DE10120746C1 - Method for evaluating laser-Doppler signals has pair of phase shifted signals mixed and used to generate a side band frequency - Google Patents

Method for evaluating laser-Doppler signals has pair of phase shifted signals mixed and used to generate a side band frequency

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Abstract

The method for evaluating laser-Doppler signals involves generating two 90 degree phase shifted Doppler signals in two signal groups (31,32) and mixing (41) the Doppler signals with phase compensated signals of the mix frequency (fm) of the voltage controlled oscillators. The mixed signals is used to generate a side band frequency additional overlaid. The side band frequency is fed back to an Art PLL-regulating loop.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Auswertung von Laser-Doppler- Signalen, insbesondere für homodyne Laser-Doppler-Anemometer (LDA) und Laser-Doppler- Velocimeter (LDV) zur berührungslosen Auswertung der Geschwindigkeit von Teilchen oder Körpern, bei denen vor allem kleine Geschwindigkeiten, Stillstand oder Richtungsumkehr von Interesse sind.The invention relates to a method and an arrangement for evaluating laser Doppler Signals, especially for homodyne laser Doppler anemometers (LDA) and laser Doppler Velocimeter (LDV) for contactless evaluation of the speed of particles or Bodies where mainly slow speeds, standstill or reversal of direction Are interested.

Laser-Doppler-Geräte detektieren die Geschwindigkeit eines bewegten Objektes, indem die Frequenzänderung des von dem bewegten Objekt gestreuten Lichtes ausgewertet wird. Dabei beschreibt der Doppler-Effekt einen linearen Zusammenhang zwischen der Doppler- Frequenzverschiebung (Dopplerfrequenz) und der Objektgeschwindigkeit.Laser Doppler devices detect the speed of a moving object by the Frequency change of the light scattered by the moving object is evaluated. The Doppler effect describes a linear relationship between the Doppler Frequency shift (Doppler frequency) and the object speed.

Eine sehr häufig verwendete Konfiguration von Laser-Doppler-Geräten stellt die Kreuz­ strahlanordnung (siehe z. B. F. Köpp: Lser-Doppler-Anemometer zur berührungslosen Wind­ messung über große Entfernungen [in: Laser und Optoelektronik 20 (3), 1988, S. 73-83] dar, bei der das kollimierte Licht einer Laserlichtquelle mittels eines Strahlteilers in zwei Sendestrahlen, deren Taillen auf einem zu messenden Objekt unter Winkeln von ±γ überlagert werden, aufgeteilt wird. Das frequenzverschobene Streulicht wird dann von der Sendelinse erneut kollimiert und mit einer Empfangslinse auf einen Empfänger abgebildet. Das Streulicht enthält wegen des unterschiedlichen Einfallswinkels der Sendestrahlen Frequenzverschiebungen um die Frequenzen +fD1 und -fD2. Wenn mit λ die Wellenlänge des Laserlichtes, v die Geschwindigkeit des Objektes und γ der Einfallswinkel der Sendestrahlen auf dem Objekt bezeichnet sind, dann entsteht auf dem Empfänger ein Überlagerungssignal mit der Dopplerfrequenz
The cross-beam arrangement is a very frequently used configuration of laser Doppler devices (see, for example, KFpp: Lser Doppler anemometer for non-contact wind measurement over large distances [in: Laser and Optoelectronics 20 (3), 1988, p. 73 -83], in which the collimated light from a laser light source is divided by a beam splitter into two transmission beams, whose waists are superimposed on an object to be measured at angles of ± γ. The frequency-shifted scattered light is then collimated again by the transmission lens and with a Because of the different angles of incidence of the transmitted beams, the scattered light contains frequency shifts around the frequencies + f D1 and -f D2, if λ denotes the wavelength of the laser light, v the speed of the object and γ the angle of incidence of the transmitted beams on the object then a beat signal with the Doppler frequency is generated on the receiver z

fD = (v/λ)sin(2γ), (1)
f D = (v / λ) sin (2γ), (1)

aus der die Objektgeschwindigkeit bzw. nach weiteren Berechnungen auch die abgeleiteten Größen, wie Länge und Beschleunigung, bestimmt werden können.from which the object speed or after further calculations also the derived quantities, such as length and acceleration, can be determined.

Eine Art der Auswertung von Laser-Doppler-Signalen ist durch das sogenannte heterodyne LDA gegeben, bei dem im optischen Strahlengang eine Frequenzverschiebung (Shiftfrequenz) erzeugt wird und bei dem das sich Empfangssignal aus der Summe von Dopplerfrequenz und der Shiftfrequenz zusammensetzt. Heterodyne LDA gestatten die Vor-/Rückwärts-Erkennung der Objektbewegung und die Messung bei kleinen Geschwindigkeiten, inklusive Objektstillstand. Die Erzeugung der Frequenzshift ist aber in jedem Fall sehr aufwendig und erlaubt deshalb keine preiswerten Laser-Doppler-Geräte. Die Auswertung des Detektorsignals kann allgemein sehr unterschiedlich erfolgen, z. B. mit Fast Fourier Transformation (FFT), Zählverfahren etc., wie man beispielsweise bei C. Tropea [in: Laser Magazin 1/92, S. 11-12] oder B. Rupp [in: Laser und Optoelektronik Nr. 4, 1985, S. 362-375] entnehmen kann.One type of evaluation of laser Doppler signals is through the so-called heterodyne LDA given, in which there is a frequency shift in the optical beam path (Shift frequency) is generated and in which the received signal is the sum of Doppler frequency and the shift frequency. Heterodyne LDA allow that Forward / backward detection of object movement and measurement at small ones Speeds, including object downtime. The generation of the frequency shift is in  very complex in any case and therefore does not allow inexpensive laser Doppler devices. The evaluation of the detector signal can generally be done very differently, e.g. B. with Fast Fourier Transformation (FFT), counting method, etc., as used for example in C. Tropea [in: Laser Magazin 1/92, pp. 11-12] or B. Rupp [in: Laser und Optoelektronik No. 4, 1985, Pp. 362-375].

Bei homodynen Laser-Doppler-Anordnungen liegt die Empfangsfrequenz in der Regel im Bereich zwischen 0 (Materialstillstand) und einigen MHz (maximale Geschwindigkeit). Um jedoch das Signal/Rausch-Verhältnisses zu erhöhen, muss eine schmalbandige Filterung des Empfangssignals erfolgen. Dazu werden in der Regel Tracking-Systeme und das Prinzip der Frequenznachlaufdemodulation eingesetzt [F. Durst u. a.: Theorie und Praxis der Laser- Doppler-Anemometrie, G. Braun Verlag, Karlsruhe, 1987], weil diese eine Realzeit- Demodulation des Empfangssignals ermöglichen.In the case of homodyne laser Doppler arrangements, the reception frequency is usually in the Range between 0 (material downtime) and a few MHz (maximum speed). Around however, to increase the signal-to-noise ratio, narrow-band filtering of the Received signal. This usually involves tracking systems and the principle of Frequency tracking demodulation used [F. Thirst and a .: Theory and practice of laser Doppler anemometry, G. Braun Verlag, Karlsruhe, 1987] because this is a real-time Allow demodulation of the received signal.

T. H. Wilmshurst und J. E. Rizzo [in: J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 7 (1974), S. 924-930] beschreiben eine Autodyne-Tracker-Anordnung für homodyne LDA. Dabei wird das Empfangssignal cos(ωDt) in zwei Signalzweige aufgeteilt und separat mit zwei Komponenten des Ausgangssignals eines Oszillators, die untereinander um 90° phasenverschoben sind, gemischt. In einem zweiten Mischvorgang wird das Kosinussignal aus dem einen Signalweg differenziert und mit dem Sinussignal aus dem anderen Signalweg gemischt, analog dazu erfolgt eine Mischung des im zweiten Signalzweig differenzierten Sinussignals mit dem Kosinussignal aus dem ersten Signalweg. Ein Summationsverstärker liefert bei geeigneten Vorzeichen der beiden Mischsignale dann ein Ausgangssignal, das proportional zur Frequenzdifferenz von Oszillator- und Dopplerfrequenz ist. Dieses Autodyne-Tracker-System minimiert den Frequenzunterschied zwischen häufig sehr kleinen Dopplerfrequenzen und der Oszillatorfrequenz. Zur Verarbeitung der Mischsignale mit kleinen Frequenzen muss jedoch stets eine Seitenbandunterdrückung mit schmalbandigen Filtern durchgeführt werden. Dabei ist eine unerwünschte Unterdrückung des Frequenzbereiches von 0 bis einige kHz unvermeidbar, weil die Steilheit der Bandkante eines Filters begrenzt ist. Das bedeutet, dass kleine Geschwindigkeiten nicht gemessen werden können.TH Wilmshurst and JE Rizzo [in: J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 7 (1974), pp. 924-930] describe an Autodyne tracker arrangement for homodyne LDA. The received signal cos (ω D t) is divided into two signal branches and mixed separately with two components of the output signal of an oscillator, which are mutually phase-shifted by 90 °. In a second mixing process, the cosine signal is differentiated from one signal path and mixed with the sine signal from the other signal path. Analogously, the sine signal differentiated in the second signal branch is mixed with the cosine signal from the first signal path. With a suitable sign of the two mixed signals, a summation amplifier then delivers an output signal which is proportional to the frequency difference between the oscillator and Doppler frequencies. This Autodyne tracker system minimizes the frequency difference between often very small Doppler frequencies and the oscillator frequency. To process the mixed signals with low frequencies, sideband suppression with narrow-band filters must always be carried out. Undesired suppression of the frequency range from 0 to a few kHz is unavoidable because the steepness of the band edge of a filter is limited. This means that low speeds cannot be measured.

In der Patentschrift DE 197 42 608 C2 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zwei um 90° phasenverschobene Anteile des Dopplersignals in zwei Signalarmen mit zwei ebenfalls orthogonal verschobenen Signalen, sin(ωVCOt) und cos(ωVCOt), eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) gemischt und nachfolgend summiert werden, so dass eines der beiden Seitenbandsignale (cos(ωVCO ± ωD)t) unterdrückt wird. Damit ist auch bei kleinen Doppler­ frequenzen eine Signalverarbeitung möglich, indem ein Komparator das frequenzstabile Signal eines Oszillators mit dem gemischten Empfangssignal vergleicht und den VCO so steuert, dass die auszuwertende Frequenz ωVCO - ωD = ωOS immer konstant bleibt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Erzeugung der ebenfalls um 90° verschobenen VCO-Signale in einem relativ großen Frequenzbereich ausgeführt werden muss (z. B. von ±3 MHz). Diese Phasenverschiebung ist technisch sehr aufwendig und liefert nicht über den gesamten Frequenzbereich eine exakte 90°-Phasenverschiebung, so dass das störende Seitenband nicht vollständig unterdrückt werden kann.Patent specification DE 197 42 608 C2 proposes a method in which two parts of the Doppler signal which are phase-shifted by 90 ° in two signal arms with two likewise orthogonally shifted signals, sin (ω VCO t) and cos (ω VCO t), of a voltage-controlled oscillator (VCO) are mixed and subsequently summed, so that one of the two sideband signals (cos (ω VCO ± ω D ) t) is suppressed. This means that signal processing is possible even at low Doppler frequencies by a comparator comparing the frequency-stable signal of an oscillator with the mixed received signal and controlling the VCO so that the frequency ω VCO - ω D = ω OS to be evaluated always remains constant. The disadvantage of this method is that the generation of the VCO signals, which are also shifted by 90 °, has to be carried out in a relatively large frequency range (e.g. of ± 3 MHz). This phase shift is technically very complex and does not provide an exact 90 ° phase shift over the entire frequency range, so that the interfering sideband cannot be completely suppressed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen zu finden, die mit einfachen Mitteln bei beliebiger Größe des Dopplerfrequenz eine vollständige Unterdrückung eines durch Frequenzmischung entstehenden Seitenbandes gestattet.The invention has for its object a new way of evaluating Find laser Doppler signals by simple means at any size of the Doppler frequency a complete suppression of one by frequency mixing emerging sideband allowed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Auswertung von Laser- Doppler-Signalen, bei dem unter Verwendung einer homodynen Laser-Doppler-Anordnung aus dem Detektorsignal durch Phasenverschiebung zwei um 90° phasenverschobene Dopplersignale erzeugt und in separaten Signalzweigen mit dem Signal eines spannungsgesteuerten Oszillators gemischt werden, wobei durch Summation der Signalzweige ein Seitenband des Mischsignals aus Dopplerfrequenz und Oszillatorfrequenz unterdrückt und das verbleibende Seitenband in eine Regelschleife zum spannungsgesteuerten Oszillator zurückgeführt wird, so dass ein konstant gehaltenes Ausgangssignal zur Auswertung zur Verfügung steht, dadurch gelöst, dass nach der Generierung der beiden um 90° phasenverschobenen Dopplersignale in zwei Signalzweigen eine Mischung der Dopplersignale mit phasengleichen Signalen der Mischfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators erfolgt, dass nach dieser Mischung eine relative Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden Signalzweigen generiert wird, bevor beide Signalzweige zum Extrahieren einer Seitenbandfrequenz additiv überlagert werden, dass die Seitenbandfrequenz in einer Art PLL-Regelschleife auf die Mischer zurückgeführt wird, wobei die Seitenbandfrequenz mit einer Referenzfrequenz verglichen und bei Abweichungen die vom spannungsgesteuerten Oszillator gelieferte Mischfrequenz so nachgestimmt wird, dass die Seitenbandfrequenz konstant gehalten wird, und dass durch Differenzbildung zwischen der vom spannungsgesteuerten Oszillators erzeugten Mischfrequenz und der Referenzfrequenz die Dopplerfrequenz bestimmt wird.According to the invention, the object is achieved in a method for evaluating laser Doppler signals, using a homodyne laser Doppler arrangement from the detector signal by phase shift two phase-shifted by 90 ° Doppler signals generated and in separate signal branches with the signal one voltage controlled oscillator are mixed, by summing the Signal branches a sideband of the mixed signal from Doppler frequency and oscillator frequency suppressed and the remaining sideband in a control loop for voltage controlled oscillator is returned so that a constant Output signal is available for evaluation, solved in that after the Generation of the two 90 ° phase-shifted Doppler signals in two Signal branches a mixture of the Doppler signals with in-phase signals of the Mixing frequency of the voltage controlled oscillator takes place after this mixing generated a relative phase shift of 90 ° between the two signal branches becomes additive before both signal branches to extract a sideband frequency are superimposed on the sideband frequency in a kind of PLL control loop Mixer is returned, the sideband frequency with a reference frequency  compared and in the event of deviations that supplied by the voltage-controlled oscillator Mixing frequency is adjusted so that the sideband frequency is kept constant and that by forming the difference between that of the voltage controlled oscillator generated mixing frequency and the reference frequency, the Doppler frequency is determined.

In einer ersten vorteilhaften Variante kann die relative Phasenverschiebung von π/2 zwischen den beiden Signalarmen mittels eines 90°-Phasenschiebers in einem Signalzweig realisiert werden.In a first advantageous variant, the relative phase shift of π / 2 between the two signal arms by means of a 90 ° phase shifter in one signal branch will be realized.

Eine weitere vorzuziehende Möglichkeit, die relative Phasenverschiebung von π/2 zwischen den beiden Signalzweigen zu erzeugen, wird mittels je eines Phasenschiebers in jedem der Signalarme erreicht, indem in jedem Signalzweig ein gewisser Anteil der Phasenverschiebung eingestellt wird. Dazu eignet sich am besten eine Verschiebung um ±π/4, da sich diese technisch am einfachsten dadurch realisieren lässt, dass in einem Signalzweig ein Hochpass und im zweiten Signalzweig ein Tiefpass eingesetzt wird. Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung einer relativen Phasenverschiebung um π/2 sind durch verschiedene Maßnahmen einer Laufzeitverschiebung durch Verzögerungsglieder gegeben.Another preferable way to compare the relative phase shift of π / 2 between The two signal branches are generated by means of a phase shifter in each of the Signal arms achieved by a certain proportion of the in each signal branch Phase shift is set. A shift around is best for this ± π / 4, since this is technically easiest to implement by using one Signal branch a high pass and a low pass is used in the second signal branch. Other options for generating a relative phase shift by π / 2 are through various measures of a delay in transit time by delay elements given.

Des Weiteren wird die erfindungsgemäße Aufgabe bei einer Anordnung zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen mit einer homodynen Signalverarbeitungsschaltung, enthaltend eine Signaldetektor, dessen Ausgangssignal die Dopplerfrequenz enthält, einem dem Signaldetektor nachgeordneten Phasenschieber zur Erzeugung zweier Signalzweige des gelieferten Dopplersignals, wobei die Signalzweige zueinander um 90° phasenverschoben sind und je einen elektronischen Mischer aufweisen, und einem spannungsgesteuerten Oszillator zur Erzeugung einer Mischfrequenz, die den in den Mischern zugeführt wird, einem Summationsglied zum Summieren der Signale beider Signalzweige und Unterdrücken eines von zwei Seitenbändern sowie einer Regelschleife zum Konstanthalten der Frequenz des Seitenbandes mittels des spannungsgesteuerten Oszillators, dadurch gelöst, dass die elektronischen Mischer in den beiden Signalzweigen mit phasengleichen Signalen des spannungsgesteuerten Oszillators beschaltet sind, dass in mindestens einem der beiden Signalzweige ein dem Mischer nachgeordneter Phasenschieber zur Erzeugung einer relativen Phasenverschiebung von π/2 zwischen den beiden Signalzweigen angeordnet ist, wobei das Ausgangssignal des Summationsgliedes nur eine von zwei in den Mischern erzeugten Seitenbandfrequenzen aufweist, dass der Ausgang des Summationsgliedes in eine Regelschleife, bestehend aus einem Phasendetektor, einem Referenzoszillator als Vergleichsbasis für den Phasendetektor, und dem besagten spannungsgesteuerten Oszillator, eingebunden ist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator so steuerbar ist, dass mittels des den Mischern zugeführten Mischsignals die Dopplerfrequenzänderung kompensiert wird und das Ausgangssignal des Summationsverstärkers eine konstante Frequenz aufweist und dass eine Auswerteeinheit zum Bestimmen der Dopplerfrequenz als Differenz aus der aktuell vom spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Mischfrequenz und der Referenzfrequenz des Referenzoszillators vorhanden ist.Furthermore, the object according to the invention is achieved in an arrangement for evaluating Containing laser Doppler signals with a homodyne signal processing circuit a signal detector whose output signal contains the Doppler frequency, the one Signal detector downstream phase shifter for generating two signal branches of the delivered Doppler signal, the signal branches being mutually phase-shifted by 90 ° are and each have an electronic mixer, and a voltage controlled Oscillator for generating a mixing frequency which is supplied to the in the mixers, a summation element for summing the signals of both signal branches and Suppress one of two sidebands and a control loop to keep it constant the frequency of the sideband by means of the voltage controlled oscillator, thereby solved that the electronic mixer in the two signal branches with in phase Signals of the voltage-controlled oscillator are connected in at least one of the two signal branches a phase shifter downstream of the mixer for generation a relative phase shift of π / 2 between the two signal branches is arranged, the output signal of the summation element only one in two  sideband frequencies generated the mixers that the output of the Summation element in a control loop, consisting of a phase detector, a Reference oscillator as a basis for comparison for the phase detector, and the said voltage controlled oscillator, is integrated, the voltage controlled Oscillator can be controlled in such a way that the mixing signal supplied to the mixers Doppler frequency change is compensated and the output signal of the Summation amplifier has a constant frequency and that an evaluation unit to determine the Doppler frequency as the difference from the current of voltage controlled oscillator supplied mixed frequency and the reference frequency of the Reference oscillator is present.

Zweckmäßig ist zur Erreichung der 90°-Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalzweigen in einem der Signalzweige ein π/2-Phasenschieber vorhanden.It is useful to achieve the 90 ° phase shift between the two A π / 2 phase shifter is present in one of the signal branches.

Es erweist sich jedoch als besonders vorteilhaft, in jedem der Signalzweige dem Mischer einen π/4-Phasenschieber mit unterschiedlichen Vorzeichen der Verschiebung nachzuordnen. Vorzugsweise wird dafür in einem Signalzweig ein Tiefpassfilter und im anderen ein Hochpassfilter angeordnet. Diese besonders preiswerte Lösung der Phasenschieber wird durch die erfindungsgemäß konstant gehaltenen Ausgangsfrequenz des Summationsgliedes erst möglich, da die beiden bei ihrer Resonanzfrequenz betriebenen Filter genau die benötigte π/4-Phasenverschiebung realisieren.However, it turns out to be particularly advantageous for the mixer in each of the signal branches a π / 4 phase shifter with different signs of the shift nachzuordnen. For this purpose, a low-pass filter and in another arranged a high pass filter. This particularly inexpensive solution Phase shifter is kept constant by the output frequency according to the invention of the summation element possible because the two at their resonance frequency operated filter realize exactly the required π / 4-phase shift.

Weitere Möglichkeiten der Phasenverschiebung ergeben sich, indem in wenigstens einem der Signalzweige eine elektronische Laufzeitkette oder ein laufzeitverzögerndes Kabel angeordnet ist.Further possibilities of the phase shift arise in at least one the signal branches an electronic runtime chain or a delayed cable is arranged.

Zum Frequenzvergleich wird in der Regelschleife vorteilhaft ein Phasendetektor, dem ein Tiefpass folgt, eingesetzt.For frequency comparison, a phase detector is advantageously used in the control loop Low pass follows, used.

In die Regelschleife kann zwischen dem Ausgang des Summationsverstärkers und dem spannungsgesteuerten Oszillator auch zweckmäßig ein herkömmlicher PLL-Baustein eingesetzt werden, wobei jedoch der Ausgang des internen spannungsgesteuerten Oszillators auf die Mischer der Signalzweige geführt und der somit freie Eingang des inhärenten Phasendetektors mit einem externen Referenzoszillator beschaltet werden muss.The control loop can be between the output of the summation amplifier and the voltage-controlled oscillator also expediently a conventional PLL module be used, however, the output of the internal voltage controlled Oscillator led to the mixer of the signal branches and the free input of the inherent phase detector can be connected with an external reference oscillator got to.

Für den Frequenzvergleich in der Regelschleife ist vorzugsweise auch ein sogenannter Quadrantenkomparator mit nachgeordnetem Integrator geeignet, wobei der Referenzoszillator dazu ein orthogonales Referenzfrequenzsystem zur Verfügung stellt, das zu Rechteckspannungen umgewandelt, ein empfindliches Intervallschaltsystem des Quantenkomparators darstellt, wenn sich die Seitenbandfrequenz am Ausgang des Summationsgliedes ändert.For the frequency comparison in the control loop there is preferably also a so-called Quadrant comparator with a subordinate integrator suitable, the  Reference oscillator provides an orthogonal reference frequency system that converted to square wave voltages, a sensitive interval switching system of the Quantum comparator represents when the sideband frequency at the output of the Summation element changes.

Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Tatsache, dass sämtlichen für homodyne Laser-Doppler-Geräte verwendeten Frequenznachlaufmodulatoren das Problem anhaftet, dass entweder bei der Bandpass-Unterdrückung eines der (durch Frequenzbeimischung zur Dopplerfrequenz) erzeugten Seitenbänder bei kleinen Dopplerfrequenzen auch das auszuwertende Seitenband mit unterdrückt wird oder dass die bekannte Konstantregelung eines Ausgangssignals von überlagerten phasenverschobenen Mischsignalen erhebliche Schwierigkeiten bei der Einhaltung der exakten Phasenverschiebung über große Frequenzbereiche (±3 MHz) bereitet. Auf letzterem Prinzip aufbauend werden gemäß der Erfindung aus dem Dopplersignal sin(ωDt) durch Phasenverschiebung zwei gegeneinander um 90° verschobene Dopplersignale, sin(ωDt) und cos(ωDt), erzeugt, die in den zwei Signalzweigen separat geführt werden. In diesen Signalzweigen befinden sich Mischer, die den beiden (phasenverschobenen) Dopplersignalen jeweils ein (phasengleiches) von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) geliefertes Signal, sin(ωVCOt), beimischen.The basic idea of the invention is based on the fact that all frequency tracking modulators used for homodyne laser Doppler devices have the problem that either the bandpass suppression of one of the sidebands (by frequency admixture to the Doppler frequency) at low Doppler frequencies also suppresses the sideband to be evaluated or that the known constant control of an output signal from superimposed phase-shifted mixed signals causes considerable difficulties in maintaining the exact phase shift over large frequency ranges (± 3 MHz). Building on the latter principle, according to the invention, the Doppler signal sin (ω D t) is used to generate two Doppler signals, sin (ω D t) and cos (ω D t), which are shifted relative to one another by 90 °, and which are carried separately in the two signal branches become. In these signal branches there are mixers which each add a (in-phase) signal (sin (ω VCO t)) supplied by a voltage-controlled oscillator (VCO) to the two (phase-shifted) Doppler signals.

Dabei entstehen in den beiden Signalzweigen die folgenden Signale:
The following signals are generated in the two signal branches:

a: sin(ωDt)sin(ωVCOt) = 0,5cos[(ωVCO - ωD)t] - 0,5cos[(ωVCO + ωD)t] (2)
a: sin (ω D t) sin (ω VCO t) = 0.5cos [(ω VCO - ω D ) t] - 0.5cos [(ω VCO + ω D ) t] (2)

b: cos(ωDt)sin(ωVCOt) = 0,5sin[(ωVCO - ωD)t] + 0,5sin[(ωVCO + ωD)t] (3)b: cos (ω D t) sin (ω VCO t) = 0.5sin [(ω VCO - ω D ) t] + 0.5sin [(ω VCO + ω D ) t] (3)

Durch eine anschließende relative Phasenverschiebung von π/2 zwischen den Signalen beider Signalarme entstehen die Signale
The signals are produced by a subsequent relative phase shift of π / 2 between the signals of both signal arms

a: cos[(ωVCO - ωD)t] - cos[(ωVCO + ωD)t] (4)
a: cos [(ω VCO - ω D ) t] - cos [(ω VCO + ω D ) t] (4)

b: cos[(ωVCO - ωD)t] + cos[(ωVCO + ωD)t], (5)
b: cos [(ω VCO - ω D ) t] + cos [(ω VCO + ω D ) t], (5)

die nachfolgend additiv überlagert werden, so dass genau ein Seitenband (cos[(ωVCO + ωD)t] bei entsprechend gewähltem Vorzeichen der Summation) vollständig unterdrückt (ausgelöscht) wird. Das auswertbare Signal besteht dann nur noch aus einem Seitenband (hier: cos[(ωVCO - ωD)t]).which are subsequently superimposed so that exactly one sideband (cos [(ω VCO + ω D ) t] is completely suppressed (canceled) if the summation sign is selected accordingly). The evaluable signal then only consists of a sideband (here: cos [(ω VCO - ω D ) t]).

Durch Vergleich mit einem von einem frequenzstabilen Referenzoszillator gelieferten Referenzsignal cos(ωOSt) wird bei auftretenden Differenzen der VCO so nachgeregelt, dass die auswertbare Seitenbandfrequenz immer konstant ωVCOωD = ωOS bleibt, so dass ein sehr schmalbandiges Bandpassfilter, das das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert, eingesetzt werden kann. Zum anderen wird durch die Nachregelung des VCO auch die Frequenz in den Signalzweigen nach den beiden Mischern konstant gehalten, so dass der/die Phasenschieber nur sehr schmalbandig arbeiten muss/müssen. Als weiterer Vorteil der Erfindung ist die Auswertung der Dopplerfrequenz (infolge der Frequenzkonstanthaltung mittels der Regelschleife) auf die Erfassung von Änderungen der Ausgangsfrequenz des VCO beschränkt.By comparison with a reference signal cos (ω OS t) supplied by a frequency-stable reference oscillator, the VCO is readjusted in the event of differences, so that the evaluable sideband frequency always remains constant ω VCO ω D = ω OS , so that a very narrow-band bandpass filter that transmits the signal / Noise ratio improved, can be used. On the other hand, the readjustment of the VCO also keeps the frequency in the signal branches after the two mixers constant, so that the phase shifter (s) only have to work in a very narrow band. As a further advantage of the invention, the evaluation of the Doppler frequency (due to the frequency being kept constant by means of the control loop) is limited to the detection of changes in the output frequency of the VCO.

Mit der Erfindung ist es erstmalig möglich, die Schwierigkeiten homodyner Laser-Doppler- Geräte, die jeweils aus der unvollständigen oder gleichzeitigen Unterdrückung der bei der Frequenznachlaufdemodulation entstehenden Seitenbänder der Dopplerfrequenz resultieren, zu überwinden. Die Erfindung gestattet mit einfachen Mitteln bei beliebiger Größe der Dopplerfrequenz eine vollständige Unterdrückung eines der durch Frequenzmischung entstehenden Seitenbänder. Des Weiteren ergibt sich durch die in einer geschlossenen Regelschleife konstant gehaltene Frequenzverschiebung zur Einseitenbandunterdrückung eine Senkung der Anforderungen an die elektronischen Bauelemente.With the invention it is possible for the first time to overcome the difficulties of homodyne laser Doppler Devices, each consisting of the incomplete or simultaneous suppression of the at Frequency lag demodulation resulting sidebands of the Doppler frequency result in overcoming. The invention allows simple means with any Magnitude of the Doppler frequency a complete suppression of one of the Sidebands arising from frequency mixing. Furthermore, the result in a closed control loop frequency shift kept constant Single sideband suppression reduces the demands on the electronic Components.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments become. The drawings show:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Prinzipschema, Fig. 1 shows an inventive principle scheme,

Fig. 2 eine Variante mit einem π/2-Phasenschieber in einem Signalzweig, Fig. 2 shows a variant with a π / 2 phase shifter in a signal path,

Fig. 3 eine Ausgestaltung mit jeweils ±π/4-Phasenschiebern in Form von Hoch- und Tiefpassfiltern. Fig. 3 shows an embodiment with ± π / 4 phase shifters in the form of high and low pass filters.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in seiner Grundvariante - wie in Fig. 1 erkennbar - die folgenden Verarbeitungsschritte:
In its basic variant, the method according to the invention comprises - as can be seen in FIG. 1 - the following processing steps:

  • - aus dem Dopplersignal sin(ωDt) des Detektors 1, das vorzugsweise nach dem homodynen Kreuzstrahlverfahren erzeugt wird, werden über einen Phasenschieber 2 zwei um 90° phasenverschobenen Dopplersignale in zwei Signalzweigen 31 und 32 erzeugt,- from the Doppler signal sin (ω D t) of the detector 1 which is preferably produced by the homodyne cross-beam method are generated via a phase shifter 2, two 90 ° phase-shifted Doppler signals into two signal branches 31 and 32,
  • - in den Signalzweigen 31 und 32 erfolgt eine Mischung der phasenverschobenen Dopplersignale sin(ωDt) und cos(ωDt) mit phasengleichen Signalen der Mischfrequenz fM = sin(ωVCOt) eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 84,in the signal branches 31 and 32 the phase-shifted Doppler signals sin (ω D t) and cos (ω D t) are mixed with in-phase signals of the mixed frequency f M = sin (ω VCO t) of a voltage-controlled oscillator (VCO) 84 ,
  • - nach dieser Mischung wird eine relative Phasenverschiebung von π/2 zwischen den beiden Signalzweigen 31 und 32 generiert und zur Einseitenbandunterdrückung in einem Summationsglied 6 additiv überlagert, so dass nur eine Seitenbandfrequenz fE = cos[(ωVCO - ωD)t] oder fE = cos[(ωVCO + ωD)t] übrig bleibt,- After this mixture, a relative phase shift of π / 2 between the two signal branches 31 and 32 is generated and additively superimposed in a summation element 6 for single-sideband suppression, so that only one sideband frequency f E = cos [(ω VCO - ω D ) t] or f E = cos [(ω VCO + ω D ) t] remains,
  • - nach der Summation wird die Seitenbandfrequenz fE über eine Regelschleife 8 auf die Mischer 41; 42 zurückgeführt, wobei die Seitenbandfrequenz fE mit einer Referenzfrequenz fO eines Referenzoszillators 82 verglichen und bei Abweichungen dieser beiden Frequenzen voneinander die vom VCO 84 gelieferte Mischfrequenz fM so nachgestimmt wird, dass die Seitenbandfrequenz fE konstant gehalten wird, und- After the summation, the sideband frequency f E is applied to the mixer 41 via a control loop 8 ; 42 , whereby the sideband frequency f E is compared with a reference frequency f O of a reference oscillator 82 and, in the event of deviations between these two frequencies, the mixed frequency f M supplied by the VCO 84 is adjusted so that the sideband frequency f E is kept constant, and
  • - durch Differenzbildung zwischen der vom VCO 84 erzeugten Mischfrequenz fM = sin(ωVCOt) und der Referenzfrequenz fO = sin(ωOSt) wird anschließend die Dopplerfrequenz fD = fO - fM bestimmt.- The difference between the mixed frequency f M = sin (ω VCO t) generated by the VCO 84 and the reference frequency f O = sin (ω OS t) is then used to determine the Doppler frequency f D = f O - f M.

Die den phasenverschobenen Dopplersignalen sin(ωDt) und cos(ωDt) beigemischte Mischfrequenz fM = sin(ωVCOt) unterliegt der Bedingung ωVCO < ωD, so dass somit zwei Seitenbänder (ωVCO + ωD), (ωVCO - ωD) um die VCO-Frequenz ωVCO entstehen. Eine Regelschleife (closed loop) 8 hält die Frequenz fE des zur Auswertung ausgewählten Seitenbandes, in diesem Beispiel cos(ωVCO - ωD), konstant auf der Referenzfrequenz fO.The mixed frequency f M = sin (ω VCO t) added to the phase-shifted Doppler signals sin (ω D t) and cos (ω D t) is subject to the condition ω VCOD , so that two sidebands (ω VCO + ω D ), (ω VCO - ω D ) arise around the VCO frequency ω VCO . A closed loop 8 keeps the frequency f E of the side band selected for evaluation, in this example cos (ω VCO - ω D ), constant at the reference frequency f O.

Da infolge der Nachregelung der Mischfrequenz fM in Abhängigkeit von der Änderung der Dopplersignale sin(ωDt) und cos(ωDt) die Frequenzschwankungen nach den Mischern 41 und 42 sehr gering sind, muss die relative 90°-Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalzweigen 31 und 32 nur in einem relativ kleinen Frequenzbereich um fO = fM ± fD realisiert werden. Diese relative Phasenverschiebung kann mit einfachen technischen Mitteln, d. h. mit Phasenschiebern von nahezu beliebigem Frequenzgang, realisiert werden. Sie kann sowohl durch eine Laufzeitverschiebung in nur einem Signalzweig 31 (Fig. 2) als auch besonders vorteilhaft durch eine je Signalzweig 31 bzw. 32 unterschiedliche ±π/4-Verschiebung (gemäß Fig. 3) vollzogen werden.As a result of the readjustment of the mixing frequency f M depending on the change in the Doppler signals sin (ω D t) and cos (ω D t), the frequency fluctuations after the mixers 41 and 42 are very small, the relative 90 ° phase shift between the two Signal branches 31 and 32 can only be realized in a relatively small frequency range around f O = f M ± f D. This relative phase shift can be realized with simple technical means, ie with phase shifters of almost any frequency response. It can be carried out both by a time delay shift in only one signal branch 31 ( FIG. 2) and particularly advantageously by a different ± π / 4 shift (according to FIG. 3) for each signal branch 31 or 32 .

Auch die Phasenverschiebung des Dopplersignals sin(ωDt) zur Erzeugung der Signalzweige 31 und 32 ist mit einer ±π/4-Verschiebung einfacher realisierbar.The phase shift of the Doppler signal sin (ω D t) for generating the signal branches 31 and 32 can also be implemented more easily with a ± π / 4 shift.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht in ihrem Grundaufbau - wie man ebenfalls der Darstellung von Fig. 1 entnehmen kann - aus einem dem Signaldetektor 1 nachgeordneten Phasenschieber 2, der zwei um 90° phasenverschobene Dopplersignale in separaten Signalzweigen 31 und 32 erzeugt, je einem elektronischen Mischer 41 bzw. 42 in den Signalzweigen 31 und 32, denen jeweils eine phasengleiche Mischfrequenz fM von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 84 zugeführt wird, einer Phasenschiebeeinheit 5, die zwischen den beiden Signalzweigen 31 und 32 eine Phasendifferenz von π/2 erzeugt, einem Summationsglied 6 zur additiven Überlagerung der Signale aus beiden Signalzweigen 31 und 32, einem Bandpassfilter 7 sowie einer Regelschleife 8, die eine zur Auswertung ausgewählte Seitenbandfrequenz fE am Ausgang des Summationsgliedes 6 konstant hält, indem die Änderung des Dopplersignals durch Nachregelung der vom VCO 84 bereitgestellten Mischfrequenz fM kompensiert wird. Die aktuelle Dopplerfrequenz wird in einer Auswerteeinheit, die wenigstens einen Differenzbildner 9 enthält, durch Verknüpfung mit der Referenzfrequenz fO eines frequenzstabilen Referenzoszillators 82 berechnet. Sie ist demnach der Änderung der Mischfrequenz fM äquivalent.The arrangement according to the invention consists in its basic structure - as can also be seen in the illustration in FIG. 1 - from a phase shifter 2 arranged downstream of the signal detector 1 , which generates two Doppler signals phase-shifted by 90 ° in separate signal branches 31 and 32 , one electronic mixer 41 and one respectively 42 in the signal branches 31 and 32 , each of which is supplied with an in-phase mixed frequency f M from a voltage-controlled oscillator (VCO) 84 , a phase shift unit 5 , which generates a phase difference of π / 2 between the two signal branches 31 and 32 , a summation element 6 for additive superimposition of the signals from both signal branches 31 and 32 , a bandpass filter 7 and a control loop 8 , which keeps a sideband frequency f E selected for evaluation at the output of the summation element 6 constant by changing the Doppler signal by readjusting the mixed frequency f provided by the VCO 84 M is compensated. The current Doppler frequency is calculated in an evaluation unit that contains at least one difference generator 9 by linking it to the reference frequency f O of a frequency-stable reference oscillator 82 . It is therefore equivalent to the change in the mixed frequency f M.

Die relative Phasenverschiebung in den beiden Signalzweigen 31 und 32 nach den Frequenzmischern 41 und 42 wird durch eine Phasenschiebeeinheit 5 in einer Art und Weise besorgt, dass zwischen den Signalen genau ein Gangunterschied von π/2 eingestellt ist. Dieser Gangunterschied zwischen den dopplermodulierten Mischsignalen am Ende der Signalzweige 31 und 32 führt bei entsprechendem Vorzeichen der Summation im Summationsglied 6 zur Auslöschung eines Seitenbandes. Das verbleibende Seitenband, hier fE = cos[(ωVCO - ωD)t], wird über das Bandpassfilter 7 schmalbandig ausgefiltert. Das Bandpassfilter 7 spielt dabei für die Signalverarbeitung - im Gegensatz zu früheren homodynen LDA-Auswertesystemen - eine sehr untergeordnete Rolle, da die Einseitenbandunterdrückung bereits bei der additiven Überlagerung im Summationsglied 6 erfolgt und die Bandpassfilterung nur noch das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert.The relative phase shift in the two signal branches 31 and 32 after the frequency mixers 41 and 42 is provided by a phase shift unit 5 in such a way that exactly a path difference of π / 2 is set between the signals. This path difference between the Doppler-modulated mixed signals at the end of the signal branches 31 and 32 leads to the extinction of a sideband with a corresponding sign of the summation in the summation element 6 . The remaining sideband, here f E = cos [(ω VCO - ω D ) t], is filtered out via the bandpass filter 7 in a narrow band. In contrast to previous homodyne LDA evaluation systems, the bandpass filter 7 plays a very subordinate role here, since the single-sideband suppression takes place during the additive superposition in the summation element 6 and the bandpass filtering only improves the signal / noise ratio.

Das zur Auswertung ausgewählte Seitenbandsignal fE = cos[(ωVCO - ωD)t], das an dem mit dem Bandpassfilter 7 beschalteten Ausgang des Summationsgliedes 6 vorliegt, wird in der nachfolgenden Regelschleife 8 zunächst zur Nachregelung der Mischfrequenz fM in Abhängigkeit von den Änderungen des Dopplersignals genutzt.The sideband signal f E = cos [(ω VCO - ω D ) t] selected for evaluation, which is present at the output of the summation element 6 connected to the bandpass filter 7 , is initially used in the following control loop 8 to readjust the mixed frequency f M depending on changes in the Doppler signal.

Die Regelschleife 8 enthält einen Phasendetektor 81, der die ausgefilterte Seitenbandfrequenz fE des Summationsgliedes 6 mit der Referenzfrequenz fO des Referenzoszillators 82 vergleicht. Bei (Phasen- oder Frequenz-)Abweichungen gibt der Phasendetektor 81 ein Signal ab, das den VCO 84 soweit nach regelt, dass die Seitenbandfrequenz fE mit der Referenzfrequenz fO des Referenzoszillators 82 übereinstimmt. In diesem Beispiel vollzieht der Phasendetektor 81 eine Analogmultiplikation der beiden Eingangssignale, die ein Signal mit Summen- und Differenzfrequenz der Frequenzabweichung zur Folge hat, aus dem die Summenfrequenz durch einen nachgeordneten Tiefpass 83 unterdrückt wird. Die verbleibende Differenzfrequenz wird dann verstärkt und regelt den VCO 84 so, dass die von den Dopplersignalen sin(ωDt) und cos(ωDt) in den Signalzweigen 31 und 32 verursachte Abweichung kompensiert wird und die Seitenbandfrequenz fE nach dem Summationsglied 6 wieder mit der Referenzfrequenz fO des Referenzoszillators 82 übereinstimmt. Infolge dieser Nachregelung werden sowohl das Ausgangssignal des Summationsgliedes 6 als auch die Signale in den beiden Signalzweigen 31 und 32 nach den Mischern 41 und 42 konstant gehalten, so dass an das Bandpassfilter 7 und an die Phasenschiebeeinheit 5 nur geringe Anforderungen bezüglich Kantensteilheit bzw. Frequenzgang zu stellen sind, wie es die nachfolgenden Beispiele noch deutlicher belegen.The control loop 8 contains a phase detector 81 which compares the filtered out sideband frequency f E of the summation element 6 with the reference frequency f O of the reference oscillator 82 . In the event of (phase or frequency) deviations, the phase detector 81 emits a signal which adjusts the VCO 84 to such an extent that the sideband frequency f E corresponds to the reference frequency f O of the reference oscillator 82 . In this example, the phase detector 81 carries out an analog multiplication of the two input signals, which results in a signal with the sum and difference frequencies of the frequency deviation, from which the sum frequency is suppressed by a downstream low-pass filter 83 . The remaining differential frequency is then amplified and controls the VCO 84 such that the deviation caused by the Doppler signals sin (ω D t) and cos (ω D t) in the signal branches 31 and 32 is compensated and the sideband frequency f E after the summation element 6 again corresponds to the reference frequency f O of the reference oscillator 82 . As a result of this readjustment, both the output signal of the summation element 6 and the signals in the two signal branches 31 and 32 after the mixers 41 and 42 are kept constant, so that the bandpass filter 7 and the phase shifting unit 5 have only low requirements with regard to edge steepness or frequency response are, as the following examples clearly show.

In Fig. 2 ist eine Ausgestaltung der Erfindung angegeben, bei der nach der Signalbeimischung in den Mischern 41 und 42 die relative Phasenverschiebung zwischen den Signalzweigen 31 und 32 nur im Signalzweig 31 vorgenommen wird. Der dabei eingesetzte Phasenschieber 51 verzögert das Signal um π/2. Da infolge der ständigen Nachregelung der Mischfrequenz fM in Abhängigkeit von der Änderung der Dopplersignale sin(ωDt) und cos(ωDt) die Frequenzschwankungen nach den Mischern 41 und 42 sehr gering sind, kann der Phasenschieber 51 ein Verzögerungsglied mit nahezu beliebigem Frequenzgang sein. Er kann einfach ein Laufzeit verzögerndes Kabel oder aber eine elektronische Laufzeitkette enthalten.In FIG. 2, an embodiment of the invention is specified, the relative phase shift between the signal paths 31 and 32 is made only in the signal branch 31 with the signal after the admixture in the mixers 41 and 42. The phase shifter 51 used here delays the signal by π / 2. Since, due to the constant readjustment of the mixing frequency f M as a function of the change in the Doppler signals sin (ω D t) and cos (ω D t), the frequency fluctuations after the mixers 41 and 42 are very small, the phase shifter 51 can be a delay element with almost any desired number Frequency response. It can simply contain a delayed cable or an electronic delay chain.

Die so erzeugten phasenverschobenen Signale werden in einen Summationsverstärker 61 eingeleitet, und führen zur Auslöschung des Seitenbandes (ωVCO + ωD). Die verbleibende Seitenbandfrequenz fE = [cos(ωVCO - ωD)t] wird in gleicher Weise, wie bereits zu Fig. 1 beschrieben, in der Regelschleife 8 verarbeitet. Durch die erfindungsgemäße Mischung ohne vorherige Frequenzverschiebung des Mischsignals kann die Mischsignalerzeugung selbst vereinfacht werden, so dass die Regelschleife 8, wie in Fig. 2 gezeigt, mit einem PLL- Baustein 84 (phase locked loop) aufgebaut werden kann, wobei jedoch der Ausgang des darin vorhandenen VCO vom Phasendetektoreingang getrennt und auf die Mischer 41 und 42 geführt wird und der somit freie Phasendetektoreingang mit einem zusätzlichen externen Oszillator, dem Referenzoszillator 82, beschaltet wird.The phase-shifted signals generated in this way are introduced into a summation amplifier 61 and lead to the cancellation of the sideband (ω VCO + ω D ). The remaining sideband frequency f E = [cos (ω VCO - ω D ) t] is processed in the control loop 8 in the same way as already described for FIG. 1. Mixing according to the invention without prior shifting the frequency of the mixed signal can simplify the generation of the mixed signal itself, so that the control loop 8 , as shown in FIG. 2, can be built up with a PLL module 84 (phase locked loop), but with the output of it existing VCO is separated from the phase detector input and passed to the mixers 41 and 42 and the free phase detector input is connected to an additional external oscillator, the reference oscillator 82 .

Fig. 3 zeigt eine besonders einfache und kostengünstige Variante der Erfindung. Bei dieser Ausgestaltung wird die Phasenverschiebung nach den Mischern 41 und 42 in beiden Signalzweigen 31 und 32 durchgeführt. Da die Frequenz des zu detektierten Seitenbandes fE mittels der geschlossenen Regelschleife 8 konstant gehalten wird, braucht die relative Phasenverschiebung um 90° in den Signalzweigen nur sehr schmalbandig realisiert zu werden. Deshalb kann dem Mischer 41 im einen Signalzweig 31 ein Tiefpassfilter 52 und dem Mischer 42 im anderen Signalzweig 32 ein Hochpassfilter 53 nachgeordnet werden. Tiefpassfilter 52 und Hochpassfilter 53 werden auf ihrer Resonanzfrequenz betrieben und liefern im ersten Signalzweig 31 eine Verschiebung um -π/4 und im anderen Signalzweig 32 eine Phasenverschiebung um +π/4. Die Tiefpass- und Hochpassfilter 52 und 53 können deshalb einfache RC- und CR-Glieder sein. Es sind aber auch höherwertige Hoch- und Tiefpässe, wie z. B. CL-Glieder einsetzbar. Fig. 3 shows a particularly simple and inexpensive variant of the invention. In this embodiment, the phase shift after mixers 41 and 42 is carried out in both signal branches 31 and 32 . Since the frequency of the side band f E to be detected is kept constant by means of the closed control loop 8 , the relative phase shift by 90 ° in the signal branches need only be realized in a very narrow band. Therefore, the mixer 41 in one signal branch 31 can be followed by a low-pass filter 52 and the mixer 42 in the other signal branch 32 can be followed by a high-pass filter 53 . Low-pass filter 52 and high-pass filter 53 are operated at their resonance frequency and deliver a shift by -π / 4 in the first signal branch 31 and a phase shift by + π / 4 in the other signal branch 32 . The low-pass and high-pass filters 52 and 53 can therefore be simple RC and CR elements. But there are also high-quality high and low passes, such. B. CL links can be used.

Für den Frequenzvergleich in der Regelschleife 8 zeigt Fig. 3 eine weitere vorteilhafte Ausführung, indem ein Quadrantenkomparator 86 zum Einsatz kommt. Dieser basiert darauf, dass er die Seitenbandfrequenz fE mit einem orthogonalen Frequenzsystem vergleicht, d. h. dass der Referenzoszillator 82 um 90° phasenverschobene Signale zur Verfügung stellt, die - in Rechteckfunktionen umgewandelt und additiv überlagert - Zustandsintervalle ergeben, bei denen nur die Änderung des Zustandsintervalls ein richtungsabhängiges Auf- oder Ab-Signal (auch: u/d = up/down) am Ausgang des Quadrantenkomparators 86 ergeben. Die u/d-Signale werden dann in einem Integrator in eine Ansteuerspannung für den VCO 84 umgewandelt (Dieses Frequenzvergleichssystem wurde bereits in der deutschen Patentschrift DE 197 42 608 ausführlich beschrieben, womit hierauf Bezug genommen wird.).For the frequency comparison in the control loop 8 Fig. 3 shows a further advantageous embodiment by a Quadrantenkomparator 86 is used. This is based on the fact that it compares the sideband frequency f E with an orthogonal frequency system, that is to say that the reference oscillator 82 provides signals which are phase-shifted by 90 ° and which, converted into rectangular functions and superimposed additively, result in state intervals in which only the change in the state interval occurs directional up or down signal (also: u / d = up / down) at the output of the quadrant comparator 86 . The u / d signals are then converted in an integrator into a control voltage for the VCO 84 (this frequency comparison system has already been described in detail in German patent DE 197 42 608, which is referred to here).

Die technisch sehr anspruchslose Ausführung der Phasenschiebeeinheit 5 in Form von Laufzeitketten, Verzögerungsleitungen und schließlich einfachen CR- und RC-Filtern bringt die Vorzüge der Erfindung besonders zum Tragen und garantiert trotzdem eine hochwirksame Einseitenbandunterdrückung. Dies ist nur deshalb möglich, weil die phasengleiche Frequenzbeimischung der Mischfrequenz fM stets die Änderungen der Dopplersignale kompensiert und somit in den beiden Signalzweigen 31 und 32 zu konstanten Frequenzverhältnissen für die (sonst so anfällige) relative 90°- Phasenverschiebung der dopplermodulierten Mischsignale führt, so dass die additive Einseitenbandunterdrückung vollständig durch additive Überlagerung erfolgen kann. The technically very undemanding design of the phase shifting unit 5 in the form of delay chains, delay lines and finally simple CR and RC filters brings the advantages of the invention to bear, and nevertheless guarantees highly effective single-sideband suppression. This is only possible because the in-phase frequency admixture of the mixed frequency f M always compensates for the changes in the Doppler signals and thus leads to constant frequency ratios in the two signal branches 31 and 32 for the (otherwise susceptible) relative 90 ° phase shift of the Doppler-modulated mixed signals, so that the additive single sideband suppression can be done completely by additive superposition.

Liste der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

11

Signaldetektor
signal detector

22

Phasenschieber
phase shifter

3131

, .

3232

Signalzweige
signal branches

4141

, .

4242

Mischer
mixer

55

Phasenschiebeeinheit
Phase shifter

5151

Phasenschieber
phase shifter

5252

Tiefpassfilter
Low Pass Filter

5353

Hochpassfilter
High Pass Filter

66

Summationsglied
Summation member

6161

Summationsverstärker
Summing amplifier

77

Bandpassfilter
Bandpass filter

88th

Regelschleife
control loop

8181

Phasendetektor
phase detector

8282

Referenzoszillator
reference oscillator

8383

Tiefpass
lowpass

8484

VCO
VCO

8585

PLL-Baustein
PLL block

8686

Quadrantendetektor
quadrant detector

8787

Integrator
integrator

99

Differenzbildner
fD
differentiator
f D

Dopplerfrequenz
fM
Doppler frequency
f M

Mischfrequenz
fE
mixing frequency
f E

Seitenbandfrequenz
fO
Sideband frequency
f O

Referenzfrequenz
reference frequency

Claims (14)

1. Verfahren zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen, bei dem unter Verwendung einer homodynen Laser-Doppler-Anordnung aus dem Detektorsignal durch Phasenverschiebung zwei um 90° phasenverschobene Dopplersignale erzeugt und in separaten Signalzweigen mit dem Signal eines spannungsgesteuerten Oszillators gemischt werden, wobei durch anschließende Summation der Signalzweige ein Seitenband des Doppler-modulierten Mischsignals unterdrückt und das verbleibende Seitenband in einer Regelschleife zum spannungsgesteuerten Oszillator zurückgeführt wird, so dass die Frequenz des verbliebenen Seitenbandes konstant gehalten wird und eine zur Dopplerfrequenz äquivalente Größe des Regelkreises zur Auswertung zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass
nach der Generierung der beiden um 90° phasenverschobenen Dopplersignale in zwei Signalzweigen (31; 32) eine Mischung der Dopplersignale mit phasengleichen Signalen der Mischfrequenz (fM) des spannungsgesteuerten Oszillators (84) erfolgt,
nach dieser Mischung eine relative Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden Signalzweigen (31; 32) generiert wird, bevor beide Signalzweige zum Extrahieren einer Seitenbandfrequenz (fE) additiv überlagert werden,
die Seitenbandfrequenz (fE) in einer Art PLL-Regelschleife auf die Mischer (41; 42) zurückgeführt wird, wobei die Seitenbandfrequenz mit einer Referenzfrequenz eines Referenzoszillators (82) verglichen und bei Abweichungen die vom (fO) spannungsgesteuerten Oszillator (84) gelieferte Mischfrequenz (fM) so nachgestimmt wird, dass die Seitenbandfrequenz (fE) konstant gehalten wird, und
durch Differenzbildung zwischen der vom spannungsgesteuerten Oszillator (84) erzeugten Mischfrequenz (fM) und der Referenzfrequenz (fO) die Dopplerfrequenz (fD) bestimmt wird.
1. Method for evaluating laser Doppler signals, in which, using a homodyne laser Doppler arrangement, two phase-shifted Doppler signals are generated from the detector signal by phase shifting and mixed in separate signal branches with the signal of a voltage-controlled oscillator, whereby subsequent summation of the signal branches suppressed sideband of the Doppler-modulated composite signal and the remaining sideband is fed back in a control loop to the voltage controlled oscillator so that the frequency of the remaining sideband is kept constant and equivalent to the Doppler frequency magnitude of the control loop is available for evaluation, characterized characterized that
after the generation of the two Doppler signals phase-shifted by 90 ° in two signal branches ( 31 ; 32 ), the Doppler signals are mixed with in-phase signals of the mixed frequency (f M ) of the voltage-controlled oscillator ( 84 ),
after this mixing, a relative phase shift of 90 ° is generated between the two signal branches ( 31 ; 32 ) before both signal branches are additively superimposed to extract a sideband frequency (f E ),
the sideband frequency (f E ) is fed back to the mixer ( 41 ; 42 ) in a kind of PLL control loop, the sideband frequency being compared with a reference frequency of a reference oscillator ( 82 ) and, in the event of deviations, the voltage-controlled oscillator ( 84 ) supplied by the (f O ) Mixing frequency (f M ) is tuned so that the sideband frequency (f E ) is kept constant, and
the Doppler frequency (f D ) is determined by forming the difference between the mixed frequency (f M ) generated by the voltage-controlled oscillator ( 84 ) and the reference frequency (f O ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden Signalzweigen (31; 32) durch 90°-Phasenverschiebung in einem Signalzweig realisiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the relative phase shift of 90 ° between the two signal branches ( 31 ; 32 ) is realized by 90 ° phase shift in a signal branch. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden Signalzweigen (31; 32) mittels je eines Phasenschiebers in jedem der Signalzweige realisiert wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the relative phase shift of 90 ° between the two signal branches ( 31 ; 32 ) is realized by means of a phase shifter in each of the signal branches. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenverschiebung von 90° zwischen den beiden Signalzweigen (31; 32) mittels -π/4-Phasenverschiebung in einem Signalzweig (31) und +π/4-Phasen­ verschiebung im zweiten Signalzweig (32) realisiert wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the relative phase shift of 90 ° between the two signal branches ( 31 ; 32 ) by means of -π / 4-phase shift in one signal branch ( 31 ) and + π / 4-phase shift in the second signal branch ( 32 ) is realized. 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalzweigen (31; 32) mittels einer Laufzeitverschiebung erzeugt wird.5. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the relative phase shift between the two signal branches ( 31 ; 32 ) is generated by means of a transit time shift. 6. Anordnung zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen mit einer homodynen Signalverarbeitungsschaltung, enthaltend einen Signaldetektor, dessen Ausgangssignal die Dopplerfrequenz enthält, einem dem Signaldetektor nachgeordneten Phasenschieber zur Erzeugung zweier Signalzweige des gelieferten Dopplersignals, wobei die Signalzweige zueinander um 90° phasenverschoben sind und je einen elektronischen Mischer aufweisen, und einem spannungsgesteuerten Oszillator (84) zur Erzeugung einer Mischfrequenz, die den in den Mischern zugeführt wird, einem Summationsglied (6) zum Summieren der Signale beider Signalzweige und Unterdrücken eines von zwei Seitenbändern sowie einer Regelschleife zum Konstanthalten der Frequenz des Seitenbandes mittels des spannungsgesteuerten Oszillators, dadurch gekennzeichnet, dass
die elektronischen Mischer (41; 42) in den beiden Signalzweigen (31; 32) mit phasengleichen Signalen des spannungsgesteuerten Oszillators (84) beschaltet sind,
in mindestens einem der beiden Signalzweige (31; 32) ein dem Mischer (41; 42) nachgeordneter Phasenschieber (51) zur Erzeugung einer relativen Phasenverschiebung von π/2 zwischen den beiden Signalzweigen (31; 32) angeordnet ist, wobei das Ausgangssignal des Summationsgliedes (6) nur eine von zwei in den Mischern (41; 42) erzeugten Seitenbandfrequenzen (fE) aufweist,
der Ausgang des Summationsgliedes (6) in eine Regelschleife (8), bestehend aus einem Phasendetektor (81), einem Referenzoszillator (82) als Vergleichsbasis für den Phasendetektor (81), und dem besagten spannungsgesteuerten Oszillator (84), eingebunden ist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (84) so steuerbar ist, dass mittels des den Mischern (41; 42) zugeführten Mischsignals (fM) die Dopplerfrequenzänderung kompensiert wird und das Ausgangssignal des Summationsverstärkers eine konstante Frequenz aufweist und
eine Auswerteeinheit (9) zum Extrahieren der Dopplerfrequenz (fD) als Differenz aus der aktuell vom spannungsgesteuerten Oszillator (84) gelieferten Mischfrequenz (fM) und der Referenzfrequenz (fO) des Referenzoszillators (82) vorhanden ist.
6.An arrangement for evaluating laser Doppler signals with a homodyne signal processing circuit, comprising a signal detector whose output signal contains the Doppler frequency, a phase shifter downstream of the signal detector for generating two signal branches of the supplied Doppler signal, the signal branches being phase-shifted from one another by 90 ° and each have an electronic mixer, and a voltage-controlled oscillator ( 84 ) for generating a mixing frequency which is supplied to the mixers, a summing element ( 6 ) for summing the signals of both signal branches and suppressing one of two sidebands and a control loop for keeping the frequency of the Sideband by means of the voltage controlled oscillator, characterized in that
the electronic mixers ( 41 ; 42 ) in the two signal branches ( 31 ; 32 ) are connected to in-phase signals from the voltage-controlled oscillator ( 84 ),
In at least one of the two signal branches ( 31 ; 32 ), a phase shifter ( 51 ) arranged downstream of the mixer ( 41 ; 42 ) for generating a relative phase shift of π / 2 is arranged between the two signal branches ( 31 ; 32 ), the output signal of the summation element ( 6 ) has only one of two sideband frequencies (f E ) generated in the mixers ( 41 ; 42 ),
the output of the summation element ( 6 ) is integrated in a control loop ( 8 ), consisting of a phase detector ( 81 ), a reference oscillator ( 82 ) as a basis for comparison for the phase detector ( 81 ), and said voltage-controlled oscillator ( 84 ), the voltage-controlled oscillator ( 84 ) can be controlled in such a way that the Doppler frequency change is compensated for by means of the mixed signal (f M ) supplied to the mixers ( 41 ; 42 ) and the output signal of the summation amplifier has a constant frequency and
there is an evaluation unit ( 9 ) for extracting the Doppler frequency (f D ) as the difference between the mixed frequency (f M ) currently supplied by the voltage-controlled oscillator ( 84 ) and the reference frequency (f O ) of the reference oscillator ( 82 ).
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Signalzweige (31; 32) ein π/2-Phasenschieber (51) vorhanden ist.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that in one of the signal branches ( 31 ; 32 ) there is a π / 2 phase shifter ( 51 ). 8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Signalzweige ein π/4-Phasenschieber (52; 53) mit unterschiedlichen Vorzeichen der Verschiebung vorhanden ist.8. Arrangement according to claim 6, characterized in that in each of the signal branches there is a π / 4 phase shifter ( 52 ; 53 ) with different signs of the shift. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Signalzweig (31) ein Tiefpassfilter (52) und im anderen Signalzweig (32) ein Hochpassfilter (53) angeordnet ist.9. Arrangement according to claim 8, characterized in that a low-pass filter ( 52 ) is arranged in a signal branch ( 31 ) and a high-pass filter ( 53 ) is arranged in the other signal branch ( 32 ). 10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der Signalzweige (31; 32) eine elektronische Laufzeitkette angeordnet ist.10. The arrangement according to claim 6, characterized in that an electronic runtime chain is arranged in at least one of the signal branches ( 31 ; 32 ). 11. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur π/2-Phasenverschiebung in wenigstens einem der Signalzweige (31; 32) ein laufzeitverzögerndes Kabel angeordnet ist.11. The arrangement according to claim 6, characterized in that for delaying the π / 2 phase in at least one of the signal branches ( 31 ; 32 ) a delayed cable is arranged. 12. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Regelschleife (8) zwischen dem Ausgang des Summationsverstärkers (6) und den Mischern (41; 42) ein PLL-Baustein (85) eingesetzt ist, wobei der Ausgang des internen spannungsgesteuerten Oszillators (84) jedoch auf die Mischer (41; 42) der Signalzweige (31; 32) geführt und der somit freie Eingang des Phasendetektors (81) mit dem Referenzoszillator (82) beschaltet ist.12. The arrangement according to claim 6, characterized in that in the control loop ( 8 ) between the output of the summation amplifier ( 6 ) and the mixers ( 41 ; 42 ), a PLL module ( 85 ) is used, the output of the internal voltage-controlled oscillator ( 84 ), however, led to the mixer ( 41 ; 42 ) of the signal branches ( 31 ; 32 ) and the free input of the phase detector ( 81 ) is connected to the reference oscillator ( 82 ). 13. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regelschleife (8) zum Frequenzvergleich ein Phasendetektor (81), dem ein Tiefpass (83) folgt, eingesetzt ist.13. The arrangement according to claim 6, characterized in that a phase detector ( 81 ), which is followed by a low-pass filter ( 83 ), is used in the control loop ( 8 ) for frequency comparison. 14. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regelschleife (8) zum Frequenzvergleich ein Quadrantendetektor (86), dem ein Integrator (87) nachgeordnet ist, eingesetzt ist, wobei der Referenzoszillator (82) ein orthogonales Frequenzsystem zur Verfügung stellt.14. Arrangement according to claim 6, characterized in that a quadrant detector ( 86 ), which is followed by an integrator ( 87 ), is used in the control loop ( 8 ) for frequency comparison, the reference oscillator ( 82 ) providing an orthogonal frequency system.
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