CH689335A5 - Verfahren und Anemometer zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen, insbesondere in Laser-Doppler-Anemometern (LDA) oder Vibrometern.

Gegenwärtig werden auf dem Markt Laser-Doppler-Geräte zur Messung von Geschwindigkeiten und daraus abgeleiteten Grössen, wie Länge und Beschleunigung angeboten. Sie unterscheiden sich durch den optischen Aufbau und die elektronische Ansteuerung und Auswertung für spezielle Messaufgaben. Typische bekannte optische Anordnungen stellen die LDA nach dem Kreuzstrahlprinzip oder dem Referenzstrahlprinzip dar, die in Laser und Optoelektronik 20 (3), 1988, S. 73-83, ausführlich beschrieben sind. In der gleichen Quelle findet man auch die Unterscheidung nach dem Prinzip der Ansteuerung und Auswertung erläutert, die durch die Einteilung in Homodyn- und Heterodynverfahren erfolgt. Bei den Auswerteverfahren haben sich wegen der Möglichkeit der Realzeitdemodulation des Dopplersignals, die zu jeder Zeit ein Analogsignal mit geschwindigkeitsproportionaler Spannung liefert, die Trackerverfahren gegenüber Frequenzanalyse- und Computerverfahren durchgesetzt.

Das technische Problem liegt prinzipiell darin, dass der auszuwertende Frequenzbereich immer die gesamte Breite der möglichen Dopplerfrequenz enthalten muss (oftmals mehrere MHz). Andererseits ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) umgekehrt proportional zur Filterbandbreite. Deshalb muss die Filterbandbreite möglichst gering gehalten werden. Bei heterodynen Laser-Doppler-Geräten lässt sich das einfach auf Grund des Frequenzoffsets über die z.B. von DURST et al. (in: Theorie und Praxis der Laser-Doppler-Anemometrie, G. Braun Verlag, Karlsruhe, 1987, S. 284-290) beschriebene Frequenznachlaufdemodulation realisieren. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei ein sogenanntes Offset-Heterodyn-Tracker-Verfahren (a.a.O., S. 285).

Eine derartige Frequenznachlaufdemodulation besteht prinzipiell aus Frequenzmischer, einem Bandpassfilter (ZF-Filter), einem Frequenzdiskriminator oder Phasendiskriminator, einem Integrator und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der auf den Frequenzmischer zurückgekoppelt ist.

Das Dopplersignal wird dabei mit dem Ausgangssignal des VCO gemischt, und das resultierende Mischsignal mit zwei Seitenbändern wird auf der Zwischenfrequenz schmalbandig gefiltert. Änderungen der Dopplerfrequenz werden in dem oben skizzierten Regelkreis durch Änderung der VCO-Frequenz kompensiert. Der Integrator regelt dabei das Einschwingverhalten und die Stabilität des Regelkreises. Bei den Heterodyn-LDA wird für die Frequenznachlaufdemodulation der Frequenzoffset ausgenutzt, der in der Regel sehr konstant ist, und ein Bandpassfiiter mit der Offsetfrequenz als Mittenfrequenz eingesetzt. Die Frequenz des VCO ist zur Kompensation einer Dopplerverschiebung durch einen Diskriminator variabel einstellbar. Man unterscheidet Frequenz- und Phasendiskriminatoren.

Beim Frequenzdiskriminator erzeugt jede Änderung der Dopplerfrequenz eine dazu proportionale Fehlerspannung, da die Zwischenfrequenz genau um den Betrag der Dopplerverschiebung geändert wird. Mit der Fehlerspannung am Ausgang des Diskriminators regelt der VCO seine Frequenz nach, bis die Zwischenfrequenz wieder mit der Mittenfrequenz des Bandpassfilters übereinstimmt.

Der Nachteil des Frequenzdiskriminators liegt darin, dass der lineare Bereich der Spannungsfrequenzcharakteristik relativ eng begrenzt ist, so dass grosse Änderungen der Dopplerfrequenz nicht ausreichend durch den VCO kompensiert werden.

Signalauswertesysteme, die mit Phasendifferenzen arbeiten, verwenden Phasendiskriminatoren. Dabei wird das Ausgangssignal des Bandpassfilters zunächst in einem Amplitudenbegrenzer nahezu in ein Rechtecksignal gewandelt. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators ist das Produkt zweier Rechtecksignale. Es entspricht der doppelten Mittenfrequenz (Resonanzfrequenz), wenn die Zwischenfrequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters ist. Weicht die Zwischenfrequenz ab, erzeugt der Integrator eine Fehlerspannung, die den VCO nachregelt. Der Nachteil der Phasendiskriminatoren liegt in der Anfälligkeit gegenüber kleinen Phasenschwankungen, die durch die endliche Durchgangszeit von Streupartikein im Messvolumen verursacht werden. Dadurch wird bei Ensembles von Streupartikeln, die mit unterschiedlicher Phasenlage das Messvolumen durchqueren, auch bei konstanter Geschwindigkeit der Ensembles eine variierende Dopplerverschiebung registriert.

Weiterhinist ein Trackerverfahren auch für homodyne LDA entwickelt worden. Wilshurst und Rizzo (J. Physics E: Sci. Instruments 8, 47) offenbarten ein sogenanntes autodynes Auswerteverfahren, bei dem das Empfangssignal, das die Dopplerfrequenz trägt, separat mit zwei Komponenten eines VCO-Signals, die um 90 DEG phasenverschoben sind, gemischt wird. Mit jeweils einem Tiefpass wird der Hochfrequenzanteil der Mischsignale eliminiert, bevor jedes der Mischsignale jeweils mit dem anderen, über ein Differenzierglied geführten Signal gemischt und die Multiplikationsergebnisse über einen Summationsverstärker gemittelt werden. Nachteilig an diesem Trackerverfahren ist neben einem niedrigeren Signal/Rausch-Verhältnis gegenüber Heterodyn-Trackern vor allem, dass es für kleinere Dopplerfrequenzen nicht eingesetzt werden kann, da die Ausfilterung des störenden Seitenbandes dann nicht mehr möglich ist, ohne das Dopplersignal zu beschneiden. Genaue Ergebnisse werden dabei ohnehin nur erreicht, wenn der Bereich der zu erwarteten Dopplerverschiebung vorab bekannt ist, sich nicht sprunghaft ändert und keine kurzzeitigen Ausfälle des Dopplersignals zu erwarten sind.

Die letztgenannten Signalausfälle bei diskontinuierlichen Strömungen oder Teilchenbewegungen sind der generelle Mangel der bekannten Verfahren der Frequenznachlaufdemodulation, der die Genauigkeit bzw. die Stabilität der Dopplerfrequenz entscheidend beeinträchtigt.

Des weiteren gehören Lösungen für phasenmodulierte LDA zum Stand der Technik, von denen die DE 19 537 647 A1 beispielhaft erwähnt sein soll, weil dort eine bemerkenswerte optische Doppelmodulation mit zwei phasen- und frequenzstarr gekoppelten Modulationsfrequenzen von ganzzahligem Frequenzverhältnis und eine Auswertung eines Seitenbandes erfolgt, wobei für die Bandbreite des auf ein gemeinsames Vielfaches der Modulationsfrequenzen festgelegten Bandpasses die voraussichtliche, maximale Dopplerverschiebung zu berücksichtigen ist. Dadurch verschlechtert sich zwangsläufig das Signal-Rausch-Verhältnis.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen zu finden, die die Vorzüge der herkömmlichen Frequenznachlaufdemodulation beibehält und die zuverlässige aktuelle Messungen von Geschwindigkeiten und abgeleiteten Bewegungsgrössen auch für extrem kleine Geschwindigkeiten und diskontinuierliche Teilchenströme gestattet.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen unter Verwendung eines Laser-Doppler-Anemometers (LDA) mit Bandpassfilterung und Frequenznachlaufdemodulation zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz bezüglich der Bandpassfilterung dadurch gelöst, dass mindestens ein orthogonales Frequenzsystem erzeugt wird, das aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz entsteht, in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt und durch additive Überlagerung in eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen überführt wird, wobei den Zustandsintervallen Intervallgrenzen in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet werden, dass ein die Dopplerfrequenz enthaltendes Detektorsignal nach der Bandpassfilterung bezüglich seiner Phase mit den Zustandsintervallen des orthogonalen Frequenzsystems verglichen wird, wobei eine Änderung der Phasenlage gegenüber dem orthogonalen Frequenzsystem, die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang zu einem anderen Zustandsintervall beinhaltet, die besagte Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch Erzeugung einer geregelten Mischfrequenz, die im LDA eingekoppelt wird, auslöst, und die geregelte Mischfrequenz ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem abgetastet und verglichen wird, wobei die Mischfrequenz selbst als Äquivalent der Dopplerfrequenz erfasst und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge der Zustandsintervalle richtungsbezeichnet ausgewertet wird.

Vorteilhaft wird das orthogonale Frequenzsystem für die eindeutige Richtungserkennung der Änderung der Dopplerfrequenz aus zwei Rechteckfunktionen mit unterschiedlicher Amplitude zusammengesetzt, wobei eine vorzugsweise mit der doppelten Amplitude der anderen Rechteckfunktion bewertet wird und sich durch die Sprünge der Rechteckfunktionen eine periodische Folge von Zustandsintervallen als Superposition von Rechteckfunktionen ergibt, so dass sich die Werte der Zustandsintervalle im Abstand von /2 unterschiedlich ändern und erst nach 2 in gleicher Folge wiederholen.

Dabei erweist es sich als zweckmässig, dass das orthogonale Frequenzsystem durch Frequenzteilung aus einem Oszillator erzeugt wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn zur Abtastung des Detektorsignals für die Regelung der Mischfrequenz und zur Abtastung der geregelten Mischfrequenz für die Ermittlung der aktuellen Dopplerfrequenz ein und dasselbe orthogonale Frequenzsystem verwendet wird.

Bei einem homodynen LDA werden vorteilhaft nach einer Hochpassfilterung der Detektorsignale die Dopplerfrequenz mit der geregelten Mischfrequenz sowie eine um /2 phasenverschobene Dopplerfrequenz mit einer um /2 phasenverschobenen geregelten Mischfrequenz elektronisch gemischt, wobei zwei Signalkanäle erzeugt werden, die zwei Seitenbänder der Dopplerfrequenz enthalten, die beiden Signalkanäle durch anschliessende Addition oder Subtraktion wieder vereinigt, wobei eines der Seitenbänder eliminiert wird, das verbleibende Seitenband mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Regelung der Mischfrequenz verglichen und die geregelte Mischfrequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz abgetastet wird.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind bei heterodynen LDA auf verschiedene Weise möglich.

Zum einen wird die geregelte Mischfrequenz vorzugsweise direkt vor dem Bandpassfilter elektronisch zugemischt.

Als zweite Möglichkeit wird bei einem Heterodyn-LDA mit Frequenzoffset zweckmässig die Mischfrequenz direkt zur Regelung des Frequenzoffsets verwendet und die geregelte Offsetfrequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz verglichen.

Die dritte Variante findet bei einem Heterodyn-LDA mit elektro-optischer Phasenmodulation zur Erzeugung der Sendestrahlen des LDA Anwendung, bei dem mindestens ein Sendestrahl sinusförmig mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz ist, moduliert wird, eine Bandpassfilterung bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen erfolgt und an den zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird. In diesem Fall wird die geregelte Mischfrequenz vorteilhaft zur Steuerung der Phasenmodulationsfrequenzen verwendet und gleichzeitig als eine der gekoppelten Phasenmodulationsfrequenzen mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz verglichen.

Bei der Weiterbildung der Erfindung im heterodynen LDA mit Frequenzoffset kann die Steuerung der Offsetfrequenz vorteilhaft elektrooptisch oder akustooptisch erfolgen, um durch eine Basisbandverschiebung die Änderung der Dopplerfrequenz zu kompensieren.

Zwei weitere erfindungsgemässe Ausführungsformen von Heterodyn-LDA's ergeben sich für Referenzstrahl-LDA's.

In einem Referenzstrahl-LDA, bei dem in mindestens einem von Mess- und Referenzstrahl ein Frequenzoffset erzeugt wird, wobei der Referenzstrahl direkt auf den Detektor des LDA abgebildet, der Messstrahl auf ein Messobjekt gerichtet und an Messobjektteilchen gestreutes Licht des Messstrahls auf denselben Detektor mit dem Referenzstrahl überlagert wird, und ein Überlagerungssignal aus Licht von Referenz-und Messstrahl bezüglich einer Dopplerverschiebung der Frequenz ausgewertet wird, verwendet man vorzugsweise die vom spannungsgesteuerten Oszillator geregelte Mischfrequenz zur Regelung des Frequenzoffsets des LDA, wobei die Offsetfrequenz zur Kompensation der Dopplerfrequenzänderung angepasst wird, und die geregelte Offsetfrequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz verglichen wird.

In einem Referenzstrahl-LDA, bei dem in mindestens einem von Mess- und Referenzstrahl eine Phasenmodulation erfolgt, wobei der Referenzstrahl direkt auf den Detektor des LDA abgebildet, der Messstrahl auf ein Messobjekt gerichtet, das an Messobjektteilchen gestreute Licht auf denselben Detektor mit dem Referenzstrahl überlagert wird, und ein Überlagerungssignal aus Licht von Referenz- und Messstrahl bezüglich der Dopplerverschiebung ausgewertet wird, führt man zweckmässig eine optische Phasenmodulation durch mit zwei unterschiedlichen sinusförmigen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz ist, filtert mit einem Bandpassfilter bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen, wobei an zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird, verwendet die vom spannungsgesteuerten Oszillator geregelte Mischfrequenz zur Steuerung der Phasenmodulationsfrequenzen und vergleicht diese mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz.

Vorteilhaft werden mit den erfindungsgemässen Referenzstrahl-LDAs Objektteilchen einer schwingenden Oberfläche beobachtet. Dabei werden zweckmässig Längeninkremente der Oberflächenschwingungen durch Zählen der überstrichenen Zustandsintervalle der othogonalen Frequenzsysteme ermittelt, wobei eine Zwischenspeicherung der Zählwerte erfolgt und der Zählerstand mit einer geeigneten Abtastrate erfasst wird. Aus den Zählwerten der Längeninkremente werden vorzugsweise das Frequenzspektrum der Schwingungen ermittelt und/oder die Schwingungsamplituden oder der gesamte Schwingungsverlauf berechnet.

Die o.g. Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einem homodynen LDA mit Frequenznachlaufdemodulation, bei dem eine Änderung einer im Detektorsignal enthaltenen Dopplerfrequenz ständig mittels einer Regelschleife kompensiert wird, wobei das Detektorsignal in der Regelschleife in zwei Signalwege aufgeteilt ist und in den Signalwegen elektronische Mischer zur Mischung des aufgeteilten Detektorsignals mit zwei um /2 phasenverschobenen Ausgangssignalen eines spannungsgesteuerten Oszillators enthalten sind und die zwei Signalwege nach den Mischern auf ein Summationsglied zusammengeführt sind, dessen Ausgang über einen integrator auf den spannungsgesteuerten Oszillator gelegt ist, dadurch gelöst, dass zur Aufspaltung des Detektorsignals in die zwei Signalwege ein /2- Phasenschieber vorhanden ist, wobei zwei um /2 phasenverschobene Detektorsignale entstehen, die mit den zwei phasenverschobenen Signalen des spannungsgesteuerten Oszillators in jeweils einem Mischer verknüpft sind, und die Ausgänge der Mischer mit dem Summationsglied verbunden sind, dass das Summationsglied ausgangsseitig über ein schmalbandiges Bandpassfilter mit einem Phasen/Frequenz-Komparator zum Vergleichen des Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem verbunden ist, dass das orthogonale Frequenzsystem aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen Intervallgrenzen in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, dass der Phasen/Frequenz-Komparator über den Integrator mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist, wobei bei jeder Überschreitung einer Zustandsintervallgrenze des orthogonalen Frequenzsystems die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators geändert wird, dass das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators zugleich eine auswertbare Messgrösse als Äquivalent der Änderung der Dopplerfrequenz ist, und dass zur Auswertung der Messgrösse für die Dopplerfrequenzänderung ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators und ebenfalls ein orthogonales Frequenzsystem zugeführt wird zur Auswertung der Phasenlage der Messgrösse bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems.

Zweckmässig wird vor der Aufspaltung des Detektorsignals ein Hochpassfilter dem Phasenschieber vorgeordnet.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung bei einem heterodynen LDA mit Frequenznachlaufdemodulation, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, wobei die Regelschleife nach einem Bandpassfilter einen Phasendiskriminator, einen lntegrator und einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist und auf einen elektronischen Frequenzmischer vor dem Bandpassfilter zurückgeführt ist, so dass am Eingang des Bandpassfilters stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz und einer geregelten Mischfrequenz eingestellt wird, dadurch gelöst, dass als Phasendiskriminator ein Phasen/Frequenz-Komparator eingesetzt ist zum Vergleichen des vom Bandpassfilter durchgelassenen Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem, dass das orthogonale Frequenzsystem aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und durch additive Überlagerung eine mit 2/ wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig - zugeordneten Zustandsintervallen beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen Intervallgrenzen in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, dass ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator zur Auswertung der Dopplerfrequenz vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als Äquivalent der Änderung der Dopplerfrequenz zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems versehen ist.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe der Erfindung des weiteren mit einem heterodynen LDA mit Frequenznachlaufdemodulation, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, wobei die Regelschleife nach einem Bandpassfilter einen Phasendiskriminator, einen lntegrator und einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist und auf einen Frequenzmischer zurückgeführt ist, so dass am Eingang des Bandpassfilters stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz und einer geregelten Mischfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators eingestellt wird, dadurch gelöst, dass als Phasendiskriminator ein Phasen/Frequenz-Komparator eingesetzt ist zum Vergleichen des vom Bandpassfilter durchgelassenen Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem, dass das orthogonale Frequenzsystem aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und durch additive Überlagerung eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen Intervallgrenzen in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, dass als Frequenzmischer zur Regelung des Eingangssignals des Bandpassfilters der Frequenzoffset des LDA steuerbar ausgelegt ist, wobei das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators direkt zur Steuerung der Offsetfrequenz eingesetzt ist, und dass zur Auswertung der Dopplerfrequenz ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als Äquivalent der Änderung der Dopplerfrequenz zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems versehen ist.

Dabei ist zur Steuerung des Frequenzoffsets mindestens eine Braggzelle vorhanden, oder zur Steuerung des Frequenzoffsets ist ein elektrooptischer Phasenmodulator eingesetzt.

Eine weitere erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe wird bei einem heterodynen LDA mit optischer Phasenmodulation, bei dem Licht von mindestens zwei kohärenten Teilstrahlen, nachdem wenigstens einer der Teilstrahlen einen Phasenmodulator durchlaufen hat, auf lichtstreuenden bewegten Messobjekten überlagert werden und wenigstens Anteile der Teilstrahlen als Streulicht auf mindestens einen Detektor gelangen, wobei dem Phasenmodulator zwei sinusförmige Ansteuersignale mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden zugeführt werden, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und bei denen eine Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der anderen ist, dem Detektor ein Bandpassfilter mit einer Filterfrequenz, die ein gemeinsames Vielfaches der beiden Frequenzen des Phasenmodulators ist, nachgeordnet ist, im Signal am Ausgang des Bandpassfilters eines von zwei infolge der doppelten Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern mittels Einstellung des Phasenhubs der Ansteuersignale des Phasenmodulators unterdrückt ist und das verbleibende Seitenband als Mischsignal mit der Dopplerfrequenz ausgewertet wird, dadurch erreicht, dass das Bandpassfilter schmalbandig ausgeführt ist und eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, dass die Regelschleife nach dem Bandpassfilter einen Phasendiskriminator, einen lntegrator und einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator die Phasenmodulationsfrequenzen am Phasenmodulator beeinflusst, so dass am Eingang des Bandpassfilters stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz und einem Vielfachen der vom spannungs gesteuerten Oszillator geregelten Phasenmodulationsfrequenzen eingestellt wird, dass als Phasendiskriminator ein Phasen/Frequenz-Komparator eingesetzt ist zum Vergleichen des vom Bandpassfilter durchgelassenen Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem, dass das orthogonale Frequenzsystem aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und durch additive Überlagerung der Funktionen eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen lntervallgrenzen in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, dass zur Auswertung der Dopplerfrequenz ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als Äquivalent der Änderung der Dopplerfrequenz zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems versehen ist.

Für alle erfindungsgemässen LDA erweist es sich von Vorteil, wenn zur Erzeugung des orthogonalen Frequenzsystems ein Oszillator mit nachfolgendem Frequenzteiler und /2-Phasenschieber vorgesehen ist. Dabei ist ein 1:4-Quadraturteiler, der dem Oszillator nachgeordnet ist, besonders vorteilhaft.

Weiterhin erweist es sich bei allen erfindungsgemässen LDAs als zweckmässig, dass der Phasen/Frequenz-Komparator zur Erzeugung der geregelten Mischfrequenz an seinem Ausgang lediglich ein Richtungssignal aufweist, durch das am nachfolgenden Integratorausgang eine benachbarte, zugeordnete Spannungsstufe für den VCO verfügbar wird. Vorzugsweise ist dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator zur Auswertung der Dopplerfrequenz ein Zähler nachgeordnet, dem zusätzlich zu einem Richtungssignal des Phasen/Frequenz-Komparators ein Zählimpuls zugeführt wird, wobei der Zähler die Grösse der Abweichung der Dopplerfrequenz in Intervallübergängen des orthogonalen Frequenzsystems erfasst. Bei heterodynen LDAs ist es für bestimmte Anwendungen zweckmässig, dass das LDA als sogenanntes Referenzstrahl-LDA aufgebaut ist, wobei das Licht eines Lasers in Mess- und Referenzstrahl aufgeteilt ist, der Referenzstrahl direkt auf den Detektor geführt, der Messstrahl auf ein Objekt abgebildet, an Objektteilchen gestreutes Licht des Messstrahls auf denselben Detektor mit dem Referenzstrahl überlagert und das so erzeugte Überlagerungssignal bezüglich der Dopplerfrequenz auswertbar ist, wobei die Dopplerfrequenz wiederum als geregeltes Mischsignal am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators der Regelschleife mit dem orthogonalen Frequenzsystem verglichen wird.

Eine vorteilhafte Anwendung der Referenzstrahl-LDAs ergibt sich, wenn das Messobjekt eine schwingende Oberfläche ist, auf die der Messstrahl im wesentlichen orthogonal auftrifft und zur Auswertung dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator ein Zähler, ein Abtastoszillator, ein Zwischenspeicher und eine Auswerteeinheit nachgeordnet sind, wobei am Zählerausgang die Anzahl der überschrittenen Zustandsintervallgrenzen des orthogonalen Frequerzsystems als richtungsbezeichnete Zählwerte vorhanden sind, der Abtastoszillator über eine einstellbare Abtastfrequenz zur Zwischenspeicherung der zeitlich geordneten Zählwerte verfügt und die Auswerteeinheit verschiedene Ausgabemodi für Kenngrössen der gemessenen Schwingungsbewegungen der Oberfläche aufweist.

Die Grundidee der Erfindung fusst auf der Überlegung, die zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses bekannte schmalbandige Filterung des LDA-Empfangssignals, einschliesslich der eingeführten Regelschleife (Frequenznachlaufdemodulation) zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz dahingehend zu verbessern, dass kurzzeitige Signalausfälle oder Phasensprünge durch gleichzeitig im Messvolumen detektierte Teilchen bzw. Teilchenensemble nicht zu einer Verfälschung der gemessenen Dopplerfrequenz führen. Dazu wurde das erfindungsgemässe orthogonale Frequenzsystem als Phasendiskriminator eingeführt, das inhärent eine umkehrbar eindeutige Richtungszuordnung von Dopplerfrequenzänderungen infolge definierter Zustandsintervalle aufweist und sicherstellt, dass ein Steuersignal zur Kompensation einer Dopplerfrequenzänderung nur dann ausgelöst wird, wenn die Phasenlage des die Dopplerfrequenz enthaltenden Mischsignales eine Zustandsintervallgrenze überschreitet. Dadurch können Signalausfälle oder Sprünge der Phasenlage des Mischsignals keine Fehler der Steuerung der Regelschleife verursachen, und das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) kann direkt als Äquivalent der aktuellen Dopplerfrequenz ausgewertet werden. Für die Auswertung wird vorzugsweise ebenfalls ein orthogonales Frequenzsystem gleicher Eigenschaften eingesetzt, obwohl hierfür auch andere Frequenzanalyseverfahren mit gleichem Ergebnis einsetzbar sind.

Bei der Umsetzung des Verfahrens werden gemäss der Erfindung die Vorzüge des Verfahrens mit Besonderheiten einzelner LDA-Arten kombiniert, indem vorhandene frequenzbeeinflussende Einheiten, wie Frequenzoffset oder Phasenmodulatoren, direkt zur Frequenzsteuerung für eine Basis- oder Seitenbandverschiebung zur Kompensation von Dopplerverschiebungen genutzt werden.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren und dessen Umsetzung in unterschiedlichen Arten von LDAs ist es möglich, eine an sich von den sogenannten Trackerverfahren der Frequenznachlaufdemodulation bekannte Regelschleife so abzuändern, dass eine Verschiebung der Dopplerfrequenz stets kompensiert wird und dadurch aktuell und zuverlässig Geschwindigkeiten und abgeleitete Bewegungsgrössen auch für extrem langsame Messobjekte oder diskontinuierliche Teilchenströme gemessen werden. Die Erfindung ist sowohl auf Homodyn- als auch auf Heterodyn-LDAs anwendbar.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein LDA mit erfindungsgemässem Regelkreis, Fig. 2 eine vorteilhafte Art der Erzeugung von Zustandsintervallen des orthogonalen Frequenzsystems, Fig. 3 eine Variante der Erfindung als homodynes LDA, Fig. 4 eine Ausführung der Erfindung als heterodynes LDA mit Frequenzoffset, Fig. 5 eine Ausgestaltung der Erfindung als heterodynes LDA mit doppelter Phasenmodulation, Fig. 6 eine Ausführungsform der Erfindung als heterodynes Referenzstrahl-LDA (Vibrometer).

Das erfindungsgemässe Verfahren baut auf dem Grundprinzip eines LDA mit Frequenznachlaufdemodulation auf, bei dem Laser-Doppler-Signale auf herkömmliche Weise mit einem LDA von bewegten streuenden Teilchen oder Oberflächen erzeugt und zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses schmalbandig ausgefiltert werden, wobei zur Anpassung des Detektorsignals an die Mittenfrequenz des Bandpassfilters die Dopplerfrequenz mit einer geregelten Mischfrequenz gemischt wird, so dass bei Änderungen der Dopplerfrequenz stets eine Kompensation dieser Änderungen durch Nachregeln der Mischfrequenz erfolgt und das gemischte Detektorsignal auf die Mittenfrequenz zurückgeführt wird.

Erfindungsgemäss wird zum Erkennen der Änderungen der Frequenz des gemischten Detektorsignals und zum Ermitteln der Dopplerfrequenz mindestens ein orthogonales System erzeugt, dem die folgenden Schritte zugrunde liegen: &cirf& Erzeugen einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz, &cirf& Überführung in ein System von Rechteckfunktionen und &cirf& Überlagerung der Rechteckfunktionen zu einer mit 2 wiederkehrenden Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen, wobei die lntervallgrenzen den Sprüngen der beiden Rechteckfunktionen mit einem Abstand von /2 zugeordnet werden, - das die Dopplerfrequenz enthaltende Detektorsignal bezüglich seiner Phasenlage mit den Zustandsintervallen des orthogonalen Frequenzsystems verglichen, wobei eine Änderung der Phasenlage, die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang von einem Zustandsintervall zu einem anderen beinhaltet, die erforderliche Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch Erzeugung der geregelten Mischfrequenz auslöst, und - die geregelte Mischfrequenz ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem abgetastet und verglichen, wobei die Mischfrequenz als Äquivalent der Dopplerfrequenz erfasst und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge von Zustandsintervallen richtungsbezeichnet ausgewertet wird.

Das beschriebene Verfahren wird im folgenden anhand verschiedener LDA-Vorrichtungen im Zusammenhang beschrieben.

Beispiel 1

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässes LDA 1 nach dem häufig verwendeten Kreuzstrahlprinzip dargestellt. Dabei wird vom Laser 11 erzeugtes Licht nach seiner Teilstrahlerzeugung in einer Frequenzoffset-Einheit 12 mit einem Frequenzoffset foffset der Teilstrahlen zueinander versehen und mittels einer Optik 14 als Sendestrahlen S1 und S2 auf bewegte lichtstreuende Objektteilchen gerichtet, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll und die in ihrer Gesamtheit im Messvolumen als Messobjekt 2 bezeichnet sein sollen.

Das vom Messobjekt 2 zurückkommende Streulicht wird mit derselben Optik 14 gesammelt und auf den Detektor 15 geführt, wobei nach dem Detektor 15 vor einem Bandpassfilter 3 ein Frequenzmischer 4 angeordnet ist, so dass das Bandpassfilter 3 schmalbandig die Zwischenfrequenz aus Offsetfrequenz foffset einer Mischfrequenz fM und der Dopplerfrequenz fD ausfiltert. Um die Dopplerfrequenz fD mit ihren Änderungen stets nahe der Bandpassmittenfrequenz (die der Offsetfrequenz foffset entspricht) zu halten, wird die Mischfrequenz fM kompensierend zur Offsetfrequenz foffset in einer Regelschleife 5 geregelt (Frequenznachlaufdemodulation).

Die Regelschleife 5 enthält erfindungsgemäss einen Phasen/Frequenz-Komparator (PFC) 51, der Abweichungen der Phasenlage des vom Bandpassfilter 3 durchgelassenen Mischsignals gegenüber einem fest vorgegebenen orthogonalen Frequenzsystem 6 detektiert, einen Integrator 52 sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 53. Das orthogonale Frequenzsystem 6 wird zweckmässig mittels eines Oszillators 61 und einen Phasenschieber 62 erzeugt, wobei der Oszillator 61 ein Signal SO(fO) abgibt, aus dem der Phasenschieber 62 die Signale SO(fO) und SO(fO + /2) als Rechteckfunktionen zur Verfügung stellt.

In Fig. 2 ist das orthogonale Frequenzsystem 6, das im wesentlichen aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz erzeugt, in Rechteckfunktionen gewandelt und additiv überlagert wird, in einer zweckmässigen Variante gezeigt. Durch die unterschiedliche Bewertung der Amplituden der Sinusfunktion mit Asin = 2<0> (LSB - Low Significant Bit) und der Kosinusfunktion mit Acos = 2<1> (MSB - Most Significant Bit) ergeben sich Zahlenwerte Z für die Zustandsintervalle 63, die innerhalb einer Periode von sich in unterschiedlicher Weise beim Überschreiten einer lntervallgrenze 64 ändern, je nachdem, ob sich die Überschreitung aufwärts (nach rechts) oder abwärts (nach links) vollzieht.

Für den Vergleich im PFC 51 sind demnach bei Betrachtung der Phasenlage einer beispielsweise aufsteigenden Flanke des (notwendigerweise amplitudenbeschnittenen und damit nahezu rechteckförmigen) Dopplersignals die folgenden drei Gruppen von Zustandsübergängen gemäss Fig. 2 möglich:

Wie man aus Zeile 2 und 3 der obigen Tabelle entnehmen kann, ist jeder der Übergänge zwischen den Zustandsintervallen 63 umkehrbar eindeutig der Richtung der Überschreitung der Intervallgrenzen 64 zugeordnet. Weiterhin ist anzumerken, dass bei kleinen Änderungen der Phasenlage des Dopplersignals, die sich innerhalb eines Zustandsintervalls 63 von /2 des orthogonalen Frequenzsystems 6 bewegen, kein Signal zur Änderung der Mischfrequenz fM erzeugt wird.

Das Ausgangssignal des PFC 51 wird weiter gemäss Fig. 1 über einen Integrator 52, der eine Umwandlung der Steuersignale u/d des PFC 51 in eine stufenweise abgestimmte Ausgangsspannung vornimmt und entsprechend dem Steuersignal u/d an seinem Eingang jeweils eine Spannungsstufe weiter oder zurückschaltet, zur angepassten Steuerung des VCO 53 verwendet. Genau genommen, benötigt man an dieser Stelle den lntegrator 52 nicht zwingend, sondern lediglich einen Spannungsumschalter mit vorgewählten Spannungsstufen, da der PFC 51 selbst schon in Intervallen von /2 die Phasenübergänge detektiert.

Mit dem Ausgangssignal des Integrators 52 wird der VCO 53 angesteuert und ändert in bekannter Weise seine Frequenz, die im weiteren als Mischfrequenz fM auf den vor dem Bandpassfilter 3 angeordneten elektronischen Mischer 4 zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz fD geleitet wird. Damit ist die Regelschleife 5 geschlossen.

Der entscheidende Vorteil des PFC 51 als Diskriminator der Regelschleife 5 kommt im Zusammenwirken mit dem erfindungsgemässen orthogonalen Frequenzsystem 6 dadurch zustande, dass jede Änderung der Dopplerfrequenz fD nur dann ein Ausgangssignal am PFC 51 erzeugt, wenn beim Phasenvergleich der vom VCO 53 gelieferten Mischfrequenz fM gegenüber den Zustandsintervallen 63 des othogonalen Frequenzsystems 6 eine Intervallgrenze 64 überschritten wird. Das bedeutet zum einen, dass eine Dopplerfrequenzänderung nur dann einen Regelvorgang auslöst, wenn die Änderung gross genug ist, so dass sich das Zustandsintervall 63 ändert, und zum anderen, dass jeder noch so grosse Phasensprung (z.B. durch diskontinuierliche Teilchenströme ausgelöst) eine fehlerhafte Regelung um maximal eine Regelungsstufe am VCO 53 auslöst, und danach der PFC 51 sofort wieder mit korrekten Richtungssignalen u/d den Regelungsprozess fortsetzt.

Zur Auswertung wird erfindungsgemäss in einem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (PFC) 7 dievom VCO 53 abgegebene Mischfrequenz fM verwendet. Diese Mischfrequenz fM ist wegen der Bandpassfilterung bei der Offsetfrequenz foffset und Ausfilterung des Seitenbandes SE(fD + foffset -fM) äquivalent zur aktuellen Dopplerfrequenz fD. Damit ist eine Frequenz vorhanden, die zuverlässig den tatsächlichen Änderungen der Dopplerfrequenz fD folgt.

Es ist gemäss der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die Mischfrequenz fM ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem 6 abgetastet wird. Zweckmässig nutzt man dabei - wie Fig. 1 zeigt - denselben Oszillator 61 und den gleichen Phasenschieber 62 wie für den PFC 51. Der weitere PFC 7 gibt bei Phasenverschiebungen, die mindestens eine Intervallgrenze 64 der Zustandsintervalle 63 des orthogonalen Frequenzsystems 6 überschreiten, je Übergang von einem Zustandsintervall 63 zu einem anderen sowohl einen Zählimpuls clk als auch einen Richtungsimpuls u/d ab. Diese zwei Zählimpulse nimmt ein Zähler 8 auf, um sie richtungsabhängig aufzusummieren, so dass eine nachgeordnete Auswerte/Anzeige-Einheit 9 diese Zählwerte zu Geschwindigkeitswerten oder abgeleiteten Bewegungsgrössen verarbeiten und ausgeben kann.

Beispiel 2

In Fig. 3 wird eine Vorrichtung beschrieben, die ein homodynes LDA zum Gegenstand hat. In diesem Fall sind weitere erfindungsgemässe Änderungen von bekannten LDAs notwendig, um ausgehend vom Grundprinzip der Frequenznachlaufdemodulation das orthogonale Frequenzsystem 6 zur Phasendetektion anwenden zu können.

Wie Fig. 3 zeigt, weist das LDA 1 lediglich einen Laser 11 und eine Optik 14 und somit keinen Frequenzoffset auf. Die nach Strahlteilung entstehenden Sendestrahlen S1 und S2 sind - wie im ersten Beispiel - in Kreuzstrahlgeometrie auf das Messobjekt 2 gerichtet, so dass das Streulicht vom Detektor 15 in üblicher Weise aufgenommen und gewandelt wird. Dem Detektor 15 folgend, ist vorzugsweise ein Hochpassfilter 31 angeordnet, um den Gleichlichtanteil zu eliminieren.

Anstelle des im ersten Beispiel eingesetzten elektronischen Mischers 4 ist in diesem Fall ein grösseres Netzwerk erforderlich, bevor ein gemischtes Dopplersignal am Bandpassfilter 3 gefiltert werden kann. Die Regelschleife 5 gestaltet sich damit wie folgt.

Zunächst schliesst sich, wie vom heterodynen LDA aus Beispiel 1 bekannt, dem Bandpassfilter 3 ein PFC 51 an, der von einem Integrator 52 und dem VCO 53 gefolgt wird und in gleicher Weise von dem orthogonalen Frequenzsystem 6 Gebrauch macht.

Für die multiplikative Mischung wird nun gemäss der Erfindung das vom Hochpassfilter 31 durchgelassene Detektorsignal über einen Phasenschieber 54 in zwei Signalwege aufgespalten, die um /2 phasenverschoben sind. Ein weiterer Phasenschieber 55 teilt das VCO-Signal in zwei zueinander um /2 phasenverschobene Signalzweige. In einem Mischer 56 werden jeweils die nicht verschobenen Signale aus VCO 53 und Hochpassfilter 31 zusammengeführt, und ein Mischer 57 mischt die um /2 phasenverschobenen Signale aus den Phasenschiebern 54 und 55. Die Ausgänge der beiden Mischer 56 und 57 sind auf ein Additionsglied 58 gelegt, wodurch sich eine Einseitenbandunterdrückung der zwei entstehenden Seitenbänder aus Mischsignalen und Dopplersignal ergibt. Der Vorteil dieser netzwerkverknüpften Regelschleife 5 besteht darin, dass die Seitenbandselektion nicht durch das Bandpassfilter 3 erfolgt, sondern durch eine Auslöschung infolge unterschiedlicher Phasenlage der Mischsignale aus den Mischern 56 und 57. Durch das Bandpassfilter 3 wird nur noch das Signal/Rausch-Verhältnis des Seitenbandes SE(fM -fD) verbessert und dem PFC 51 - analog dem ersten Beispiel - zugeführt.

Zur Auswertung gelangt wiederum das VCO-Signal, d.h. die Mischfrequenz fM, in den weiteren PFC 7 und wird mit demselben orthogonalen Frequenzsystem 6 verglichen, das auch im PFC 51 zur Anwendung kommt. Bei Phasenverschiebungen zwischen der Mischfrequenz fM und dem orthogonalen Frequenzsystem 6 erzeugt der PFC 7 jeweils einen Zählimpuls clk je Überschreitung einer Intervallgrenze 64 sowie Richtungsimpulse u/d, die von einem nachfolgenden Zähler 8 richtungsabhängig summiert und von einer Auswerte/Anzeige-Einheit 9 zur Ausgabe von Bewegungsdaten des Messobjekts 2 verarbeitet werden.

Beispiel 3

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung ist ein heterodynes LDA 1 mit Frequenzoffset, wobei das Laserlicht vom Laser 11 nach der Strahlaufteilung eine Frequenzoffset-Einheit 12 durchläuft, bevor es mittels einer Optik 14 als Sendestrahlen S1 und S2 wiederum in der vorzuziehenden Kreuzstrahlanordnung auf eine Messstelle gerichtet und vom Messobjekt 2 als Streulicht zum Detektor 15 geführt wird.

Das gewandelte, vorverstärkte Detektorsignal SD(foffset +fD) wird schmalbandig im Bandpassfilter 3 gefiltert und in Rechtecksignale überführt. Die Regelschleife 5 verarbeitet das Ausgangssignal des Bandpassfilters 3 zunächst wie im ersten Beispiel über einen PFC 51, lntegrator 52 und VCO 53. Danach wird das Ausgangssignal des VCO 53 jedoch dazu genutzt, direkt die Frequenzoffset-Einheit 12 zu steuern, wobei der VCO 53 die Offsetfrequenz foffset liefert. Somit erfolgt eine Basisbandverschiebung in Abhängigkeit von der Änderung der Dopplerfrequenz fD, wobei der besondere Vorteil dieser Ausführungsform darin liegt, dass die gesteuerte VCO-Frequenz nie zu null wird, auch wenn die Dopplerfrequenz fD gegen null geht. Somit entfallen die sonst üblichen Probleme bei kleinen Geschwindigkeiten, wobei sogar Geschwindigkeiten, die gegen null gehen oder direkt zum Stillstand führen, zuverlässig detektiert werden.

Die Auswertung erfolgt in gleicher Art und Weise wie in den Beispielen 1 und 2 durch Vergleich der VCO-Frequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6, wobei erwähnt sein sollte, dass die im weiteren PFC 7 verarbeitete VCO-Frequenz identisch ist mit der Offsetfrequenz foffset und deshalb lediglich deren Änderungen zu den Änderungen der Dopplerfrequenz fD äquivalent sind. Das ist jedoch völlig unproblematisch, wenn der Nullpunkt einmal kalibriert ist.

Beispiel 4

Fig. 5 beinhaltet ein heterodynes LDA 1 mit Phasenmodulation, das auf dem aus der DE 19 537 647 C1 bekannten Doppelmodulationsprinzip aufbaut.

Das LDA 1 besteht dabei aus einem Laser 11, dessen Licht in Teilstrahlen aufgeteilt wird, einen optischen Phasenmodulator 13 durchläuft, wobei mindestens ein Teilstrahl mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr miteinander gekoppelt sind und von denen eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Modulationsfrequenz ist, moduliert und anschliessend, wie in Kreuzstrahl-Anordnungen üblich, über eine Optik 14 als zwei Sendestrahlen S1 und S2 auf das Messobjekt 2 gerichtet wird. Das gestreute Licht der Sendestrahlen S1 und S2 nimmt in bekannter Weise der Detektor 15 auf, dessen Ausgangssignal auf das Bandpassfilter 3 geführt ist. Die Regelschleife 5 enthält, wie in den vorangegangenen Beispielen, dem Bandpassfilter 3 nachgeordnet, einen PFC 51, einen lntegrator 52 und einen VCO 53, wobei der PFC 51 in gleicher Weise das vom Bandpassfilter 3 kommende Signal mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6 vergleicht.

Das Ausgangssignal des VCO 53 liefert in dieser Erfindungsvariante eine Frequenz, nachfolgend Phasenmodulationsfrequenz fph genannt, die als Ansteuerfrequenz für den Phasenmodulator 13 dient. Da der Phasenmodulator 13 zwei in der oben beschriebenen Weise starr gekoppelte Modulationsfrequenzen benötigt, wird vorteilhaft ein Frequenzteiler 16 eingesetzt, um aus der vom VCO 53 gelieferten Phasenmodulationsfrequenz fph die zwei abhängigen Modulationsfrequenzen zu erzeugen. Dazu wird am einfachsten die Phasenmodulationsfrequenz fph im Frequenzteiler 16 halbiert, womit die Phasenmodulationsfrequenz fph das Zweifache der Modulationsfrequenz fph/2 ist und damit die Bedingungen für die doppelte Phasenmodulation erfüllt.

Die Modulation des Lichts vom Laser 11 erfolgt vorzugsweise mittels eines elektrooptischen Phasenmodulators 13, der zweckmässig ein integriert-optischer Chip (IOC) ist. Eine andere sinnvolle Variante für den Phasenmodulator 13 ist eine steuerbare Braggzelle, bei der allerdings zusätzlich auftretende Winkeländerungen optisch kompensiert werden müssen. Einsetzbar sind des weiteren akustooptische Phasenmodulatoren.

Als Auswertegrösse für die Dopplerfrequenz fD wird wie in allen vorangegangenen Beispielen die Ausgangsfrequenz des VCO 53, in diesem Fall die Phasenmodulationsfrequenz fph, verwendet. Dabei wird vorzugsweise wiederum das oben beschriebene orthogonale Frequenzsystem 6 als Vergleichsbasis in dem weiteren PFC 7 gemäss Beispiel 1 angewendet, die Ausgangssignale u/d und clk im Zähler 8 gezählt und in der Auswerte/Ausgabe-Einheit 9 verarbeitet und zur Anzeige gebracht.

Beispiel 5

In Fig. 6 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung dargestellt, die die Anwendung eines heterodynen LDAs 1 als Vibrometer betrifft. Mit einem Vibrometer werden Schwingungsfrequenzen und/oder Schwingungsamplituden von vibrierenden Oberflächen gemessen. Als Ausführungsform für dieses spezielle LDA 1 wird das Referenzstrahlverfahren angewendet. Das schematisch dargestellte Referenzstrahl LDA 1 weist neben dem Laser 11 eine Frequenzoffset-Einheit 12 auf, wobei die damit erzeugte Offsetfrequenz foffset notwendige Voraussetzung ist, um Vor- und Rückwärtsbewegungen detektieren zu können. Mittels der Optik 14, die in diesem Fall eine etwas speziellere Form aufweist, um die unterschiedliche Strahlführung von einem Referenzstrahl Sref und einem Messstrahl Smess zu ermöglichen, wird der Referenzstrahl Sref direkt auf den Detektor 15 geführt, der Messstrahl Smess auf das Messobjekt 2 gerichtet und das an Messobjektteilchen gestreute Licht des Messstrahls Smess auf denselben Detektor 15 abgebildet und mit dem Referenzstrahl Sref überlagert. Das Ausgangssignal des Detektors 15 durchläuft das Bandpassfilter 3 in üblicher Weise und wird wie in allen vorangegangenen Beispielen in die erfindungsgemässe Regelschleife 5, bestehend aus dem PFC 51, der den erfindungsgemässen Vergleich mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6 ausführt, dem Integrator 52 und dem VCO 53 geführt. Das Ausgangssignal des VCO 53 stellt wie in Beispiel 3 die Offsetfrequenz foffset für die Frequenzoffset-Einheit 12 zur Verfügung, schliesst damit die Regelschleife 5 und ist zugleich die zur Änderung der Dopplerfrequenz fD äquivalente Messgrösse, die dem weiteren PFC 7 zum Vergleich mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6 zugeleitet wird. Am Komparatorausgang werden Impulssignale clk und Richtungssignale u/d bei jedem Überschreiten einer lntervallgrenze 64 des orthogonalen Frequenzsystems 6 im Vergleich mit dem dopplerfrequenzäquivalenten VCO-Signal erzeugt, wobei die Impulssignale clk in ihrer Aufeinanderfolge die Bedeutung von Längeninkrementen der Bewegung der vibrierenden Oberfläche des Messobjekts 2 haben, da der Abstand der Intervallgrenzen 64 über die Frequenz fO des orthogonalen Frequenzsystems 6 exakt bekannt und konstant ist. Der Zähler 8 zählt die Längeninkremente in Abhängigkeit vom Wechsel des Richtungssignals u/d. In einem nachgeordneten Zwischenspeicher 81 werden die Längeninkremente regelmässig mit einer Abtastfrequenz fA, die entsprechend der gewünschten Genauigkeit und in Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz der schwingenden Oberfläche in einem Abtastoszillator 82 einstellbar ist, eingelesen und der Auswerte/Ausgabe-Einheit 9 zur Verfügung gestellt. Dort können verschiedene Darstellungen der gespeicherten Daten erzeugt werden. Vorteilhaft erfolgt eine FFT-(Fast Fourier Transformation)-Operation mit Darstellung des Frequenzspektrums oder eine zeitliche Darstellung des Schwingungsverlaufs mit Berechnung der Schwingungsamplituden. Somit können die verschiedenen aktuellen Bewegungsdaten der vibrierenden Oberfläche nach Bedarf ausgegeben und zur Anzeige gebracht werden.

Claims (25)

1. Verfahren zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen unter Verwendung eines Laser-Doppler-Anemometers (LDA) mit Bandpassfilterung und Frequenznachlaufdemodulation zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz bezüglich der Bandpassfilterung dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein orthogonales Frequenzsystem (6) erzeugt wird, das aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion entsteht, in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt und in eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen (63) überführt wird, wobei den Zustandsintervallen (63) lntervallgrenzen (64) in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet werden, - ein die Dopplerfrequenz (fD) enthaltendes Detektorsignal nach der Bandpassfilterung bezüglich seiner Phase mit den Zustandsintervallen (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) verglichen wird, wobei eine Änderung der Phasenlage gegenüber dem orthogonalen Frequenzsystem (6), die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang zu einem anderen Zustandsintervall (63) beinhaltet, die besagte Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch Erzeugung einer geregelten Mischfrequenz (fM), die im LDA (1) eingekoppelt wird, auslöst, und - die geregelte Mischfrequenz (fM) ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) abgetastet und verglichen wird, wobei die Mischfrequenz selbst als Äquivalent der Dopplerfrequenz (fD) erfasst und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge der Zustandsintervalle (63) richtungsbezeichnet ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das orthogonale Frequenzsystem (6) für die eindeutige Richtungserkennung der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) aus zwei Rechteckfunktionen mit unterschiedlicher Amplitude zusammengesetzt wird, wobei eine der Rechteckfunktionen mit einer höheren, vorzugsweise doppelten Amplitude der anderen Rechteckfunktion bewertet wird und sich durch die Sprünge der zwei Rechteckfunktionen eine periodische Folge von Zustandsintervallen (63) als Superposition der Rechteckfunktionen ergibt, so dass sich die Werte der Zustandsintervalle (63) im Abstand von /2 unterschiedlich ändern und erst nach 2 in gleicher Folge wiederholen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abtastung des Detektorsignals für die Regelung der Mischfrequenz und zur Abtastung der geregelten Mischfrequenz (fM) für die Ermittlung der Dopplerfrequenz (fD) dasselbe orthogonale Frequenzsystem (6) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Homodyn-LDA - nach einer Hochpassfilterung eine elektronische Mischung der Dopplerfrequenz (fD) mit der Mischfrequenz (fM) sowie einer um /2 phasenverschobenen Dopplerfrequenz (fD) mit einer um /2 phasenverschobenen Mischfrequenz (fM) erfolgt, wobei zwei Signalkanäle erzeugt werden, die zwei Seitenbänder der Dopplerfrequenz (fD) enthalten, - die beiden Signalkanäle durch anschliessende Addition oder Subtraktion wieder vereinigt werden, wobei eines der beiden Seitenbänder eliminiert wird, - das verbleibende Seitenband mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Regelung der Mischfrequenz verglichen und - die geregelte Mischfrequenz (fM) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) abgetastet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Heterodyn-LDA (1) die geregelte Mischfrequenz (fM) direkt vor dem Bandpassfilter (3) zugemischt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Heterodyn-LDA mit Frequenzoffset - die geregelte Mischfrequenz als Offsetfrequenz (foffset) zur Steuerung des Frequenzoffsets des LDA (1) verwendet wird und - die geregelte Offsetfrequenz (foffset) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) verglichen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Heterodyn-LDA mit elektrooptischer Phasenmodulation zur Erzeugung der Sendestrahlen des LDA (1), - mindestens ein Sendestrahl (S1; S2) sinusförmig mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz ist, moduliert wird, - eine Bandpassfilterung bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen erfolgt, und an den zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird, - die geregelte Mischfrequenz als Phasenmodulationsfrequenz (fph) zur Steuerung der doppelten Phasenmodulation bei der Erzeugung der Sendestrahlen (S1, S2) verwendet wird und - die geregelte Phasenmodulationsfrequenz (fph) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) ausgewertet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Referenzstrahl-LDA, - in mindestens einem von Mess- und Referenzstrahl (Smess, Sref) ein Frequenzoffset erzeugt wird, wobei der Referenzstrahl (Sref) direkt auf den Detektor (15) des LDA (1) abgebildet wird, - der Messstrahl (Smess) auf ein Messobjekt (2) gerichtet und an Messobjektteilchen gestreutes Licht des Messstrahls (Smess) auf denselben Detektor (15) mit dem Referenzstrahl (Sref) überlagert wird, - das Überlagerungssignal bezüglich einer Verschiebung der Dopplerfrequenz (fD) ausgewertet wird, - die geregelte Mischfrequenz als Offsetfrequenz (foffset) zur Steuerung des Frequenzoffsets des Referenzstrahl-LDA verwendet wird, wobei die Offsetfrequenz (foffset) Änderungen der Dopplerfrequenz (fD) kompensiert, und - die geregelte Offsetfrequenz (foffset) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) verglichen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Referenzstrahl-LDA, - Laserlicht in einen Mess- und einen Referenzstrahl (Smess, Sref) aufgeteilt wird, wobei der Referenzstrahl (Sref) direkt auf den Detektor (15) des LDA (1) abgebildet wird, der Messstrahl auf ein Messobjekt (2) gerichtet und an Messobjektteilchen gestreutes Licht des Messstrahls (Smess) auf demselben Detektor (15) mit dem Referenzstrahl (Sref) überlagert wird, und das Überlagerungssignal bezüglich einer Verschiebung der Dopplerfrequenz (fD) ausgewertet wird, - in mindestens einem von Mess- und Referenzstrahl (Smess, Sref) eine optische Phasenmodulation durchgeführt wird, wobei mit zwei unterschiedlichen sinusförmigen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Modulationsfrequenz ist, moduliert wird, - eine Bandpassfliterung bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen erfolgt, wobei an den zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird, - die Mischfrequenz zur Steuerung der Phasenmodulation verwendet wird, wobei die Phasenmodulationsfrequenz (fph) zur Kompensation der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) angepasst wird, und - die geregelte Phasenmodulationsfrequenz (fph) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) verglichen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Objektteilchen einer schwingenden Oberfläche beobachtet werden und Längeninkremente der Oberflächenschwingungen durch Zählen der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) ermittelt werden, wobei eine Zwischenspeicherung der Zählwerte erfolgt und der Zählerstand mit einer geeigneten Abtastrate erfasst wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Zählwerten der Längeninkremente das Frequenzspektrum der Schwingungen ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Zählwerten der Längeninkremente die Schwingungsamplituden oder der gesamte Schwingungsverlauf berechnet werden.

13. Homodynes Laser-Doppler-Anemometer mit Frequenznachlaufdemodulation, bei dem eine Änderung einer im Detektorsignal enthaltenen Doppler-frequenz ständig mittels einer Regelschleife kompensiert wird, wobei das Detektorsignal in der Regelschleife in zwei Signalwege aufgeteilt ist und in den Signalwegen elektronische Mischer zur Mischung des aufgeteilten Detektorsignals mit zwei um /2 phasenverschobenen Ausgangssignalen eines spannungsgesteuerten Oszillators enthalten sind und die zwei Signalwege nach den Mischern auf ein Summationsglied zusammengeführt sind, dessen Ausgang über einen Integrator auf den spannungsgesteuerten Oszillator gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass - zur Aufspaltung des Detektorsignals in die zwei Signalwege ein /2-Phasenschieber (54) vorhanden ist, wobei zwei um /2 phasenverschobene Detektorsignale mit den phasenverschobenen Signalen des spannungsgesteuerten Oszillators (53) in jeweils einem Mischer (56; 57) verknüpft sind, und die Ausgänge der Mischer (56; 57) mit dem Summationsglied (58) verbunden sind, - das Summationsglied (58) ausgangsseitig über ein schmalbandiges Bandpassfilter (3) mit einem Phasen/Frequenz-Komparator (51) zum Vergleichen des Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) verbunden ist, - das orthogonale Frequenzsystem (6) aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen (63) beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen (63) Intervallgrenzen (64) in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, - der Phasen/Frequenz-Komparator (51) über den Integrator (52) mit dem spannungsgesteuerten Oszillator (53) verbunden ist, wobei bei jeder Überschreitung einer Zustandsintervallgrenze (64) des orthogonalen Frequenzsystems (6) die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (53) geändert wird, - das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) eine äquivalente Messgrösse zur Änderung der Dopplerfrequenz (fD) ist, und - zur Auswertung der Messgrösse für die Dopplerfrequenzänderung ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) und ebenfalls ein orthogonales Frequenzsystem (6) zugeführt werden zur Auswertung der Phasenlage der Messgrösse bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6).

14. Anemometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Aufspaltung des Detektorsignals ein Hochpassfilter (31) dem Phasenschieber (54) vorgeordnet ist.

15. Heterodynes Laser-Doppler-Anemometer mit Frequenznachlaufdemodulation, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, wobei die Regelschleife nach einem Bandpassfilter einen Phasendiskriminator, einen Integrator und einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist und auf einen elektronischen Frequenzmischer vor dem Bandpassfilter zurückgeführt ist, so dass am Eingang des Bandpassfilters stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz und einer geregelten Mischfrequenz eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - als Phasendiskriminator ein Phasen/Frequenz-Komparator (51) eingesetzt ist zum Vergleichen des vom Bandpassfilter (3) durchgelassenen Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6), - das orthogonale Frequenzsystem (6) aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen (63) beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen (63) intervallgrenzen (64) in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, - ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) zur Auswertung der Dopplerfrequenz vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) als Äquivalent der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) versehen ist.

16. Heterodynes Laser-Doppler-Anemometer mit Frequenznachlaufdemodulation, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, wobei die Regelschleife nach einem Bandpassfilter einen Phasendiskriminator, einen Integrator und einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist und auf einen Frequenzmischer zurückgeführt ist, so dass am Eingang des Bandpassfilters stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz und einer geregelten Mischfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - als Phasendiskriminator ein Phasen/Frequenz-Komparator (51) eingesetzt ist zum Vergleichen des vom Bandpassfilter (3) durchgelassenen Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem, - das orthogonale Frequenzsystem (6) aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen (63) beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen (63) Intervallgrenzen (64) in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, - als Frequenzmischer zur Regelung des Eingangssignals des Bandpassfilters (3) die Frequenzoffset-Einheit (12) des LDA steuerbar ausgelegt ist, wobei das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) direkt zur Steuerung der Offsetfrequenz (foffset) eingesetzt ist, und - zur Auswertung der Dopplerfrequenz ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) als Äquivalent der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) versehen ist.

17. Anemometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Frequenzoffsets mindestens eine Braggzelle vorhanden ist.

18. Anemometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Frequenzoffsets mindestens ein elektrooptischer Phasenmodulator (13) vorhanden ist.

19. Heterodynes Laser-Doppler-Anemometer mit optischer Phasenmodulation, bei dem Licht von mindestens zwei kohärenten Teilstrahlen, nachdem wenigstens einer der Teilstrahlen einen Phasenmodulator durchlaufen hat, auf lichtstreuenden bewegten Messobjekten überlagert werden und wenigstens Anteile der Teilstrahlen als Streulicht auf mindestens einen Detektor gelangen, wobei dem Phasenmodulator zwei sinusförmige Ansteuersignale mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden zugeführt werden, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und bei denen eine Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der anderen ist, dem Detektor ein Bandpassfilter mit einer Filterfrequenz, die ein gemeinsames Vielfaches der beiden Frequenzen des Phasenmodulators ist, nachgeordnet ist und im Signal am Ausgang des Bandpassfilters eines von zwei infolge der doppelten Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern mittels Einstellung des Phasenhubs der Ansteuersignale des Phasenmodulators unterdrückt ist und das verbleibende Seitenband als Mischsignal mit der Dopplerfrequenz ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - das Bandpassfilter (3) schmalbandig ausgeführt ist und eine Regelschleife (6) zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz (fD) vorhanden ist, - die Regelschleife (5) nach dem Bandpassfilter (3) einen Phasendiskriminator, einen Integrator (52) und einen spannungsgesteuerten Oszillator (53) aufweist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (53) die Frequenzen der Ansteuersignale am Phasenmodulator (13) beeinflusst, so dass am Eingang des Bandpassfilters (3) stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz (fD) und einer vom spannungsgesteuerten Oszillator (53) geregelten Phasenfrequenz (fph) eingestellt wird, - als Phasendiskriminator ein Phasen/Frequenz-Komparator (51) eingesetzt ist zum Vergleichen des vom Bandpassfilter (3) durchgelassenen Mischsignals mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6), - das orthogonale Frequenzsystem (6) aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz besteht, die in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt sind, und eine mit 2 wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen (63) beinhaltet, wobei den Zustandsintervallen (63) Intervallgrenzen (64) in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von /2 zugeordnet sind, und - zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) als Äquivalent der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) versehen ist.

20. Anemometer nach einem der Ansprüche 13, 15, 16 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des orthogonalen Frequenzsystems (6) ein Oszillator (61) mit nachfolgendem Frequenzteiler und /2-Phasenschieber (62) vorgesehen ist.

21. Anemometer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des orthogonalen Frequenzsystems (6) dem Oszillator (61) ein 1:4-Quadratur-Teiler nachgeordnet ist.

22. Anemometer nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasen/Frequenz-Komparator (51) zur Erzeugung der geregelten Mischfrequenz an seinem Ausgang lediglich ein Richtungssignal aufweist, mit dem am nachfolgenden Integrator (52) ein richtungsabhängiger Folgezustand von äquidistanten Spannungsstufen einstellbar ist, der als aktuelles Steuersignal für den spannungsgesteuerten Oszillator (53) dient.

23. Anemometer nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (7) zur Auswertung der Dopplerfrequenz ein Zähler (8) nachgeordnet ist, dem zusätzlich zu einem Richtungssignal ein Zählimpuls des weiteren Phasen/Frequenz-Komparators (7) zur Erzeugung der geregelten Mischfrequenz zugeführt ist, wobei am Eingang des Zählers (8) bei jedem Überschreiten einer Intervallgrenze (64) des orthogonalen Frequenzsystems (6) in dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (7) ein Zählimpuls (clk) vorliegt, der ein Inkrement der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) darstellt.

24. Anemometer nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das LDA nach einem Referenzstrahlprinzip aufgebaut ist, wobei das Licht eines Lasers in einen Messstrahl (Smess) und einen Referenzstrahl (Sref) aufgeteilt ist, der Referenzstrahl (Sref) direkt auf den Detektor (15) geführt, der Messstrahl (Smess) auf ein Messobjekt (2) abgebildet, an Messobjektteilchen gestreutes Licht des Messstrahls (Smess) auf demselben Detektor (15) mit dem Referenzstrahl (Sref) überlagert und das Überlagerungssignal bezüglich der Dopplerfrequenz (fD) auswertbar ist.

25. Anemometer nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (2) eine schwingende Oberfläche ist und dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (7), ein Zähler (8), ein Zwischenspeicher (81), ein Abtastoszillator (82) und eine Auswerteeinheit (9) nachgeordnet sind, wobei am Zählerausgang die Anzahl der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems (6) als richtungsgeordnete Zählwerte vorhanden sind, der Abtastoszillator (82) über eine einstellbare Abtastfrequenz (fA) zur Zwischenspeicherung der zeitlich geordneten Zählwerte verfügt und die Auswerteeinheit (9) verschiedene Ausgabemodi für Kenngrössen der gemessenen Schwingungsbewegungen der Oberfläche aufweist.