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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung unter Verwendung optischer Methoden.
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Die Messung einer Geschwindigkeit eines Objekts hat zahlreiche Anwendungen, beispielsweise bei der Bestimmung von Fahrzeuggeschwindigkeiten. Auch zahlreiche industrielle Anwendungen erfordern eine möglichst genaue Bestimmung von Geschwindigkeiten, beispielsweise im Kontext industrieller Messverfahren, bei denen Vorhersagen für zukünftige Objektpositionen basierend auf gemessenen Objektgeschwindigkeiten getroffen werden, oder Prozesse mittels Geschwindigkeitsmessungen überwacht werden. Häufig ist es wünschenswert, Geschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit zu ermitteln.
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Ein herkömmliches Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung beruht auf der Verwendung von Lichtschranken. Dabei müssen jedoch die relevanten Raumbereiche, in denen Geschwindigkeiten gemessen werden sollen, mit Lichtschranken bestückt werden. Darüber hinaus ist das Verfahren nur geeignet, Durchschnittsgeschwindigkeiten für Wegabschnitte zwischen Lichtschranken zu ermitteln. Hingegen ist gerade bei Anwendungen, bei denen hohe Beschleunigungen auftreten und/oder eine Vorhersage über eine zukünftige Objektposition mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden soll, die Ermittlung von Momentangeschwindigkeiten wünschenswert.
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Bei weiteren Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung wird eine Dopplerverschiebung ermittelt. So beschreibt die
US 3,409,369 eine Geschwindigkeitsmessung unter Verwendung einer Schwebung, die aus der kohärenten Überlagerung von zwei Lichtstrahlen resultiert. Die
US 3,825,341 beschreibt ein Doppler-Radar, bei dem eine Mehrzahl von Signalen mit Frequenzen, die sich jeweils um eine fixe Frequenzdifferenz unterscheiden, reflektiert und die reflektierten Signale kohärent überlagert werden. Die Dopplerverschiebung wird für eine Schwebungsfrequenz bestimmt, die dem minimalen Frequenzabstand zwischen Signalen entspricht.
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Eine Geschwindigkeitsmessung kann auch auf der mehrfachen Distanzmessung, beispielsweise durch Laufzeitmessung für Lichtpulse, wie sie beim LIDAR-Verfahren (Light Detection and Ranging) in Geschwindigkeitsmesspistolen eingesetzt wird, und der anschließenden Berechnung der Geschwindigkeit aus den gemessenen Distanzen beruhen. Die genaue Messung von Geschwindigkeiten erfordert jedoch auch die genaue Messung von Distanzen. Laserweglängenmessgeräte erlauben die Bestimmung von Distanzen. In K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von Frequenzkämmen unter Laborbedingungen beschrieben.
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Die
WO 99/13356 A2 offenbart ein opto-elektronisches Messverfahren zur Abstandsbestimmung, das Bursts von Impulspaketen verwendet und bei dem eine Phasenverschiebung zwischen einer Sende-Impulsfolgefrequenz und einer Abtastfrequenz eingestellt wird. Die
US 2004/0135992 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem unter Verwendung gepulster Lichtstrahlung ein Abstand bestimmt und aus mehreren bestimmten Abständen eine Geschwindigkeit abgeleitet wird.
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Die
DE 100 44 690 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Entfernungen und Geschwindigkeiten unter Einsatz von Laserpulsen. Die Laserpulse werden nach Reflexion an einem Objekt mit einem Fotodetektor erfasst, und das Ausgangssignal des Fotodetektors wird einem schmalbandigen Verstärker-Filter zugeführt. Die Geschwindigkeit wird bestimmt, indem eine Dopplerverschiebung bei der Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen ermittelt wird.
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Die
DE 41 15 552 A1 offenbart ein Lasermesssystem zur Messung physikalischer Messgrößen, auch zur Geschwindigkeitsmessung, bei dem ein Laserstrahl aus einer Laserlichtquelle vielfach auf dieselbe Messstrecke angesetzt wird, so dass sich die Lichtverzögerungszeiten aufaddieren. Das Verfahren kann als Reflexionsverfahren oder als Einfachverfahren ausgebildet sein.
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Die
US 4 856 893 A offenbart ein Messsystem und Messverfahren, bei dem ein gepulster Laser verwendet wird, um eine Abschätzung für eine Entfernung zu ermitteln, und bei dem ein Interferenzsignal eines Dauerstrichlasers verwendet wird, um die Abschätzung zu verfeinern. Eine Doppler-Frequenzverschiebung für den Dauerstrichlaser kann bestimmt und integriert werden.
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Verfahren, bei denen die Geschwindigkeit basierend auf Abstandsmessungen ermittelt wird, erfordern die Durchführung von wenigstens zwei Abstandsmessungen zur Ermittlung eines Geschwindigkeitswerts. Bei hochdynamischen Prozessen, bei denen rasche Geschwindigkeitsänderungen auftreten, können Momentangeschwindigkeiten nicht immer zuverlässig ermittelt werden. Die Bestimmung von Beschleunigungen erfordert die zweifache Ableitung der ermittelten Abstandswerte. Die so bestimmten Beschleunigungswerte können mit einer signifikanten Unsicherheit behaftet sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren anzugeben, die bzw. das die Ermittlung von Geschwindigkeiten, insbesondere Momentangeschwindigkeiten, erlaubt und auch für kleine Geschwindigkeiten zufriedenstellende Messergebnisse liefert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Vorrichtungen und Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.
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Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Aspekten verwenden die Übertragung einer Folge von Lichtpulsen. Bei Lichtpulsdauern, die im Vergleich zur inversen Repetitionsrate kurz sind, weist die Intensität der Folge von Lichtpulsen im Frequenzraum Peaks bei Frequenzen auf, die Vielfache der Repetitionsrate sind. Entsprechend weist die Folge von Lichtpulsen Signalkomponenten mit Frequenzen auf, die Vielfache der Repetitionsrate sind.
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Bei den Vorrichtungen und Verfahren nach den verschiedenen Aspekten wird eine Dopplerverschiebung einer Signalkomponente bestimmt, die mit einer Frequenz erzeugt wird, die ein vorgegebenes Vielfaches der Repetitionsrate ist. Im Vergleich zur Dopplerverschiebung für eine Signalkomponente, die mit der Grundfrequenz, d. h. der Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen erzeugt wird, weist die Dopplerverschiebung für die Oberwelle mit der vielfachen Frequenz einen größeren Wert auf, so dass auch kleinere Geschwindigkeiten gut bestimmbar sind. Als Signalkomponente wird hier insbesondere eine Spektralkomponente des entsprechenden Signals, d. h. der Lichtintensität als Funktion der Zeit, verstanden.
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Das vorgegebene Vielfache der Repetitionsrate, d. h. diejenige Signalkomponente der Folge von Lichtpulsen, für die die Dopplerverschiebung bestimmt wird, kann benutzerdefiniert in Abhängigkeit von erwarteten Geschwindigkeiten, Parametern der verfügbaren Lichtquelle, insbesondere der verfügbaren Lichtpulsdauern und Repetitionsraten, und der Leistungscharakteristik der verfügbaren Signalverarbeitungskomponenten gewählt werden.
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Eine Vorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit eines Objekts nach einem Aspekt umfasst eine Lichtquelle, einen Detektor und eine Auswerteeinrichtung. Die Lichtquelle erzeugt im Betrieb der Vorrichtung eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate. Die Lichtintensität der erzeugten Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit weist eine Signalkomponente mit einer Frequenz auf, die einem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Die Folge von Lichtpulsen wird auf das Objekt gestrahlt. Der Detektor erfasst ein Lichtsignal, das einen an dem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Anteil der Folge von Lichtpulsen aufweist. Insbesondere umfasst das von dem Detektor erfasste Signal auch die an dem Objekt reflektierte und/oder gestreute Signalkomponente. Bei einer Bewegung des Objekts relativ zu der Lichtquelle und dem Detektor weist die erfasste reflektierte und/oder gestreute Signalkomponente eine geschwindigkeitsabhängige Dopplerverschiebung relativ zu dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate, d. h. ihrer ursprünglichen Frequenz auf. Die Auswerteeinrichtung ist mit dem Detektor gekoppelt, um die Geschwindigkeit des Objekts basierend auf der Frequenz der von dem Detektor erfassten reflektierten und/oder gestreuten Signalkomponente zu bestimmen.
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Da die Dopplerverschiebung nicht für die mit der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente der erzeugten Folge von Lichtpulsen, sondern für eine Oberwelle bestimmt wird, ergeben sich größere Werte für die Dopplerverschiebung. Da Frequenzen bzw. Frequenzunterschiede über große Frequenzbereiche mit hoher Genauigkeit bestimmbar sind, ist die Vorrichtung eingerichtet, um eine Geschwindigkeitsmessung mit einem großen Dynamikbereich bereitzustellen.
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Um die Frequenzverschiebung der reflektierten und/oder gestreuten Signalkomponente zu ermitteln, wird die reflektierte und/oder gestreute Signalkomponente durch Filterung des von dem Detektor erfassten Lichtsignals bestimmt. Dazu umfasst die Auswerteeinrichtung ein Filter, das eingangsseitig mit dem Detektor gekoppelt ist. Das Filter ist derart eingerichtet, dass das vorgegebene Vielfache der Repetitionsrate durch das Filter übertragen wird. Das Filter kann insbesondere einen Durchlassbereich aufweisen, in dem das vorgegebene Vielfache der Repetitionsrate, nicht aber die dazu benachbarten Vielfachen der Repetitionsrate liegen. Als Durchlassbereich des Filters wird hierbei das Frequenzintervall bezeichnet, in dem Signale von dem Filter nicht signifikant abgeschwächt werden. Die Transferfunktion des Filters kann somit bei dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate einen Wert aufweisen, der viel größer als bei den benachbarten Vielfachen der Repetitionsrate ist. Der Durchlassbereich des Filters kann eine Breite aufweisen, die kleiner als die Repetitionsrate ist.
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Der Filter kann auch einen Durchlassbereich aufweisen, in dem mehrere Vielfache der Repetitionsrate liegen. Ein Ausgangssignal des Filters kann an einen Mischer bereitgestellt werden, und ein Ausgangssignal des Mischers kann tiefpassgefiltert werden, um die Geschwindigkeit zu bestimmen.
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Die Auswerteeinrichtung bestimmt die Geschwindigkeit des Objekts basierend auf einem Frequenzunterschied zwischen der Frequenz der erfassten reflektierten und/oder gestreuten Signalkomponente bzw. dem gefilterten Ausgangssignal des Detektors und dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate. Die Auswerteeinrichtung kann einen Frequenzmischer umfassen, der das Ausgangssignal des Detektors mit einem Referenzsignal mischt, dessen Frequenz das vorgegebene Vielfache der Repetitionsrate ist, um ein gemischtes Signal mit einer niederfrequenten Komponente bereitzustellen, deren Frequenz gleich der zu bestimmenden Dopplerverschiebung ist. Das Referenzsignal kann von einem Referenzsignaldetektor bereitgestellt werden, der einen Teilstrahl der Folge von Lichtpulsen vor der Reflexion an dem Objekt erfasst. Zur quantitativen Auswertung des niederfrequenten Ausgangssignals des Frequenzmischers kann ein Frequenzzähler verwendet werden. Das niederfrequente Ausgangssignal des Frequenzmischers kann auch abgetastet und in einem Zwischenspeicher abgelegt werden. Durch weitere digitale Signalverarbeitung kann dann die Dopplerverschiebung ermittelt werden, beispielsweise indem aus den abgelegten Daten eine Periodendauer ermittelt wird, oder indem eine Sinusfunktion an die abgelegten Daten gefittet wird.
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Die Vorrichtung kann weiterhin einen Reflektor zum Reflektieren der Folge von Lichtpulsen umfassen, der im Gebrauch der Vorrichtung an dem Objekt angebracht wird. Der Reflektor kann diffus streuend sein, so dass es nicht erforderlich ist, einen bestimmten maximalen Einfallswinkel gegenüber der Oberfläche einzuhalten. Die Folge von Lichtpulsen kann auch von der Oberfläche des Objekts selbst reflektiert und/oder gestreut werden.
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Die Lichtquelle kann einen Kurzpulslaser umfassen, der beispielsweise elektrisch oder optisch gepumpt sein kann. Es kann jedoch auch jede andere geeignete Signalquelle verwendet werden, die in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit ein optisches Signal auszugeben, das eine Grundfrequenz und stark ausgeprägte Oberwellen, d. h. hohe Harmonische der Grundfrequenz aufweist.
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Die Vorrichtung misst Geschwindigkeiten basierend auf der Dopplerverschiebung einer Signalkomponente, deren Frequenz ein Vielfaches der Repetitionsrate ist. Durch Differenzieren bzw. Integrieren der so bestimmten Geschwindigkeit kann eine Beschleunigung bzw. eine Position des Objekts bestimmt werden.
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Bei einem Verfahren zum Messen einer Geschwindigkeit eines Objekts wird eine Folge von Lichtpulsen auf das Objekt gelenkt. Die Folge von Lichtpulsen weist wiederum eine Repetitionsrate auf, und eine Intensität der Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit weist eine Signalkomponente mit einer Frequenz auf, die einem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Ein von dem Objekt reflektierter und/oder gestreuter Anteil der Folge von Lichtpulsen, der die von dem Objekt reflektierte und/oder gestreute Signalkomponente umfasst, wird als Messsignal erfasst. Die Geschwindigkeit des Objekts wird basierend auf einem Frequenzunterschied zwischen der Frequenz der erfassten reflektierten und/oder gestreuten Signalkomponente und dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate bestimmt.
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Das Verfahren verwendet die Dopplerverschiebung einer Signalkomponente zur Geschwindigkeitsbestimmung, die mit einer Frequenz erzeugt wird, die ein Vielfaches der Repetitionsrate ist. Wie oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung zur Geschwindigkeitsbestimmung beschrieben wurde, kann bei dem Verfahren eine Geschwindigkeitsmessung auch für kleine Geschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
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Um die Dopplerverschiebung der Signalkomponente zu bestimmen, wird das Messsignal gefiltert.
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Wenn sich das Objekt nicht parallel oder antiparallel zum Wellenvektor der auf das Objekt gestrahlten Folge von Lichtpulsen bewegt, kann bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Objekts weiterhin ein Winkel zwischen einer Bewegungsrichtung des Objekts und dem Wellenvektor der Folge von Lichtpulsen berücksichtigt werden.
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Eine Geschwindigkeitsmessung basierend auf der Dopplerverschiebung einer Signalkomponente, die mit einer Frequenz erzeugt wird, die ein Vielfaches der Repetitionsrate einer Folge von Lichtpulsen ist, kann auch in Anordnungen vorgenommen werden, in denen die Folge von Lichtpulsen nicht an dem Objekt reflektiert werden muss. Beispielsweise kann die Dopplerverschiebung der Signalkomponente bestimmt werden, wenn die Folge von Lichtpulsen von einer Lichtquelle auf einen Fotodetektor eingestrahlt wird, wobei entweder die Lichtquelle oder der Fotodetektor an dem Objekt angebracht ist.
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Entsprechend umfasst eine Vorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit eines Objekts nach einem weiteren Aspekt eine Lichtquelle, einen Detektor und eine Auswerteeinrichtung. Im Betrieb der Vorrichtung ist die Lichtquelle oder der Detektor an dem Objekt angebracht, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll. Die Lichtquelle erzeugt im Betrieb der Vorrichtung eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate. Die Lichtintensität der erzeugten Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit weist eine Signalkomponente mit einer Frequenz auf, die einem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Der Detektor erfasst die Folge von Lichtpulsen, die die Signalkomponente umfasst. Wenn sich das Objekt bewegt, ist eine Frequenz der Signalkomponente, wie sie von dem Detektor erfasst wird, relativ zu dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate dopplerverschoben. Die Auswerteeinrichtung bestimmt die Geschwindigkeit des Objekts basierend auf einem Frequenzunterschied zwischen der Frequenz der von dem Detektor erfassten Signalkomponente und dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate. Die Auswerteeinrichtung weist ein mit dem Detektor gekoppeltes Filter auf, dessen Durchlassbereich das vorgegebene Vielfache der Repetitionsrate umfasst.
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Verschiedene Ausgestaltungen der Vorrichtung sind zur Bestimmung der Geschwindigkeit möglich. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, um die Geschwindigkeit des Objekts basierend auf einem Frequenzunterschied zwischen der Frequenz der erfassten Signalkomponente und dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate zu bestimmen.
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Bei anderen Ausgestaltungen ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass an zwei Detektoren die Signalkomponente mit jeweils entgegengesetzter Dopplerverschiebung erfasst wird. Die Geschwindigkeit kann dann aus dem Frequenzunterschied der beiden erfassten Signalkomponenten bestimmt werden. Um die Signalkomponenten mit entgegengesetzten Dopplerverschiebungen zu erfassen, kann die Folge von Lichtpulsen in zwei im Wesentlichen gegenläufigen Lichtstrahlen auf entgegengesetzte Seiten des Objekts eingestrahlt und dort erfasst werden. Bei einer anderen Ausgestaltung kann die Folge von Lichtpulsen in zwei im Wesentlichen gegenläufigen Lichtstrahlen an entgegengesetzten Seiten des Objekts abgestrahlt und von ortsfesten Fotodetektoren erfasst werden. Um die Folge von Lichtpulsen in zwei im Wesentlichen gegenläufigen Lichtstrahlen auf das Objekt einzustrahlen oder von dem Objekt auszustrahlen kann eine einzige Lichtquelle in Kombination mit einem Strahlteiler und einer Ablenkoptik verwendet werden.
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Die Bestimmung der Dopplerverschiebung kann durch Filterung und Mischen der von den beiden Fotodetektoren ausgegebenen Signale erfolgen.
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Die Lichtquelle kann einen Kurzpulslaser umfassen. Die Vorrichtung kann auch ausgestaltet sein, um aus der bestimmten Geschwindigkeit des Objekts eine Position und/oder eine Beschleunigung des Objekts zu bestimmen.
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Bei einem Verfahren zum Messen einer Geschwindigkeit eines Objekts nach einem weiteren Aspekt wird eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt. Eine Intensität der erzeugten Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit weist eine Signalkomponente mit einer Frequenz auf, die einem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Die Folge von Lichtpulsen wird zwischen dem Objekt und einer Referenzposition übertragen. Bei der Referenzposition kann es sich um die Position eines Fotodetektors oder einer Lichtquelle handeln. Die übertragene Folge von Lichtpulsen, die die übertragene Signalkomponente umfasst, wird erfasst und das erfasste Messsignal wird gefiltert. Da die Folge von Lichtpulsen zwischen dem Objekt und der Referenzposition übertragen wurde, ist die Frequenz der übertragenen Signalkomponente relativ zu dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate dopplerverschoben, wenn sich das Objekt relativ zu der Referenzposition bewegt. Die Geschwindigkeit des Objekts wird basierend auf dem Frequenzunterschied bestimmt.
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Die Übertragung der Folge von Lichtpulsen zwischen Objekt und Referenzposition kann dabei in jeder der zwei möglichen Richtungen erfolgen. Insbesondere kann die Folge von Lichtpulsen von der Referenzposition auf das Objekt eingestrahlt werden, oder die Folge von Lichtpulsen kann von dem Objekt zu der Referenzposition hin abgestrahlt werden.
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Die Geschwindigkeitsbestimmung kann auch erfolgen, indem mehrere von den Detektoren erfasste übertragene Signalkomponenten, die jeweils mit dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate erzeugt werden und die mit im Wesentlichen entgegengesetzten Wellenvektoren auf das Objekt auftreffen bzw. von dem Objekt abgestrahlt werden, gemischt werden.
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Wenn sich das Objekt nicht parallel oder antiparallel zum Wellenvektor der Folge von Lichtpulsen bewegt, kann bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Objekts weiterhin ein Winkel zwischen einer Bewegungsrichtung des Objekts und dem Wellenvektor der Folge von Lichtpulsen berücksichtigt werden.
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Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zur Geschwindigkeitsmessung eingesetzt werden. Beispielhafte Anwendungsfelder sind Geschwindigkeitsmesspistolen oder die Geschwindigkeitsbestimmung zur Vorhersage von Bewegungsbahnen, beispielsweise in industriellen Anlagen. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
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2A zeigt beispielhaft eine Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit, und 2B zeigt schematisch ein Fourier-Spektrum der Folge von Lichtpulsen von 2A.
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3 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung, die bei den Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann.
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4 zeigt beispielhafte Eingangssignale der Auswerteeinrichtung von 3.
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5 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Filterung von Signalen in der Auswerteeinrichtung von 3.
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6–10 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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11 illustriert eine Bewegung eines Objekts, die nicht parallel zu einem Lichtwellenvektor ist.
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12 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Geschwindigkeitsmessung. Beispielhaft ist ein Objekt 8 und ein Geschwindigkeitsvektor 9 des Objekts 8 dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 2, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, zwei Fotodetektoren 3, 4 und eine Auswerteeinrichtung 5. Eingänge der Auswerteeinrichtung 5 sind mit den Fotodetektoren 3, 4 gekoppelt, um von den Fotodetektoren erfasste Signale zu empfangen. Bei der Vorrichtung 1 sind die Lichtquelle 2, die Fotodetektoren 3, 4 und die Auswerteeinrichtung 5 ortsfest angeordnet, während das Objekt 8 beweglich ist.
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Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Strahlteiler 6, mit dem ein Anteil der von der Lichtquelle 2 erzeugten Folge von Lichtpulsen in einem Lichtstrahl 11 zu dem Fotodetektor 3 gelenkt wird, und einen an dem Objekt 8 angebrachten Reflektor 7.
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Die von der Lichtquelle 2 erzeugte Folge von Lichtpulsen wird in einem Lichtstrahl 10 auf den Strahlteiler 6 gestrahlt. Der Strahlteiler 6 koppelt einen Anteil der Folge von Lichtpulsen als Teilstrahl 11 zu dem Fotodetektor 3 aus und transmittiert einen weiteren Anteil der Folge von Lichtpulsen als Teilstrahl 12 in Richtung des Objekts 8. Aus Gründen der Einfachheit wird hier sowohl das Signal, das von dem Strahlteiler 6 in dem Teilstrahl 11 in Richtung des Fotodetektors 3 gelenkt wird, als auch das Signal, das von dem Strahlteiler 6 in dem Teilstrahl 12 in Richtung des Objekts 8 transmittiert wird, als Folge von Lichtpulsen bezeichnet, obwohl in jedem Teilstrahl 11, 12 nur ein Anteil der Intensität jedes Lichtpulses geführt wird.
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Die Folge von Lichtpulsen in dem Teilstrahl 12 wird an dem Objekt 8 von dem Reflektor 7 reflektiert. Ein reflektierter Anteil der Folge von Lichtpulsen propagiert als Lichtstrahl 13 zurück zu dem Strahlteiler 6, wobei der Lichtstrahl 13 im Wesentlichen demselben Pfad wie der entgegengesetzt propagierende Lichtstrahl 12 folgt und in 1 nur aus Gründen der Übersichtlichkeit versetzt zu dem Lichtstrahl 12 dargestellt ist. Von dem Strahlteiler 6 wird die reflektierte Folge von Lichtpulsen in dem Lichtstrahl 13 zu dem Fotodetektor 4 gelenkt.
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Während unter Bezugnahme auf 1 die Funktionsweise der Vorrichtung 1 beispielhaft für den Fall erläutert wird, dass der Teilstrahl 12 an dem Objekt 8 reflektiert wird, kann die Geschwindigkeit des Objekts 8 von der Vorrichtung 1 ebenso bestimmt werden, wenn der Teilstrahl 12 an dem Objekt 8 gestreut wird. Während bei der Vorrichtung 1 eine Anordnung gezeigt ist, bei der der auf das Objekt einfallende Teilstrahl 12 und der von dem Objekt ausgehende Teilstrahl 13 im Wesentlichen entlang desselben Lichtpfads verlaufen, ist die Vorrichtung 1 ebenso einsetzbar, wenn die Lichtpfade des eingehenden und ausgehenden Teilstrahls 12 bzw. 13 nicht zusammenfallen, sondern einen Winkel einschließen. Der Einfluss des Zwischenwinkels auf die Dopplerverschiebung wird dabei auf bekannte Weise berücksichtigt.
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Die Fotodetektoren 3, 4 setzen die auf sie in dem Lichtstrahl 11 einfallende Folge von Lichtpulsen bzw. die in dem Lichtstrahl 13 einfallende reflektierte Folge von Lichtpulsen in elektrische Signale 14, 15 um, die der einfallenden Lichtenergie als Funktion der Zeit entsprechen und die an den Signaleingängen der Auswerteeinrichtung 5 bereitgestellt werden. Das von dem Fotodetektor 3 ausgegebene Signal 14 repräsentiert die Folge von Lichtpulsen, wie sie von der Lichtquelle 2 erzeugt wurde, mit einer durch die optische Weglänge von der Lichtquelle 2 zu dem Fotodetektor 3 bedingten Phasenverschiebung. Das von dem Fotodetektor 4 ausgegebene Signal 5 repräsentiert die an dem Objekt 8 reflektierte Folge von Lichtpulsen. Eine Bewegung des Objekts 8 mit einer Geschwindigkeit 9 führt in der Zeitdomäne zu einer Änderung des Pulsabstands und zu einer Dopplerverschiebung der in der Folge von Lichtpulsen enthaltenen Signalkomponenten.
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Die Auswerteeinrichtung 5 ermittelt die Geschwindigkeit des Objekts 8 basierend auf der Dopplerverschiebung einer Signalkomponente, die von der Lichtquelle mit einer Frequenz erzeugt wird, die ein Vielfaches der Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen ist.
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Die Lichtquelle 2 und die Auswerteeinrichtung 5 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 2–5 näher erläutert.
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Die Lichtquelle 2 der Vorrichtung 1 erzeugt ein optisches Signal, dessen Intensität mit einer periodischen Funktion moduliert ist, wobei die Modulation eine Grundfrequenz f0 sowie ausgeprägte Anteile von Oberwellen der Grundfrequenz f0, d. h. ausgeprägte Signalkomponenten mit Frequenzen aufweist, die Vielfache von f0 sind. Ein solches Signal wird beispielsweise durch einen Kurzpulslaser erzeugt, der eine Folge von Lichtpulsen in einem wohldefinierten zeitlichen Abstand T0 = 1/f0, d. h. mit einer Repetitionsrate f0, erzeugt, wobei die Dauer jedes Lichtpulses kurz ist im Vergleich zum zeitlichen Abstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen.
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2A zeigt beispielhaft eine derartige Folge 21 kurzer Lichtpulse, wobei die Ausgangsleistung P der Lichtquelle 2 als Funktion der Zeit t dargestellt ist. Der Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet, während die Dauer jedes Lichtpulses mit dem Bezugszeichen 23 angedeutet ist. Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung 1·10–5. Bei der Vorrichtung 1 können die Repetitionsrate f0 und die Zeitdauer jedes Pulses geeignet in Abhängigkeit von einer gewünschten Messgenauigkeit bei der Geschwindigkeitsmessung, von erwarteten Geschwindigkeiten, von den Hochfrequenzbauteilen der Auswerteeinrichtung 5 und dergleichen gewählt werden. Soll zur Bestimmung der Dopplerverschiebung die n-te Oberwelle mit einer Frequenz von n·f0 verwendet werden, werden die Dauer jedes Lichtpulses und der Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen so gewählt, dass die von der Lichtquelle 2 ausgegebene Folge von Lichtpulsen noch ein für eine Frequenzmessung ausreichendes spektrales Gewicht bei der Frequenz n·f0 aufweist. Auch wenn in 2A beispielhaft eine Folge von Rechteckspulsen dargestellt ist, können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat einer hyperbolischen Secansfunktion oder eine Gaussfunktion.
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2B zeigt beispielhaft ein Frequenzspektrum 25 einer Folge von Lichtpulsen, die mit einer Repetitionsrate f0 erzeugt werden, wobei die Dauer jedes Lichtpulses kurz im Vergleich zu T0 = 1/f0 ist. Das Frequenzspektrum 25 weist eine Anzahl von Peaks mit einem konstanten Frequenzabstand f0 auf, der bei dem Bezugszeichen 26 schematisch angedeutet ist. Das spektrale Gewicht der einzelnen Peaks nimmt zu höheren Frequenzen hin ab, wobei die Stärke des Abfalls durch das Verhältnis von Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen und Lichtpulsdauer bestimmt ist. Diese Größen sind bei der Lichtquelle 2 der Vorrichtung 1 so gewählt, dass das spektrale Gewicht der Frequenzkomponente 27 mit Frequenz n·f0, deren Dopplerverschiebung als Basis für die Geschwindigkeitsmessung dient, ausreichend hoch für die Durchführung von Frequenzmessungen ist.
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Eine Folge von Lichtpulsen, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist, kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z. B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 2 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 2 verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle 2 liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert). Um eine höhere Stabilität der Repetitionsrate des Lasers zu erreichen, kann diese auch noch an ein Zeitnormal, beispielsweise das DCF 77, angekoppelt werden.
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Wiederum auf 1 Bezug nehmend, wird bei der Vorrichtung 1 von 1 die von der Lichtquelle 2 erzeugte Folge von Lichtpulsen von dem Fotodetektor 3 und die von dem Objekt 8 reflektierte Folge von Lichtpulsen von dem Fotodetektor 4 erfasst.
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Die in der erzeugten Folge von Lichtpulsen enthaltenen Signalkomponenten mit Frequenzen fi = i·f0 werden durch die Reflexion zu Frequenzen fi' dopplerverschoben. Bewegt sich das Objekt 8 mit einer Geschwindigkeit v entgegen dem Wellenvektor des Lichtstrahls 12, ist fi' = fi(1 + 2v / c)
= i·f0·(1 + 2v / c), (1) wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Der Faktor zwei auf der rechten Seite von Gleichung (1) berücksichtigt, dass eine Verschiebung des Objekts 8 um eine Strecke Δs zu einer Änderung der optischen Weglänge um 2·Δs führt.
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Die Dopplerverschiebung der Signalkomponente, die in der von der Lichtquelle
2 erzeugten Folge von Lichtpulsen die Frequenz f
i = i·f0 aufweist, ist
fi (D) = fi' – fi = i·f0· 2v / c (2) und nimmt für eine gegebene Geschwindigkeit v linear mit i zu. Durch Auflösen von Gleichung (2) nach v kann aus der gemessenen Dopplerverschiebung gemäß
die Geschwindigkeit v des Objekts
8 berechnet werden.
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Bei den Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Signalkomponente mit i = n > 1, typischerweise n >> 1 gewählt, um die Dopplerverschiebung zu bestimmen. Bei vorgegebener Messgenauigkeit für Frequenzen bzw. Frequenzunterschiede führt eine derartige Wahl von i gemäß Gleichung (2) zu einer größeren Dopplerverschiebung, so dass die mit kleineren Geschwindigkeiten verknüpfte Dopplerverschiebung besser detektierbar ist. Die Signalkomponente, für die die Dopplerverschiebung bestimmt wird, wird so gewählt, dass sie eine möglichst hohe Frequenz aufweist, bei der die Folge von Lichtpulsen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht hat und die eine Signalverarbeitung durch die Hochfrequenzbauteile der Auswerteeinrichtung 5 erlaubt.
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Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass f0 = 100 MHz. Für i = 700 ist die Dopplerverschiebung nach Gleichung (2) gegeben durch 467·v[m/s] Hz. Für v = 0,001 m/s ist beispielsweise die Dopplerverschiebung 0,467 Hz. Für v = 1 m/s ist die Dopplerverschiebung 467 Hz. Für v = 1000 m/s ist die Dopplerverschiebung 467 kHz. Für Frequenzen im Bereich von weniger als 1 Hz bis zu mehreren GHz sind Frequenzzähler kommerziell erhältlich. Die Frequenzbestimmung kann mit relativ hoher Genauigkeit erfolgen.
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Die Auswerteeinrichtung 5 kann bei der Vorrichtung 1 die Dopplerverschiebung einer Signalkomponente, die in der ursprünglichen Folge von Lichtpulsen die Frequenz n·f0 aufweist, dadurch ermitteln, dass die Signale 14 und 15 bandpassgefiltert werden, um aus dem Signal 14 die Signalkomponente mit der Frequenz n·f0 und aus dem Signal 15 die entsprechend dopplerverschobene Signalkomponente der reflektierten Folge von Lichtpulsen zu selektieren. Diese Signalkomponenten können mit einem Frequenzmischer gemischt werden, um ein Signal zu erzeugen, dessen niederfrequenter Anteil mit der Dopplerfrequenz oszilliert.
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3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer mit den Fotodetektoren 3, 4 gekoppelten Auswerteeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. Die Auswerteeinrichtung 5 der Vorrichtung 1 von 1 kann wie in 3 dargestellt ausgeführt sein.
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Die Auswerteeinheit 5 umfasst einen Signalverarbeitungspfad für das Ausgangssignal 15 des Fotodetektors 4, das die Lichtenergie der an dem Objekt 8 reflektierten Folge von Lichtpulsen in dem Lichtstrahl 13 in Abhängigkeit von der Zeit repräsentiert. Der Signalverarbeitungspfad für das Ausgangssignal 15 des Fotodetektors 4 umfasst einen eingangsseitigen Verstärker 31 und ein Bandpassfilter 32. Die Auswerteeinheit 5 umfasst weiterhin einen Signalverarbeitungspfad für das Ausgangssignal 14 des Fotodetektors 3, das die Energie der von der Lichtquelle 2 erzeugten Folge von Lichtpulsen in dem Lichtstrahl 11 in Abhängigkeit von der Zeit repräsentiert. Der Signalverarbeitungspfad für das Ausgangssignal 14 des Fotodetektors 3 umfasst einem eingangsseitigen Verstärker 33 und ein Bandpassfilter 34.
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Wie unter Bezugnahme auf 5 noch ausführlicher erläutert werden wird, ist das Bandpassfilter 32 derart eingerichtet, dass es einen Durchlassbereich aufweist, in dem die Frequenz n·f0 liegt. Beispielsweise kann der Durchlassbereich im Wesentlichen bei der Frequenz n·f0 zentriert sein und eine Breite von maximal f0 aufweisen. Für Geschwindigkeiten, die nicht zu einer Dopplerverschiebung größer als die halbe Breite des Durchlassbereichs führen, ist das Ausgangssignal 37 des Filters 32 die an dem Objekt 8 reflektierte Signalkomponente, die in der ursprünglichen Folge von Lichtpulsen die Frequenz n·f0 aufgewiesen hat, an dem Fotodetektor 4 jedoch dopplerverschoben ist. Das Bandpassfilter 34 ist derart eingerichtet, dass es einen Durchlassbereich aufweist, in dem die Frequenz n·f0 liegt und der eine ausreichend kleine Breite aufweist. Beispielsweise kann der Durchlassbereich im Wesentlichen bei der Frequenz n·f0 zentriert sein und eine Breite von maximal f0 aufweisen. Das Ausgangssignal 38 des Bandpassfilters 34 repräsentiert somit die Signalkomponente mit der Frequenz n·f0. Das Ausgangssignal 38 des Bandpassfilters 34 dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Dopplerverschiebung.
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Ein Mischer 35 ist eingangsseitig mit Ausgängen der Bandpassfilter 32 und 34 gekoppelt, um Signale 37, 38 zu empfangen, die die reflektierte Signalkomponente und die Signalkomponente repräsentieren. Das Ergebnis der Frequenzmischung, cos(fn'·t + Δϕ)·cos(fn·t) = [cos((fn' – fn)·t + Δϕ) + cos((fn' + fn)·t + Δϕ)]/2, (4) weist eine niederfrequente Komponente auf, die mit der Dopplerfrequenz oszilliert. Mit Δϕ ist eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen 37 und 38 bezeichnet.
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Das Ausgangssignal 39 des Mischers 35 wird einem Frequenzzähler 36 zugeführt, der die Frequenz der niederfrequenten Komponente auf der rechten Seite von Gleichung (4) ermittelt. Frequenzzähler für Frequenzbereiche von weniger als 1 Hz bis zu mehreren GHz, die eine hohe Genauigkeit erzielen, sind kommerziell erhältlich.
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Das Ausgangssignal 39 des Mischers 35 kann auch auf eine andere geeignete Weise weiterverarbeitet werden, um die Frequenz des ersten Terms auf der rechten Seite von Gleichung (4) zu bestimmen. Beispielsweise kann das Signal abgetastet und in einem Zwischenspeicher abgelegt werden. Anschließend kann die Periodendauer ermittelt oder eine Sinusfunktion an die abgelegten Werte angefittet werden.
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Die Auswerteeinrichtung 5 kann weitere Bauteile 40 zur Verarbeitung der von dem Frequenzzähler 36 ermittelten Frequenz des Schwebungssignals, die der Dopplerverschiebung für die Frequenz fn entspricht, aufweisen. Beispielsweise kann ein Ausgangssignal des Frequenzzählers 36 zu einem Prozessor 40 geführt werden, der die Geschwindigkeit integriert oder differenziert, um eine Positionsänderung oder Beschleunigung des Objekts 8 zu bestimmen. Da die Geschwindigkeit des Objekts 8 aus der Dopplerverschiebung bestimmt wird, kann durch einmalige Differenziation der Messwerte die Beschleunigung und durch einmalige Integration der Messwerte die Positionsänderung des Objekts 8 bestimmt werden.
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Die Vorrichtung 1 kann weiterhin so ausgestaltet sein, dass sie auch eine Anfangsposition des Objekts 8 bestimmen kann. Durch Kombination der Anfangsposition des Objekts 8 mit der durch Integration der Geschwindigkeit bestimmten Positionsänderung kann die Position des Objekts 8 für beliebige Zeiten bestimmt werden.
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Bei einer Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung 5 eingerichtet sein, um die Position des Objekts 8 basierend auf einer Laufzeitmessung zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Zeitdifferenz zwischen einem von dem Fotodetektor 3 erfassten Lichtpuls und einem von dem Fotodetektor 4 erfassten Lichtpuls zu bestimmen und basierend darauf die Position des Objekts 8 zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung 5 kann auch eingerichtet sein, um die Position des Objekts 8 basierend auf Spektralkomponenten des Ausgangssignals 14 des Fotodetektors 3 und des Ausgangssignals 15 des Fotodetektors 4 zu bestimmen, wobei die Objektposition basierend auf einer Phasenverschiebung zwischen den Spektralkomponenten bestimmt wird. Vorteilhaft wird die Phasenverschiebung bei einer Oberwelle der Repetitionsrate, d. h. bei einer spektralen Komponente der Ausgangssignale 14, 15 der Fotodetektoren mit einer Frequenz fn = n·f0 bzw. fn' bestimmt, wobei n > 1, um die Genauigkeit der Ortsauflösung zu erhöhen. Die Auswerteeinrichtung 5 kann einen Phasenauswerter aufweisen, dessen Eingänge mit den Fotodetektoren 13, 14 gekoppelt sind, um die Phasenverschiebung zu bestimmen. Die in 3 dargestellten Signalverarbeitungspfade mit den Bandpassfiltern 32 und 34 für die Ausgangssignale 14, 15 der Fotodetektoren 3, 4 können eine Filterung der Signale 14, 15 auch für die zur Positionsmessung vorgesehenen Signalverarbeitungsbauteile der Auswerteeinrichtung 5 bereitstellen. Beispielsweise können die Bandpassfilter 32, 34 mit dem Phasenauswerter für die Positionsbestimmung gekoppelt sein.
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4 illustriert beispielhafte Eingangssignale 41 und 42 der Auswerteeinrichtung, die von den Fotodetektoren 3 bzw. 4 an die Auswerteeinrichtung bereitgestellt werden.
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Das Signal 41 entspricht der von dem Fotodetektor 3 empfangenen Folge von Lichtpulsen mit einem bei 43 dargestellten Zeitabstand T0 = 1/f0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen. Das Signal 42 entspricht der von dem Fotodetektor 4 empfangenen Folge von an dem Objekt 8 reflektierten Lichtpulsen. Aufgrund der Bewegung des Objekts 8 in einer zum Wellenvektor des einfallenden Lichtstrahls 12 entgegengesetzten Richtung ist der Zeitabstand 44 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen verringert, was die Dopplerverschiebung der Signalkomponente mit der Frequenz n·f0 verursacht.
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5 ist eine schematische Darstellung des Fourier-Spektrums 51 der Lichtintensität für die von der Lichtquelle erzeugte Folge von Lichtpulsen und der Lichtintensität der reflektierten Folge von Lichtpulsen. Eine durch die endliche Pulsdauer bedingte Verbreiterung des Peaks ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt. Die Frequenz n·f0 ist die Frequenz der Signalkomponente der von der Lichtquelle emittierten Folge von Lichtpulsen, deren Dopplerverschiebung bestimmt wird. Durch die Reflexion an einem bewegten Objekt werden die Frequenzen der verschiedenen Signalkomponenten dopplerverschoben. Das Fourier-Spektrum der reflektierten Folge von Lichtpulsen weist relativ zu den Frequenzen i·f0 verschobene Peaks 52, 53, 54 auf, wobei die Dopplerverschiebung 55 für die Signalkomponenten mit Frequenz n·f0 gemäß Gleichung (2) von der Geschwindigkeit v abhängt.
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Bei einer Ausgestaltung weist das Filter 32 der in 3 gezeigten Auswerteeinrichtung 5, das von dem Ausgangssignal 15 des Detektors 4 ein die reflektierte Signalkomponente repräsentierendes Signal 37 durchlässt, einen Durchlassbereich 56 auf. Der Durchlassbereich 56 ist so gewählt, dass das vorgegebene Vielfache der Repetitionsrate n·f0 in dem Durchlassbereich 56 liegt. Weiter kann der Durchlassbereich 56 so gewählt werden, dass die benachbarten Vielfachen der Repetitionsrate, (n – 1)·f0 und (n + 1)·f0, nicht im Durchlassbereich 56 liegen. Die Grenzen des Durchlassbereichs 56 können in Abhängigkeit von typischen erwarteten Geschwindigkeiten gewählt werden. Insbesondere kann der Durchlassbereich 56 derart gewählt werden, dass die zu dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate n·f0 benachbarten Vielfachen der Repetitionsrate (n – 1)·f0 und (n + 1)·f0 für die erwarteten Geschwindigkeiten nicht in den Durchlassbereich 56 dopplerverschoben werden. Der Durchlassbereich 56 kann auch eine größere Breite aufweisen und mehrere Vielfache der Repetitionsrate beinhalten. Beispielsweise kann die Transferfunktion für die dopplerverschobene Signalkomponente bei 53 größer sein als die Transferfunktion für die dopplerverschobene Signalkomponenten bei 52 und 54.
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Bei einer Ausgestaltung weist der Durchlassbereich 56 des Filters 32 eine Breite fB 57 auf, die kleiner als die oder gleich der Repetitionsrate f0 ist. Der Durchlassbereich 56 kann beispielsweise von n·f0 – fB/2 bis n·f0 + fB/2 reichen.
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Die Größe des Durchlassbereichs bestimmt das Geschwindigkeitsintervall, in dem Geschwindigkeiten messbar sind. Der Absolutwert einer maximal messbaren Geschwindigkeit ist gegeben durch vmax = (c·fB)/(4·n·f0). Falls fB = f0, ist vmax = c/(4·n). Für n = 700, ergibt sich beispielsweise vmax = 1,07·105 m/s.
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Das Filter 34 der in 3 gezeigten Auswerteeinrichtung 5, das von dem Ausgangssignal 14 des Detektors 3 ein die Signalkomponente repräsentierendes Signal 38 durchlässt, kann identisch zum Filter 32 ausgestaltet sein. Wenn das an dem Detektor 3 erfasste Signal keine Dopplerverschiebung aufweist, wie dies bei der Vorrichtung 1 von 1 der Fall ist, kann der Durchlassbereich des Filters 34 jedoch auch größer gewählt werden. Der Durchlassbereich des Filters 34 kann so gewählt werden, dass die zu dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate n·f0 benachbarten Vielfachen der Repetitionsrate, (n – 1)·f0 und (n + 1)·f0, nicht in dem Durchlassbereich liegen.
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Während oben beispielhaft eine Ausgestaltung der Auswerteeinrichtung 5 unter Verwendung von Bandpassfiltern 32, 34 mit relativ schmalen Durchlassbereichen erläutert wurde, kann die Auswerteeinrichtung auch so ausgestaltet sein, dass eines der Bandpassfilter 32, 34 oder beide Bandpassfilter 32, 34 einen Durchlassbereich aufweist bzw. aufweisen, in dem neben dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate n·f0 auch wenigstens ein weiteres Vielfaches der Repetitionsrate liegt. Insbesondere kann eines der Bandpassfilter 32, 34 oder können beide Bandpassfilter 32, 34 auch einen Durchlassbereich mit einer Breite größer als f0 aufweisen.
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Wenn eines der Bandpassfilter 32, 34 oder beide Bandpassfilter 32, 34 einen Durchlassbereich aufweist bzw. aufweisen, in dem neben dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate n·f0 auch wenigstens ein weiteres Vielfaches der Repetitionsrate liegt, können die gefilterten Signale 37, 38 mehrere Spektralkomponenten mit Frequenzen fi bzw. fi' einschließlich der Spektralkomponenten mit Frequenzen fn bzw. fn' umfassen. Der Durchlassbereich der Bandpassfilter 32, 34 ist vorteilhaft jeweils so gewählt, dass die Breite des Durchlassbereichs klein ist im Vergleich zu dem vorgegebenen Vielfachen der Repetitionsrate n·f0.
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Die Auswerteeinrichtung 5 kann in diesem Fall weiterhin ein in 3 nicht dargestelltes Tiefpassfilter umfassen, das das Ausgangssignal 39 des Mischers 35 empfängt und im Wesentlichen diejenigen Spektralkomponenten des Ausgangssignals 39 durchführt, die mit einer Frequenz (fi – fi') oszillieren, d. h. mit der Dopplerverschiebung für die Signalkomponente, die mit der Frequenz fi erzeugt wird. Das Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz aufweisen, die kleiner als f0 ist. Bei einer Ausgestaltung kann das Tiefpassfilter eine Grenzfrequenz aufweisen, die kleiner als f0/2 ist. Der Ausgang des Tiefpassfilters ist mit dem Frequenzzähler 36 gekoppelt. Wenn die Breite der Durchlassbereiche der Bandpassfilter 32, 34 viel kleiner ist als das vorgegebene Vielfache der Repetitionsrate n·f0, ist durch die nachfolgende Signalverarbeitung durch den Frequenzzähler 36 wie oben beschrieben die Dopplerverschiebung für fn und die Geschwindigkeit des Objekts 8 bestimmbar.
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Unter Bezugnahme auf 1–5 wurde eine Geschwindigkeitsmessung mit der Vorrichtung 1 beschrieben, bei der die Lichtquelle 2 und der Fotodetektor 4 ortsfest angeordnet sind und die Dopplerverschiebung für eine an dem Objekt 8 reflektierte Folge von Lichtpulsen ermittelt wird. Bei anderen Ausgestaltungen können wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens ein Fotodetektor relativ zueinander bewegt werden. Die Geschwindigkeitsmessung kann basierend auf Dopplerverschiebungen von Signalkomponenten erfolgen, die von wenigstens einem Fotodetektor erfasst werden. Wenn die wenigstens eine Lichtquelle oder der wenigstens eine Fotodetektor an dem Objekt angebracht wird, ist die Geschwindigkeit des Objekts relativ zu dem anderen von der Lichtquelle und dem Fotodetektor messbar.
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Vorrichtungen nach weiteren Ausführungsbeispielen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 6–10 erläutert. Die Vorrichtungen können jeweils zur Messung einer Geschwindigkeit eines Objekts 8 mit einem Geschwindigkeitsvektor 9 verwendet werden. In 6–10 sind Komponenten, deren Funktionsweise im Wesentlichen identisch zur Funktionsweise von unter Bezugnahme auf 1–5 erläuterten Komponenten ist, mit denselben Bezugszeichen wie in 1–5 bezeichnet. Nachfolgend werden nur die Unterschiede der Vorrichtungen von 6–10 zu der unter Bezugnahme auf 1–5 erläuterten Vorrichtung näher beschrieben.
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6 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 61 zur Messung einer Geschwindigkeit 9 eines Objekts 8. Die Vorrichtung 61 umfasst eine ortsfest angeordnete Lichtquelle 62 und einen Fotodetektor 64, eine Auswerteeinrichtung 5 und eine Referenzsignalquelle 66, die an dem Objekt 8 angebracht sind.
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Die Lichtquelle 62 ist wie die Lichtquelle 2 ausgestaltet und erzeugt mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse, die in einem Lichtstrahl 67 ausgegeben werden. Die Lichtenergie als Funktion der Zeit im Lichtstrahl 67 weist eine Signalkomponente mit einer vorgegebenen Frequenz n·f0 auf, wobei die einer vorgegebene Frequenz n·f0 in Abhängigkeit von der Repetitionsrate, der Lichtpulsdauer, erwarteten Geschwindigkeiten und den Hochfrequenzbauteilen der Auswerteeinrichtung 5 als großzahliges Vielfaches von f0 gewählt werden kann. Die Referenzsignalquelle 66 stellt ein Signal bereit, das mit der Frequenz n·f0 oszilliert. Alternativ kann die Referenzsignalquelle 66 auch ein Signal bereitstellen, das identisch zur von der Lichtquelle 62 erzeugten Folge von Lichtpulsen ist. Die Auswerteeinrichtung 5 ist wie unter Bezugnahme auf 3 erläutert ausgestaltet.
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Die Bewegung des Objekts 8 mit der Geschwindigkeit 9 führt dazu, dass die von der Lichtquelle 62 abgestrahlte Signalkomponente mit der Frequenz n·f0 an dem Detektor 64 mit einer Dopplerverschiebung fn (D) = fn' – fn = n·f0· v / c (5) erfasst wird, aus der die Geschwindigkeit v bestimmbar ist.
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Während in 6 die Lichtquelle ortsfest ist und der Fotodetektor 64 an dem beweglichen Objekt 8 angeordnet ist, kann auch eine Anordnung gewählt werden, bei der die Lichtquelle 62 an dem Objekt 8 und der Fotodetektor 64 ortsfest vorgesehen ist.
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7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 71 zur Messung einer Geschwindigkeit 9 eines Objekts 8. Die Vorrichtung 71 umfasst zwei ortsfest angeordnete Lichtquellen 62, 63 und zwei Fotodetektor 64, 65 sowie eine mit den Fotodetektoren 64, 65 gekoppelte Auswerteeinrichtung 5, die an dem Objekt 8 angebracht sind.
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Die Lichtquellen 62, 63 sind jeweils wie die Lichtquelle 2 ausgestaltet und erzeugen Folgen kurzer Lichtpulse, die in Lichtstrahlen 72 und 73 ausgegeben werden. Die Lichtenergie als Funktion der Zeit in den Lichtstrahlen 72 und 73 weist jeweils eine Signalkomponente mit einer Frequenz n·f0 auf, wobei n > 1, typischerweise n >> 1 gewählt wird. Die beiden Lichtstrahlen 72, 73 treffen mit im Wesentlichen entgegengesetzten Wellenvektoren auf das Objekt 8 auf. Die Fotodetektoren 64 und 65 sind an entgegengesetzten Endflächen des Objekts 8 angeordnet, um die in entgegengesetzten Richtungen propagierenden Lichtstrahlen 72 und 73 zu erfassen. Die Fotodetektoren 64 und 65 geben an die Auswerteeinrichtung 5 elektrische Signale aus, die den erfassten Lichtintensitäten entsprechen und die dopplerverschobene Signalkomponenten aufweisen, die von den Lichtquellen 62 und 63 mit der Frequenz n·f0 erzeugt wurden. Diese Signalkomponente ist an den Fotodetektoren 64 bzw. 65 zu Frequenzen fn' = n·f0·(1 + v / c) bzw. (6a) fn' = n·f0·(1 – v / c) (6b) dopplerverschoben.
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Die Auswerteeinrichtung 5 der Vorrichtung 71 ist wie in 3 dargestellt ausgestaltet und empfängt an ihren Eingängen die Ausgangssignale der Fotodetektoren 64 und 65. Sowohl das Filter 32 als auch das Filter 34 sind so gewählt, dass für den erwarteten Geschwindigkeitsbereich eine Signalkomponente mit der dopplerverschobenen Frequenz fn' durchgelassen wird, während Signalkomponenten mit den dopplerverschobenen Frequenzen fn+1' und fn-1' stark gedämpft werden. Das Ausgangssignal 39 des Mischers 35 weist eine niederfrequente Komponente auf, die mit der Frequenz 2·v/c oszilliert und durch deren Auswertung die Geschwindigkeit des Objekts 8 bestimmbar ist.
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Während bei der Vorrichtung 71 zwei separate Lichtquellen 62 und 63 zur Erzeugung der in den Lichtstrahlen 72 und 73 auf das Objekt eingestrahlten Signale vorgesehen sind, kann auch eine einzige Lichtquelle zur Erzeugung beider Signale verwendet werden.
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8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 81 zur Messung einer Geschwindigkeit 9 eines Objekts 8. Die Vorrichtung 81 umfasst eine ortsfest angeordnete Lichtquelle 62 und zwei Fotodetektoren 64, 65 sowie eine mit den Fotodetektoren 64, 65 gekoppelte Auswerteeinrichtung 5, die an dem Objekt 8 angebracht sind. Die Funktionsweise dieser Komponenten ist identisch zu der der entsprechenden unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Komponenten.
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Die Vorrichtung 81 umfasst weiterhin einen Strahlteiler 82 und mehrere Umlenkspiegel 83. Ein Ausgangssignal der Lichtquelle 62 wird von dem Strahlteiler 82 in einen ersten Teilstrahl 84 und einen zweiten Teilstrahl 85 aufgeteilt. Die beiden Teilstrahlen 84, 85 werden derart geführt, dass sie mit im Wesentlichen entgegengesetzten Wellenvektoren auf das Objekt 8 auftreffen und von den Fotodetektoren 64, 65 erfasst werden. Die Ermittlung der Geschwindigkeit des Objekts basierend auf den Ausgangssignalen der Fotodetektoren 64, 65 wird wie für die Vorrichtung 71 beschrieben durchgeführt.
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Während in 7 und 8 die Fotodetektoren an dem beweglichen Objekt 8 vorgesehen sind, während die Lichtquellen 62 und 63 bzw. die Lichtquelle 62 und die Umlenkoptik 82, 83 ortsfest angeordnet sind, kann auch eine Ausgestaltung gewählt werden, bei der eine Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen an dem Objekt 8 angeordnet ist bzw. sind, während Fotodetektoren ortsfest angeordnet sind.
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9 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 91 zur Messung einer Geschwindigkeit 9 eines Objekts 8. Die Vorrichtung 91 umfasst zwei Lichtquellen 92, 93, die an dem Objekt 8 angebracht sind, und zwei Fotodetektoren 94, 95 und eine mit den Fotodetektoren 94, 95 gekoppelte Auswerteeinrichtung 5, die ortsfest angeordnet sind. Die Vorrichtung 91 umfasst weiterhin eine Umlenkoptik mit mehreren Umlenkspiegeln 96, um ein von der Lichtquelle 93 ausgegebenes Ausgangssignal zu dem Fotodetektor 95 zu führen.
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Die Lichtquellen 92, 93 sind jeweils wie die Lichtquelle 2 ausgestaltet und erzeugen eine Folgen kurzer Lichtpulse, die in Lichtstrahlen 97 und 98 ausgegeben werden. Die von den Lichtquellen 92, 93 erzeugten Signale weisen jeweils eine Signalkomponente mit einer Frequenz n·f0 auf, wobei n > 1, typischerweise n >> 1 gewählt wird. Die Bewegung des Objekts 8 führt zu einer Dopplerverschiebung der Signalkomponenten in den Lichtstrahlen 97, 98, wobei die Dopplerverschiebung für die beiden Lichtstrahlen 97, 98 unterschiedliche Vorzeichen aufweist, wie in Gleichungen (6a) und (6b) angegeben.
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Die Auswerteeinrichtung 5 der Vorrichtung 91 ist wie in 3 dargestellt ausgestaltet und empfängt an ihren Eingängen die Ausgangssignale der Fotodetektoren 94 und 95. Sowohl das Filter 32 als auch das Filter 34 sind so gewählt, dass für den erwarteten Geschwindigkeitsbereich eine Signalkomponente mit der dopplerverschobenen Frequenz fn' durchgelassen wird, während Signalkomponenten mit den dopplerverschobenen Frequenzen fn+1' und fn-1' stark gedämpft werden. Das Ausgangssignal 39 des Mischers 35 weist eine niederfrequente Komponente auf, die mit der Frequenz 2·f0·v/c oszilliert und durch deren Auswertung die Geschwindigkeit des Objekts 8 bestimmbar ist.
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Weitere Abwandlungen der Vorrichtung 91 sind möglich. Beispielsweise können die Umlenkspiegel 96 weggelassen und die Fotoempfänger 94 und 95 auf einer Linie positioniert werden, entlang der die Lichtstrahlen 97 und 98 von dem Objekt abgestrahlt werden.
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Während bei der Vorrichtung 91 zwei separate Lichtquellen 92 und 93 zur Erzeugung der in den Lichtstrahlen 97 und 98 von dem Objekt abgestrahlten Signale vorgesehen sind, können diese Signale auch von einer einzigen Lichtquelle erzeugt werden.
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10 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 101 zur Messung einer Geschwindigkeit 9 eines Objekts 8. Die Vorrichtung 91 umfasst eine Lichtquellen 92, die an dem Objekt 8 angebracht ist, und zwei Fotodetektoren 94, 95 sowie eine mit den Fotodetektoren 94, 95 gekoppelte Auswerteeinrichtung 5, die ortsfest angeordnet sind. Die Vorrichtung 101 umfasst weiterhin eine Umlenkoptik mit mehreren Umlenkspiegeln 96, um ein von der Lichtquelle 92 ausgegebenes Ausgangssignal 98 zu dem Fotodetektor 95 zu führen. Die Funktionsweise dieser Komponenten ist identisch zu der der entsprechenden unter Bezugnahme auf 9 beschriebenen Komponenten.
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Die Vorrichtung 101 umfasst weiterhin einen Strahlteiler 102 und mehrere Umlenkspiegel 103, die an dem Objekt 8 vorgesehen sind. Ein Ausgangssignal der Lichtquelle 92 wird von dem Strahlteiler 102 in einen ersten Teilstrahl 97 und einen zweiten Teilstrahl 98 aufgeteilt. Die beiden Teilstrahlen 97, 98 werden durch die Umlenkoptik 102, 103 derart geführt, dass sie mit im Wesentlichen entgegengesetzten Wellenvektoren von dem Objekt 8 abgestrahlt werden und von den Fotodetektoren 94, 95 erfasst werden. Die Ermittlung der Geschwindigkeit des Objekts basierend auf den Ausgangssignalen der Fotodetektoren 94, 95 wird wie für die Vorrichtung 91 beschrieben durchgeführt.
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Während unter Bezugnahme auf 1–10 beispielhaft Szenarien erläutert wurden, bei denen die Geschwindigkeit 9 des Objekts parallel oder antiparallel zur Propagationsrichtung von Lichtpulsen gerichtet ist, die von dem Objekt abgestrahlt oder reflektiert oder gestreut oder auf das Objekt eingestrahlt werden, sind die unter Bezugnahme auf 1–10 erläuterten Vorrichtungen ebenso anwendbar, wenn die Bewegungsrichtung des Objekts einen von 0° und 180° verschiedenen Winkel mit Wellenvektoren von Lichtstrahlen einschließt.
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11 zeigt beispielhaft ein Objekt 8, auf das ein Lichtstrahl 112 mit einem Wellenvektor 114 eingestrahlt wird. Die Bewegungsrichtung 113 des Objekts 8 schließt einen Winkel 115 mit dem Wellenvektor 114 ein. Nur die Komponente der Geschwindigkeit parallel zum Wellenvektor, v·cos(θ), wobei θ den Zwischenwinkel 115 bezeichnet, trägt zur Dopplerverschiebung bei. Soll der Betrag der gesamten Geschwindigkeit einschließlich der zum Wellenvektor 114 senkrechten Komponente bestimmt werden, kann dies unter Berücksichtigung des Winkels θ erfolgen.
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12 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens 120 zur Messung einer Geschwindigkeit eines Objekts. Das Verfahren kann mit jeder der oben erläuterten Vorrichtungen durchgeführt werden.
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Bei 121 wird eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Lichtpulse sind ausreichend kurz im Vergleich zur inversen Repetitionsrate, so dass die Intensität der Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit eine Signalkomponente mit einer Frequenz n·f0 aufweist.
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Bei 122 wird die Folge von Lichtpulsen von einer Lichtquelle zu einem Fotodetektor übertragen. Dabei kann die Folge von Lichtpulsen an dem Objekt reflektiert und/oder gestreut werden, wie bei der Vorrichtung 1 von 1, oder die Lichtquelle oder der Fotodetektor kann an dem Objekt angebracht sein, so dass die Folge von Lichtpulsen von dem Objekt abgestrahlt oder auf das Objekt eingestrahlt wird, wie bei den Vorrichtungen 61, 71, 81, 91 und 101 von 6–10.
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Bei 123 wird für die Signalkomponente, die in der erzeugten Folge von Lichtpulsen die Frequenz n·f0 aufweist, eine Dopplerverschiebung ermittelt. Zum Ermitteln der Dopplerverschiebung kann die erfasste Signalkomponente mit einem mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Referenzsignal gemischt werden, wie für die Vorrichtungen von 1 und 6 beschrieben, oder die von zwei verschiedenen Fotodetektoren erfassten Signalkomponenten können miteinander gemischt werden, wie in für die Vorrichtungen von 7–10 beschrieben.
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Bei 164 wird basierend auf der Dopplerverschiebung die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt.
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Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine optische Messung von Geschwindigkeiten, bei der auch kleine Geschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit messbar sind. Die Vorrichtungen und Verfahren können zur Geschwindigkeitsmessung in beliebigen Anwendungen eingesetzt werden, wobei Geschwindigkeitsmesspistolen oder die Messung von Geschwindigkeiten zur Vorhersagen von Bewegungsbahnen oder Positionen, insbesondere für Regelungs- oder Steuerungssysteme in industriellen Anlagen, beispielhafte Anwendungsfelder sind, ohne dass die Vorrichtungen und Verfahren auf diese beispielhaften Anwendungsfelder beschränkt sind.