WO2007065643A1 - Vibrometer - Google Patents
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- WO2007065643A1 WO2007065643A1 PCT/EP2006/011685 EP2006011685W WO2007065643A1 WO 2007065643 A1 WO2007065643 A1 WO 2007065643A1 EP 2006011685 W EP2006011685 W EP 2006011685W WO 2007065643 A1 WO2007065643 A1 WO 2007065643A1
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
- G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
Definitions
- the invention relates to a vibrometer according to the preamble of claim 1.
- the invention further relates to the use of such a vibrometer and a method for generating a vibration image of a vibrating object.
- a vibrometer of the type mentioned at the beginning can be found in the prospectus
- Coherent light is generated in such a vibrometer, for example by means of a laser, and by means of a beam splitter into a measuring and a reference beam The measuring beam strikes a vibrating object, runs back from it and is caused to overlap with the reference beam based on the principle of an interferometer.
- a characteristic overlay or interference pattern results, which indicates the oscillation behavior of the vibrating object If, for example, the intensity variation of the overlay pattern is observed over time by means of a detector, this variation can be used to draw direct conclusions about the oscillation frequency of the object or its illuminated surface tion frequency of the interference pattern is directly proportional to the speed of the vibrating object.
- the object directed to a device for a vibrometer according to the preamble of claim 1 is achieved according to the invention in that a micromirror raster is arranged in the beam path of the returning measuring beam, with receiving optics for imaging the vibrating object onto the micromirror raster and imaging optics Image of the micromirror grid on the detector are provided.
- the invention is based on the consideration that, in order to analyze the vibration behavior of the object to be examined, it should not be scanned by means of the measuring beam, but replaced by imaging the interference pattern on the detector. This eliminates the time-consuming scanning process, which not only reduces the measuring time, but also results in a simpler structure of the vibrometer.
- the invention is based on the consideration that a simple and fast detector can be used to evaluate the interference pattern if a micromirror grid is used in the imaging beam path.
- a micromirror raster which comprises micromirrors arranged in columns and rows, allows a selective selection of individual image sections, in that only the desired micromirrors are directed onto the detector.
- the invention allows a vibration image of the object to be examined to be recorded, in which the measurement beam is not guided over the object in a time-consuming manner, but instead the object is selectively imaged on the detector.
- the necessary measuring time is shortened by at least the part time that would be required to guide the measuring beam over the object.
- the invention is not limits.
- the structure can be the same as that of a known Michelson interferometer, with the measuring beam being reflected by the vibrating object in one branch and the reference beam being reflected by a mirror in the other branch.
- the beam splitting can be carried out with conventional beam splitters, but also with non-linear optical elements. Mirrors, prisms and in particular also optical fibers can be used for beam guidance.
- the necessary measuring time of the vibrometer depends on the desired resolution of the oscillation frequency and the number of evaluated measuring points.
- the frequency resolution defines the measuring time per measuring point; the whole
- Measuring time per area depends linearly on the number of measuring points.
- the measurement time for a desired resolution of the oscillation frequency of 1 Hz is, for example, 1 second per measurement point. It takes N seconds to evaluate N measuring points. If the N measuring points could be observed in parallel with a mosaic of detector elements, the required one would be
- a micromirror grid advantageously allows the use of a simple detector having a few grid elements, and in particular a single detector. For this purpose, only a selective mapping of the interference image onto the detector by aligning individual micromirrors needs to take place with the advantages described at the beginning with regard to the measuring time. With a micromirror grid, imaging of the vibrometer with an inexpensive detector is therefore possible with a reasonable measuring time.
- a transmitting optic is provided for aligning the measuring beam running away with the oscillating object. This makes it possible, for example, to widen or focus the measuring beam.
- the radiation source in such a way that the measuring beam striking the object already has a desired cross-sectional area.
- a frequency shifter in particular a Bragg cell, is expediently arranged in the reference beam path.
- a frequency shift In addition, which can in particular also be designed as a non-linear optical element, the frequency of the reference beam is shifted relative to the frequency of the measuring beam. In the case of the Bragg cell, this is done by a passing acoustic wave on which the reference beam is diffracted.
- the beam splitter can be designed as a polarization-sensitive element.
- the beam splitter can generally be designed as a partially reflective or diffractive element.
- the measurement and reference beam can be superimposed on the detector itself.
- a pixel of the vibrating object imaged by the micromirror raster in the detector interferes with the reference beam only in the detector.
- the interference pattern already arises on the micromirror grid before it is imaged, in particular, selectively on the detector.
- the second variant results in a simplified beam guidance, since the measuring beam and the reference beam are guided together in the optical system. However, image information can be deleted by interference.
- a control unit for controlling the micromirror grid and a signal processing unit for evaluating the detector signals are expediently integrated in the vibrometer.
- the control unit is set up to align the micromirrors individually one after the other in time at the detector, and the signal processing unit is set up to generate a spatially resolved vibration image of the vibrating object from the detector signals obtained in this way. In this way, pixels of the vibrating object with the possible switching frequency of the
- Micromirror grids are imaged one after the other on the detector, so that their interference pattern can be observed with the reference beam.
- the measurement time is shortened because there is no need to shift the measurement beam.
- the measurement time can advantageously be reduced further if the micromirrors are aligned in succession with a frequency on the detector which is higher than a limit frequency required to resolve a maximum oscillation frequency. For example, if a maximum oscillation frequency of 10 Hz is to be detected at a resolution of 1 Hz, then the cut-off frequency required for the resolution is double the maximum oscillation frequency, namely 20 Hz, according to the Nyquist theorem.Therefore, each measurement point no longer has to be at a time interval are directed at the detector as 50 milliseconds over a period of 1 second in order to obtain the information necessary for the vibration pattern from the overlay pattern for each measurement point.
- micromirrors are successively aligned with the detector at a higher frequency than the required cutoff frequency, this enables a reduction in the measurement time.
- This succeeds in that in the time between two measuring cycles of a measuring point, with the micro mirror being aligned with the detector in each measuring cycle, further micro mirrors are aligned with the detector.
- each micromirror is aligned with the detector with a time offset, each micromirror, viewed separately, aligned with the clocking of the cutoff frequency and the time interval between the alignment of successive micromirrors corresponds to a higher frequency, the maximum value of which is the maximum possible control frequency of the micromirror grid given is.
- the measurement time can be significantly reduced.
- the micromirror grid is controlled in such a way that the micromirrors are aligned with the detector in chronological succession in a respectively predetermined grouping, the signal processing unit using the mathematical transformation to generate a spatially resolved vibration image of the vibrating object from the detector signals obtained in this way.
- groups of micromirrors are aligned together on the detector. In this way, several pixels of the overlay pattern are recorded together by the detector. If the micromirrors that are aligned jointly on the detector are specified accordingly, a mathematical transformation can be used to calculate back from the total of the detector signals recorded to the intensity curve in each individual pixel of the overlay pattern.
- a Hadamard transformation is particularly suitable as a mathematical transformation for backward calculation. This is described, for example, in M. Harwit, Hadamard Transform Optics, Academic Press,
- the respective vibration spectrum can be inferred from the intensity course of each individual image point of the superimposition pattern by means of a frequency analysis, for example by means of a Fourier transformation.
- a frequency analysis for example by means of a Fourier transformation.
- the micromirrors of the micromirror grid are designed such that they can each assume two tilt positions, each micromirror directing incoming radiation in the first tilt position onto the detector and in the second tilt position into a light trap. This configuration ensures that only that radiation reaches the detector that originates from micromirrors aligned with the detector. Scattered radiation from micromirrors not aligned with the detector is reduced by the light trap.
- the object is achieved according to the invention in that the vibrometer described is used to identify a vibrating object or a significant property of the vibrating object on the basis of its vibration characteristics.
- an active vehicle can be distinguished from a mere dummy by the vibration of a running engine.
- the vibration characteristic of the object to be identified is specified in particular by a defined vibration device.
- a specific vibration characteristic can be impressed on the objects to be identified, such as in particular vehicles, aircraft or buildings, by means of which they can be identified on the basis of their own side. With such a use, a friend-foe distinction is possible.
- the task directed to a method is achieved by a method according to the
- the preamble of claim 14 is achieved according to the invention in that the oscillating object is imaged on a micromirror grid by means of the measuring beam, and in that the micromirror grid is imaged on the detector. Further advantageous refinements can be found in the subclaims directed to a method.
- FIG. 1 schematically shows a first variant of an imaging vibrometer with a micromirror grid
- FIG. 2 schematically shows a second variant of an imaging vibrometer with a micromirror grid
- FIG. 3 schematically shows the use of a vibrometer to identify a vibrating object.
- a vibrometer 1 schematically shows a vibrometer 1, which comprises a laser 2, a beam splitter 4, a transmitting optic 5, a receiving optic 7, a micromirror laser 8, an imaging optic 9 and a detector 10 as the radiation source.
- the laser 2 emits a coherent output beam 13 which is split into a measuring beam 14 and a reference beam 15 by the beam splitter 4.
- the measuring beam 14 is widened by means of the transmitting optics 5 and onto the investigative vibrating object 17 directed.
- the oscillating object 17 carries out oscillations, as indicated by the arrows.
- the measuring beam 14 is reflected on the vibrating object 17.
- the returning measuring beam 18 passes through the receiving optics 7, which images the illuminated surface of the vibrating object 17 onto the micromirror grid 8.
- the micromirror laser 8 is imaged on the detector 10 by means of the imaging optics 9.
- the part of the object image which is oriented by the micromirror grid 8 onto the detector interferes with the reference beam 15, so that the detector 10 observes the interference or superimposition pattern which is formed.
- the detector 10 is connected to a signal processing unit 20.
- the signal processing unit 20 is combined with a control unit 21 which is connected to the micromirror grid 8 for control purposes.
- the control unit 21 controls the micromirror grid 8, for example, in such a way that individual micromirrors are aligned with the detector 10 one after the other in a respectively predetermined grouping. In a measurement cycle, a predetermined number of groups defined by the respective arrangement of the micromirrors in the micromirror grid 8 are aligned with the detector 10 at the actuation frequency possible by the micromirror laser 8.
- a Hadamard transformation in the signal processing unit 20 is used to deduce the temporal intensity profile of the superimposition pattern of each imaging point defined by the size of the micromirror.
- a spatially resolved vibration image of the vibrating object 17 is generated by a frequency analysis.
- An alternative vibrometer 23 is shown schematically in FIG.
- the vibrometer 23 differs from the vibrometer 1 shown in FIG. 1 in that the transmitting optics 5 are arranged in the output beam 13 and in that the beam splitter 4 directs the divided reference beam 15 onto the micromirror grid 8.
- a Bragg cell 22 is also inserted into the reference beam 15, as a result of which the reference beam 15 experiences a frequency shift. This enables the direction of vibration to be detected.
- the returning measuring beam 18 and the reference beam 15 are superimposed on the micromirror in the vibrometer 23. grid 8 instead.
- one or more pixels of the interference pattern are imaged into the detector 10 by selective activation of the individual micromirrors of the micromirror grid 8.
- the detectors 10 in the vibrometers 1 and 23 are each designed as individual detectors in the form of fast photomultipliers. The time course of the recorded intensity is recorded in each case.
- FIG. 3 shows the use of the vibrometer 1 according to FIG. 1 for obtaining reconnaissance data.
- a drone 24 flies over a site 26 with open vegetation 27 and trees 28.
- a truck 29 is located in the site 26, from which it is unclear whether it is real or a dummy.
- the drone 24 flying over the terrain 26 is one of a number of others
- Sensors such as cameras and infrared detectors, are equipped with a vibrometer 1 according to FIG. 1.
- the vibrometer 1 measures vibrations of the targeted object via the drawn beam path 30.
- the vibrometer 1 detects an engine vibration of the truck 29, so that it can now be clearly concluded that a real truck 29 is present.
Landscapes
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Abstract
Es wird ein Vibrometer (1, 23) angegeben, welches eine Strahlungsquelle (z.B. 2) für kohärente Strahlung, einen Strahlteiler (4) zur Zerlegung des Ausgangsstrahls (13) der Strahlungsquelle (z.B. 2) in einen Messstrahl (14) zur Beobachtung eines schwingenden Objekts (17) und in einen Referenzstrahl (15), eine Strahlführungseinrichtung zur Überlagerung des vom schwingenden Objekt (17) rücklaufenden Messstrahls (18) mit dem Rerefenzstrahl (15) und einen Detektor (10) zur zeit- und/oder ortsaufgelösten Aufnahme der Überlagerungsmuster umfasst. Dabei ist ein im Strahlengang des rücklaufenden Messstrahls (18) angeordnetes Mikrospiegelraster (8), eine Empfangsoptik (7) zur Abbildung des schwingenden Objekts (17) auf das Mikrospiegelraster (8) und eine Abbildungsoptik (9) zur Abbildung des Mikrospiegelrasers (8) auf den Detektor (10) vorgesehen. Das abbildende Vibrometer (1, 23) zeichnet sich durch eine geringe Messzeit aus. Weiter werden ein Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungsbilds des schwingenden Objekts (17) sowie eine Verwendung des Vibrometers (1, 23) angegeben.
Description
Diehl BGT Defence GmbH & Co. KG, 88662 Überlingen
Vibrometer
Die Erfindung betrifft ein Vibrometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung eines derartigen Vibrometers sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungsbildes eines schwingenden Objekts. Ein Vibrometer der eingangs genannten Art kann beispielsweise dem Prospekt
„Möglichkeiten und Grundlagen der Vibrometrie" der Polytec GmbH, erhältlich im Download-Bereich unter www.polytec.com, entnommen werden. In einem derartigen Vibrometer wird beispielsweise mittels eines Lasers kohärentes Licht erzeugt und mittels eines Strahlteilers in einen Mess- und in einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl trifft auf ein schwingendes Objekt, läuft von diesem reflektiert zurück und wird nach dem Prinzip eines Interferometers zur Überlagerung mit dem Referenzstrahl gebracht. Aufgrund der Schwingungen des Objekts ergibt sich ein charakteristisches Überlagerungs- oder Interferenzmuster, aus welchem auf das Schwingungsverhalten des schwingenden Objekts zurückge- schlössen werden kann. Wird beispielsweise mittels eines Detektors die Intensitätsvariation des Überlagerungsmusters mit der Zeit beobachtet, so kann aus dieser Variation direkt auf die Schwingungsfrequenz des Objekts bzw. seiner angestrahlten Oberfläche zurückgeschlossen werden. Die Modulationsfrequenz des Interferenzmusters ist hierbei direkt proportional zur Geschwindigkeit des schwingenden Objekts.
Zur Erfassung des dreidimensionalen Schwingungsverhaltens des schwingenden Objekts ist es bekannt, die Messstrahlen aus orthogonalen Richtungen auf das Objekt zu richten, um somit Wegdifferenzen in drei Raumrichtungen beobachten zu können. Zur Erzeugung eines ortsaufgelösten Schwingungsbildes des schwingenden Objekts ist es weiter bekannt, das schwingende Objekt bzw. seine Oberfläche mit dem Messstrahl abzuscannen und somit für jeden Messpunkt das spezifische Schwingverhalten zu ermitteln. Nachteiligerweise erfordert sowohl die
3D- als auch die ortsaufgelöste Vibrometrie einen hohen Zeitaufwand bei der Ermittlung des Schwingungsverhaltens.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Vibrometer anzugeben, welches hinsichtlich der notwendigen Messzeit gegenüber einem Vibrometer der herkömmlichen Art verbessert ist. Weiter soll eine Verwendung für ein derartiges Vibrometer angegeben werden. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, ein hinsichtlich der notwendigen Messzeit verbessertes Verfahren zur Erstellung eines Schwingungsbildes eines schwingenden Objektes anzugeben.
Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird für ein Vibrometer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Mikro- spiegelraster im Strahlengang des rücklaufenden Messstrahls angeordnet ist, wobei eine Empfangsoptik zur Abbildung des schwingenden Objekts auf das Mik- rospiegelraster und eine Abbildungsoptik zur Abbildung des Mikrospiegelrasters auf den Detektor vorgesehen sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, zur Analyse des Schwingungsverhaltens des zu untersuchenden Objektes dieses nicht mittels des Mess- Strahls zu scannen, sondern durch eine Abbildung des Interferenzmusters auf dem Detektor zu ersetzen. Hierdurch entfällt der aufwändige Scannvorgang, wodurch sich nicht nur die Messzeit verringert, sondern sich zudem ein einfacherer Aufbau des Vibrometers ergibt. In einem weiteren Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich ein einfacher und schneller Detektor zur Auswer- tung des Interferenzmusters einsetzen lässt, wenn ein Mikrospiegelraster im Abbildungsstrahlengang verwendet wird. Ein derartiges, in Spalten und Zeilen angeordnete Mikrospiegel umfassendes Mikrospiegelraster erlaubt nämlich eine selektive Auswahl einzelner Abbildungsausschnitte, indem nur die gewünschten Mikrospiegel auf den Detektor gerichtet werden.
Mit anderen Worten erlaubt die Erfindung, ein Schwingungsbild des zu untersuchenden Objektes aufzunehmen, in dem nicht der Messstrahl zeitaufwändig über das Objekt geführt, sondern eine selektive Abbildung des Objekts auf den Detektor erfolgt. Dabei verkürzt sich die notwendige Messzeit mindestens um diejenige Teilzeit, die zum Führen des Messstrahls über das Objekt erforderlich wäre.
Hinsichtlich des Aufbaus der Strahlführungseinrichtung, die zur Überlagerung des Mess- und des Referenzstrahls notwendig ist, ist die Erfindung nicht einge-
schränkt. Beispielsweise kann der Aufbau dem eines bekannten Michelson- Interferometers gleichen, wobei in einem Zweig der Messstrahl von dem schwingenden Objekt und in dem anderen Zweig der Referenzstrahl von einem Spiegel reflektiert wird. Die Strahlteilung kann mit herkömmlichen Strahlteilern, aber auch mit nichtlinearen optischen Elementen durchgeführt werden. Zur Strahlführung können Spiegel, Prismen und insbesondere auch Lichtleitfasern eingesetzt sein.
Die notwendige Messzeit des Vibrometers hängt von der angestrebten Auflösung der Schwingungsfrequenz und der Anzahl der ausgewerteten Messpunkte ab. Die Frequenzauflösung legt hierbei die Messzeit pro Messpunkt fest; die gesamte
Messzeit pro Fläche hängt linear von der Anzahl der Messpunkte ab. Die Messzeit für eine gewünschte Auflösung der Schwingungsfrequenz von 1 Hz beträgt beispielsweise pro Messpunkt 1 Sekunde. Damit benötigt man zur Auswertung von N Messpunkten N Sekunden. Könnten die N Messpunkte mit einem Mosaik von Detektorelementen parallel beobachtet werden, so würde sich die benötigte
Messzeit auf 1 Sekunde verringern. Für jedes Rasterelement wäre ein Wandler für optische in elektrische Energie und eine Elektronik erforderlich, die die aufgenommene Information, wie beispielsweise Intensität, Amplitude oder Frequenz, verarbeitet. Ein derart aufwändiges Element ist für eine kommerzielle Realisie- rung nicht geeignet.
Vorteilhafterweise erlaubt jedoch der Einsatz eines Mikrospiegelrasters die Verwendung eines einfachen, wenige Rasterelemente aufweisenden Detektors, und insbesondere eines Einzeldetektors. Hierzu muss lediglich mit den eingangs ge- schilderten Vorteilen bezüglich der Messzeit eine selektive Abbildung des Interferenzbildes auf den Detektor durch Ausrichtung einzelner Mikrospiegel erfolgen. Mit einem Mikrospiegelraster wird demnach mit vertretbarer Messzeit ein Abbilden des Vibrometers mit einem kostengünstigen Detektor möglich. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sendeoptik zur Ausrichtung des weglaufenden Messstrahls auf das schwingende Objekt vorgesehen. Hierdurch wird beispielsweise eine Aufweitung oder Fokussierung des Messstrahls möglich. Ebenso gut ist es jedoch auch vorstellbar, die Strahlungsquelle bereits so auszugestalten, dass der auf das Objekt treffende Messstrahl bereits eine gewünschte Querschnittsfläche aufweist.
Zweckmäßigerweise wird im Referenzstrahlengang ein Frequenzschieber, insbesondere eine Bragg-Zelle, angeordnet. Mittels eines derartigen Frequenzschie-
bers, der insbesondere auch als ein nichtlineares optisches Element ausgeführt sein kann, wird die Frequenz des Referenzstrahls gegenüber der Frequenz der Messstrahls verschoben. Im Falle der Bragg-Zelle geschieht dies durch eine durcheilende akustische Welle, an der der Referenzstrahl gebeugt wird. Durch die Verschiebung der Frequenz des Referenzstrahls ist es möglich, nicht nur die
Geschwindigkeit oder Frequenz des schwingenden Objekts zu analysieren, sondern zusätzlich seine Bewegungsrichtung. Die Modulationsfrequenz des Interferenzmusters ist hierbei von der Bewegungsrichtung des Objektes abhängig. Zur Detektion der Bewegungsrichtung des schwingenden Objekts kann weiter vorteilhaft auch die Polarisationsrichtung der Strahlung ausgenutzt werden. Hierzu kann der Strahlteiler als ein polarisationsempfindliches Element ausgeführt sein. Zur Strahlteilung kann der Strahlteiler generell als ein teilreflektives oder diffraktives Element ausgestaltet sein.
Die Überlagerung von Mess- und Referenzstrahl kann auf dem Detektor selbst erfolgen. Ebenso gut ist es jedoch auch möglich, die Strahlführungseinrichtung derart auszubilden, dass die Überlagerung von Mess- und Referenzstrahl auf dem Mikrospiegelraster stattfindet. Im ersteren Fall interferiert ein vom Mikro- spiegelraster in den Detektor abgebildeter Bildpunkt des schwingenden Objekts erst im Detektor mit dem Referenzstrahl. Im zweiten Fall ergibt sich das Interferenzmuster bereits auf dem Mikrospiegelraster, ehe es insbesondere selektiv auf dem Detektor abgebildet wird. Durch die zweite Variante ergibt sich eine vereinfachte Strahlführung, da der Meß- und der Referenzstrahl gemeinsam im opti- sehen System geführt werden. Allerdings kann durch Interferenz Bildinformation ausgelöscht werden.
Zweckmäßigerweise ist in dem Vibrometer eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Mikrospiegelrasters und einer Signalverarbeitungseinheit zur Auswertung der Detektorsignale integriert. Dabei ist in einer bevorzugten Variante die Steuereinheit dafür eingerichtet, die Mikrospiegel zeitlich nacheinander jeweils einzeln auf den Detektor auszurichten, und die Signalverarbeitungseinheit ist dafür eingerichtet, aus den derart erhaltenen Detektorsignalen ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts zu erzeugen. Auf diese Weise werden Bildpunkte des schwingenden Objekts mit der möglichen Schaltfrequenz des
Mikrospiegelrasters nacheinander auf den Detektor abgebildet, so dass deren Interferenzmuster mit dem Referenzstrahl beobachtet werden kann. Bereits ge-
genüber einem scannenden Vibrometer ergibt sich hierbei eine Verkürzung der Messzeit, da die Verschiebung des Messstrahls entfällt.
Die Messzeit kann vorteilhafterweise weiter verringert werden, wenn die Mikro- Spiegel nacheinander mit einer Frequenz auf den Detektor ausgerichtet werden, die gegenüber einer zur Auflösung einer maximalen Schwingungsfrequenz erforderlichen Grenzfrequenz erhöht ist. Soll beispielsweise bei einer Auflösung von 1 Hz eine maximale Schwingungsfrequenz von 10 Hz detektiert werden, so beträgt die zur Auflösung erforderliche Grenzfrequenz nach dem Nyquist-Theorem das Doppelte der maximalen Schwingungsfrequenz, nämlich 20 Hz. Folglich muss jeder Messpunkt mit einem zeitlichen Abstand von nicht mehr als 50 Millisekunden über einen Zeitraum von 1 Sekunde auf den Detektor gerichtet werden, um für jeden Messpunkt aus dem Überlagerungsmuster die für das Schwingungsbild notwendige Information zu gewinnen. Werden die Mikrospiegel nacheinander mit einer höheren Frequenz als der erforderlichen Grenzfrequenz auf den Detektor ausgerichtet, so ermöglicht dies eine Verringerung der Messzeit. Dies gelingt dadurch, dass in der Zeit zwischen zwei Messtakten eines Messpunktes, wobei in jedem Messtakt der Mikrospiegel auf den Detektor ausgerichtet ist, weitere Mikrospiegel auf den Detektor ausgerichtet werden. Mit ande- ren Worten wird jeder Mikrospiegel zeitlich versetzt gegen den Detektor ausgerichtet, wobei jeder Mikrospiegel separat betrachtet mit der Taktung der Grenzfrequenz ausgerichtet wird und der zeitliche Abstand der Ausrichtung aufeinander folgender Mikrospiegel einer höheren Frequenz entspricht, deren Maximalwert durch die maximal mögliche Ansteuerfrequenz des Mikrospiegelrasters ge- geben ist. Hierdurch kann die Messzeit deutlich weiter verkürzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Mikrospiegelraster derart angesteuert, dass die Mikrospiegel zeitlich nacheinander in einer jeweils vorgegebenen Gruppierung auf den Detektor ausgerichtet werden, wobei die Signal- Verarbeitungseinheit aus den derart erhaltenen Detektorsignalen mit einer mathematischen Transformation ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts erzeugt. Bei dieser Variante werden Gruppen von Mikrospiegeln gemeinsam auf den Detektor ausgerichtet. Damit werden mehrere Bildpunkte des Überlagerungsmusters gemeinsam durch den Detektor aufgenommen. Bei entsprechender Vorgabe der gemeinsam auf den Detektor ausgerichteten Mikrospiegel kann mittels einer mathematischen Transformation aus den gesamt aufgenommenen Detektorsignalen auf den Intensitätsverlauf in jedem einzelnen Bildpunkt des Überlagerungsmusters zurückgerechnet werden. Da die Mikro-
spiegel gruppenweise auf den Detektor ausgerichtet werden, ist es hierdurch möglich, die zum Erzielen einer gewünschten Auflösung erforderliche Messzeit deutlich zu verringern. Zum Zurückrechnen eignet sich als mathematische Transformation insbesondere eine Hadamard-Transformation verwendet werden. Die- se ist beispielsweise in M. Harwit, Hadamard Transform Optics, Academic Press,
1979, beschrieben.
Zur Erzeugung des ortsaufgelösten Schwingungsbilds des zu untersuchenden Objekts kann z.B. aus dem gewonnenen Intensitätsverlauf jedes einzelnen BiId- punkts des Überlagerungsmusters durch eine Frequenzanalyse, beispielsweise durch eine Fourier-Transformation, auf das jeweilige Schwingungsspektrum geschlossen werden. Im Falle einer linearen mathematischen Transformation zur Rückrechnung aus den Gruppeninformationen ist es unerheblich, ob die Frequenzanalyse gleich mit den erhaltenen Detektorsignalen, d.h. den Rohdaten, durchgeführt und anschließend die Transformation angewendet wird, oder ob zunächst die mathematische Transformation auf die Rohdaten angewendet und die Frequenzanalyse mit den transformierten Rohdaten durchgeführt wird.
Zur Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses ist es zweckmäßig, Streulicht zu unterdrücken. Hierzu sind die Mikrospiegel des Mikrospiegelrasters derart ausgestaltet, dass sie jeweils zwei Kippstellungen einnehmen können, wobei jeder Mikrospiegel eintreffende Strahlung in der ersten Kippstellung auf den Detektor und in der zweiten Kippstellung in eine Lichtfalle lenkt. Durch diese Ausgestaltung wird erzielt, dass den Detektor nur diejenige Strahlung erreicht, die von auf den Detektor ausgerichteten Mikrospiegeln stammt. Streustrahlung von nicht auf den Detektor ausgerichteten Mikrospiegeln wird durch die Lichtfalle reduziert.
Hinsichtlich der Verwendungsangabe wird die gestellte Aufgabe erfindungsge- maß dadurch gelöst, dass das beschriebene Vibrometer zur Identifizierung eines schwingenden Objekts oder einer signifikanten Eigenschaft des schwingenden Objekts anhand seiner Schwingungscharakteristik eingesetzt wird.
Beispielsweise kann durch die Vibration eines laufenden Motors ein aktives Fahrzeug von einer bloßen Attrappe unterschieden werden. Insbesondere bei einem militärischen Einsatz des Vibrometers ist es somit möglich, zur Identifizierung realer Fahrzeuge eine weitere Eigenschaft, nämlich deren Vibration, heranzuziehen.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Schwingungscharakteristik dem zu identifizierenden Objekt insbesondere durch eine definierte Schwingungsvorrichtung vorgegeben. Hierzu kann den zu identifizierenden Objekten, wie insbe- sondere Fahrzeugen, Flugzeugen oder Gebäuden, eine spezifische Schwingungscharakteristik aufgeprägt werden, anhand derer diese der eigenen Seite zugehörend identifiziert werden können. Mittels einer derartigen Verwendung ist demnach eine Freund-Feind-Unterscheidung möglich. Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 14 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das schwingende Objekt mittels des Messstrahls auf ein Mikrospiegelraster abgebildet wird, und dass das Mikrospiegelraster auf den Detektor abgebildet wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den auf ein Verfahren gerichteten Unteransprüchen zu entnehmen.
Die für das Vibrometer geschilderten Vorteile sind sinngemäß auf die verfahrensgemäßen Ausgestaltungen zu übertragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 schematisch eine erste Variante eines abbildenden Vibrometers mit Mik- rospiegelraster,
FIG 2 schematisch eine zweite Variante eines abbildenden Vibrometers mit Mikrospiegelraster und
FIG 3 schematisch die Verwendung eines Vibrometers zur Identifizierung eines schwingenden Objekts.
In FIG 1 ist schematisch ein Vibrometer 1 dargestellt, welches als Strahlungsquelle einen Laser 2, einen Strahlteiler 4, eine Sendeoptik 5, eine Empfangsoptik 7, ein Mikrospiegelraser 8, eine Abbildungsoptik 9 und einen Detektor 10 um- fasst.
Der Laser 2 emittiert einen kohärenten Ausgangsstrahl 13, der durch den Strahlteiler 4 in einen Messstrahl 14 und in einen Referenzstrahl 15 aufgeteilt wird. Mittels der Sendeoptik 5 wird der Messstrahl 14 aufgeweitet und auf das zu un-
tersuchende schwingende Objekt 17 gerichtet. Das schwingende Objekt 17 führt - durch die Pfeile angedeutet - Schwingungen aus.
An dem schwingenden Objekt 17 wird der Messstrahl 14 reflektiert. Der rücklau- fende Messstrahl 18 durchläuft die Empfangsoptik 7, die die beleuchtete Oberfläche des schwingenden Objekts 17 auf das Mikrospiegelraster 8 abbildet. Das Mikrospiegelraser 8 wird mittels der Abbildungsoptik 9 auf dem Detektor 10 abgebildet. Auf dem Detektor 10 interferiert der von dem Mikrospiegelraster 8 auf den Detektor ausgerichtete Teil der Objektabbildung mit dem Referenzstrahl 15, so dass der Detektor 10 das sich bildende Interferenz- oder Überlagerungsmuster beobachtet.
Zur Auswertung der enthaltenen Detektorsignale ist der Detektor 10 mit einer Signalverarbeitungseinheit 20 verbunden. Die Signalverarbeitungseinheit 20 ist mit einer Steuereinheit 21 kombiniert, die zur Ansteuerung mit dem Mikrospiegelraster 8 verbunden ist. Die Steuereinheit 21 steuert das Mikrospiegelraster 8 beispielsweise derart an, dass einzelne Mikrospiegel zeitlich nacheinander in einer jeweils vorgegebenen Gruppierung auf den Detektor 10 ausgerichtet werden. In einem Messzyklus werden dabei mit der durch das Mikrospiegelraser 8 mögli- chen Ansteuerfrequenz eine vorgegebene Anzahl von durch die jeweilige Anordnung der Mikrospiegel im Mikrospiegelraster 8 definierte Gruppen auf den Detektor 10 ausgerichtet. Aus den derart erhaltenen Detektorsignalen wird mittels einer Hadamard-Transformation in der Signalverarbeitungseinheit 20 auf den zeitlichen Intensitätsverlauf des Überlagerungsmusters jedes durch die Größe des Mikro- Spiegel definierten Abbildungspunktes zurückgeschlossen. Durch eine Frequenzanalyse wird ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts 17 erzeugt.
In FIG 2 ist schematisch ein alternatives Vibrometer 23 dargestellt. Das Vibrome- ter 23 unterscheidet sich von dem in FIG 1 gezeigten Vibrometer 1 dadurch, dass die Sendeoptik 5 im Ausgangsstrahl 13 angeordnet ist, und dass der Strahlteiler 4 den abgeteilten Referenzstrahl 15 auf das Mikrospiegelraster 8 richtet. Weiter ist in den Referenzstrahl 15 eine Bragg-Zelle 22 eingesetzt, wodurch der Referenzstrahl 15 eine Frequenzverschiebung erfährt. Hierdurch ist die Detektion der Schwingungsrichtung möglich.
Durch diese Ausgestaltung findet in dem Vibrometer 23 die Überlagerung des rücklaufenden Messstrahls 18 und des Referenzstrahls 15 auf dem Mikrospiegel-
raster 8 statt. In diesem Fall wird durch selektive Ansteuerung der einzelnen Mik- rospiegel des Mikrospiegelrasters 8 jeweils ein oder mehrere Bildpunkte des Interferenzmusters in den Detektor 10 abgebildet. Die Detektoren 10 in den Vibrometern 1 und 23 sind jeweils als Einzeldetektoren in Form schneller Photomultiplier ausgebildet. Es wird jeweils der zeitliche Verlauf der aufgenommenen Intensität aufgenommen.
In FIG 3 ist eine Verwendung des Vibrometers 1 gemäß FIG 1 zur Gewinnung von Aufklärungsdaten dargestellt. Hierzu überfliegt eine Drohne 24 ein Gelände 26 mit offenem Bewuchs 27 sowie Bäumen 28. Weiter befindet sich in dem Gelände 26 ein Lastkraftwagen 29, von dem es unklar ist, ob er real oder eine Attrappe ist. Die das Gelände 26 überfliegende Drohne 24 ist neben einer Vielzahl anderer
Sensoren, wie Kameras und Infrarotdetektoren, mit einem Vibrometer 1 gemäß FIG 1 ausgerüstet. Über den eingezeichneten Strahlengang 30 misst das Vibrometer 1 Schwingungen des anvisierten Objekts. Vorliegend detektiert das Vibrometer 1 eine Motorschwingung des Lastkraftwagens 29, so dass nun eindeutig darauf geschlossen werden kann, dass ein realer Lastkraftwagen 29 vorliegt. Der
Einsatz des Vibrometers 1 ergänzt somit die weiter von dem Lastkraftwagen 29 mit den übrigen Sensoren erhaltenen Informationen, so dass für entsprechend einzuleitende Maßnahmen die notwendigen Entscheidungsgründe vorliegen.
Bezugszeichenliste
1 vibrometer
2 Laser
4 Strahlteiler
5 Sendeoptik
7 Empfangsoptik
8 Mikrospiegelraster
9 Abbildungsoptik
10 Detektor
13 Ausgangsstrahl
14 Messstrahl
15 Referenzstrahl
17 schwingendes Objekt
18 rücklaufender Messstrahl
20 Signalverarbeitungseinheit
21 Steuereinheit
22 Bragg-Zelle
23 Vibrometer
24 Drohne
26 Gelände
27 Bewuchs
28 Baum
29 Lastkraftwagen
30 Strahlengang
Claims
1. Vibrometer (1,23), umfassend eine Strahlungsquelle (z.B.2) für kohärente Strahlung, einen Strahlteiler (4) zur Zerlegung des Ausgangsstrahls (13) der Strahlungsquelle (z.B.2) in einen Messstrahl (14) zur Beobachtung eines schwingenden Objekts (17) und in einen Referenzstrahl (15), eine Strahlfüh- rungseinrichtung zur Überlagerung des vom schwingenden Objekt (17) rücklaufenden Messstrahls (18) mit dem Referenzstrahl (15), und einen Detektor (10) zur zeit- und/oder ortsaufgelösten Aufnahme der Überlagerungsmuster, gekennzeichnet,
durch ein im Strahlengang des rücklaufenden Messstrahls (18) angeordne- tes Mikrospiegelraster (8), durch eine Empfangsoptik (7) zur Abbildung des schwingenden Objekts (17) auf das Mikrospiegelraster (8), und durch eine Abbildungsoptik (9) zur Abbildung des Mikrospiegelrasters (8) auf den Detektor (10).
2. Vibrometer (1,23) nach einem Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Detektor (10) als ein Detektor mit wenigen Rasterelementen, insbesondere als ein Einzeldetektor, ausgeführt ist.
3. Vibrometer (1,23) nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet,
durch eine Sendeoptik (5) zur Ausrichtung des weglaufenden Messstrahls auf das schwingende Objekt (17).
4. Vibrometer (1 ,23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet,
durch einen im Referenzstrahlengang angeordneten Frequenzschieber, insbesondere eine Bragg-Zelle (22).
5. Vibrometer (1 ,23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Strahlteiler (4) als ein teilreflektives, diffraktives oder polarisationsempfindliches Element ausgeführt ist.
6. Vibrometer (1 ,23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlführungseinrichtung zur Überlagerung von Mess- und Refe- renzstrahl (14,15) auf dem Mikrospiegelraster (8) ausgebildet ist.
7. Vibrometer (1 ,23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinheit (21) zur Ansteuerung des Mikrospiegelrasters (8) und eine Signalverarbeitungseinheit (20) zur Auswertung der Detektorsignale umfasst ist.
8. Vibrometer (1 ,23) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (21) dafür eingerichtet ist, die Mikrospiegel zeitlich nacheinander jeweils einzeln auf den Detektor (10) auszurichten, und dass die Signalverarbeitungseinheit (20) dafür eingerichtet ist, aus den derart erhaltenen Detektorsignalen ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts (17) zu erzeugen.
9. Vibrometer (1 ,23) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (21) dafür eingerichtet ist, die Mikrospiegel nacheinander mit einer Frequenz auf den Detektor (10) auszurichten, die gegenüber einer zur Auflösung einer maximalen Schwingungsfrequenz erforderlichen
Grenzfrequenz erhöht ist.
10. Vibrometer (1,23) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (21) dafür eingerichtet ist, die Mikrospiegel zeitlich nacheinander in einer jeweils vorgegebenen Gruppierung auf den Detektor (10) auszurichten, und dass die Signalverarbeitungseinheit (20) dafür eingerichtet ist, aus den derart erhaltenen Detektorsignalen mittels einer mathematischen Transformation, insbesondere mittels einer Hadamard- Transformation, ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts (17) zu erzeugen.
11. Vibrometer (1 ,23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrospiegel des Mikrospiegelrasters (8) derart ausgestaltet sind, dass sie jeweils zwei Kippstellungen einnehmen können, wobei jeder Mikro-
Spiegel eintreffende Strahlung in der ersten Kippstellung auf den Detektor (10) und in der zweiten Kippstellung in eine Lichtfalle lenkt.
12. Verwendung eines Vibrometers (1,23) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche zur Identifizierung eines schwingenden Objekts (17) oder einer signifikanten Eigenschaft des schwingenden Objekts (17) anhand seiner Schwingungscharakteristik.
13. Verwendung eines Vibrometers (1,23) nach Anspruch 12,
wobei die Schwingungscharakteristik dem zu identifizierenden Objekt insbesondere durch eine definierte Schwingungsvorrichtung, vorgegeben wird.
14. Verfahren zur Erzeugung eines Schwingungsbildes eines schwingenden Objekts (17),
- wobei ein Ausgangsstrahl einer kohärenten Strahlung erzeugt und in einen Messstrahl (14) und in einen Referenzstrahl (15) zerlegt wird,
- wobei der Messstrahl (14) auf ein schwingendes Objekt (17) gerichtet wird,
wobei der vom Objekt (17) zurücklaufende Messstrahl (18) mit dem Re- ferenzstrahl (15) überlagert wird, und
- wobei das Überlagerungsmuster zeitlich und/oder räumlich aufgelöst mittels eines Detektors (10) beobachtet und hieraus auf das Schwingungsbild geschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das schwingende Objekt (17) mittels des Messstrahls (14) auf ein
Mikrospiegelraster (8) abgebildet wird, und
dass das Mikrospiegelraster (8) auf den Detektor (10) abgebildet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenz des Referenzstrahls (15) verschoben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Mess- (14) und der Referenzstrahl (15) auf dem Mikrospiegelraster (8) überlagern.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrospiegel des Mikrospiegelrasters (8) zeitlich nacheinander je- weils einzeln auf den Detektor (10) ausgerichtet werden, und dass aus den derart erhaltenen Detektorsignalen ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts (17) erzeugt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrospiegel nacheinander mit einer Frequenz auf den Detektor (10) ausgerichtet werden, die gegenüber einer zur Auflösung einer maximalen Schwingungsfrequenz erforderlichen Grenzfrequenz erhöht ist.
19. Verfahren nach Anspruch 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrospiegel zeitlich nacheinander in einer jeweils vorgegebenen Gruppierung auf den Detektor (10) ausgerichtet werden, und dass aus den derart erhaltenen Detektorsignalen mittels einer mathematischen Transfor- mation, insbesondere mittels einer Hadamard-Transformation, ein ortsaufgelöstes Schwingungsbild des schwingenden Objekts (17) erzeugt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrospiegel des Mikrospiegelrasters (8) eintreffende Strahlung in einer ersten Kippstellung auf den Detektor (10) und in einer zweiten Kippstellung in eine Lichtfalle lenken.
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