеряют углы70Л3 и м между направлением линии Ъ, соединяющей эти две точки, и направления освещения г0 и наблюдения г, оптические пути вдоль которых до пятна максимальны, регистрируют спекл-структуру рассеянного объектом излучения, преобразуют зарегистрированное излучение в электрический сигнал, проводят спектральный анализ электрического сигнала путем измерения ширины спектра fo, по результатам которого судят о величине модуля скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности способа за счет дополнительной возможности измерения модуля скорости рассеивающих элементов относительно объекта при произвольном движении объекта в пространстве, дополнительно измеряют углы РолФ и ГЛ7 между направлениями гъ, г и направлением скорости объекта v, модуль скорости объекта определяют из соотношения v - fM -Л(соз- V- cos Fo v)1. модуль скорости рассеивающих элементов относительно объекта определяют из соотношения v (f0 - fм) X (cos r J - cos гЛЗ), где f0 - полуширина контура частотного спектра по уровню основания для пучка с равномерным распределением плотности мощности по сечению, или полуширина по уровню Г2 - для гауссового пучка, a fM - частота, определяющая положение максимума частотного спектра.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения скорости объектов, поверхность которых содержит оптические неоднородности. Цель изобретения - повышение информативности способа за счет дополнительной возможности измерения модуля скорости рассеивающих элементов относительно объекта при его произвольном поступательно-вращательном движении в пространстве. Участок поверхности произвольно движущегося объекта освещают из точки О когерентным излучением длиной волны λ. Регистрацию рассеянного спекл-поля производят приемником, расположенным в точке Р. Измеряя и учитывая направления освещения и регистрации излучения R_о, R^Ъ и R, R^Ъ, определяют в пятне излучения на поверхности объекта положения точек, соответствующих максимальному и минимальному оптическим путям от излучателя до приемника и определяют направление линии A, соединяющей эти точки. Определяют углы между направлениями R_oD, R^лD, а также R_oV и R_лV_о, где V - известное направление поступательной скорости объекта в целом. Преобразуя оптический сигнал в электрический и проводя спектральный анализ электрического сигнала, определяют модуль скорости объекта из соотношения, приведенного в описании. 2 ил.

Фиг Л

О

Vf-Ъ

фиб. 2