DD291848A5 - METHOD FOR TOUCHLESS SPEED MEASUREMENT BASED ON FLASH BUTTONS OF SENSORS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beruehrungslosen Geschwindigkeitsmessung auf der Basis flaechenabtastender Sensoren nach dem Ortsfilterprinzip. Das Anwendungsgebiet umfaszt den Aufbau und Einsatz von Sensorkoepfen fuer Ortsfilter-Anemometer zur beruehrungslosen Messung der Geschwindigkeitskomponenten von unterschiedlich strukturierten Objekten und Stoffstroemen. Die Gitterstruktur der flaechenabtastenden Sensoren wird erzeugt, indem das Bildfeld einer TV-Kamera in NEx horizontale bzw. NEy vertikale streifenfoermige Teilbildelemente aufgeteilt ist, wobei die Gitterachse schwenkbar ist und der Vektor der Geschwindigkeit * komponentenweise durch alternierendes Umschalten von horizontalem auf vertikales Streifenmuster erfolgt.{Geschwindigkeitsmessung; Ortsfilter; Sensoren; TV-Kamera; Bild; Teilbildelemente; Gitter; Gitterachse; Gitterelemente; Streifenmuster}The invention relates to a method for contactless speed measurement on the basis of surface scanning sensors according to the spatial filter principle. The field of application includes the construction and use of sensor caps for spatial filter anemometers for contactless measurement of the velocity components of differently structured objects and material flows. The grid structure of the area-scanning sensors is produced by dividing the field of view of a TV camera into NEx horizontal or NEy vertical stripe-shaped subpixels, wherein the grid axis is pivotable and the vector of velocity * is component by alternate switching from horizontal to vertical stripe pattern. speed measurement; Spatial filter; sensors; TV camera; Image; Subpixels; lattice; Grid axis; Grid elements; Stripe pattern}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung auf der Basis flächenabtastender Sensoren nach dem Ortsfilterprinzip. Die Verfahrensweise der Gestaltung und Dimensionicrung von Gittersensoren ist besonders beim Aufbau von Sensorköpfen für Ortsfilter-Anemometer von Bedeutung. Mit derartigen Sensorköpfen sind Geschwindigkeitskomponenten von unterschiedlich strukturierten Objekten und Stoffströmen berührungslos in mindestens zwei Richtungen meßbar. Damit ergeben sich beginnend mit dem Einsatz in Versuchsanlagen, in Prozeßüberwachungssystemen vielfältige Anwendungsgebiete in den verschiedensten Industriezweigen.The invention relates to a method for non-contact speed measurement based on area-scanning sensors according to the spatial filter principle. The design and dimensioning method of grating sensors is particularly important in the design of sensor heads for spatial filter anemometers. With such sensor heads, velocity components of differently structured objects and streams can be measured without contact in at least two directions. Thus, starting with the use in pilot plants, in process monitoring systems, a variety of applications in various industries arise.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Bekanntlich wird das Ortsfilterverfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung angewendet. Mit Hilfe der örtlichen Filterwirkung gitterartiger Strukturen wird die Objekt- oder Teilchengeschwindigkeit in ein schmalbandiges Signal umgesetzt. Als Ortsfilter werden optoelektronische Wandler, deren Oberfläche eine Gitterstruktur aufweisen oder denen ein gitterartiger Lichtmodulator vorgeschaltet ist, als Sensoren eingesetzt. Realisierungen von Ortsfilteranordnungen sind in den verschiedensten Bauformen und Ausführungsarten bekannt. Den Gemeinsamkeiten in einer prinzipiellen Strukturierung cIts Gitters und Zusammenfassung der gefilterten Bildinformation über einen integrierenden Photoempfänger stehen die verschiedensten Variationen zur Realisierung des Gitters gegenüber. Es werden mechanische Spaltgitter, Prismengitter bzw. rotierende Radialprismenraster zur Richtungserkennung ebenso beschrieben, wie die Verwendung von Lichtleitfasern und LCD-Transparenzgittern. In DE-OS 2144487 ist zur Realisierung eines Differenzgitters im Abbildungsstrahlengang ein doppelbrechendes, in der Ebene des Gitters zwei um eine halbe Gitterkonstante gegenüber verschobene Bilder erzeugendes Wollaston-Prisma vorgesehen. Die zugehörige Rieh:. . .y !.erkennung durch mechanische Bewegung des Gitters dürfte sich unter den rauhen Bedingungen der Prozeßmeßtechnik als nachteilig erweisen. Eine Mehrkomponentenmessung wurde erstmalig in DE-AS 2209667 vorgestellt. Dazu wird ein spezielles Gitter angegeben. Es besteht aus, auf einem transparenten Träger in einer Vielzahl vorhandenen gleichartigen, mit den Kanten ihrer Grundfläche parallel zueinander und nebeneinander liegenden Pyramiden. Durch die Normalen der Pyramidenflächen sind in der Ebene des Gitters zwei Richtungspaare definiert, denen vier fotoelektrische Empfänger mit vier Kondensoren zugeordnet sind. Mittels dieser Anordnung ist es möglich, in der Gitterebene nach zwei nicht parallelen Richtungen Geschwindigkeiten zu messen. Der entscheidende Nachteil liegt in der technologischen Ausführung dieses speziellen Gitters, das aufgrund der außerordentlich schwierigen Geometrie einen sehr hohen Fertigungsaufwand darstellt. Damit sind gleichermaßen der Anzahl der Gitterelemente technologische Grenzen gesetzt. Eine Verbesserung wurde in DE-AS 2210681 durch Verwendung eines mehrfarbigen Rasters, bestehend aus rechteckförmigen, sich berührenden Mustern mit vier dreieckförmigen Flächen in fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben. Dem Raster sind über chromatische Teiler vier fotoelektrische Empfänger nachgeordnet, welche bei einer relativen Bewegung desAs is known, the location filter method is used for non-contact speed measurement. With the help of the local filter effect of grid-like structures, the object or particle velocity is converted into a narrow-band signal. Optoelectronic converters whose surface has a lattice structure or in which a lattice-type light modulator is connected upstream are used as spatial filters as sensors. Implementations of spatial filter arrangements are known in various designs and types. The similarities in a basic structuring of citt's grating and the summary of the filtered image information via an integrating photoreceiver are contrasted by the most varied variations for the realization of the grating. Mechanical gap grids, prism gratings or rotating radial prism grids for direction detection are described as well as the use of optical fibers and LCD transparency gratings. In DE-OS 2144487 a birefringent, in the plane of the grating two by half a lattice constant with respect to shifted images generating Wollaston prism is provided to realize a differential grating in the imaging beam path. The associated Rieh :. , .y!. Detection by mechanical movement of the grid should prove to be disadvantageous under the harsh conditions of Prozeßmeßtechnik. A multi-component measurement was presented for the first time in DE-AS 2209667. For this purpose, a special grid is specified. It consists of, on a transparent support in a variety of existing similar, with the edges of their base parallel to each other and adjacent pyramids. The normals of the pyramid surfaces define two pairs of direction in the plane of the grating, to which four photoelectric receivers with four condensers are assigned. By means of this arrangement, it is possible to measure speeds in the lattice plane in two non-parallel directions. The decisive disadvantage lies in the technological design of this special grid, which represents a very high production cost due to the extremely difficult geometry. Thus, the number of grid elements are technological limits set equally. An improvement was made in DE-AS 2210681 by using a multicolor grid consisting of rectangular, touching patterns with four triangular areas in different colors from one another. The grid are arranged downstream of chromatic divider four photoelectric receiver, which in a relative movement of the

Objektbildes zum Raster jeweils paarweise zueinander im Gegentakt befindliche Signale liefern. Über chromatische Teiler wird sicher gestellt, daß die fotoelektrischen Empfänger tatsächlich nur Lichteinflüsse erhalten, die der ihnen zugeordneten Farbe entsprechen. Damit ist das vorgestellte Vorfahren nachteiligerweise nur anwendbar bei der Messung von Objekten, die keine wollenlängenbegronzten Streu- oder Emissionsspektren haben. Die Frage nach der technologischen Realisierbarkeit steht in abgeschwächter Form jedoch immer noch. In DE-OS 2256885 werd'on hier unter Einbeziehung von DE-PS 2209667 und DE-PS 2237G64 Aussagen zur Ausführungsform des verwendeten Sensors gemacht. Durch Beobachten von Objekten in der Geradeausfahrt bei der Existenz einer seitlichen Relativbewegung wird die zugehörige Winkelgeschwindigkeit über das Auswandern des Bildes bestimmt. Daboi sind die Bedingungen unendliche Fokus, große Objektentfernung zwischen Sensor und Objektort nachteilig und der Einsatz auf anderen Gebieten stark eingeschränkt. Aufgrund der hohen Richtungsselektivität der gekreuzten Sensorzeilen ist eine echte zweidimensionale Geschwindigkeitsmessung nicht möglich, vielmehr handelt es sich hier um eine Zweirichtungsmessung, bei der eine exakte Ausrichtung der Sensorbestandteile Voraussetzung ist. In DE-PS 2450439 wird erstmalig der Gedanke dargelegt. Gitter und Wandler zu einem einzigen flächigen opto-elektronischen Wa idler zu vereinen, der abwechselnd lichtempfindliche und lichtunempfindliche Streifen aufweist. Durch die Möglichkeit auf die einzelnen lichtempfindlichen Streifen zuzugreifen, können getrennt die Summen der geradzahligen bzw. ungeradzahligen Ausgangssignale zur Realisierung eines Differenzgitters gebildet werd-n. Der optoelektronische Wandler weist weiterhin eine zweidimensionale Struktur auf. Nachteiligerweise erfordert diese Lös _, die Anfertigung eines speziellen Sensors, der einen Direktzugri'f auf jedes Zeilen- und Spaltenelement besitzen muß, welches derzeit erhebliche technisch-technologische Probleme mit sich bringt. Ein Gitter, dessen Rasterstrukturen den Fluchtlinien einer Zentralperspektive folgen, wird in der Patentschrift DE-PS 2601642 vorgeschlagen. Es soll d~mit eine einfache Unterscheidung von Relativbewegungen im Bild in längsperspektivisch und querperspektivisch vorgenommen werden. Hierbei ist allerdings eine Signalanalyse notwendig, die bei wechselnden optischen Eigenschaften der Meßobjekte schnell einen unzumutbaren Auswerteaufwand erreicht bzw. ganz versagt. Eine andere Version der Realisierung der Differenzgitterfunktion auf optischem Wege wird im Paten. DE-PS 3002547 vorgestellt. Das optische System besteht aus einem durchsichtigem Körper mit integriertem optischen Linsensystem. Dieser Körper weist eine Vielzahl optischer Facetten auf, die paarweise im Bogen am Ort des Brennpunktes der Lichtstrahlen angeordnet sind. Die beiden Facetten jedes Facettenpaares, die durch die verspiegelte und entsprechend strukturierte Oberfläche des durchsichtigen Körpers gebildet werden, reflektieren dabei das Licht jeweils auf einen zugehörigen Wandler, wobei die Wandler innerhalb des optischen Körpers symmetrisch zur optischen Achse der Linsensystems angeordnet sind. Der Vorteil dieser Erfindung besteht in der relativ kompakten Bauweise um J der relativen mechanischen Unempfindlichkeit gegenüber Stoßen und Erschütterungen, zumal keine Justierung der Einzelelemente notwendig wird. Nachteilig ist aber wiederum der hohe Fertigungsaufwand einer solchen Anordnung, deren Einsatz nur in vorher genau definierten Spezialgeräten mit konstanten Einsatzparametern möglich ist.Object image to the grid in pairs provide each other in push-pull signals located. By means of chromatic dividers, it is ensured that the photoelectric receivers actually receive only light influences which correspond to their associated color. Thus, the presented ancestor is disadvantageously only applicable in the measurement of objects that have no wool-based scattered or emission spectra. However, the question of technological feasibility is still weaker. In DE-OS 2256885 werd'on made here with the inclusion of DE-PS 2209667 and DE-PS 2237G64 statements on the embodiment of the sensor used. By observing objects in straight-ahead driving in the presence of a lateral relative movement, the associated angular velocity is determined by the migration of the image. Daboi are the conditions infinite focus, large object distance between sensor and object location disadvantageous and use in other areas severely limited. Due to the high directional selectivity of the crossed sensor lines a true two-dimensional speed measurement is not possible, but this is a bidirectional measurement, in which an exact alignment of the sensor components is a prerequisite. In DE-PS 2450439 the thought is presented for the first time. To combine grating and transducer to a single planar opto-electronic Wa idler having alternately photosensitive and light-insensitive strip. By being able to access the individual photosensitive strips, the sums of the even-numbered or even-numbered output signals for realizing a differential grating can be formed separately. The optoelectronic converter also has a two-dimensional structure. Disadvantageously, this solution requires the fabrication of a special sensor which must have a direct access to each row and column element, which currently involves considerable technical and technological problems. A grid whose grid structures follow the alignment lines of a central perspective is proposed in the patent DE-PS 2601642. It should d ~ be made with a simple distinction of relative movements in the image in longitudinal perspective and transverse perspective. In this case, however, a signal analysis is necessary, which quickly reaches an unreasonable evaluation effort or completely failed with changing optical properties of the DUTs. Another version of the realization of the differential grating function optically is in the godfather. DE-PS 3002547 presented. The optical system consists of a transparent body with integrated optical lens system. This body has a plurality of optical facets, which are arranged in pairs in the arc at the location of the focal point of the light beams. The two facets of each pair of facets, which are formed by the mirrored and correspondingly structured surface of the transparent body, in each case reflect the light onto an associated transducer, wherein the transducers are arranged within the optical body symmetrically to the optical axis of the lens system. The advantage of this invention is the relatively compact design by J of the relative mechanical insensitivity to collisions and shocks, especially since no adjustment of the individual elements is necessary. However, a disadvantage is again the high production cost of such an arrangement, the use of which is possible only in previously defined special equipment with constant use parameters.

Der Aufbau eines faseroptischen Ortsfrequenzfilters wird in der DE-OS 3826113 beschrieben. Hierbei wird da:. Meßvolumen durch eine Beleuchtungslichtleitfaser ausgeleuchtet. Auf der entgegengesetzten Seite des Meßvolumens befinden sich in Übereinstimmung mit der optischen Achse der Beleuchtungslichtleitfaser die gitterartig angeordneten Empfängerlichtleitfasern, die alternierend zu Bündeln zusammengefaßt wurden. Dabei ist für jede Bewegungskoordinate ein separates faseroptisches Gitter vorgesehen. Der Vorteil dieser Lösung liegt in der komponentenweise Trennung der Ausgangssignale, deren bisherige elektronische Trennung durch Mehrdeutigkeiten fehlerhaft war. Allerdings ist die technologische Beherrschung der Realisierung derartiger Fasersensoren mit einer hohen Konstanz der Gitterabstände nachteilig in Frage gestellt. Eine diesbezüglich interessante Lösung ist die im DD-WP 255726 vorgestellte Verwendung einer CCD-Zeile als gitterartig strukturierter fotoelektrischer Empfänger. Hierbei sind Gitter und Fotoempfänger in einem Bauelement vereinigt. Eine spezielle Beschaltung, die die Summation der alternierenden Elemente in getrennten Transportschieberegistern und die anschließende Differenzbildung realisiert, ermöglicht eine Differenzgitterrfunktion. Nachteilig ist die durch Elome^panzahl und Elementeabmaße bedingte hohe Richtungsselektivität, die eine aufwendige Justage erfordert und bei zufälliger oder a priori nicht bekannter Bewegungsrichtung eine Messung praktisch ausschließt.The structure of a fiber optic spatial frequency filter is described in DE-OS 3826113. Here is:. Measuring volume illuminated by an illumination optical fiber. On the opposite side of the measuring volume are in accordance with the optical axis of the illumination optical fiber, the lattice-like receiving optical fibers, which were combined into bundles alternately. In this case, a separate fiber-optic grid is provided for each movement coordinate. The advantage of this solution lies in the component-wise separation of the output signals, whose previous electronic separation was caused by ambiguities. However, the technological mastery of the realization of such fiber sensors with a high constancy of the lattice spacings is disadvantageously called into question. An interesting solution in this regard is the DD-WP 255726 presented use of a CCD line as a grid-like structured photoelectric receiver. Here, grating and photoreceiver are combined in one component. A special circuit, which realizes the summation of the alternating elements in separate transport shift registers and the subsequent difference formation, enables a Differenzgitterrfunktion. Disadvantageous is the high directional selectivity, which is caused by particle counts and element dimensions, which requires a complicated adjustment and practically precludes a measurement in the case of a random or a priori unknown direction of movement.

Eine Vorrichtung zum berührungslose?! Erfassen von Bewegungsgrößen eines bewegten Objektes ist nach CH 665910 bekannt. Es handelt sich hierbei um ein zweidimensional arbeitendes System. Als Wandler sind Photodioden eingesetzt worden, die in einer quadratischen Matrix angeordnet sind. Durch den direkten Zugriff auf jedes einzelne Element ist eine parallele Auswertung der detektierten Bewegung in vertikaler und horizontaler Richtung analog DE-PS 2450439 gegeben. Eine Differenzgitterfunktion wird schaltungstechnisch realisiert. Die Bestimmung der Bewegungsrichtung erfolgt über eine Analyse der Phasenlage des empfangenen Signals. Dazu werden die Photoempfänger jeweils zu Gruppen von vier Elementen zusammengefaßt. Nachteilig bei dieser Lösung ist der große technologische Aufwand bei der Herstellung der Photodiodenmatrix, da geringe Abweichungen bei der Realisierung der Gitterkonstanten schon eine erhebliche Verfälschung des Meßergebnisses nach sich ziehen. Weiterhin steigt der schaltungstechnische Aufwanu annähernd quadratisch mit der Dimension der Diodenmatrix. In DE-OS 3711918 wird eine Schaltungsanordnung zur automatischen Verfolgung von Teilchen vorgestellt, die eine Bestimmung deren Geschwindigkeit gestattet. Dabei werden aus dem Bildfeld einer Aufnahmeeinrichtung jeweils zwei Bildstreifen ausgewählt, die 3in Bildfenster der Gestalt ergeben, daß nur ein Einzelteilchen erfaßt wird. Das riild wird mittels Schwellwertverfahren binarisiert und die Teilchenposition als Bildadresse abgelegt. Im Bildfens er darf sich nachteiliger Weise nur ein Teilchen befinden, da sonst eine Zuordnung von Teilchen und Teilchenposition über mehrere Bilder nicht möglich ist. Aus den ermittelten Teilchenpositionen wird dann von einem Computer die zugehörige Geschwindigkeit berechnet. Überdeckt das Teilchen eine größere Anzahl von Bildpunkten, so ist die vorgestellte Schaltung nicht in der Lage, einen eindeutigen Positionswert (z.B. in Form eines Flächenschwerpunktes) zu ermitteln. Bei nicht orthogonal einlaufenden Teilchen von a priori nicht bekannter Gestalt, ist ein Fehler in der Geschwindigkeitsmessung die Folge. Weiterhin nachteilig ist die resultierende Beschränkung auf geringe Teilchenkonzentrationen in der Strömung. Eine Erhöhung der Teilchenkonzentration führt verfahrensbedingt automatisch zu einer Verkleinerung des Bildfensters, dessen reduzierte Bildauflösung den Fehler der Geschwindigkeitsmessung auf ein unzumutbares Maß erhöht. Die Tatsache, daß hohe Geschwindigkeiten bei konstanten Bildfrequenzen (entsprechend der Fernsehnorm) längere Verfolgungswege erfordern, wird nicht berücksichtigt. Damit ist dieses System für die Mehrzahl existierender Problernfälle zur Ermittlung von Objekt- oder Teilchengeschwindigkeiten nicht einsetzbar. Gleichfalls ist das System für Geschwindigkeitsmessungen an kontinuierlichen Oberflächen (Papierbahnen, Stoff, Walzstahl) gänzlich ungeeignet.A device for contactless ?! Detecting movement quantities of a moving object is known from CH 665910. It is a two-dimensional system. As transducers photodiodes have been used, which are arranged in a square matrix. Due to the direct access to each individual element is a parallel evaluation of the detected movement in the vertical and horizontal directions given in accordance with DE-PS 2450439. A differential grating function is implemented by circuitry. The determination of the direction of movement takes place via an analysis of the phase position of the received signal. For this purpose, the photoreceivers are each combined into groups of four elements. A disadvantage of this solution is the great technological effort in the production of the photodiode array, since small deviations in the realization of the lattice constants already entail a significant distortion of the measurement result. Furthermore, the circuitry increase increases approximately quadratically with the dimension of the diode matrix. In DE-OS 3711918 a circuit arrangement for the automatic tracking of particles is presented, which allows a determination of their speed. In this case, two image strips are selected from the image field of a recording device, which result in the image window in the form that only a single particle is detected. The riild is binarized by thresholding and the particle position is stored as an image address. In Bildfens he may disadvantageously only one particle, otherwise an assignment of particles and particle position over several images is not possible. From the determined particle positions, the associated speed is then calculated by a computer. If the particle covers a larger number of pixels, the presented circuit is not able to determine a unique position value (for example in the form of a centroid). For non-orthogonally incoming particles of a priori unknown shape, an error in the speed measurement is the result. Another disadvantage is the resulting restriction to low particle concentrations in the flow. Due to the process, an increase in the particle concentration automatically leads to a reduction of the image window whose reduced image resolution increases the speed measurement error to an unreasonable level. The fact that high speeds at constant frame rates (according to the television standard) require longer tracking paths is not taken into account. Thus, this system is for the majority of existing problem cases for determining object or particle speeds can not be used. Likewise, the system is totally unsuitable for speed measurements on continuous surfaces (paper webs, cloth, rolled steel).

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist, die Sensorköpfe bekannter Οιΐ8ίϋ»θΓ-Αηοιηοιη6ΐθΓ zu verbessern, um mit kommerziellen Bildsensoren und elektronisch veränderlichen Gitterdimensionierungen eine, hinsichtlich Objektstrukturierung und Bewegungsrichtung universell einsetzbare Geschwindigkeitsmeßtechnik bereitzustellen.The aim of the invention is to improve the sensor heads known Οιΐ8ίϋ »θΓ-Αηοιηοιη6ΐθΓ to provide with commercial image sensors and electronically variable grid dimensions a, with respect to object structuring and movement direction universally applicable speed measuring.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung auf der Basis flächenabtastender Sensoren zu entwickeln, das die Realisierung von Sensorköpfen für Ortsfilter-Anemometer wesentlich vereinfacht, eine Anpassung des Gitters auf das Meßobjekt zuläßt und eine Messung der Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung mit variierbarer Richtcharakteristik ermöglicht.The invention has for its object to develop a method for non-contact speed measurement based on area-scanning sensors, which greatly simplifies the realization of sensor heads for spatial filter anemometer, allows adaptation of the grid to the DUT and a measurement of the speed by magnitude and direction variable directional characteristic allows.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Bildfeld einer TV-Kamera in N_Ex horizontale streifenförmige, bzw. Nev vertikale streifenförmige Teilbildelemente aufgeteilt ist, wobei die einzelnen streifenförmigen Teilbildelemente untereinander einen Versatz von d_y für die vertikalen Streifen und d_x für die horizontalen Streifen aufweisen. Dabei wird ein Differenzgitter derart realisiert, daß die Bildpunkte innerhalb der geraden Teilbildelemente mit +1 bzw. innerhalb der ungeraden Teilbildelemente mit —1 bewertet werden und die Bildpunkte außerhalb der Teilüildelemente unberücksichtigt bleiben. Die gewünschte der Richtungsauflösung und de^r Filtergüte wird durch Variation der Elementelänge bzw. der Elementebreite und -anzahl erreicht.According to the invention, the object is achieved in that the image field of a TV camera in N _ex horizontal strip-shaped, or Nev vertical strip-shaped subpixels is divided, wherein the individual strip-shaped subpixels with each other an offset of d _y for the vertical strip and d _x for the horizontal Have stripes. In this case, a differential grating is realized such that the pixels within the even subpixels with +1 or within the odd subpixels are evaluated with -1 and the pixels outside the Teilüildelemente remain unconsidered. The desired direction of the dissolution and de ^r filter quality is achieved by varying the elements length and the width and number of elements.

Eine zweidirnensionale Geschwindigkeitsmessung erfolgt mittels elektronischer Schwenkung der Gitterachse um die Vertikalbzw. Horizontalachse durch Veränderung des Versatzes d_x bzw. d_y, wobei ein Winkel von ß„ = arctan d_x/g_y bzw. ß_y = arctan d_y/g_x einstellbar ist.Zweidirnensionale speed measurement is carried out by means of electronic pivoting of the grid axis to the Vertikalbzw. Horizontal axis by changing the offset d _x or d _y , wherein an angle of ß "= arctan d _x / g _y and ß _y = arctan d _y / g _{x is} adjustable.

Bei fester Einstellung dos Winkels ß_xund ß_y erfolgt eine alternierende Umschaltung von horizontalem auf vertikales Streifenmuster, so daß nacheinander aus der Detektion von v(ß_x) und v(ß_y) eine Umrechnung auf die Komponenten V_x bzw. v_y vorgenommen wird. Eine bessere Dämpfung der Oberwellen im Filterausgangssignal wird erreicht, indem bei der Dimensionierung des Streifenmusters ein Verhältnis Elementebreite D zu Gitterkonstante g von D/g = 1/3 gewählt wird.With a fixed setting of the angle β _x and β _{y, there} is an alternating switchover from horizontal to vertical fringe pattern, so that a conversion to the components V _x or v _{y is} carried out successively from the detection of v (β _x ) and v (β _y ) becomes. A better attenuation of the harmonics in the filter output signal is achieved by selecting a ratio element width D to lattice constant g of D / g = 1/3 when dimensioning the strip pattern.

AuslührungsbelsplelAuslührungsbelsplel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel erläutert werdenThe invention will be explained below by way of example

Darin zeigen Show in it

Fig. 1: Bildfeld einer TV-KameraFig. 1: Image field of a TV camera

Fig. 2 a: Aufteilung des Bildfeldes in vertikale streifenförmige Teilbildelemente ohne vertikalen Versatz Fig. 2 b: Aufteilung des Bildfeldes in vertikale streifenförmige Teilbildelernente mit einem vertikalen Versatz von d_y Fig. 3a: Aufteilung des Bildfeldes in horizontale streifenförmige Teilbildelemente ohne horizontalen Versatz Fig. 3b: Aufteilung des Bildfeldes in horizontale streifenförmige Teilbildelemente mit einem horizontalen Versatz von d_x Fig. 4 a, 4 b: Darstellung der Schwenkung der Gitterachse A_x um die Horizontalachse des Bildfeldes Fig. 5a: Lage der Teilbildelemente für eine 2-Komponenten-GeschwindigkeitsmessungFIG. 2 a: Division of the image field into vertical stripe-shaped partial image elements without vertical offset FIG. 2 b: Division of the image field into vertical stripe-shaped partial image elements with a vertical offset of d _y FIG. 3 a: Division of the image field into horizontal stripe-shaped partial image elements without horizontal offset FIG. 3b: dividing the image field into a horizontal strip-shaped frame elements having a horizontal offset of d _x 4 a, 4 b. representation of the pivoting of the grid axis a _x about the horizontal axis of the field of Fig. 5a: position of the partial picture elements for a 2-component velocity measurement

Fig. 5 b: Lage der Teilbildelemento für eine 2-Komponenten-Geschwindigkeitsmessung mit veränderter Gitterelementezahl und Elementelänge.Fig. 5b: Location of Teilbildelemento for a 2-component speed measurement with modified grid element number and element length.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel beinhaltet die erfindungsgemäße Lösung das Verfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung auf der Basis flächenabtastender Sensoren, die Aufteilung des Bildfeldes einer TV-Kamera in Teilbildelemente. Dabei wird bekanntlich die Sensorfläche Zeile für Zeile abgetastet, wobei jede der M Zeile wiederum aus einer Anzahl N Bildpunkte besteht (Fig. 1). Die Geschwindigkeitsmessung nach dem Ortsfilterverfahren verlangt den Einsatz gitterartig strukturierter Sensoren. Da diese technologisch bisher nur sehr aufwendig herstellbar waren, wird erfindungsgemäß die Sensorfläche einer TV-Kamera virtuell in N_EX vertikale streifenförmige Teilbildelemente aufgeteilt. Man erhält dadurch einen Gittersensor, dessen Gitterachse in x-Richtung orientiert ist (Fig. 2a). Durch einen vertikalen Versatz um d_y erreicht man eine Richtungsänderung der Gitterachse. Die virtuellen Teilbildelemente umfassen alle Bildpunkte der gekennzeichneten Sensorfläche. Die jeweilige Anzahl der Bildpunkte richtet sich nach der örtlichen Auflösung des Sensors bzw. der Rasterung der nachgeschalteten Elektronik. Bewertet man nun benachbarte Teilelemente alternierend, d.h. die geraden Teilbildelemente mit + 1 und die ungeraden Teilbildelemente mit -1, so erhält man ein Differenzgitter. Bekanntlich haben Differenzgitter den Vorteil, Gleichsignalanteile zu unterdrücken, die z. B. durch Beleuchtungsschwankungen oder Fremdlicht hervorgerufen werden können. Einen Gittersensor mit Orientierung der Gitterachse in y-Richtung erhält man durch eine ähnliche Vorgehensweise. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Gitter ist das Bildfeld nun in N_E/ horizontale streifenförmige Teilbildelemente aufgeteilt (Fig. 3 a). Dabei kann die Richtung der Gitterachse durch Einführung eines horizontalen Versatzes d_x zwischen den Teilbildelementen geändert werden. Hierzu sind ebenfalls keine Veränderungen am Sensor notwendig. Bei a priori nicht bekannter Bewegungsrichtung ist eine feste Detektionsrichtung des Ortsfiltersensors nachteilig. Ein Schwenken des Sensors mittels mechanischer Verstellelemente ist ebenfalls sehr aufwendig. Die erfindungsgemäße Lösung sieht hier eine elektronische Schwenkung der Gitterachse zur Veränderung der Detektionsrichtung vor. Der Winkel β zwischen Sensorachse und Gitterachse läßt sich durch Veränderung des Versatzes d_x bzw. d_y variieren und beträgtAccording to the embodiment, the inventive solution includes the method for non-contact speed measurement based on area-scanning sensors, the division of the image field of a TV camera into subpixels. As is known, the sensor area is scanned line by line, each of the M lines in turn consisting of a number N pixels (FIG. 1). The speed measurement according to the spatial filter method requires the use of grid-like structured sensors. Since these were technologically only very expensive to produce, according to the invention, the sensor surface of a TV camera is virtually divided into N _EX vertical strip-shaped subpixels. This gives a grating sensor whose grating axis is oriented in the x-direction (FIG. 2a). By a vertical offset by d _{y to} reach a change in direction of the grid axis. The virtual subpixels include all pixels of the identified sensor area. The respective number of pixels depends on the local resolution of the sensor or the screening of the downstream electronics. If one now evaluates adjacent subelements alternately, ie the even subpixels with + 1 and the odd subpixels with -1, one obtains a differential grating. As is well known differential grids have the advantage of suppressing DC components, the z. B. can be caused by lighting fluctuations or extraneous light. A grating sensor with orientation of the grating axis in the y-direction is obtained by a similar procedure. In contrast to the grid described above, the image field is now divided into N _{E /} horizontal strip-shaped partial image elements (FIG. 3 a). In this case, the direction of the grating axis can be changed by introducing a horizontal offset d _x between the subpixel elements. For this purpose, no changes to the sensor are necessary. In the case of a movement direction which is not known a priori, a fixed detection direction of the spatial filter sensor is disadvantageous. Pivoting the sensor by means of mechanical adjusting elements is also very expensive. The solution according to the invention provides for an electronic pivoting of the grating axis in order to change the detection direction. The angle β between the sensor axis and the grating axis can be varied by changing the offset d _x or d _y and is

d_v d_x d _v d _x

ß_x = arc tan—— bzw. ßy = arctanß _x = arc tan-- or ßy = arctane

9x Qy9x Qy

(1)(1)

wobei die Winkelauflösung durch die Rasterung des Versatzes und die Wahl der Gitterkonstante bestimmt wird. Durch den Einsatz zunehmend hochauflösender Flächensensoren verbessert sich der Dimensionierungsbereich der vorgestellten Gittersensoren, deren Eigenschaften bekanntlich durch die Wahl der Giüerkonstante, der Elementeanzahl, -breite und -länge bostimmt werden. Für Gitterrealisierungon mit dem Verhältnis Elemontobreite D zu Gitterkonstante gzu D/g = 1/3 ergibt sich die beste Unterdrückung der Oberwollen im Ausgangssignalspektrum. Je nach Anwendungsfall ist eino mehr oder weniger starke Richtungsselektivität erforderlich. Dies wird erfindungsgemäß durch Veränderung der Länge der Teilbildelemente erreicht (Fig. 5a, b). Dabei soll gleichzeitig gezeigt werden, wie mit demselbon Sensor die Geschwindigkeit in zwei Komponenten gemessen wird. Fig. 5a zeigt zwsi orthogonal angeordnete Gitter hoher Richtungscelektivität. Eine reduzierte Richtungsselektivität wurde in Fig. 5 b durch Verlängerung dur Gitterelemonte erreicht. Um Unsymmetrien im Gitteraufba·; zu vermeiden, mußte in diesem Fall die Anzahl der Gitterelemente verringert werden. Die größere integrale Fläche führt jedoch zur Leistungsverbesserung hinsichtlich der Dynamik des Ortsfiltersensors. Die jeweilig resultierenden orthogonalen Gitterkonstnnten g_x und g_v berechnen sich zuwherein the angular resolution is determined by the screening of the offset and the choice of the lattice constant. The use of increasingly high-resolution surface sensors improves the dimensioning range of the lattice sensors presented, the properties of which are known to be determined by the choice of the glazier constant, the number of elements, the width and the length. For Gitterrealisierungon with the ratio Elemontobreite D to lattice constant gzu D / g = 1/3 results in the best suppression of Oberwollen in the output signal spectrum. Depending on the application, a more or less strong directional selectivity is required. This is inventively achieved by changing the length of the subpixel elements (Fig. 5a, b). At the same time it should be shown how the speed is measured in two components with the same sensor. Fig. 5a shows between orthogonally arranged gratings of high directionality. A reduced directional selectivity was achieved in Fig. 5 b by extension by lattice mantle. To avoid asymmetries in the grid structure; To avoid this, the number of grid elements had to be reduced in this case. However, the larger integral area leads to improved performance with respect to the dynamics of the spatial filter sensor. The respective resulting orthogonal lattice constants g _x and g _{v are} calculated

g« = V(g*·)² + d_v,² bzw. g_y = V(g_y·)² = d^² (2)g «= V (g * ·) ² + d _v , ² or g _y = V (g _y ·) ² = d ^ ² (2)

Bei r°chteckförmiger Sensorflächo ist eine Formatreduzierung auf eine quadratische Grundfläche, die eine Verschlechterung der Dynamik des Ortsfiltersensors nach sich zieht, nicht nötig. Es werden jetzt mit V_x".und v_y* nicht orthogonal zueinander liegende Geschwindigkeitskomponenten gemessen, die aber jederzeit in die orthogonalen Komponenten umgerechnet werden können. Gibt man mit x_p und y_p den Abstand der Pixel in x- und y-Richtung und mit M bzw. N die zugehörige Pixelanzahl des Sensors an, so läßt sich die Winkelauflösung für die Schwenkung der GitterachseIn the case of a rectangular sensor surface, it is not necessary to reduce the format to a quadratic base area, which leads to a deterioration in the dynamics of the spatial filter sensor. With V _x "and v _y *, velocity components that are not orthogonal to each other are measured, but which can be converted into the orthogonal components at any time." X _p and y _{p are} the distance of the pixels in x and y direction and with M or N on the associated number of pixels of the sensor, so can the angular resolution for the pivoting of the grid axis

(3)(3)

delta ß_x =delta ß _x = bestimmen.determine. arc tan -arc tan - Vp. g«Vp. G « Ee bei einem maximaleat a maximum η Schwerη heavy ikungs\ikungs \ von ß_xmax of ß _xmax - arc tan- arc tan UymaxUymax MVp-MVP 9x9x ymaxymax NN NyYpNyYp

Claims (6)

1. Verfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung auf der Basis flächenabtastender Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß. das Bildfeld einer TV-Kamera in Ne_x horizontale streifenförmige, bzw. N_Ey vertikale streifenförmigeTeilbildelemente aufgeteilt ist, und die einzelnen streifenförmigen Teilbildelemente untereinander einen Versatz von d_y für die vertikalen Streifen und d_x für die horizontalen Streifen aufweisen.1. A method for non-contact speed measurement based on area-scanning sensors, characterized in that. the field of view of a TV camera is divided into Ne _x horizontal stripe-shaped and N _Ey vertical stripe-shaped subpixels, and the individual stripe-shaped subpixels have an offset of d _y for the vertical stripes and d _x for the horizontal stripes. 2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Realisierung eines Differenzgitters, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildpunkte innerhalb der geraden Teilbildolemente mit +1 bzw. innerhalb derungeradei. Teilbildelemente mit —1 bewertet werden und die Bildpunkte außerhalb der Teilbildelemente unberücksichtigt bleiben.2. The method of claim 1 for the realization of a differential grating, characterized in that the pixels within the even field elements with +1 or within derderadei. Sub-picture elements are rated -1 and the pixels outside the sub-picture elements are disregarded. 3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Veränderung der Richtungsauflösung und der Filtergüte, dadurch gekennzeichnet, daß je nach gewünschter Richtungsauflösung die Elementelänge veränderbar ist und je nach gewünschter Filtergüte die Elementebreite und -anzahl veränderbar sind.3. The method of claim 1 for changing the directional resolution and the filter quality, characterized in that, depending on the desired directional resolution, the element length is variable and depending on the desired filter quality, the element width and number are variable. 4. Verfahren nach Anspruch 1 zur zweidimensionalen Geschwindigkeitsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwenkung der Gitterachse um die vertikal- bzw. Horizontalachse der Versatz d_xbzw.d_yveränderbaristund somit einWinkel von ß_x = arctand_x/g_ybzw. ß_y = aretan d_y/g_x einstellbar ist.4. The method of claim 1 for two-dimensional velocity measurement, characterized in that for the pivoting of the grating axis about the vertical or horizontal axis of the displacement d _x bzw.d _y variable and thus an angle of ß _x = arctand _x / g _y and ß _y = aretan d _y / g _{x is} adjustable. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Winkel ß_x und ß_y eingestellt ist und eine Umschaltung von horizontalem suf vertikales Streifenmuster alternierend erfolgt, so daß nacheinander aus der Detektion von v(ß_x) und v(ß_y) eine Umrechnung auf die Komponenten V_x bzw. v_y vorgenommen wird.5. The method according to claim 1 and 4, characterized in that a fixed angle ß _x and ß _{y is} set and a switch from horizontal suf vertical stripe pattern is done alternately, so that successively from the detection of v (ß _x ) and v (ß _y ) a conversion to the components V _x or v _{y is} made. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5 zur besseren Dämpfung der Oberwellen im Filterausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Dimensionierung des Streifenmusters ein Verhältnis Elementebreite D zu Gitterkonstante g von D/g = 1/3 gewählt wird.6. The method of claim 1 and 5 for better attenuation of the harmonics in the filter output signal, characterized in that in the dimensioning of the stripe pattern, a ratio element width D to lattice constant g of D / g = 1/3 is selected.