專利名稱：速度測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于速度測量的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
目前，用于設(shè)備或系統(tǒng)的速度測試的方法和設(shè)備極其不同。但是，通常這些設(shè)備和方法不是特別準(zhǔn)確，且要求巨大的空間，或者需要外部信息。
在1984年的書籍“定位與導(dǎo)航”(Location and Navigation)的M.Bhm的文章“Navigation，Sagnac Effect and MichelsonExperiment(導(dǎo)航、薩尼亞克效應(yīng)和邁克爾遜實驗)”中，對絕對速度的測量提出了假想。假定激光器在長度相同、折射率不同的兩個平行的相鄰傳播路徑上發(fā)送信號。作為一種替代，時間信號的相應(yīng)估計也被提及。結(jié)果，該文是不可能實現(xiàn)的。
現(xiàn)在，本發(fā)明所基于的目的是提供一種可實際得到的、獨立的而可靠的速度測量。
該目的由一種用于速度測量的設(shè)備實現(xiàn)。該設(shè)備包括至少一個被設(shè)計用來產(chǎn)生至少一個發(fā)射的信號源。該設(shè)備還包括至少兩條路徑，所述至少一個信號源所產(chǎn)生的至少一個發(fā)射的至少一部分以分別已知的波長和分別已知的傳播速度在這兩條路徑中傳播。在這種情況下，所述路徑以下列方式形成即該設(shè)備的平行移動將導(dǎo)致所述至少兩條路徑上傳播的發(fā)射部分之間的相移。該設(shè)備還包括分析設(shè)備，其被設(shè)計用于檢測離開所述至少兩條路徑的發(fā)射部分，以及用于通過分析檢測到的發(fā)射部分之間的相移與該設(shè)備靜止時的相移相比所發(fā)生的變化、從而確定該設(shè)備在至少一個空間方向上的速度。最后，該設(shè)備以下列方式設(shè)計即分析裝置檢測到的發(fā)射部分由于設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運動而引起的相移變化被防止或補償。
術(shù)語“波長”這里用來表示可分配給任何物體的通用物理波長。
本發(fā)明的目的同樣還可由一種系統(tǒng)實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括一個或多個這種用于測量該系統(tǒng)的速度的設(shè)備。
最后，該目的還通過一種用于測量設(shè)備速度的方法來實現(xiàn)。該方法包括生成至少一個發(fā)射。該方法還包括以分別已知的波長和分別已知的傳播速度在至少兩條路徑中傳遞至少一個發(fā)射的至少一部分。在這種情況下，設(shè)備的平行移動將導(dǎo)致在所述至少兩條路徑上傳播的發(fā)射部分之間的相移。該方法還包括檢測離開所述至少兩條路徑的發(fā)射部分，以及通過分析檢測到的發(fā)射部分之間的相移與該設(shè)備靜止時的相移相比所發(fā)生的變化、從而確定該設(shè)備在至少一個空間方向上的速度。在這種情況下，發(fā)射部分由于設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運動而引起的相移變化被防止或補償。
一方面，本發(fā)明基于薩尼亞克效應(yīng)，不僅僅可以假想地應(yīng)用于速度測量。另一方面，本發(fā)明基于Bhm的假想設(shè)備的測量結(jié)果可滿足于設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運動。
因此我們提出，對速度測量，一方面檢測到在兩條不同的路徑上傳播的發(fā)射部分之間的相移變化，另一方面，防止了旋轉(zhuǎn)運動的影響。這種情況下測量方向由送入路徑中的發(fā)射部分的傳播的自由度決定。本發(fā)明有這樣的優(yōu)點，即它允許可靠的、獨立的速度測量。同時，它可在極小的空間內(nèi)實現(xiàn)，從而使用起來靈活而通用。
本發(fā)明有利的實施例可由從屬權(quán)利要求中得到。
所述至少一個信號源可通過極其不同的方式形成。例如它可以包括光源，如采用任何希望的類型的激光器。作為替代，該信號源還可包括例如微波激射器或電子束源。所述至少一個信號源還可在一個發(fā)射位置或多個空間上隔開的發(fā)射位置產(chǎn)生發(fā)射。送入到所述至少兩條路徑中的發(fā)射部分還可被同時發(fā)射或以一定時間間隔發(fā)射。唯一需要考慮的是，在設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時兩條路徑上產(chǎn)生的發(fā)射部分之間的相移是已知的?？梢岳斫獾氖?，在所述至少一個信號源生成多個發(fā)射時，各個發(fā)射部分還可分別包括完整的發(fā)射。
這里使用的路徑同樣還可以以極其不同的方式形成，只要這些路徑適用于向前傳導(dǎo)信號源生成的發(fā)射。這些路徑可由相同的材料或不同的材料組成。單個路徑可以是均質(zhì)的或非均質(zhì)的。因此它可以完全由一種材料組成或由幾段不同的材料構(gòu)成。如果信號源包括一種光源，那么路徑可包括例如光纖或通過發(fā)射部分的偏轉(zhuǎn)來確定單個路徑的路線的反射器。
由于設(shè)備的平行移動所導(dǎo)致的所述至少兩條路徑上傳播的發(fā)射部分之間的相移的變化可以這樣得到即在設(shè)備的靜止?fàn)顟B(tài)下，兩條路徑上的發(fā)射部分需要不同的時間間隔來跑完該路徑，即其由于路徑的不同物理長度所引起。該變化可以這樣得到，例如通過令一條路徑上的幾何軌道長度長于另一條路徑，和/或由于一條路徑上的傳播速度大于另一路徑，例如由于不同路徑使用的材料的不同折射率所造成。兩條路徑上的運行時間差別越大，獲取的速度分辨率就越高。
另外，旋轉(zhuǎn)運動對速度判決的影響可用不同的方法消除。
因此，例如路徑已經(jīng)能夠在幾何結(jié)構(gòu)上以這種方式進行設(shè)計，即對發(fā)射部分的相位角的旋轉(zhuǎn)影響從開始端已經(jīng)被防止。這可通過在一條想象的直線之外，在該直線相對兩側(cè)表現(xiàn)出相同尺寸的路徑段的路徑來實現(xiàn)。例如在這種情況下，所述的想象的直線可連接路徑共同的起點和共同的終點。它通常對應(yīng)于所述設(shè)備的測量方向。
但是作為替代，隨后計算出的補償可對旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生作用。出于此目的，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運動被單獨檢測。然后在兩條路徑上檢測到的發(fā)射部分的相移變化就在速度被確定之前根據(jù)旋轉(zhuǎn)的影響進行修正。
在本發(fā)明有利的實施例中，至少兩條路徑以這種方式進行設(shè)計即具有至少一部分共同的路徑段。然后送入所述至少兩條路徑中的發(fā)射部分以相反的方向沿著該共同的路徑段傳遞。結(jié)果，對其中的一條路徑來說，其組件可以在數(shù)量上和/或尺寸上最小化，例如反射器的數(shù)目或光纖的長度等等。另外，共同的路徑段減少了所述至少兩條路徑上的溫度以及其它路徑條件的差別，而這些差別可能對相移施加不希望有的影響。
例如，這個共同的路徑段可以以這種方式進行設(shè)計即它具有發(fā)射部分中的一個沿設(shè)備的測量方向在其中傳遞的第一路徑段，以及由該發(fā)射部分沿著與測量方向相反的方向在其中傳遞的第二路徑段，這兩條路徑段對于靜止的設(shè)備表現(xiàn)出不同的物理長度。結(jié)果就可以確保其中的一條路徑在測量方向上總是表現(xiàn)出比所述至少兩條路徑中的另外一條路徑更大的物理長度。
在本發(fā)明的一種有利的實施例中，該設(shè)備還包括即使不運動也能確立本地重力標(biāo)準(zhǔn)值的參考值的加速度傳感器。這意味著加速度傳感器可用來確定設(shè)備在初始狀態(tài)下的方位，把它作為起點就可以根據(jù)本發(fā)明來確定設(shè)備的速度。例如，這種加速度傳感器還可以用水平儀實現(xiàn)。
對單個空間方向上的速度測量，僅需要一個根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。該設(shè)備的放置使其測量方向與希望的空間方向一致。除此之外，該設(shè)備在任何情況下在需要時還可以被旋轉(zhuǎn)，直至得到發(fā)射部分之間的相移的最大變化。這樣，運動方向就和得到最大變化位置上的設(shè)備的測量方向相一致。
但是，對于在多個方向上的速度的更簡單和更快速的檢測，在根據(jù)本發(fā)明的一種系統(tǒng)中也是可能的，因為多個根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備用來在不同的空間方向上同時檢測速度。在這種情況下，單個信號源可選地可用來同時為多個設(shè)備生成發(fā)射。例如，一個光源可將光信號同時送入多個適當(dāng)排列的光纖中。為了系統(tǒng)的平行和旋轉(zhuǎn)運動的完整檢測，該系統(tǒng)包括至少六個根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備。通過數(shù)學(xué)計算，適當(dāng)排列這六個設(shè)備的測量方向，就大小來說可以獲取任何希望的運動。
測量的精度特別取決于發(fā)射的波長，以及取決于所述至少兩條路徑上的運行時間的差別。
該測量可能的重復(fù)率特別取決于發(fā)射部分在具有較長運行時間的路徑上的運行時間，以及取決于分析所需的時間。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可用來確定它自身的速度。在這種情況下，該設(shè)備本身可具有更多的組件和功能，特別是那些速度測量所感興趣的組件和功能。但是如果該設(shè)備與另一運動的物體有固定的關(guān)系，這樣的話通過根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，還可確定任何希望的物體的速度。相應(yīng)地，這些同樣可以應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。
本發(fā)明可用在極其不同的部門，例如用于確定速度、定位以及導(dǎo)航系統(tǒng)中的位置，或者用于檢測電腦鼠標(biāo)的移動。
可以理解，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的實施例中結(jié)構(gòu)特征的功能還可相應(yīng)地用作根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例示例中的功能特征，反之亦然。
下面參照附圖，并基于實施例對本發(fā)明的實施例進行更具體的說明。如圖所示

圖1根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實施例的圖形表示，圖2根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實施例的圖形表示，圖3根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第三實施例的圖形表示，圖4根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第四實施例的圖形表示，以及圖5用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備測量任何希望的速度的測量配置方位的圖形表示。
圖1以圖形形式示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實施例，它允許一個方向上的速度測量。
在設(shè)備1中，位于發(fā)射位置的信號源10經(jīng)由兩條路徑11、12連接到位于測量位置的相位比較器13。另外，旋轉(zhuǎn)測量設(shè)備14被連接到相位比較器13。
信號源10在時刻t0生成發(fā)射，這些具有相同相位角的發(fā)射部分被送入兩條路徑11、12。這兩條路徑11和12的放置方式使發(fā)射部分需要不同的時間走完各個路徑形成的路線。
例如，信號源10可以是發(fā)射光信號的激光器，兩條路徑11、12例如可以是由具有不同折射率的不同材料制成的兩個相同長度的光纖。
在測量位置，兩條路徑的發(fā)射部分11、12被疊加形成干涉信號。相位比較器13對該干涉信號進行分析。如果設(shè)備1處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么由于在兩條路徑11、12上的不同傳播速度，在發(fā)射部分之間就會出現(xiàn)特定的相移。例如在靜止?fàn)顟B(tài)時，在路徑11上可產(chǎn)生運行時間t1，而在路徑12上運行時間為t2。在這種情況下運行時間t1以因數(shù)“a”大于t2，即t1＝α*t2。只要設(shè)備不移動，就能因此在測量位置由時刻t0和t0+(t1-t2)產(chǎn)生的發(fā)射部分形成干涉信號。
如果現(xiàn)在該設(shè)備對應(yīng)于發(fā)射位置和測量位置之間的連線在方向分量上運動，那么該相移就隨之變化。
如果設(shè)備1沿著從發(fā)射位置到測量位置的方向上以速度ν＝Δ1/Δt移動，那么路徑11、12的相移都會由于此移動而增加。在這種情況下，Δ1是路徑11、12的長度，Δt是設(shè)備1對于距離Δ1所需的時間。由于薩尼亞克效應(yīng)，路徑12上的運行時間增加了Δt，而路徑11增加了α*Δt。因此，在路徑11的出口處就出現(xiàn)了與運行時間為t1+α*Δt的靜止路徑的相位角相對應(yīng)的相位角，同時在路徑12的出口處就出現(xiàn)了與運行時間為t2+Δt的靜止路徑的相位角相對應(yīng)的相位角。兩條路徑11、12上的發(fā)射部分之間的相移變化以(α-1)*Δt與速度Δt相關(guān)，給出了一種周期性的干涉信號。
基于該干涉信號，相位比較器13確定變化的量，并據(jù)此確定設(shè)備1的平移速度ν。
被確定的速度然后可以任何希望的形式使用，例如在顯示單元上直接顯示該速度，或者用于導(dǎo)航系統(tǒng)的計算。對被確定的速度進行進一步處理所需的組件可集成到設(shè)備1中或者外部連接到設(shè)備1，例如作為另一設(shè)備的一部分。
如果不做進一步考慮來放置兩條路徑11、12，如所顯示的那樣彼此平行，那么設(shè)備1的旋轉(zhuǎn)運動還會引起相移的變化，仍然疊加到所描述的由于平行移動引起的相移變化上。
對于這種情況，提供了用于檢測設(shè)備1的旋轉(zhuǎn)運動的旋轉(zhuǎn)測量設(shè)備14。例如，旋轉(zhuǎn)測量設(shè)備14可由激光陀螺儀構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)測量設(shè)備14發(fā)送信號到相位比較器13，相位比較器13由該信號確定由于設(shè)備1的旋轉(zhuǎn)而引起的在路徑11、12上發(fā)射部分的相移變化比例。在相位比較器13確定設(shè)備1的平移速度之前，基于兩條路徑11、12上的發(fā)射部分的相移變化，它首先從該變化中減去由于旋轉(zhuǎn)運動引起的部分。
如果路徑11、12的形成方式使旋轉(zhuǎn)運動對路徑11和12上的發(fā)射部分之間的相移的影響從開始端已經(jīng)被防止，那么就不再需要這種單獨的旋轉(zhuǎn)測量設(shè)備14。
圖2以圖形形式顯示了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實施例，其中的路徑以同樣的方式形成以補償旋轉(zhuǎn)運動的影響。
設(shè)備2也包括位于發(fā)射位置的信號源20，以及位于測量位置的具有未單獨示出的檢測器的相位比較器23。在信號源20和相位比較器23之間的直接連線上放置著鄰近信號源20的第一分束器24以及鄰近相位比較器23的第二分束器25。此外，位于信號源20和相位比較器23之間的部分由平面反射器26、27限定了上限和下限。
如果信號源20產(chǎn)生發(fā)射，那么第一發(fā)射部分沿直接連線傳播到相位比較器23。為此目的，第一分束器24允許發(fā)射的第一部分通過而無需偏轉(zhuǎn)，第二分束器25允許全部的第一發(fā)射部分通過。
另一方面，信號源20產(chǎn)生的發(fā)射的第二部分將被第一分束器24向上偏轉(zhuǎn)。該第二發(fā)射部分撞擊上方的反射器26，被它反射回來，撞擊下方的反射器27，被反射回來，等等。在該狀態(tài)下調(diào)整通過第一分束器24的偏轉(zhuǎn)角，使在最終狀態(tài)下第二發(fā)射部分從下方的反射器27準(zhǔn)確地反射到第二分束器25上。第二分束器25如同第一發(fā)射部分一樣，依次使第二發(fā)射部分偏轉(zhuǎn)，以使第二發(fā)射傳導(dǎo)到相位比較器23。
由于路徑21、22的長度不同，該設(shè)備2內(nèi)的發(fā)射部分同樣需要不同的時間穿過各個路徑形成的路線。
在測量位置，相位比較器23分析由兩個發(fā)射部分產(chǎn)生的干涉信號。如果設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么由于不同的路線長度，在發(fā)射部分之間就出現(xiàn)特定的相移。如果設(shè)備以對應(yīng)于發(fā)射位置和測量位置之間的連線的方向分量移動，那么該相移就發(fā)生變化。相位比較器23確定該變化的量，并且基于此確定設(shè)備的平移速度。
在這種情況下，也不要求對由于可能的旋轉(zhuǎn)運動引起的相位變化進行單獨的補償，這是因為信號源20和相位比較器23之間的發(fā)射部分的對稱性傳播防止了這種相移。
圖3以圖形形式示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第三實施例，其中一部分路徑使用了兩次以上。
在該設(shè)備3中，信號源30經(jīng)由第一路徑31和第二路徑32連接到相位比較器33。這種情況下，第一路徑31的中間部分和第二路徑32的中間部分是通過共同的路徑段34實現(xiàn)的，該路徑段垂直于信號源30和相位比較器33之間的連線，并對于第一路徑31和第二路徑32以相反的方向使用。
信號源30在兩個發(fā)射位置上彼此同相地生成發(fā)射。其中一個發(fā)射被送入到第一路徑31中，而另一個發(fā)射被送入到第二路徑32中。在路徑31、32的終點，相位比較器33檢測并分析該發(fā)射，如參照圖1和2描述的設(shè)備1、2一樣。
在這種情況下，兩條路徑31、32能夠以這種方式設(shè)計，即避免設(shè)備3的旋轉(zhuǎn)運動引起的相移變化。作為替代，也可隨后對這種變化進行補償，如參照圖1所描述的那樣。
圖4以圖形形式示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第四實施例，其中一部分路徑通過折疊實現(xiàn)。
設(shè)備4包括一種由兩個平面反射器49、50所限定的傳播介質(zhì)。在傳播介質(zhì)中平行于兩個反射器49、50的直線上設(shè)置了四個反射器45、46、47、48。該直線還對應(yīng)于設(shè)備4的測量軸。設(shè)備4還包括位于介質(zhì)上方的光源40和兩個檢測器43、44。檢測器43、44還連接到未示出的相位比較器。
光源40產(chǎn)生的發(fā)射的第一部分通過分路器51并經(jīng)由左側(cè)的光纖52傳導(dǎo)至中間的右側(cè)反射器47，以及該發(fā)射的第二部分經(jīng)由右側(cè)的光纖53傳導(dǎo)至中間的左側(cè)反射器46。左側(cè)的光纖52和右側(cè)的光纖53相應(yīng)地交叉越過從分路器51到各個反射器47、46的路線。
中間的右側(cè)反射器47把來自分路器51的發(fā)射部分沿直線傳導(dǎo)至外部右側(cè)的反射器48。外部右側(cè)的反射器48用相反的方向分量把發(fā)射部分偏轉(zhuǎn)到下方的反射器50。從那里發(fā)射部分被反射到上方的反射器49，向前反射到下方的反射器50，然后再次射到上方的反射器49。最后，該發(fā)射部分從上方的反射器49傳導(dǎo)至外部左側(cè)的反射器45。可以理解的是，上方和下方反射器49、50之間的反射器的數(shù)目可以根據(jù)需要來確定，只要在直線以上和以下出現(xiàn)共享即可。
外部左側(cè)的反射器45最終把發(fā)射部分反射到中間的左側(cè)反射器46。中間的左側(cè)反射器46把該發(fā)射部分反射進右側(cè)的光纖53，經(jīng)由此光纖該發(fā)射離開傳播介質(zhì)并被傳導(dǎo)至右側(cè)檢測器44。
通過反射器45至50，從分路器51傳導(dǎo)至右側(cè)光纖53的發(fā)射部分與傳導(dǎo)至左側(cè)光纖52的發(fā)射部分路線相反。該發(fā)射部分然后離開傳播介質(zhì)并經(jīng)由左側(cè)的光纖52傳導(dǎo)至左側(cè)的檢測器43。
送入到右側(cè)光纖53的發(fā)射部分相應(yīng)地在第一路徑上傳播，而送入到左側(cè)光纖52中的發(fā)射部分在與此相對的第二路徑上傳播。
在設(shè)備4中兩條路徑的路線的長度是相同的，而且使用的材料也相同。因此在靜止?fàn)顟B(tài)下，檢測器43、44在第一路徑上的發(fā)射部分和第二路徑上的發(fā)射部分之間檢測不到任何相移。
但是，如果設(shè)備4在對應(yīng)于直線的方向分量上以平行移動方式運動，那么在一條路徑上的發(fā)射部分在很大程度上沿運動的方向傳播，而在另一條路徑上的發(fā)射部分在很大程度上沿著與運動方向相反的方向傳播。平行移動對這兩個發(fā)射部分各自的主要傳播方向來說相應(yīng)地具有相反的符號。由此在平行移動期間可得到兩個發(fā)射部分之間的相移。
各個相位角由檢測器43、44檢測，然后轉(zhuǎn)發(fā)到據(jù)此確定直線方向上的當(dāng)前速度的相位比較器。
例如，設(shè)備4的光源40、檢測器43、44、以及分路器51可以用已有的光纖陀螺儀代替。
可以理解，在設(shè)備2、3和4中確定的速度還可以以不同的方式來使用，如參照設(shè)備1所提到的那樣。
圖5以圖形形式示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例，它允許任何希望的平行和旋轉(zhuǎn)速度的測量。
系統(tǒng)6設(shè)計為立方體的形式。立方體六個表面中的每個都包含一個根據(jù)圖1至4的設(shè)備。在立方體的三個可以看到的側(cè)面60、61、62上，表示出了各個設(shè)備的測量軸70、71、72。立方體的三個隱藏的表面在任何情況下包括的設(shè)備的測量軸與立方體的相對表面60、61、62上的測量軸70、71、72相反排列。處理單元分析六個方向上檢測到的系統(tǒng)6的速度，然后據(jù)此確定系統(tǒng)6總的速度，包括平行和旋轉(zhuǎn)速度以及運動的一個或多個方向。
這里提出的用于測量速度矢量的方法和/或設(shè)備(其功能由圖1進行圖形表示；注意圖1不表示幾何結(jié)構(gòu)的任何固定的規(guī)格)是基于斐索、薩尼亞克以及多普勒效應(yīng)，其特征在于至少一個(和/或多個)發(fā)射位置處存在一個(和/或多個)信號源，其發(fā)射以分別已知的速度和分別已知的波長(這里通用物理波長是指可分配給任何物體)在至少兩條路徑上傳播，然后特別地、但并不僅僅是必須地，對于一個或多個測量位置上各自要求的測量期間的時間提供可分析的干涉，以及從這種類型的發(fā)射位置到這種類型的測量位置的至少一條路徑，使得旋轉(zhuǎn)事件在該路徑上提供的相位角相對于各個其它的路徑來說發(fā)生了移位。在這種狀態(tài)下，路徑的表示方式使得旋轉(zhuǎn)事件、熱影響、或其它非平移影響將不會導(dǎo)致這些路徑之間的相位角的任何移位，或者這些疊加的事件和影響由位于路徑外部的設(shè)備(外部設(shè)備)進行修正。那么產(chǎn)生這些路徑的干涉信號的相位角(測量信號)的移動就是速度的量度。在給定的路徑的測量信號處于最大值時的空間方向就是所得到的速度方向(最大差異的路徑)。特別地，提供一種已定義的速度矢量，則允許確定設(shè)備固有的測量軸。
迄今為止描述的路徑都沒有必要是均質(zhì)的；這就意味著在任何情況下，它們都可以由不同特性的幾段組成。
這里提到的效應(yīng)、以及因此得到的測量信號都出現(xiàn)在發(fā)射能夠無障礙地在計劃路徑上傳播時；換句話說，該發(fā)射表現(xiàn)出其傳播所要求的自由度，以及因此要求的出現(xiàn)這些效應(yīng)的自由度。如果例如通過圖示來表示并因此進行簡化，光波導(dǎo)中的光子僅在縱向模式中是顯著的，那么它僅在該模式下有自由度，而且僅在該自由度下它產(chǎn)生所述的效應(yīng)。相應(yīng)地，測量的優(yōu)選方向的選擇能夠而且將通過傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理屬性來指定，即由傳播自由度的確定來指定。
如果以其它方式表示，該方法和/或設(shè)備的特征在于，都表現(xiàn)出具有用于輻射的發(fā)射位置的任何種類的信號源，它在測量處理的發(fā)射位置之間表現(xiàn)出已知的相位關(guān)系——這些發(fā)射位置可表現(xiàn)出空間和/或時間上的間隔——而且它們的路徑(路線)分別表現(xiàn)出(最大可能地)相對于平行移動的相位角的移位。
這里提出的原理上可行的方法和/設(shè)備的分辨率的決定因素是發(fā)射的波長和在不同路徑上的運行時間的差別。其次是相位比較器的性能和靜態(tài)誤差與系統(tǒng)誤差。
本發(fā)明優(yōu)選的實現(xiàn)形式范圍很廣，但這里僅具體地考慮其中的幾種，這是因為它們表示的是所述很寬范圍內(nèi)的原理的特殊情況，其它的實施例都是這些實施例的派生物。
在一種實施例中，信號源是光源。一般來說，任何希望的結(jié)構(gòu)類型(線性環(huán)狀激光器(當(dāng)然還能夠用于角度測量)、固體、氣體或液體激光器)的命名僅為普通術(shù)語。如外部物理效應(yīng)等的技術(shù)，如量子阱、超熒光等等很明顯地不需要單獨地列舉出來)。相應(yīng)地，提供的光速是已知的速度。
在另外一種實施例中，信號源是任何類型的微波激射器。
就路徑的解決方案而言，在其它的實施例可特別地敘述傳播速度不同的材料的變化方面，以及路徑長度的變化(圖2)，還有這兩種方法的組合。
旋轉(zhuǎn)相移的補償還有幾種可能性。一種是路徑的幾何布置(對此，路徑在起點和終點之間的連線之外的部分的放置方式使得對一側(cè)的任何一部分都有同樣大的部分位于各自的相對一側(cè)(圖2))，而另一種可能性是通過使用例如激光陀螺儀以及隨后的相減來確定旋轉(zhuǎn)從而對補償進行計算。
在所有的實施例中，發(fā)射被分配到不同路徑上然后重新合并以進行干涉測量分析。
在一些實施例的設(shè)計上，效應(yīng)的顯露是基于鎖定效應(yīng)(簡單地表述為不完美的振蕩結(jié)點的固定)。在這些情況下，三個空間方向中的至少兩個方向都要求該鎖定效應(yīng)。如果它對一個空間方向來說不存在(例如激光陀螺儀)，那么為了獲取可用的測量信號，差別最大的路徑必須具有與該空間方向垂直的向量分量。原因是在這種情況下，薩尼亞克效應(yīng)對該沒有鎖定效應(yīng)的空間方向上的移動來說沒有任何作用，但是由于速度與各個路徑上不同的運行時間相互作用導(dǎo)致的發(fā)射位置的移位產(chǎn)生了相移。但是該結(jié)果并非明確地歸因于這個沒有鎖定效應(yīng)的空間方向，因為在這種配置中的相移的產(chǎn)生等同于經(jīng)由在差別最大的路徑方向上的速度分量的薩尼亞克效應(yīng)(見下圖)。相應(yīng)地，在路徑和沒有鎖定效應(yīng)的空間方向跨越的區(qū)域內(nèi)得到了速度的量度。垂直于該區(qū)域的速度部分不發(fā)出信號。如果該矢量速度的量度與由用于其它區(qū)域的類似設(shè)備確定的矢量速度的量度組合在一起，且它們在與該區(qū)域線性無關(guān)的同時彼此也線性無關(guān)，那么經(jīng)過簡單的矢量計算之后，就得到了空間內(nèi)的速度的量度。另一方面，在鎖定效應(yīng)存在于所有空間方向上的情況下就沒有限制，薩尼亞克效應(yīng)提供該移位。
若在這些實施例中鎖定效應(yīng)存在于所有的空間方向上，相同相位角的信號在時刻t0被送入到兩條路徑中(路徑1具有運行時間為t1的信號以及路徑2具有運行時間為t2的信號，且令t1＞t2例如t1＝α*t2)。如果設(shè)備現(xiàn)在不移動，那么測量位置就出現(xiàn)由t0和t0+(t1-t2)時刻發(fā)送的信號形成的干涉信號。如果設(shè)備現(xiàn)在以速度ν＝Δl/Δt移動，那么該移動導(dǎo)致的移位就增加到這兩條路徑上，各個路徑，即各個運行時間相應(yīng)地變長(薩克尼亞效應(yīng))，特別地路徑2增加Δt而路徑1增加α*Δt。這意味著在路徑1的終點出現(xiàn)的相位對應(yīng)于運行時間為t1+α*Δt的路徑的相位角，以及由于鎖定效應(yīng)攜帶的初始相位，在路徑2的終點出現(xiàn)的相位對應(yīng)于運行時間為t2+Δt的相位角。相位角的差別中的這種以(α-1)*Δt與速度ν相關(guān)的變化給出了一種周期性干涉信號。
若在這些實施例中的一個空間方向上不存在鎖定效應(yīng)，那么如已經(jīng)描述的，差別最大的路徑必須具有垂直于該空間方向的向量分量。對這種向量分量，在在此之前給出的極為類似的考慮中，得到的相位差別變化為(α-1)*Δt。
這里提出的用于速度矢量測量的方法和/或設(shè)備，對三維測量的情況來說，可整體上檢測所有的速度/速度矢量，例如，從我們所知的宇宙中的銀河系的速度開始，經(jīng)由太陽系相對于銀河系中心的運動，經(jīng)由地球在太陽系中的運動，經(jīng)由如地殼運動的地球自身的固有運動，直到被測量物體的固有或自然運動，如設(shè)備自身的固有或自然速度。為了相應(yīng)地確定所考慮的向量份額，其它的份額因此被減去。
另外一種實施例使用一種信號源，例如特別是激光器、激光二極管(例如線性氣體、液體、或固體激光器，以及任何種類的環(huán)狀激光器)。從該激光器的光發(fā)射位置，引出例如一根光纖(＝LWL)并在一段很短的路徑之后被分路，其中一條支路(＝路徑)在分路后長于另一條支路(從迄今為止所描述的意義來講)，然后出于干涉信息的目的重新合并在一起。在其終點放置了干涉分析設(shè)備(相位比較器)，例如用光電二極管作為傳感器。在該點上，先前發(fā)射的光的(已存儲的)相位角與后來發(fā)射的光的相位角相比較?，F(xiàn)在光纖根據(jù)選擇空間方向的需要(見前文)進行移動。作為替代，可使用如圖2所示的物理上相似的具有反射器和分束器的結(jié)構(gòu)。特別地，通過適當(dāng)放置的其它分路光纖，這里使用的來自激光器的光可同時用于其它空間方向的測量。
另外一種優(yōu)選的實施例原理上利用長期以來為大家所知的光纖陀螺儀。這里根本的區(qū)別在于傳感器頭(＝路徑)的設(shè)計。在這種情況下，該實施例并不包括纏繞式光纖，而是包括依照在此之前所述規(guī)定構(gòu)造的路徑。該結(jié)構(gòu)的原理可見圖3和4。特別地，這種狀態(tài)下使用的來自激光器的光可同時用于按照其它的空間方向的測量所設(shè)置的所有其它的分路光纖。除了通過折疊加長一部分路徑之外(圖4)，介質(zhì)中傳播速度的變化還可通過使用用于“加長”路徑的具有不同折射率的材料來加以利用。這種形式可自然地存在或兩種形式結(jié)合存在。該原理適用于差別越大、分辨率越大，實施例越靈敏。
為了獲取測量效應(yīng)的刻度的概念，基于通常的3.6公里/小時(3.6公里/小時＝1納米/納秒)的步進速度示出產(chǎn)生的相移。假定光發(fā)射位置的距離間距為一光納秒(約30厘米)以及光的波長為400納米，這就產(chǎn)生了易于掌握的測量值。
可能的合理重復(fù)測量率基本上來源于發(fā)射在較長路徑上的運行時間，以及隨后的信號處理，處于較高的兆赫范圍內(nèi)。
因為這里提出的方法和/或設(shè)備表述了一種慣性工作系統(tǒng)，表述了對另一移動物體的參照，例如通過與其簡單的接觸。另外該設(shè)備還顯示其自身的速度矢量。
在另一種優(yōu)選實施例中，路徑至少被利用兩次，這是由于發(fā)射在兩個(相對的)方向上穿過該路徑進行傳播(如圖3中的功能性示意圖)。這樣的優(yōu)點是為測量設(shè)備節(jié)省了一條路徑，以便于最小化設(shè)備的組件，減少熱量的和其它的路徑條件。
在另一種優(yōu)選實施例中，這一條路徑由兩條單獨的路徑代替。
在另一種優(yōu)選實施例中，為了對移動進行完整的探測——平移或旋轉(zhuǎn)——至少六個依照在此之前所述方法來表述的設(shè)備以這樣一種方式分布在一定空間內(nèi)，即使得由該方法和/或設(shè)備得出的測量軸的測量信號可用一種適當(dāng)選擇的數(shù)學(xué)計算明確地分類剖析為表征一種既有平移又有旋轉(zhuǎn)速度的運動的空間向量。旋轉(zhuǎn)速度的分辨率由設(shè)備的距離間隔的放大、從而也由測量軸線的距離間隔的放大來提高。該配置的一種例子是把六個設(shè)備定位在立方體的六個面上。
在另外一種優(yōu)選實施例中，不希望有和/或要求對運動進行完整探測，不需要的測量軸被省去和/或被其它方法和/或設(shè)備代替。
在另外一種優(yōu)選實施例中，該方法和/或設(shè)備由一個或多個加速度傳感器來補充，這樣在不存在運動時，也可建立當(dāng)?shù)刂亓?biāo)準(zhǔn)值的參考值。
在另外一種優(yōu)選實施例中，該方法和/或設(shè)備由一個或多個水平儀來補充，通過這種方式，當(dāng)不存在運動時，也可建立當(dāng)?shù)刂亓?biāo)準(zhǔn)值的參考。
本申請的領(lǐng)域是不同物體和目標(biāo)或其中的一部分的定位和位置判定，這里通過例子僅列出了一些書寫工具，如鉛筆、圓珠筆、計算機、計算機鼠標(biāo)，自行車、摩托車、汽車，特種車輛，如起重機、移動式排土橋、施工車輛和重型拖車，鐵路，捷運，直升機，導(dǎo)彈，飛行器，航天器，輪船，潛艇，所有類型的軍用車輛，子彈，手榴彈，火箭，家庭用具，如真空吸塵器、剪草機，家庭和工業(yè)使用的機器人，工業(yè)設(shè)備，如碾壓機、吊車、鏟車，采礦和隧道機械，如鉆機、磨削機，海上設(shè)施，如平臺穩(wěn)定、深鉆井設(shè)備，玩具，如玩偶、動物、車輛，以及它們的部分組件，還有希望對其運動的自由度進行確定和/或控制的任何物體。
人類和人體部分，如手指、手、胳膊、腿、腳、頭以及軀干。還有如器官的內(nèi)部組成部分或它們的一部分。
動物以及它們的一部分(見人類)。
這里描述的實施例僅僅表述了根據(jù)本發(fā)明的方法以及根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的許多種不同的可能的實施例中選出的一部分例子。
權(quán)利要求
1.用于速度測量的設(shè)備(1；2；3；4)，包括-至少一個被設(shè)計用來生成至少一個發(fā)射的信號源(10；20；30；40)，-至少兩條路徑(11、12；21、22；31、32；41、42)，所述至少一個信號源(10；20；30；40)所生成的至少一個發(fā)射的至少一部分以分別已知的波長和分別已知的傳播速度在所述路徑中傳播，其中所述路徑(11、12；21、22；31、32；41、42)以下列方式形成即設(shè)備(1；2；3；4)的平行移動將導(dǎo)致所述至少兩條路徑(11、12；21、22；31、32；41、42)上傳播的發(fā)射部分之間的相移，以及-分析設(shè)備(13；23；33；43；44)，其被設(shè)計用來檢測離開所述至少兩條路徑(11、12；21、22；31、32；41、42)的發(fā)射部分，以及用于通過對檢測到的發(fā)射部分之間的相移與設(shè)備(1；2；3；4)靜止時的相移之間的變化進行分析、從而確定該設(shè)備(1；2；3；4)在至少一個空間方向上的速度，其中該設(shè)備(1；2；3；4)以下列方式設(shè)計即使得所述分析設(shè)備(13；23；33；43；44)檢測到的發(fā)射部分由于設(shè)備(1；2；3；4)的旋轉(zhuǎn)運動而引起的相移變化被防止或補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備(1)，其中所述至少兩條路徑(11、12)表現(xiàn)為不同的材料或多種材料的不同組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備(2)，其中所述至少兩條路徑(21、22)表現(xiàn)出不同的幾何長度。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的設(shè)備(2)，其中為了防止所述分析設(shè)備(23)檢測到的發(fā)射部分之間由于設(shè)備(2)的旋轉(zhuǎn)運動而引起的相移變化，所述至少兩條路徑(21、22)中的每條路徑在一條想象的直線之外都在該直線相對的兩側(cè)表現(xiàn)出基本相同尺寸的路徑段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3的設(shè)備(1)，還包括被設(shè)計用于檢測設(shè)備(1)的旋轉(zhuǎn)運動的檢測設(shè)備(14)，其中所述分析裝置(13)被設(shè)計用來根據(jù)來自檢測設(shè)備(14)的信息來補償在所述至少兩條路徑(11、12)上檢測到的發(fā)射部分之間的相移中由于旋轉(zhuǎn)運動而引起的變化。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項的設(shè)備(3；4)，其中所述至少兩條路徑(31、32；41、42)以下列方式進行設(shè)計即所述路徑具有至少一段共同的路徑段(34)，送入所述至少兩條路徑(31、32；41、42)中的發(fā)射部分以相反的方向沿著該共同的路徑段傳遞。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備(4)，其中共同的路徑段以下列方式進行設(shè)計即它具有該發(fā)射部分基本上沿設(shè)備(4)的測量方向在其中傳遞的路徑段，以及該發(fā)射部分基本上沿著與測量方向相反的方向在其中傳遞的路徑段，其中這兩個路徑段對于靜止的設(shè)備(4)表現(xiàn)出不同的物理長度。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的設(shè)備，還包括被設(shè)計用來產(chǎn)生本地重力標(biāo)準(zhǔn)值的參考值的加速度傳感器。
9.用于速度測量的系統(tǒng)(6)，包括至少一個根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的設(shè)備(1；2；3；4)，它被設(shè)置在系統(tǒng)(6)中，用來測量系統(tǒng)(6)的速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)(6)，其中所述至少一個設(shè)備(1；2；3；4)包括至少六個設(shè)備(1；2；3；4)，它們被設(shè)置在系統(tǒng)(6)中，用來測量系統(tǒng)(6)在不同空間方向(70、71、72)上的速度和旋轉(zhuǎn)。
11.用于測量設(shè)備(1；2；3；4)的速度的方法，包括-生成至少一個發(fā)射，-以分別已知的波長和分別已知的傳播速度在所述至少兩條路徑(11、12；21、22；31、32；41、42)上傳遞至少一個發(fā)射的至少一部分，其中設(shè)備(1；2；3；4)的平行移動將導(dǎo)致在所述至少兩條路徑(11、12；21、22；31、32；41、42)上傳播的發(fā)射部分之間的相移；-檢測離開所述至少兩條路徑(11、12；21、22；31、32；41、42)的發(fā)射部分；以及-通過對檢測到的發(fā)射部分之間的相移與設(shè)備(1；2；3；4)靜止時的相移相比的變化進行估計、從而確定該設(shè)備(1；2；3；4)在至少一個空間方向上的速度，其中發(fā)射部分由于設(shè)備(1；2；3；4)的旋轉(zhuǎn)運動而引起的變化被防止或補償。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，包括-確定至少六個設(shè)備(1；2；3；4)在至少六個不同的空間方向(70、71、72)上的速度，以及-由對于各個設(shè)備(1；2；3；4)檢測到的速度來確定系統(tǒng)(6)的速度和旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明一種速度測量設(shè)備(1)。本發(fā)明的目的是允許進行精確和靈活的速度測量。所述目的由此實現(xiàn)其中發(fā)射部分通過兩條不同的路徑(11，12)被發(fā)送和檢測。在兩條路徑上的發(fā)射部分之間相對于設(shè)備(1)靜止?fàn)顟B(tài)的相移變化對于分析設(shè)備(13)來說代表設(shè)備(1)的實際速率。因此旋轉(zhuǎn)運動對相移變化的影響得以避免或補償。本發(fā)明還涉及一種帶有所述設(shè)備的系統(tǒng)，以及測量速度的相應(yīng)方法。
文檔編號G01B9/02GK1860380SQ200480021605
公開日2006年11月8日 申請日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
發(fā)明者克勞斯·沃爾特 申請人:克勞斯·沃爾特