DE1798076A1 - Verfahren zur Bestimmung des Vorzeichens der Geschwindigkeit bei Doppler-Geschwindigkeits-Messverfahren mit elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung des Vorzeichens der Geschwindigkeit bei Doppler-Geschwindigkeits-Messverfahren mit elektromagnetischer Strahlung

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Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Frankfurt am Main, Theodor-Stern-Kai 1
Verfahren zur Bestimmung des Vorzeichens der Geschwindig keit "bei Doppler-Geschwindigkeits-Messverfahren mit elektromagnetischer Strahlung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem bei bekannten Doppler-Geschwindigkeitsmessverfahren mit elektromagnetischer Strahlung ausεer dem Betrag und der Sichtung der gemessenen Geschwindigkeitskomponente zusätzlich ihr Richtungssinn bestimmt werden kann.
Die bekannten Doppler-Geschwindigkeitsmessverfahren mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessverfahren mit optischer Strahlung, beschränken sich normalerweise auf die Ermittlung des Be träges der dopplerschen Frequenzänderung infolge der Heia tivbewegung von Sender und Empfänger zueinander. Der Verzicht auf die Bestimmung der absoluten Dopplerfrequenz, die bei technisch vorkommenden Geschwindigkeiten in der Grössenord nung der Lichtfrequenz liegt, ist notwendig wegen des zu geringen zeitlichen Auflösungsvermögens opto-elektronischer Empfangsgeräte.
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In Fig.1 ist ein solcher Messaufbau für den Fall einer Zweirichtungseinstrahlung auf das Objekt gezeigt.
Ein Laserstrahl 1 mit der Lichtfrequenz f wird durch einen Strahlteiler 2 in zwei Teilstrahlen 3 und 31 geteilt, welche unter dem Konvergenzwinkel oC auf das Messeobjekt 4 eingestrahlt werden, das sich mit der Geschwindigkeit ν unter dem Winkel f , gemessen an der Winkelhalbierenden der Einstrahlrichtungen, bewegt. Durch Streuung erzeugt das Objekt 4 zwei räumliche Streulichtfelder 5 und 5»t deren Frequenzen durch die unterschiedlichen Einstrahlrichtungen auf das Objekt für einen diskreten Punkt im Baum unterschiedlich dopplerverschoben sind.
Durch Interferenz beider Streulichtfelder entsteht eine kleinste Intensitäts-Schwebungsfrequenz (Beatfrequenz) Δ f, die gerade gleich der Differenz der dopplerverschobenen Frequenzen ist und vom intensitätsempfindlichen Empfänger 6 registriert wird.
Mit dem Brechungsindex η des das Objekt umhüllenden Mediums und der Wellenlänge Λ o des Laserlichtee im Vakuum gilt
f ■ cos ψ sin flC . (1)
Es sind auch andere, zu Fig.1 unterschiedliche optische Anordnungen für Laser-Doppler-Verfahren gebräuchlich, zum Beispiel solche, die eines der Streulichtfelder nach Tig.1 durch in der Frequenz unbeeinflusstes Heferenalicht ersetzen,
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welches durch Abspaltung aus dem ursprünglichen Laserstrahl gewonnen und in das empfangene Streulicht wieder einge blendet wird.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung sind die Ausgangsbe dingungen all dieser Verfahren gleichwertig, wenn die Messung der DopplerverSchiebung auf der Erzeugung der Beatfrequnz zwischen zwei zu vergleichenden elektromagnetischen Frequenzen, also auf einer Relativmessung beruht.
Durch die Ermittlung von Δ f, etwa gemäß Gl. (1) wird die genaue Lage und Richtung der zu bestimmenden Geschwindig keitskomponente bekannt, die Ja in der Ebene der Einstrahl richtungen und senkrecht zu ihrer Winkelhalbierenden liegt, nicht jedoch ihr Richtungssinn. Der Grund dafür ist, daß bei der Messung von Δ f auf opto-elektronischem Wege das Vor zeichen nicht erfasst wird. Man erhält also als Messwert stets nur den Betrag|Δ f |
Dieser Mangel macht sich dann bemerkbar, wenn beispielsweise das Vorzeichen einer sonst bekannten Geschwindigkeitsrichtung oder ein unbekannter Geschwindigkeitsvektor im Raum durch Dreikomponentenmessung mit Dreirichtungseinstrahlung auf das Objekt bestimmt werden muss. Bei Unkenntnis des Richtungssinnes der einzelnen Komponenten ist das letztge nannte Problem bereits achtfach unbestimmt.
Durch die Erfindung wird das Problem der Bestimmung des Richtungssinnes der gemessenen Geschwindigkeitskomponente
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bei Verfahren der relativen Doppler-Geschwindigkeitsfeemessung mit elektro-magnetischer Strahlung dadurch gelöst, daß einem von jeweils zwei zur Erzeugung einer Eestfrequenz interfe rierenden elektromagnetischen Feldern auf mechanischem oder elektrischem Wege, bei optischer Strahlung insbesondere auf opto-mechanischem oder opto-elektronischem Wege, eine zu sätzliche zeitlich veränderliche Phasenverschiebung aufge prägt und die Richtung der Verlagerung der Messfrequenz w ermittelt wird, die als Kriterium für das Vorzeichen der Dopplerverschiebung und damit für die Richtung der gemesse nen Geschwindigkeitskomponente dient.
Das Wesen der Erfindung sei anhand der Figuren 2 und 3 näher erläutert:
Die beiden Teilstrahlen 3 und 3* in Fig.2 liefern durch Streuung an dem bewegten Objekt 4 zwei elektromagnetische Streufelder 5 und 5'» deren elektrische Feldstärken E1 und Ep etwa gemäß
E1 « A1 cos (Cü ^ t+f^ ) (2)
E2 « A2 cos ( QJ 2 t „
schwingen (t«Zeit, Α-Amplitude, <*) * Kreisfrequenz, T ■ Phasenverschiebung), und deren Frequenzdifferenz Δοΰ über den intensitätsempfindlichen Empfänger 6 gemessen wird.
Die Intensität I, die aus der Überlagerung beider Felder resultiert, ist unter Vernachlässigung aller Glieder mit Frequenzen, die in der Grössenordnung der Lichtfrequenz liegen und nicht aufgelöst "werden können ί
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I - ( E1 + E2 ) ά
I ~ eoe (( O)1 - O)2) t + 1 2 I ^ cos (Δω t + ΔΤ )
Die Phasendifferenz A*f ist bei den Laeer-Doppler-Messungen beliebig und der für den Augenblick der Messung zeitlich konstante Anteil, der nicht in die Frequenz eingeht und damit grundsätzlich auch uninteressant ist. Das Vorzeichen von Δ CO m 2 IT. Af ist, wie bereits ausgeführt, durch eine einfache Frequenzmessung nicht erkennbar. Um es erkennbar zu machen, wird zusätzlich ein zeitabhängiges Af - Δ ^f (t) mit bekanntem Vorzeichen erzeugt. Im einfachsten Fall kann eine Phasenverschiebung aufgeprägt werden, die zeitlich linear veränderlich ist, also
/Yf (t) - 0 . t + C mit 0 « const. Bei Weglassen der uninterssanten Konstanten C wird dann I ~ cos (a&) + 0 ) t . (3)
Beim Tasten des Vorganges 0 . t wird so aus der eigentlichen Messfrequenz Δ CJ eine geänderte Frequenz«
Λ Sl - Δω + 0 (4)
Da die Kenntnis des Vorzeichens von 0 vorausgesetzt wird, kann z.B. folgendermassen geschlossen werden :
bei 0 > O ; beobachtet ί A& I ~? I Δω 1 , daraus folgt AUJ >0,
bei 0^0: beobachtet | ΔΑ klAüJl , daraus folgtAUXO,
bei 0 < O : beobachtet I Aß I ? I Δ ω I , daraus folgt Δ ω-CO,
bei 0 < O : beobachtet I aQ UlA^ I , daraus folgt Δω>0.
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Diese Schlüsse sind eindeutig, solange l# I C 2Δ UJ ist, was technisch realisierbar ist.
Durch das Tasten des Vorganges 0 · t und gleichzeitiges Beobachten des Einflusses auf die Messfrequenz ist somit das Vorzeichen von Δ CJ und damit nach SI· (1) auch das der gemessenen Geschwindigkeitskomponente bekannt.
Zur technischen Realisierung dieser Erfindung bei Verwendung von Laserstrahlen ist in dem Beispiel "der figur 2 eine elek -trooptische Zelle 7» zum Beispiel eine Pockelszelle, in einen der beiden Strahlengänge eingesetzt. Beim Referenz -strahlverfahren könnte dies auch im Beferenzstrahl geschehen.
Die Pockelszelle wird durch einen Hochfrequenz-Sägezahn-(Kipp-)generator 8 erregt, dessen Spannungsverlauf U in Abhängigkeit von der Zeit t Figur 3 zeigt. Mit dem zeitlichen linear ansteigenden Bereich 10 der Spannung ändert sieh der Brechungsindex der Pockelszelle zeitlich linear, so daß bei richtiger Auslegung der Zellenabmessungen und der angelegten Spannungen eine Xnderung der Messfrequenz At*) in im oben angegebenen Sinne zu beobachten ist.
Auf einem Frequenzspektrumanalysator bzw. einem Oszillograph wäre dann ein Bild wie in Fig. 4a bzw. 4b beobachtbar.
Ein linearer Zusammenhang gemäß 0 . t hat den Vorteil, daß die beobachtete Frequenzänderung bei konstantem Δ ^ ein feststehendes Frequenzbild ergibt, jedoch sind grundsätzlich
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auch zeitlich nicht lineare Phasenverschiebungen verwendbar.
Im Normalfall sind relative Frequenzänderungen Il A^ I - JA CO 1 I
I 1Δ ω i » von 20 % bis 30 % gut erkennbar und ausreichend, so daß sich
mit dem ungefähr zu erwartenden Wert Δ ιό das notwendige ΙΔ&1- JA CaJ j und damit die Auslegung der elektrooptischen
I Δω!
Zelle nach ihren Abmessungen, der angelegten Maximalspannung und der Sägezahnfrequenz ergibt·
Im abfallenden Bereich 11 der Spannung in Fig. 3 relaxiert die Zelle zeitlich so schnell, daß eine Frequenz | Δ. bc.1 | £ IΔ (a) I entsteht. Wenn diese Frequenz überhaupt stört, sie könnte zu Mehrdeutigkeiten führen, so kann während dieser Zeit der Lichtstrahl elektrooptisch abgeschaltet werden. Es ist auch möglich., die Sägezahnkurve nach Fig. 3 so auszulegen, daß im Bereich 11 des Spannungsverlaufes 1δ£2.Ί~ 0 bzw. IaSR.1 \=a Z (Δω ist, so daß das A Q. im Bereich. 10 in Fig. 3 leicht davon zu unterscheiden ist.
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Claims (3)

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. !Frankfurt am Main, Theodor-Stern-Kai 1 Pat ent ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Vorzeichens der Geschwindigkeit bei relativen Doppler-Geschwindigkeitsmessungen mit elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß einem von jeweils zwei zur Erzeugung einer Beatfrequenz interferierenden elektromagnetischen Feldern auf mechanischem oder elektrischem Wege, bei optischer Strahlung insbesondere auf opto-machanischem oder opto-elektroni schem Wege, eine zusätzliche zeitlich veränderliche Phasenverschiebung bekannten Vorzeichens aufgeprägt und die Richtung der Verlagerung der Messfrquenz ermittelt wird, die als Kriterium für die Richtung der gemessenen Ge schwindigkeitskomponente dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeprägte Phasenverschiebung zeitlich linear veränderlich ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 bei Verwendung von Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich lineare Phasenverschiebung durch eine Pockelszelle erzeugt wird, die in einen Teilstrahl der Laser-Doppler-
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Anordnungen eingesetzt und mit einer Kippspannung beaufschlagt wird, die zeitlich, einem Sägezahnverlauf entspricht.
4-. Verfahren nach den Ansprüchen Ί bis 3» dadurch gekenn — zeichnet, daß die Ermittlung des Richtungssinnes der zu messenden Geschwindigkeit durch kurzzeitiges Tasten der die Pockelszelle beaufschlagenden Kippspannung bei gleichzeitiger Registrierung ihres Einflusses auf die Messfrequenz erfolgt.
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