專利名稱：通過移動散斑干涉儀來研究表面振動的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及研究物體，尤其涉及研究表面上或表面中的位移。本發(fā)明可應(yīng)用于任何表面，例如機(jī)器部件、諸如金屬板之類的產(chǎn)品(來檢測缺陷)、或者如窗玻璃之類受到振動的表面。本發(fā)明還尤其可應(yīng)用于地球表面(如海床)的運(yùn)動，用來地震探查。
背景技術(shù)：
本發(fā)明利用相干光(如激光)和干涉儀來研究瞬時(shí)或在一段時(shí)間的位移。在本申請人的共同待審的英國專利申請No.0402914.6和WO04/003589中已經(jīng)構(gòu)思了這些技術(shù)，這兩個(gè)都與地震探查有關(guān)。本發(fā)明可應(yīng)用得更廣泛。
在較早的情況中，該技術(shù)涉及緊密跟蹤快干涉儀信號來精確地計(jì)算物體的位移。要求高的采樣頻率，并且在綜合大量單獨(dú)的順序記錄之后求出位移。在本申請中，系統(tǒng)不跟蹤快干涉儀信號，而是實(shí)際上跟蹤系統(tǒng)中的慢信號。這大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且要求的組件不那么昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種使用干涉儀研究表面的方法，其中，在該表面與該干涉儀之間存在相對運(yùn)動，該運(yùn)動具有總速度Vtot，該總速度Vtot包括橫向或側(cè)向分量Vt和縱向分量Vl，該方法包括將相干光的物體光束引到該表面上的測量位置，其中該表面與該測量位置之間存在相對運(yùn)動；沿基本上在橫向方向上延伸的線布置干涉儀上的檢測器陣列，所述檢測器被配置為檢測具有表示不同的靈敏度方向的不同角方向的光射線；產(chǎn)生與該物體光束至少部分相干的相干光的參考光束；將該參考光束與從該表面反射的物體光束結(jié)合，來產(chǎn)生提供關(guān)于該表面與該干涉儀之間的相對運(yùn)動的信息的散斑圖案中的交叉干涉；用檢測器檢測所述散斑圖案和所述交叉干涉圖案；確定所述陣列中的哪個(gè)檢測器對該運(yùn)動的總速度Vtot具有零或最小靈敏度，從而識別具有與Vtot正交的靈敏度方向線的檢測器；監(jiān)視具有零或最小靈敏度的檢測器隨時(shí)間的變化，從而確定由Vl的變化引起的Vtot的方向隨時(shí)間的變化；以及確定Vl隨時(shí)間的變化。
最好，物體光束和參考光束是從干涉儀發(fā)出的。干涉儀可以在橫向方向上持續(xù)運(yùn)動，而表面可以在橫向方向以外的方向上相對間歇地運(yùn)動。
本發(fā)明還可以擴(kuò)展到用于執(zhí)行本發(fā)明方法的裝置，以及通過執(zhí)行本發(fā)明的方法而產(chǎn)生的報(bào)告。


本發(fā)明可以以多種方式付諸實(shí)踐，并且下面將參照附圖作為示例描述一些實(shí)施例，其中圖1是示出本發(fā)明總的原理的示意圖；圖2是接收的信號可能沿著檢測器線出現(xiàn)的一種方式的圖示；圖3是圖2所示的曲線的變更形式；圖4是類似于圖1的圖，示出本發(fā)明應(yīng)用到海床上的地震信號檢測；圖5示出使用光元件來修改該系統(tǒng)；圖6示出替換實(shí)施例；圖7更具體地示出檢測器的靈敏度線；圖8更具體地示出在海床上的地震信號檢測；圖9示出本發(fā)明中使用的兩個(gè)替代透鏡配置；圖10示出使用參考光束的相位調(diào)制來補(bǔ)償干涉儀的運(yùn)動；以及圖11示出本發(fā)明在3維測量方面的應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，激光束如圖1所示沿著線擴(kuò)展來照射被研究物體(OUI)。OUI可以是海床或其它物體，如旋轉(zhuǎn)機(jī)器部件的表面。
測量位置(可以是一點(diǎn)，但這里是OUI的表面上的一條線)和干涉儀(光學(xué)頭)之間存在相對運(yùn)動。該相對運(yùn)動具有如圖1所示的橫向速度分量Vt還有縱向速度分量Vl。在實(shí)際的測量情形中，可以是OUI在運(yùn)動，或者可以是干涉儀在運(yùn)動，或者兩者都運(yùn)動。為了簡單起見，將該運(yùn)動描述為就像是僅僅OUI在運(yùn)動。假設(shè)速度分量對于沿著該物體上的激光線上的所有點(diǎn)是相同或近似相同的。激光線將通常具有有限的長度(從毫米到米)，或者在特定應(yīng)用中它可以在遠(yuǎn)距離上連續(xù)。
首先，本發(fā)明用于檢測縱向速度分量Vl隨時(shí)間的變化(AC電平)。根據(jù)激光束的方向和OUI振動(波)的方向，Vl可以具有該平面之外和進(jìn)入OUI表面的分量。OUI可以是平的或彎曲的表面。
檢測器元件的線基本上布置在與橫向速度分量Vt相同的方向上，如圖1所示。每個(gè)檢測器元件也可以用檢測器陣列或橫向檢測器線替代，這使得能夠?qū)τ谠趫D1中的檢測器線上的每個(gè)位置在幾個(gè)檢測器元件上進(jìn)行平均。或者，可以使用整個(gè)全場(full field)檢測器陣列。檢測器元件或檢測器陣列還被一個(gè)或多個(gè)參考光束照射，參考光束與從OUI反射的物體光至少部分相干(圖1中未示出參考光束)。在檢測器線的前面，存在成像透鏡或透鏡系統(tǒng)或者其它成像光學(xué)器件例如曲面鏡等。成像光學(xué)器件將OUI上的激光線成像到檢測器的線上。
除了物體表面上的激光線，也可以有沿著物體上的類似線上掃描的掃描激光點(diǎn)。我們還可以照射物體表面上整個(gè)場(尤其是在使用全場檢測器陣列時(shí))，從而將物體被照射的部件成像到檢測器陣列。
照射OUI的激光束也可以匯聚或發(fā)散，焦點(diǎn)在離源不同距離處，包括OUI下面或上面的點(diǎn)。但是最好，用于物體照射的激光源位于圖1的透鏡的孔徑中或孔徑附近。這意味著照射和觀察的方向是平行的。激光束可以以不同角方向指向OUI。
縱向速度分量Vl的改變意味著總速度Vtot的方向?qū)⒏淖?。使用本發(fā)明，我們檢測Vtot的方向隨時(shí)間的改變，并從而檢測縱向速度分量Vl隨時(shí)間的改變。
位于沿著檢測器線或者檢測器陣列中的特定位置上的干涉儀中的每個(gè)檢測器元件具有其自己特定的靈敏度方向。圖1中的線SDL表示類似于此的線或方向。干涉儀和激光束以角方向放置和布置，使得至少一個(gè)檢測器或一組檢測器具有與速度Vtot正交的靈敏度方向線SDL。如果將全場檢測器陣列與全場物體照射一起使用，則將有穿過該陣列且全部具有與速度Vtot正交的靈敏度方向的檢測器線。
具有與速度Vtot正交的靈敏度線SDL的檢測器元件將對于速度Vtot沒有靈敏度。具有其它靈敏度方向的所有其它檢測器元件將拾取速度Vtot的較小或較大的部分。
干涉儀中的每個(gè)檢測器元件檢測物體光與參考光之間的干涉，并且由下式給出檢測器元件上的強(qiáng)度I=Iref+Iobj+2·μ·Iref·Iobj·cos(αdiff+αdisp)---(1)]]>其中，I是檢測器元件上的總光強(qiáng)度，Iref是參考光強(qiáng)度，Iobj是物體光強(qiáng)度，μ是0與1之間的因子，并且取決于光的相干性等，αdiff是物體光與參考光之間的初始光相位差，αdispl是由于物體位移而引起的額外的光相位差。
等式(1)也可以寫為I＝Iback+Imod·cos(αdiff+αdisp)(2)其中Iback是背景電平，Imod是調(diào)制電平。
當(dāng)我們具有圖1所示的速度為Vtot的運(yùn)動時(shí)，對于給定檢測器元件的相位αdispl將以相位速度ω變化，這取決于該檢測器元件的靈敏度方向線SDL與速度Vtot的方向之間的角度。如果對于特定檢測器元件該角度等于或非常接近90度，則該檢測器元件的相位αdispl將不變化，或者將改變地很少或很慢。對于具有其它靈敏度方向的其它檢測器元件，相位αdispl將變化，并且當(dāng)SDL線相對于度Vtot的方向從90度起偏離越來越多時(shí)，αdispl將變化地越快。
從等式(2)可以看出，當(dāng)相位αdispl隨著時(shí)間變化時(shí)檢測器上的強(qiáng)度I將被正弦調(diào)制。這意味著靈敏度方向(SDL)與速度方向Vtot方向呈90度或接近90度的檢測器與具有其它靈敏度方向的檢測器相比，將具有緩慢調(diào)制的強(qiáng)度。在下面，我們將靈敏度方向SDL與速度Vtot呈90度的檢測器稱為“零檢測器”。通常，零檢測器隨時(shí)在改變位置，從而隨著時(shí)間推移，檢測器線上或檢測器陣列中的不同檢測器將被標(biāo)識為零檢測器。
本發(fā)明的主要原理是檢測和定位零檢測器，即，定位強(qiáng)度I變化相對較慢的檢測器位置。這例如可以通過下面的方式之一來完成1.通過以快采樣頻率采樣檢測器或檢測器陣列，并且計(jì)算信號與先前采樣的差別。如果我們調(diào)用來自檢測器S的電或數(shù)字信號，我們將有S(t)＝K·I(t)(3)其中，S是來自檢測器的信號(電或數(shù)字)，K是常數(shù)，t是時(shí)間，I是檢測器上的強(qiáng)度。
現(xiàn)在，看信號S的時(shí)間頻率，我們將發(fā)現(xiàn)具有最低頻率的S的檢測器表示零檢測器。
2.通過使用具有相對較慢的采樣頻率和相對較長的每次采樣的曝光時(shí)間的檢測器。這樣，具有比該檢測器在時(shí)間上所能分辨(resolve)的更快的強(qiáng)度波動的檢測器將不會給出或者給出相對較低的信號S波動(低幅度)，這是因?yàn)閺?qiáng)度波動將被平均化。換而言之，信號S不能跟上強(qiáng)度I的快速調(diào)制。圖2示出關(guān)于沿著檢測器線看去信號是什么樣子的例子。根據(jù)圖2所示的正弦函數(shù)，在信號S幅度降低的同時(shí)，通過增加與零檢測器的距離來增加信號S的頻率。等式(3)對于該方法不適用，除非檢測器元件接近零檢測器，因?yàn)檫@些檢測器的強(qiáng)度波動將慢到足夠檢測器進(jìn)行分辨。零檢測器可以通過沿著檢測器線(見圖2)空間濾波、以及通過對隨時(shí)間的波動進(jìn)行分析來標(biāo)識和定位。
3.通過合并上述方法的方法，其中分析檢測器的時(shí)間頻率以及信號幅度。
從OUI反射的物體光由于OUI的表面粗糙和激光的高相干特性而通常將具有散斑性質(zhì)。這也在圖2的曲線中看出。當(dāng)干涉儀相對于OUI運(yùn)動或者相反時(shí)，作為運(yùn)動的結(jié)果，散斑通常將在空間上去相干，并且等式(3)中的Iobj和αdiff將隨著時(shí)間變化。從等式中看出，這些隨機(jī)變化將產(chǎn)生強(qiáng)度波動，但至少對于遠(yuǎn)離零檢測器的檢測器，這些隨機(jī)強(qiáng)度波動由于相對物體運(yùn)動Vtot而通常將比強(qiáng)度變化更慢。上面提到的隨機(jī)波動可以用來獲得平均效應(yīng)，導(dǎo)致更平滑的強(qiáng)度曲線，見圖3，其中我們還過濾和校正了該信號?？梢酝ㄟ^平均來自若干相鄰檢測器元件或檢測器陣列的信號來獲得平均效應(yīng)，或者可以通過在時(shí)域上平均來獲得平均。平均或平滑效應(yīng)可以使得更容易檢測和定位零檢測器的準(zhǔn)確位置。如果在沿著檢測器線的若干或許多點(diǎn)上采樣圖3的曲線，則可以使用計(jì)算“重心”(＝零檢測器)的算法。Iobj和αdiff的去相干的速度取決于激光束的形狀、大小和焦距(參照前一專利)。
圖4示意性示出本發(fā)明如何應(yīng)用于海床上的地震信號檢測。干涉儀沿著虛線運(yùn)動，并且只要我們具有單一頻率、具有圖中所示的幅度的穩(wěn)定狀態(tài)地震信號，穿過海床運(yùn)動的測量點(diǎn)的總(相對)速度就在圖中的向量VtotA和向量VtotB之間變化。零檢測器將在檢測器線上的位置A和B之間變動。如果橫向速度Vt為1m/s并且地震幅度在50Hz下是100納米，則縱向速度幅度將為31.4微米/s，并且總速度Vtot的方向?qū)⒁?/-0.0018度變化。在位于海床上方5米的干涉儀和0.3米的OUI上的激光線長度、以及50mm的檢測器陣列長度的情況下，檢測器線上的位置A和B之間的距離將大約是26微米，它典型地是具有7微米像素尺寸的4個(gè)像素距離。
關(guān)于零檢測器的檢測的記錄算法的例子可以如下
1.以給定采樣頻率從沿著檢測器線的所有檢測器元件i獲得信號Si(t)(t＝時(shí)間)。
2.對所有像素計(jì)算Si(t)隨時(shí)間的變化Si(t)/t。
3.對于所有像素在一段時(shí)間上對Si(t)/t求和并求平均，并且也可以在若干相鄰像素上求平均。這些相鄰像素中的一些也可以位于橫向上，如圖x中所示。
4.沿著檢測器線執(zhí)行空間濾波，以找到零檢測器的位置。
還可以使用其它算法，其中使用沿著檢測器線的信號S的時(shí)間估計(jì)來定位零檢測器。
本發(fā)明還可以使用1維“位置敏感檢測器”來分辨強(qiáng)度運(yùn)動的小的變化(零檢測器的小運(yùn)動)。位置敏感檢測器可以是基于若干相鄰檢測器元件之間的耦合或相關(guān)技術(shù)，并且這樣可以增加靈敏度。
為了將物體上的30cm激光線成像到5米距離處的50mm檢測器線，可以使用大約0.7米的焦距。透鏡和檢測器線之間的光程將相對較大，但可以使用鏡或其它光學(xué)元件來獲得具有較小的總尺寸的折線光路，見圖5。
也可以通過在檢測器線前面使用不同的透鏡或透鏡系統(tǒng)或者其它成像元件來增加或降低系統(tǒng)的靈敏度。也可以使用曲面鏡。我們也可以將系統(tǒng)與2個(gè)或更多檢測器線并排組合，其中一個(gè)系統(tǒng)可以在檢測器前面有不同透鏡系統(tǒng)，而其它檢測器線可以具有不同的透鏡或成像系統(tǒng)。這樣，一個(gè)檢測器系統(tǒng)可以具有高靈敏度；而其它檢測器具有較低靈敏度，但對于地震幅度以及對于整個(gè)干涉儀和激光束方向的未對準(zhǔn)與速度方向Vtot相比具有較大的動態(tài)范圍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，透鏡或成像元件可以在一個(gè)方向上長，而在另一橫向上窄。
如果在成像系統(tǒng)與檢測器之間或者在成像系統(tǒng)外部上安裝反射鏡，則將通過如圖5所示傾斜這些反射鏡中的一個(gè)或多個(gè)來調(diào)節(jié)檢測器元件的靈敏度方向線。如果干涉儀以隨著時(shí)間變化的角位置運(yùn)動，則因此可能需要調(diào)節(jié)靈敏度方向。
檢測器線或檢測器陣列或位置敏感檢測器線可以長或短，如果(最好)使用若干激光束和成像系統(tǒng)的話，它可以從幾微米到幾米。
如果使用具有不同靈敏度的兩個(gè)或若干平行的檢測器線，則可以使用最不敏感的檢測器線系統(tǒng)(具有最高的動態(tài)范圍)來調(diào)節(jié)具有較高靈敏度的其它檢測器線的靈敏度方向，從而它們可以找到它們各自的零檢測器，并且在其有限的動態(tài)范圍內(nèi)工作。
本發(fā)明也可以通過使用上面提到的對反射鏡的動態(tài)操縱來使用靈敏度方向的動態(tài)操縱。對反射鏡的操縱通過來自如上所述的一個(gè)或多個(gè)平行的檢測器線的反饋信號控制，從而零檢測器位置在所使用的一個(gè)或多個(gè)檢測器線中的檢測器線上差不多保持恒定。這樣，操縱反饋信號將給出關(guān)于地震信號的信息。
地震信號的測量可以具有幾秒的持續(xù)時(shí)間，以相對較高的地震幅度開始，然后幅度降低。在測量周期期間，可以調(diào)節(jié)和改變本發(fā)明的動態(tài)范圍和靈敏度。這可以通過使用兩個(gè)或更多個(gè)檢測器線，或者通過改變或調(diào)節(jié)檢測器線前面的光學(xué)元件來完成。
圖6示出本發(fā)明的另一設(shè)計(jì)。
在這種情況下，激光束被導(dǎo)向被研究物體(OUI)來照射表面上的單個(gè)點(diǎn)(圖6中的測量點(diǎn))。激光束可以匯聚或發(fā)散，其焦點(diǎn)在離源不同的距離處，包括OUI下面或上面的點(diǎn)。光束也可以具有不同的形狀(圓、矩形等)，并且光束也可以被聚焦到表面下面的線，而不是點(diǎn)。
檢測器元件的線被布置在基本上與圖6所示的橫向速度分量Vt相同的方向上。和前面一樣，每個(gè)檢測器元件可以被檢測器陣列替代。檢測器元件或檢測器陣列也可以被與從OUI反射的物體光至少部分相干的一個(gè)或多個(gè)參考光束(圖6中沒有示出參考光束)照射。從OUI上的測量點(diǎn)反射的光也可以被反射鏡反射或被其它元件或其它器件引導(dǎo)，從而檢測器線或檢測器陣列可以以圖6所示以外的方式物理放置和幾何布置。
在圖6中，示出了零平面(zero plane)。這是空間中通過測量點(diǎn)并且與速度向量Vtot正交的平面。和前面一樣，位于沿著檢測器線的特定位置上的每個(gè)檢測器元件具有它自己特定的靈敏度方向。圖6中的線SDL表示類似于此的線或方向。
干涉儀和激光束以角方向放置和布置，使得檢測器線上的至少一個(gè)檢測器或檢測器陣列具有與零平面平行并且實(shí)際上位于零平面中的靈敏度方向線SDL。利用圖6所示的布置，檢測器元件的靈敏度方向不是從測量點(diǎn)(OUI上的激光點(diǎn))到該檢測器元件的線。檢測器元件的靈敏度方向如圖7所示。
具有零平面中的靈敏度線SDL的檢測器元件對速度Vtot將不具有靈敏度，但具有其它靈敏度方向的所有其它檢測器元件將拾取速度Vtot的較小或較大部分。光強(qiáng)度的等式對于該光學(xué)配置與前面配置是相同的，因此等式(1)和(2)仍然有效。
圖8示意性示出本發(fā)明如何應(yīng)用于海床上的地震信號檢測。只要我們具有如圖所示的具有幅度的單一頻率穩(wěn)定狀態(tài)地震信號，在海床上運(yùn)動的測量點(diǎn)的總(相對)速度就在圖中的向量VtotA和VtotB之間變化。零檢測器將在檢測器線上的位置A與B之間變動。如果橫向速度Vt是1m/s，并且地震幅度在50Hz下是100納米，則縱向速度幅度將是31.4微米/s，并且總速度Vtot的方向?qū)⒁?/-0.0018度變化。如果干涉儀位于海床上方5米，則檢測器線上的位置A與B之間的距離將是314微米，它典型地是具有7微米像素尺寸的40個(gè)像素距離。
此外利用該光學(xué)配置，我們可以使用“位置敏感檢測器”來分辨強(qiáng)度運(yùn)動的小的變化(零檢測器的小運(yùn)動)。該配置與第一配置之間的主要差別在于，沒有使用成像光學(xué)器件，并且檢測器元件線通常將更長。
然而，也可以通過如圖9所示在檢測器前面使用負(fù)透鏡或正透鏡或透鏡系統(tǒng)或其它成像元件，增加或降低該第二配置的靈敏度。也可以使用曲面鏡。而且在這種情況中，我們也可以將系統(tǒng)與2個(gè)或更多檢測器線并排組合，其中一個(gè)系統(tǒng)在檢測器前面可以具有不同的透鏡系統(tǒng)(或者沒有透鏡)，而其它檢測器線具有不同的透鏡或成像系統(tǒng)。
和前面一樣，檢測器線或檢測器陣列或位置敏感檢測器可長可短；它可以從幾微米到幾米，或者甚至沿續(xù)幾百米的距離，如果(優(yōu)選)使用幾個(gè)激光束的話。如果檢測器線的長度有限，則零檢測器位置可能在檢測器陣列的線外終止，從而該線上沒有檢測器元件成為零檢測器。在這種情況下，可以調(diào)節(jié)激光束的方向，直到將零檢測器位置變到檢測器元件線的范圍(長度)內(nèi)為止。此外，如果朝著檢測器線的光在到達(dá)檢測器之前通過反射鏡反射，則可以傾斜這些反射鏡來獲得系統(tǒng)的適當(dāng)?shù)撵`敏度方向。
使用該第二配置，對激光束的動態(tài)操縱成為可能，其中對光束的操縱通過來自如上所述的一個(gè)或多個(gè)平行的檢測器線的反饋信號控制，從而零檢測器位置在所使用的一個(gè)或多個(gè)檢測器線中的檢測器線上差不多保持恒定。和前面一樣，操縱反饋信號將給出關(guān)于地震信號的信息。最好僅在一個(gè)方向上控制激光束，即基本上在與速度Vtot相同的方向上，該方向通常也是與檢測器線相同或幾乎相同的方向。
一般而言，與前面參照圖1描述的系統(tǒng)不同，圖6中的系統(tǒng)隨著到OUI距離的增加，將具有較高的靈敏度，但是較小的動態(tài)范圍。當(dāng)零檢測器區(qū)域?qū)㈦S著距離增加而變寬時(shí)，到OUI的距離可以由系統(tǒng)使用來自檢測器線的數(shù)據(jù)S得到。
第二配置與第一配置相比的一個(gè)缺點(diǎn)在于，干涉儀和OUI之間距離的改變可能給出沿著檢測器線上的假信號。這些假信號可能較小，但如果該系統(tǒng)是配置為分辨非常小的幅度，那么這個(gè)差錯源可能是個(gè)限制因素。
相位調(diào)制如果(第一和第二配置)系統(tǒng)的激光束和靈敏度方向拾取干涉儀或OUI的一大部分運(yùn)動，則可以使用參考光束的相位調(diào)制來對其進(jìn)行補(bǔ)償，見圖10。這在上面提到的英國專利申請No.0402914.6中描述。
如果干涉儀的相對的大部分運(yùn)動被系統(tǒng)拾取，那么這意味著速度Vl變大，從而Vl可以具有大的恒定(“DC”)分量，其上面有小的“AC”分量。可以通過使用參考光束的相位調(diào)制來移除Vl的大DC分量。相位調(diào)制實(shí)際上意味著我們在檢測器線上向旁邊(向左或向右)移動圖3的曲線。另一種表達(dá)的方式是說，當(dāng)使用參考的相位調(diào)制時(shí)，零線或零平面與總速度Vtot之間的角度變得不同于90度。
如果例如以相對于干涉儀的傳播方向向前或向后的角度引導(dǎo)激光束(參照圖4和圖8)，則速度Vl將得到較小或較大的“DC”電平。在這種情況下，可以使用相位調(diào)制來對其進(jìn)行補(bǔ)償。
使用相位調(diào)制，我們在系統(tǒng)上施加了“合成”縱向速度。如果我們模擬具有給定幅度和頻率的正弦變化的速度Vl，并且如果我們在該同一頻率下得出檢測器線上的相應(yīng)零檢測器“幅度”，則我們可以實(shí)際上從該數(shù)據(jù)計(jì)算橫向速度Vt。
3維測量如果例如使用三個(gè)類似圖1和/或圖6中的單元的獨(dú)立單元，本發(fā)明可用于測量空間3維位移。圖11示出這樣的一個(gè)例子，其中3維測量海床中的地震信號。圖中的每個(gè)激光束可以是如前面所述的激光束或激光線。使用圖11所示的配置，在指向速度方向的單元中將需要相位調(diào)制。
假設(shè)OUI振蕩(波)的波長大于OUI上激光束中的靈敏度線照射的位置之間的距離。
如果我們有大量象圖1所示的系統(tǒng)，以大系統(tǒng)陣列運(yùn)動，那么我們可以實(shí)現(xiàn)在大面積海床上的測量。我們也可以使用組合系統(tǒng)，其中從相同照射線或照射點(diǎn)反射的光可以被不同的相鄰檢測器系統(tǒng)拾取，以獲得具有不同靈敏度方向的測量。
權(quán)利要求
1.一種使用干涉儀研究表面的方法，其中，在該表面與該干涉儀之間存在相對運(yùn)動，該運(yùn)動具有總速度Vtot，該總速度Vtot包括橫向或側(cè)向分量Vt和縱向分量Vl，該方法包括將相干光的物體光束引到該表面上的測量位置，其中該表面與該測量位置之間存在相對運(yùn)動；沿基本上在橫向方向上延伸的線布置干涉儀上的檢測器陣列，所述檢測器被配置為檢測具有表示不同的靈敏度方向的不同角方向的光射線；產(chǎn)生與該物體光束至少部分相干的相干光的參考光束；將該參考光束與從該表面反射的物體光束結(jié)合，來產(chǎn)生提供關(guān)于該表面與該干涉儀之間的相對運(yùn)動的信息的散斑圖案中的交叉干涉；用檢測器檢測所述散斑圖案和所述交叉干涉圖案；確定所述陣列中的哪個(gè)檢測器對該運(yùn)動的總速度Vtot具有零或最小靈敏度，從而識別具有與Vtot正交的靈敏度方向線的檢測器；監(jiān)視具有零或最小靈敏度的檢測器隨時(shí)間的變化，從而確定由Vl的變化引起的Vtot的方向隨時(shí)間的變化；以及確定Vl隨時(shí)間的變化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述物體光束和所述參考光束是從干涉儀發(fā)出的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述干涉儀在橫向方向上持續(xù)運(yùn)動，并且該表面在與橫向方向不同的方向上相對間歇地運(yùn)動。
4.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述相干光束是激光束。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，物體光束被擴(kuò)展以照射被研究物體。
6.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述測量位置是被研究物體的表面上的點(diǎn)或線。
7.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，該陣列中的每個(gè)檢測器包括基本上平行于橫向方向、或者基本上與橫向方向成直角延伸的檢測器線。
8.如權(quán)利要求1到7中任何一項(xiàng)所述的方法，其中，所述檢測器采用全場檢測器陣列的形式。
9.如前述任何一項(xiàng)所述的方法，其中，在由成像光學(xué)器件對光束進(jìn)行成像之后緊接著由檢測器檢測該光束。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述成像光學(xué)器件包括透鏡系統(tǒng)或曲面鏡。
11.如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述被研究物體是海床或旋轉(zhuǎn)的機(jī)器部件。
12.一種用于研究表面的干涉儀，其中該表面與該干涉儀之間存在相對運(yùn)動，該運(yùn)動具有總速度Vtot，該總速度Vtot包括橫向或側(cè)向分量Vt和縱向分量Vl，該干涉儀包括相干光的物體光束源，被配置成將物體光束引到該表面上的測量位置；基本上在橫向方向上延伸的線中的、在該干涉儀上的檢測器陣列，所述檢測器被配置為檢測具有表示不同的靈敏度方向的不同角方向的光射線；相干光的參考光束源，被配置為產(chǎn)生與物體光束至少部分相干的參考光束，該參考光束源被配置為將參考光束與從該表面反射的物體光束結(jié)合，來產(chǎn)生提供關(guān)于該表面與該干涉儀之間的相對運(yùn)動的信息的散斑圖案中的交叉干涉，所述檢測器被配置為檢測所述散斑圖案和所述交叉干涉圖案；用于確定所述陣列中的哪個(gè)檢測器對該運(yùn)動的總速度Vtot具有零或最小靈敏度從而使得能夠識別具有與Vtot正交的靈敏度方向線的檢測器的裝置；用于監(jiān)視具有零或最小靈敏度的檢測器隨時(shí)間的變化從而可以確定由Vl的變化引起的Vtot的方向隨時(shí)間的變化的裝置；以及用于確定Vl隨時(shí)間的變化的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的干涉儀，其中，每個(gè)檢測器元件包括單獨(dú)的檢測器的線。
14.如權(quán)利要求13所述的干涉儀，其中，該線與橫向檢測器線平行或橫穿該橫向檢測器線，并且如權(quán)利要求12到13中任何一項(xiàng)所述的參數(shù)，其中所述檢測器包括全場檢測器陣列。
15.如權(quán)利要求12到14中任何一項(xiàng)所述的干涉儀，包括在所述檢測器線前面的成像光學(xué)器件。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述成像光學(xué)器件包括成像透鏡、透鏡系統(tǒng)或曲面鏡。
全文摘要
一種使用干涉儀研究表面的方法，其中，在該表面與該干涉儀之間存在相對運(yùn)動，該運(yùn)動具有總速度V
文檔編號G01V1/20GK101023377SQ200580031612
公開日2007年8月22日 申請日期2005年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者保羅·邁德和, 伊奧夫·維克哈根 申請人:斯塔特石油公開有限公司