通过移动散斑干涉仪来研究表面振动的方法和装置的制作方法

专利名称：通过移动散斑干涉仪来研究表面振动的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及研究物体，尤其涉及研究表面上或表面中的位移。本发明可应用于任何表面，例如机器部件、诸如金属板之类的产品(来检测缺陷)、或者如窗玻璃之类受到振动的表面。本发明还尤其可应用于地球表面(如海床)的运动，用来地震探查。
背景技术：
本发明利用相干光(如激光)和干涉仪来研究瞬时或在一段时间的位移。在本申请人的共同待审的英国专利申请No.0402914.6和WO04/003589中已经构思了这些技术，这两个都与地震探查有关。本发明可应用得更广泛。
在较早的情况中，该技术涉及紧密跟踪快干涉仪信号来精确地计算物体的位移。要求高的采样频率，并且在综合大量单独的顺序记录之后求出位移。在本申请中，系统不跟踪快干涉仪信号，而是实际上跟踪系统中的慢信号。这大大简化了系统的设计，并且要求的组件不那么昂贵。

发明内容
根据本发明，提供了一种使用干涉仪研究表面的方法，其中，在该表面与该干涉仪之间存在相对运动，该运动具有总速度Vtot，该总速度Vtot包括横向或侧向分量Vt和纵向分量Vl，该方法包括将相干光的物体光束引到该表面上的测量位置，其中该表面与该测量位置之间存在相对运动；沿基本上在横向方向上延伸的线布置干涉仪上的检测器阵列，所述检测器被配置为检测具有表示不同的灵敏度方向的不同角方向的光射线；产生与该物体光束至少部分相干的相干光的参考光束；将该参考光束与从该表面反射的物体光束结合，来产生提供关于该表面与该干涉仪之间的相对运动的信息的散斑图案中的交叉干涉；用检测器检测所述散斑图案和所述交叉干涉图案；确定所述阵列中的哪个检测器对该运动的总速度Vtot具有零或最小灵敏度，从而识别具有与Vtot正交的灵敏度方向线的检测器；监视具有零或最小灵敏度的检测器随时间的变化，从而确定由Vl的变化引起的Vtot的方向随时间的变化；以及确定Vl随时间的变化。
最好，物体光束和参考光束是从干涉仪发出的。干涉仪可以在横向方向上持续运动，而表面可以在横向方向以外的方向上相对间歇地运动。
本发明还可以扩展到用于执行本发明方法的装置，以及通过执行本发明的方法而产生的报告。


本发明可以以多种方式付诸实践，并且下面将参照附图作为示例描述一些实施例，其中图1是示出本发明总的原理的示意图；图2是接收的信号可能沿着检测器线出现的一种方式的图示；图3是图2所示的曲线的变更形式；图4是类似于图1的图，示出本发明应用到海床上的地震信号检测；图5示出使用光元件来修改该系统；图6示出替换实施例；图7更具体地示出检测器的灵敏度线；图8更具体地示出在海床上的地震信号检测；图9示出本发明中使用的两个替代透镜配置；图10示出使用参考光束的相位调制来补偿干涉仪的运动；以及图11示出本发明在3维测量方面的应用。
具体实施例方式
参照图1，激光束如图1所示沿着线扩展来照射被研究物体(OUI)。OUI可以是海床或其它物体，如旋转机器部件的表面。
测量位置(可以是一点，但这里是OUI的表面上的一条线)和干涉仪(光学头)之间存在相对运动。该相对运动具有如图1所示的横向速度分量Vt还有纵向速度分量Vl。在实际的测量情形中，可以是OUI在运动，或者可以是干涉仪在运动，或者两者都运动。为了简单起见，将该运动描述为就像是仅仅OUI在运动。假设速度分量对于沿着该物体上的激光线上的所有点是相同或近似相同的。激光线将通常具有有限的长度(从毫米到米)，或者在特定应用中它可以在远距离上连续。
首先，本发明用于检测纵向速度分量Vl随时间的变化(AC电平)。根据激光束的方向和OUI振动(波)的方向，Vl可以具有该平面之外和进入OUI表面的分量。OUI可以是平的或弯曲的表面。
检测器元件的线基本上布置在与横向速度分量Vt相同的方向上，如图1所示。每个检测器元件也可以用检测器阵列或横向检测器线替代，这使得能够对于在图1中的检测器线上的每个位置在几个检测器元件上进行平均。或者，可以使用整个全场(full field)检测器阵列。检测器元件或检测器阵列还被一个或多个参考光束照射，参考光束与从OUI反射的物体光至少部分相干(图1中未示出参考光束)。在检测器线的前面，存在成像透镜或透镜系统或者其它成像光学器件例如曲面镜等。成像光学器件将OUI上的激光线成像到检测器的线上。
除了物体表面上的激光线，也可以有沿着物体上的类似线上扫描的扫描激光点。我们还可以照射物体表面上整个场(尤其是在使用全场检测器阵列时)，从而将物体被照射的部件成像到检测器阵列。
照射OUI的激光束也可以汇聚或发散，焦点在离源不同距离处，包括OUI下面或上面的点。但是最好，用于物体照射的激光源位于图1的透镜的孔径中或孔径附近。这意味着照射和观察的方向是平行的。激光束可以以不同角方向指向OUI。
纵向速度分量Vl的改变意味着总速度Vtot的方向将改变。使用本发明，我们检测Vtot的方向随时间的改变，并从而检测纵向速度分量Vl随时间的改变。
位于沿着检测器线或者检测器阵列中的特定位置上的干涉仪中的每个检测器元件具有其自己特定的灵敏度方向。图1中的线SDL表示类似于此的线或方向。干涉仪和激光束以角方向放置和布置，使得至少一个检测器或一组检测器具有与速度Vtot正交的灵敏度方向线SDL。如果将全场检测器阵列与全场物体照射一起使用，则将有穿过该阵列且全部具有与速度Vtot正交的灵敏度方向的检测器线。
具有与速度Vtot正交的灵敏度线SDL的检测器元件将对于速度Vtot没有灵敏度。具有其它灵敏度方向的所有其它检测器元件将拾取速度Vtot的较小或较大的部分。
干涉仪中的每个检测器元件检测物体光与参考光之间的干涉，并且由下式给出检测器元件上的强度I=Iref+Iobj+2·μ·Iref·Iobj·cos(αdiff+αdisp)---(1)]]>其中，I是检测器元件上的总光强度，Iref是参考光强度，Iobj是物体光强度，μ是0与1之间的因子，并且取决于光的相干性等，αdiff是物体光与参考光之间的初始光相位差，αdispl是由于物体位移而引起的额外的光相位差。
等式(1)也可以写为I＝Iback+Imod·cos(αdiff+αdisp)(2)其中Iback是背景电平，Imod是调制电平。
当我们具有图1所示的速度为Vtot的运动时，对于给定检测器元件的相位αdispl将以相位速度ω变化，这取决于该检测器元件的灵敏度方向线SDL与速度Vtot的方向之间的角度。如果对于特定检测器元件该角度等于或非常接近90度，则该检测器元件的相位αdispl将不变化，或者将改变地很少或很慢。对于具有其它灵敏度方向的其它检测器元件，相位αdispl将变化，并且当SDL线相对于度Vtot的方向从90度起偏离越来越多时，αdispl将变化地越快。
从等式(2)可以看出，当相位αdispl随着时间变化时检测器上的强度I将被正弦调制。这意味着灵敏度方向(SDL)与速度方向Vtot方向呈90度或接近90度的检测器与具有其它灵敏度方向的检测器相比，将具有缓慢调制的强度。在下面，我们将灵敏度方向SDL与速度Vtot呈90度的检测器称为“零检测器”。通常，零检测器随时在改变位置，从而随着时间推移，检测器线上或检测器阵列中的不同检测器将被标识为零检测器。
本发明的主要原理是检测和定位零检测器，即，定位强度I变化相对较慢的检测器位置。这例如可以通过下面的方式之一来完成1.通过以快采样频率采样检测器或检测器阵列，并且计算信号与先前采样的差别。如果我们调用来自检测器S的电或数字信号，我们将有S(t)＝K·I(t)(3)其中，S是来自检测器的信号(电或数字)，K是常数，t是时间，I是检测器上的强度。
现在，看信号S的时间频率，我们将发现具有最低频率的S的检测器表示零检测器。
2.通过使用具有相对较慢的采样频率和相对较长的每次采样的曝光时间的检测器。这样，具有比该检测器在时间上所能分辨(resolve)的更快的强度波动的检测器将不会给出或者给出相对较低的信号S波动(低幅度)，这是因为强度波动将被平均化。换而言之，信号S不能跟上强度I的快速调制。图2示出关于沿着检测器线看去信号是什么样子的例子。根据图2所示的正弦函数，在信号S幅度降低的同时，通过增加与零检测器的距离来增加信号S的频率。等式(3)对于该方法不适用，除非检测器元件接近零检测器，因为这些检测器的强度波动将慢到足够检测器进行分辨。零检测器可以通过沿着检测器线(见图2)空间滤波、以及通过对随时间的波动进行分析来标识和定位。
3.通过合并上述方法的方法，其中分析检测器的时间频率以及信号幅度。
从OUI反射的物体光由于OUI的表面粗糙和激光的高相干特性而通常将具有散斑性质。这也在图2的曲线中看出。当干涉仪相对于OUI运动或者相反时，作为运动的结果，散斑通常将在空间上去相干，并且等式(3)中的Iobj和αdiff将随着时间变化。从等式中看出，这些随机变化将产生强度波动，但至少对于远离零检测器的检测器，这些随机强度波动由于相对物体运动Vtot而通常将比强度变化更慢。上面提到的随机波动可以用来获得平均效应，导致更平滑的强度曲线，见图3，其中我们还过滤和校正了该信号。可以通过平均来自若干相邻检测器元件或检测器阵列的信号来获得平均效应，或者可以通过在时域上平均来获得平均。平均或平滑效应可以使得更容易检测和定位零检测器的准确位置。如果在沿着检测器线的若干或许多点上采样图3的曲线，则可以使用计算“重心”(＝零检测器)的算法。Iobj和αdiff的去相干的速度取决于激光束的形状、大小和焦距(参照前一专利)。
图4示意性示出本发明如何应用于海床上的地震信号检测。干涉仪沿着虚线运动，并且只要我们具有单一频率、具有图中所示的幅度的稳定状态地震信号，穿过海床运动的测量点的总(相对)速度就在图中的向量VtotA和向量VtotB之间变化。零检测器将在检测器线上的位置A和B之间变动。如果横向速度Vt为1m/s并且地震幅度在50Hz下是100纳米，则纵向速度幅度将为31.4微米/s，并且总速度Vtot的方向将以+/-0.0018度变化。在位于海床上方5米的干涉仪和0.3米的OUI上的激光线长度、以及50mm的检测器阵列长度的情况下，检测器线上的位置A和B之间的距离将大约是26微米，它典型地是具有7微米像素尺寸的4个像素距离。
关于零检测器的检测的记录算法的例子可以如下
1.以给定采样频率从沿着检测器线的所有检测器元件i获得信号Si(t)(t＝时间)。
2.对所有像素计算Si(t)随时间的变化Si(t)/t。
3.对于所有像素在一段时间上对Si(t)/t求和并求平均，并且也可以在若干相邻像素上求平均。这些相邻像素中的一些也可以位于横向上，如图x中所示。
4.沿着检测器线执行空间滤波，以找到零检测器的位置。
还可以使用其它算法，其中使用沿着检测器线的信号S的时间估计来定位零检测器。
本发明还可以使用1维“位置敏感检测器”来分辨强度运动的小的变化(零检测器的小运动)。位置敏感检测器可以是基于若干相邻检测器元件之间的耦合或相关技术，并且这样可以增加灵敏度。
为了将物体上的30cm激光线成像到5米距离处的50mm检测器线，可以使用大约0.7米的焦距。透镜和检测器线之间的光程将相对较大，但可以使用镜或其它光学元件来获得具有较小的总尺寸的折线光路，见图5。
也可以通过在检测器线前面使用不同的透镜或透镜系统或者其它成像元件来增加或降低系统的灵敏度。也可以使用曲面镜。我们也可以将系统与2个或更多检测器线并排组合，其中一个系统可以在检测器前面有不同透镜系统，而其它检测器线可以具有不同的透镜或成像系统。这样，一个检测器系统可以具有高灵敏度；而其它检测器具有较低灵敏度，但对于地震幅度以及对于整个干涉仪和激光束方向的未对准与速度方向Vtot相比具有较大的动态范围。在实际设计中，透镜或成像元件可以在一个方向上长，而在另一横向上窄。
如果在成像系统与检测器之间或者在成像系统外部上安装反射镜，则将通过如图5所示倾斜这些反射镜中的一个或多个来调节检测器元件的灵敏度方向线。如果干涉仪以随着时间变化的角位置运动，则因此可能需要调节灵敏度方向。
检测器线或检测器阵列或位置敏感检测器线可以长或短，如果(最好)使用若干激光束和成像系统的话，它可以从几微米到几米。
如果使用具有不同灵敏度的两个或若干平行的检测器线，则可以使用最不敏感的检测器线系统(具有最高的动态范围)来调节具有较高灵敏度的其它检测器线的灵敏度方向，从而它们可以找到它们各自的零检测器，并且在其有限的动态范围内工作。
本发明也可以通过使用上面提到的对反射镜的动态操纵来使用灵敏度方向的动态操纵。对反射镜的操纵通过来自如上所述的一个或多个平行的检测器线的反馈信号控制，从而零检测器位置在所使用的一个或多个检测器线中的检测器线上差不多保持恒定。这样，操纵反馈信号将给出关于地震信号的信息。
地震信号的测量可以具有几秒的持续时间，以相对较高的地震幅度开始，然后幅度降低。在测量周期期间，可以调节和改变本发明的动态范围和灵敏度。这可以通过使用两个或更多个检测器线，或者通过改变或调节检测器线前面的光学元件来完成。
图6示出本发明的另一设计。
在这种情况下，激光束被导向被研究物体(OUI)来照射表面上的单个点(图6中的测量点)。激光束可以汇聚或发散，其焦点在离源不同的距离处，包括OUI下面或上面的点。光束也可以具有不同的形状(圆、矩形等)，并且光束也可以被聚焦到表面下面的线，而不是点。
检测器元件的线被布置在基本上与图6所示的横向速度分量Vt相同的方向上。和前面一样，每个检测器元件可以被检测器阵列替代。检测器元件或检测器阵列也可以被与从OUI反射的物体光至少部分相干的一个或多个参考光束(图6中没有示出参考光束)照射。从OUI上的测量点反射的光也可以被反射镜反射或被其它元件或其它器件引导，从而检测器线或检测器阵列可以以图6所示以外的方式物理放置和几何布置。
在图6中，示出了零平面(zero plane)。这是空间中通过测量点并且与速度向量Vtot正交的平面。和前面一样，位于沿着检测器线的特定位置上的每个检测器元件具有它自己特定的灵敏度方向。图6中的线SDL表示类似于此的线或方向。
干涉仪和激光束以角方向放置和布置，使得检测器线上的至少一个检测器或检测器阵列具有与零平面平行并且实际上位于零平面中的灵敏度方向线SDL。利用图6所示的布置，检测器元件的灵敏度方向不是从测量点(OUI上的激光点)到该检测器元件的线。检测器元件的灵敏度方向如图7所示。
具有零平面中的灵敏度线SDL的检测器元件对速度Vtot将不具有灵敏度，但具有其它灵敏度方向的所有其它检测器元件将拾取速度Vtot的较小或较大部分。光强度的等式对于该光学配置与前面配置是相同的，因此等式(1)和(2)仍然有效。
图8示意性示出本发明如何应用于海床上的地震信号检测。只要我们具有如图所示的具有幅度的单一频率稳定状态地震信号，在海床上运动的测量点的总(相对)速度就在图中的向量VtotA和VtotB之间变化。零检测器将在检测器线上的位置A与B之间变动。如果横向速度Vt是1m/s，并且地震幅度在50Hz下是100纳米，则纵向速度幅度将是31.4微米/s，并且总速度Vtot的方向将以+/-0.0018度变化。如果干涉仪位于海床上方5米，则检测器线上的位置A与B之间的距离将是314微米，它典型地是具有7微米像素尺寸的40个像素距离。
此外利用该光学配置，我们可以使用“位置敏感检测器”来分辨强度运动的小的变化(零检测器的小运动)。该配置与第一配置之间的主要差别在于，没有使用成像光学器件，并且检测器元件线通常将更长。
然而，也可以通过如图9所示在检测器前面使用负透镜或正透镜或透镜系统或其它成像元件，增加或降低该第二配置的灵敏度。也可以使用曲面镜。而且在这种情况中，我们也可以将系统与2个或更多检测器线并排组合，其中一个系统在检测器前面可以具有不同的透镜系统(或者没有透镜)，而其它检测器线具有不同的透镜或成像系统。
和前面一样，检测器线或检测器阵列或位置敏感检测器可长可短；它可以从几微米到几米，或者甚至沿续几百米的距离，如果(优选)使用几个激光束的话。如果检测器线的长度有限，则零检测器位置可能在检测器阵列的线外终止，从而该线上没有检测器元件成为零检测器。在这种情况下，可以调节激光束的方向，直到将零检测器位置变到检测器元件线的范围(长度)内为止。此外，如果朝着检测器线的光在到达检测器之前通过反射镜反射，则可以倾斜这些反射镜来获得系统的适当的灵敏度方向。
使用该第二配置，对激光束的动态操纵成为可能，其中对光束的操纵通过来自如上所述的一个或多个平行的检测器线的反馈信号控制，从而零检测器位置在所使用的一个或多个检测器线中的检测器线上差不多保持恒定。和前面一样，操纵反馈信号将给出关于地震信号的信息。最好仅在一个方向上控制激光束，即基本上在与速度Vtot相同的方向上，该方向通常也是与检测器线相同或几乎相同的方向。
一般而言，与前面参照图1描述的系统不同，图6中的系统随着到OUI距离的增加，将具有较高的灵敏度，但是较小的动态范围。当零检测器区域将随着距离增加而变宽时，到OUI的距离可以由系统使用来自检测器线的数据S得到。
第二配置与第一配置相比的一个缺点在于，干涉仪和OUI之间距离的改变可能给出沿着检测器线上的假信号。这些假信号可能较小，但如果该系统是配置为分辨非常小的幅度，那么这个差错源可能是个限制因素。
相位调制如果(第一和第二配置)系统的激光束和灵敏度方向拾取干涉仪或OUI的一大部分运动，则可以使用参考光束的相位调制来对其进行补偿，见图10。这在上面提到的英国专利申请No.0402914.6中描述。
如果干涉仪的相对的大部分运动被系统拾取，那么这意味着速度Vl变大，从而Vl可以具有大的恒定(“DC”)分量，其上面有小的“AC”分量。可以通过使用参考光束的相位调制来移除Vl的大DC分量。相位调制实际上意味着我们在检测器线上向旁边(向左或向右)移动图3的曲线。另一种表达的方式是说，当使用参考的相位调制时，零线或零平面与总速度Vtot之间的角度变得不同于90度。
如果例如以相对于干涉仪的传播方向向前或向后的角度引导激光束(参照图4和图8)，则速度Vl将得到较小或较大的“DC”电平。在这种情况下，可以使用相位调制来对其进行补偿。
使用相位调制，我们在系统上施加了“合成”纵向速度。如果我们模拟具有给定幅度和频率的正弦变化的速度Vl，并且如果我们在该同一频率下得出检测器线上的相应零检测器“幅度”，则我们可以实际上从该数据计算横向速度Vt。
3维测量如果例如使用三个类似图1和/或图6中的单元的独立单元，本发明可用于测量空间3维位移。图11示出这样的一个例子，其中3维测量海床中的地震信号。图中的每个激光束可以是如前面所述的激光束或激光线。使用图11所示的配置，在指向速度方向的单元中将需要相位调制。
假设OUI振荡(波)的波长大于OUI上激光束中的灵敏度线照射的位置之间的距离。
如果我们有大量象图1所示的系统，以大系统阵列运动，那么我们可以实现在大面积海床上的测量。我们也可以使用组合系统，其中从相同照射线或照射点反射的光可以被不同的相邻检测器系统拾取，以获得具有不同灵敏度方向的测量。
权利要求
1.一种使用干涉仪研究表面的方法，其中，在该表面与该干涉仪之间存在相对运动，该运动具有总速度Vtot，该总速度Vtot包括横向或侧向分量Vt和纵向分量Vl，该方法包括将相干光的物体光束引到该表面上的测量位置，其中该表面与该测量位置之间存在相对运动；沿基本上在横向方向上延伸的线布置干涉仪上的检测器阵列，所述检测器被配置为检测具有表示不同的灵敏度方向的不同角方向的光射线；产生与该物体光束至少部分相干的相干光的参考光束；将该参考光束与从该表面反射的物体光束结合，来产生提供关于该表面与该干涉仪之间的相对运动的信息的散斑图案中的交叉干涉；用检测器检测所述散斑图案和所述交叉干涉图案；确定所述阵列中的哪个检测器对该运动的总速度Vtot具有零或最小灵敏度，从而识别具有与Vtot正交的灵敏度方向线的检测器；监视具有零或最小灵敏度的检测器随时间的变化，从而确定由Vl的变化引起的Vtot的方向随时间的变化；以及确定Vl随时间的变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述物体光束和所述参考光束是从干涉仪发出的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述干涉仪在横向方向上持续运动，并且该表面在与横向方向不同的方向上相对间歇地运动。
4.如前述任何一项权利要求所述的方法，其中，所述相干光束是激光束。
5.如权利要求4所述的方法，其中，物体光束被扩展以照射被研究物体。
6.如前述任何一项权利要求所述的方法，其中，所述测量位置是被研究物体的表面上的点或线。
7.如前述任何一项权利要求所述的方法，其中，该阵列中的每个检测器包括基本上平行于横向方向、或者基本上与横向方向成直角延伸的检测器线。
8.如权利要求1到7中任何一项所述的方法，其中，所述检测器采用全场检测器阵列的形式。
9.如前述任何一项所述的方法，其中，在由成像光学器件对光束进行成像之后紧接着由检测器检测该光束。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述成像光学器件包括透镜系统或曲面镜。
11.如前述任何一项权利要求所述的方法，其中，所述被研究物体是海床或旋转的机器部件。
12.一种用于研究表面的干涉仪，其中该表面与该干涉仪之间存在相对运动，该运动具有总速度Vtot，该总速度Vtot包括横向或侧向分量Vt和纵向分量Vl，该干涉仪包括相干光的物体光束源，被配置成将物体光束引到该表面上的测量位置；基本上在横向方向上延伸的线中的、在该干涉仪上的检测器阵列，所述检测器被配置为检测具有表示不同的灵敏度方向的不同角方向的光射线；相干光的参考光束源，被配置为产生与物体光束至少部分相干的参考光束，该参考光束源被配置为将参考光束与从该表面反射的物体光束结合，来产生提供关于该表面与该干涉仪之间的相对运动的信息的散斑图案中的交叉干涉，所述检测器被配置为检测所述散斑图案和所述交叉干涉图案；用于确定所述阵列中的哪个检测器对该运动的总速度Vtot具有零或最小灵敏度从而使得能够识别具有与Vtot正交的灵敏度方向线的检测器的装置；用于监视具有零或最小灵敏度的检测器随时间的变化从而可以确定由Vl的变化引起的Vtot的方向随时间的变化的装置；以及用于确定Vl随时间的变化的装置。
13.如权利要求12所述的干涉仪，其中，每个检测器元件包括单独的检测器的线。
14.如权利要求13所述的干涉仪，其中，该线与横向检测器线平行或横穿该横向检测器线，并且如权利要求12到13中任何一项所述的参数，其中所述检测器包括全场检测器阵列。
15.如权利要求12到14中任何一项所述的干涉仪，包括在所述检测器线前面的成像光学器件。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述成像光学器件包括成像透镜、透镜系统或曲面镜。
全文摘要
一种使用干涉仪研究表面的方法，其中，在该表面与该干涉仪之间存在相对运动，该运动具有总速度V
文档编号G01V1/20GK101023377SQ200580031612
公开日2007年8月22日 申请日期2005年8月3日 优先权日2004年8月4日
发明者保罗·迈德和, 伊奥夫·维克哈根 申请人:斯塔特石油公开有限公司