DE1623410B2 - Verfahren und Anordnung zur Messung mechanischer Bewegungen eines Objektes - Google Patents

Description

Daher ist im Mischlichtstrahlenbündel bei beiden Bewegungsrichtungen des Objektes jeweils nur eine Doppler-Frequenzverschiebung feststellbar, ohne daß bei dem bekannten Verfahren deren Vorzeichen angegeben werden könnte. Vielmehr weist das erzeugte elektrische Ausgangssignal ähnlich wie bei einer Einweggleichrichtung eines elektrischen Signals eine Umklappung an der Nullinie auf.

Es sind auch ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art bekannt (»Applied Physics Letters«, Bd. 4, Nr. 10, Mai 1964, S. 176 bis 178). Hierbei ist zur Modulation des Referenzstrahlenbündels in dessen Strahlengang ein Einseitenbandmodulator eingeschaltet. Dieses Verfahren dient zur Messung sehr geringer Fließgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in einer vorgegebenen Bewegungsrichtung. Bei der Messung sehr geringer Geschwindigkeiten besteht die Schwierigkeit, ein Nutzsignal zu erzeugen, das sich unterscheidbar aus dem Rauschen heraushebt. Hierzu versetzt der Einseitenbandmodulator die Frequenz des Referenzstrahlenbündels gegenüber derjenigen des in der bewegten Flüssigkeit reflektierten und gestreuten Strahlenbündels derart, daß sie meßbar wird.

Der mit dem Mischlichtstrahlenbündel beaufschlagte Detektor umfaßt bei der bekannten Anordnung ebenso wie bei der vorgenannten bekannten Anordnung als Demodulator einen spektralen Analysator, der die einzelnen im Mischlichtstrahl enthaltenen Frequenzen und deren Amplituden anzeigt. Eine Schwingung beliebiger Kurvenform kann jedoch nicht lediglich durch die Amplituden der in ihr enthaltenen einzelnen, durch spektrale Analyse darstellbaren Frequenzen beschrieben werden, sondern die Kurvenform ist zusätzlich durch die relativen Phasenlagen der einzelnen Frequenzkomponenten bestimmt. Auch insofern ist es bei den bekannten Verfahren nicht möglich, eine Messung von Schwingungen beliebiger Kurvenform durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß mechanische Schwingungen beliebiger Kurvenform eindeutig gemessen werden können.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Messung von Schwingungen beliebiger Kurvenform die Modulation des Referenzstrahlenbündels mit einer Frequenz erfolgt, die größer als die größte durch die Schwingung des Objektes im Mischlichtstrahlenbündel hervorgerufene Doppler-Frequenzverschiebung ist.

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung wird zu der in dem Mischlichtstrahlenbündel enthaltenen Doppler-Frequenz eine so hohe Frequenz hinzuaddiert, daß die von dem Detektor erfaßbare Frequenz niemals den Wert Null erreicht. Dadurch entfällt die beschriebene Umklappung an der Nullinie; das aus dem Mischlichtstrahlenbündel gewonnene Signal verläuft ähnlich der Überlagerung eines Wechselstrom- und eines Gleichstromsignals auf einer Seite der Nulllinie. Hierdurch wird eine eindeutige Messung des Verlaufs der Schwingungen des bewegten Objektes möglich.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Messung von Schwingungen beliebiger Kurvenform der Modulator derart ausgebildet ist, daß das Referenzstrahlenbündel mit einer Frequenz moduliert wird, die größer als die größte durch die Schwingungen des Objektes im Mischlichtstrahlenbündel hervorgerufene Doppler-Frequenzverschiebung ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Anordnung sind mit besonderem Vorteil bei der Aufnahme von Sprachsignalen, auch von einer entfernt gelegenen Stelle aus, anwendbar. Dabei wird das eine Strahlenbündel auf ein Objekt, beispielsweise auf einen Fensterausschnitt, gerichtet, das den Sprachsignalen entsprechende Schwingungen ausführt. Die Empfindlichkeit kann dabei so groß gewählt werden, daß noch Schwingungen mit Amplituden in der Größenordnung von 1 μΐη genau gemessen und wiedergegeben werden. Zur Wiedergabe kann dem Detektor, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Verstärkers mit einer zur Übertragung von Sprachsignalen geeigneten Bandbreite, ein elektroakustischer Wandler nachgeschaltet sein. Ebenfalls ist es möglich, das Ausgangssignal des Detektors zunächst mittels eines Aufzeichnungsgerätes aufzuzeichnen und dann wiederzugeben oder unmittelbar oder nach der Aufzeichnung zu analysieren.
Andere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung liegen z. B. in der Messung von Schwingungen eines Körpers mit sehr hoher Temperatur, da die Messung berührungslos erfolgt, oder von Schwingungen eines schwer zugänglichen Objektes, wie eines Freileitungskabels, da das das Objekt beleuchtende Strahlenbündel auf Grund der Erzeugung durch den Laser scharf gebündelt ist und eine große Reichweite hat.

Die zu messenden Schwingungen des bewegten Objektes werden im allgemeinen, wie im Fall von Sprachsignalen, unregelmäßig verlaufen. Wie bereits erläutert, kann eine Schwingung beliebiger Kurvenform außer im Sonderfall eines rein sinusförmigen Verlaufs nicht lediglich durch die in ihr enthaltenen Frequenzkomponenten und die zugeordneten Amplituden beschrieben werden, da zusätzlich die relativen Phasenlagen der Frequenzkomponenten zu berücksichtigen sind. Daher muß im Detektor im allgemeinen eine vollständige Demodulation erfolgen, durch die diese Schwingungen im Ausgangssignal des Detektors vollständig wiedergegeben werden.

Um das vom Laser erzeugte Strahlenbündel in das Referenzstrahlenbündel und das das Objekt beleuchtende Strahlenbündel zu zerlegen, kann auch ein Laser verwendet werden, bei dem das erzeugte Strahlenbündel aus gegenüberliegenden Enden des Lasers austritt. In diesem Fall kann vom einen Ende des Lasers das Referenzstrahlenbündel und vom anderen Ende das das Objekt beleuchtende Strahlenbündel abgenommen werden, so daß der Laser mit seinen teildurchlässigen Endverspiegelungen oder entsprechenden optischen Vorrichtungen selbst als Strahlteiler wirkt.

Der das Referenzstrahlenbündel modulierende Modulator kann aus einem das Referenzstrahlenbündel umlenkenden Spiegel und einer den Spiegel bewegenden Antriebsvorrichtung bestehen. Vorzugsweise wird hierbei die Modulation des Referenzstrahlenbündels dadurch erhalten, daß die Antriebsvorrichtung den Spiegel in Schwingung versetzt. Als Antriebsvorrichtung kann hierbei eine piezoelektrische Platte dienen, auf die der Spiegel aufgebracht ist und die durch ein hochfrequentes Signal gespeist wird.

Eine andere Möglichkeit zum Antrieb des Spiegels besteht darin, daß die Antriebsvorrichtung den Spie-

gel mit einer niedrigen Frequenz in Achsrichtung des Referenzstrahlenbündels vorwärts und zurück bewegt. Es tritt in diesem Fall jedesmal dann, wenn der Spiegel seine Bewegungsrichtung umkehrt, eine 180°-Phasenverschiebung im Ausgangssignal des Detektors auf. Diese kann in einfacher Weise durch Verwendung eines Schalters vermieden werden, der synchron mit der Umkehr der Bewegungsrichtung des Spiegels von der Antriebsvorrichtung betätigt wird und dabei abwechselnd eines von zwei Ausgangssignalen auswählt, die ein Phasentrennverstärker abgibt, der mit dem Ausgangssignal des Detektors gespeist ist.

Eine weitere Ausführungsform des das Referenzstrahlenbündel modulierenden Modulators kann darin bestehen, daß dieser eine Kerrzelle aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform arbeitet der Modulator nach dem Pockle-Effekt.

Bei allen genannten Ausführungsformen ist es günstig, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Strahlteiler senkrecht zueinander polarisierte Strahlenbündel erzeugt, ein weiterer Strahlteiler das Mischlichtstrahlenbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte Ausgangsstrahlenbündel zerlegt, für jedes Ausgangsstrahlenbündel ein lichtelektrischer Wandler vorgesehen ist und die von den Wandlern erzeugten Ausgangssignale mittels eines Differenzverstärkers verglichen werden. Hierdurch werden in einfacher Weise Störfrequenzen unterdrückt.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung in einer Anwendung zur Messung von Sprachsignalen erläutert.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß eine Oberfläche 10 auf Grund von Sprachsignalen in Schwingungen gerät und daß diese Sprachsignale gemessen und wiedergegeben werden sollen. Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung umfaßt einen Gaslaser 11, der von einer Laser-Steuerschaltung 12 gespeist wird. Das von dem Laser 11 erzeugte kohärente Strahlenbündel gelangt durch ein Λ/2-Blättchen 13 zu einem Polarisations-Strahlteiler 14, der zwei 45°-Prismen umfaßt. Die beiden Prismen liegen mit ihren Basen aneinander an; zwischen den Basen ist ein veränderliches dielektrisches Material vorgesehen. Durch die Prismen wird das von dem Laser 11 erzeugte Strahlenbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teil-Strahlenbündel zerlegt. Eines dieser Teil-Strahlenbündel wird als Referenzstrahlenbündel verwendet und durch ein λ/4-Blättchen 15 auf einen Spiegel 16 gerichtet, der das Licht durch das Λ/4-Blättchen 15 wieder zurückreflektiert. Das Blättchen 15 bewirkt insgesamt eine Polarisationsdrehung um 90°, so daß das zum Strahlteiler 14 zurückkehrende Referenzstrahlenbündel jetzt durch den Strahlteiler 14 geradlinig hindurchtritt. Das senkrecht zum Referenzstrahlenbündel polarisierte Strahlenbündel gelangt nach Austritt aus dem Strahlteiler 14 durch ein Fernrohrsystem 17 und ein //4-Blättchen 18 zur Oberfläche 10. Ein Anteil des von der Oberfläche 10 reflektierten und dabei gestreuten Lichts wird mit Hilfe des Fernrohrsystems 17 gesammelt und zum Strahlteiler 14 zurückgeleitet, in welchem er derart reflektiert wird, daß seine Achse mit derjenigen des Referenzstrahlenbündels zusammenfällt. Der Strahlteiler 14 dient somit gleichzeitig als Mischer, der das von der Oberfläche 10 beeinflußte Strahlenbündel mit

ίο dem vom Spiegel 16 reflektierten Referenzstrahlenbündel überlagert. Durch die Überlagerung wird ein Mischlichtstrahlenbündel erzeugt, das durch ein Λ/2-Blättchen 19, das eine Polarisationsdrehung um 45° bewirkt, einem weiteren Polarisations-Strahlteiler 20 zugeführt wird. Der weitere Strahlteiler 20 zerlegt das Mischlichtstrahlenbündel in zwei Ausgangsstrahlenbündel. Der weitere Strahlteiler 20 ist mit dem Strahlteiler 14 gleichartig; er weist zwei 45°- Prismen auf, die mit ihren Basen aneinander anliegen, wobei zwischen diesen Basen ein veränderliches dielektrisches Material vorgesehen ist. Die beiden Strahlteiler 14, 20 fluchten miteinander. Die beiden Ausgangsstrahlenbündel des weiteren Strahlteilers 20 sind rechtwinklig zueinander polarisiert. Für jedes Ausgangsstrahlenbündel ist ein gesonderter lichtelektrischer Wandler in Gestalt einer Fotozelle 21, 22 vorgesehen. Die in den Ausgangssignalen der Fotozellen 21, 22 auftretenden Doppler-Frequenz-Signale sind gegeneinander phasenverschoben. Sie werden einem Differenzverstärker 23 zugeführt, in diesem überlagert und hierdurch verglichen. Durch diesen Vergleich werden in dem vom Laser 11 erzeugten Strahlenbündel enthaltene Störfrequenzen ausgelöscht.

Das Referenzstrahlenbündel wird durch mechanische Schwingungen des Spiegels 16 mit hoher Frequenz in Richtung der Spiegelnormalen über einen Teil einer Wellenlänge, z. B. 2/3, moduliert. Hierzu wird der Spiegel 16 von einer Antriebsvorrichtung 26 in Schwingung versetzt. Da die Modulation sich lediglich auf eines der von dem Strahlteiler 14 abgegebenen Strahlenbündel, nämlich das Referenzstrahlenbündel, und somit auf nur eine der senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des Mischlicht-Strahlenbündels auswirkt, tritt die Modulationsfrequenz auch im Ausgangssignal des Differenzverstärkers auf. Die Modulationsfrequenz ist wesentlich höher gewählt, als es den festzustellenden Doppler-Frequenzverschiebungen entspräche. Der Differenzverstärker 23 ist auf die Modulationsfrequenz abgestimmt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 23 wird mittels eines Demodulators 24, beispielsweise eines Frequenzdiskriminators, dessen Mittenfrequenz gleich der Modulationsfrequenz ist, demoduliert. Das demodulierte Ausgangssignal entspricht in seinem Kurvenverlauf genau den Bewegungen der Oberfläche 10 und damit dem Sprachsignal und wird einem Lautsprecher 25 oder einem Aufzeichnungsgerät zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 bündel erzeugt, daß ein weiterer Strahlteiler (20) Patentansprüche- ^as Mischlichtstrahlenbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte Ausgangsstrahlenbündel ■:■: zerlegt, daß für jedes Ausgangsstrahlenbündel ein

1. Verfahren zur Messung mechanischer Bewe- 5 lichtelektrischer Wandler (21, 22) vorgesehen ist gungen eines Objektes mit Hilfe eines von einem und daß die von den Wandlern (21, 22) erzeug-Laser erzeugten kohärenten Strahlenbündels, das ten Ausgangssignale mittels eines Differenzverin ein das bewegte Objekt beleuchtendes Strah- stärkers (23) verglichen werden.

lenbündel und in ein phasenmoduliertes Referenzstrahlenbündel zerlegt wird und bei dem das io

vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel mit dem

phasenmodulierten Referenzstrahlenbündel überlagert wird, um aus dem durch Überlagerung entstandenen Mischlichtstrahlenbündel durch Demodulation ein der Bewegung des Objektes ent- 15 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sprechendes Signal zu erhalten, dadurch ge- Messung mechanischer Bewegungen eines Objektes kennzeichnet, daß zur Messung von mit Hilfe eines von einem Laser erzeugten kohären-Schwingungen beliebiger Kurvenform die Modu- ten Strahlenbündels, das in ein das bewegte Objekt lation des Referenzstrahlenbündels mit einer Fre- beleuchtendes Strahlenbündel und in ein phasenmoquenz erfolgt, die größer als die größte durch die 20 duliertes Referenzstrahlenbündel zerlegt wird und Schwingung des Objektes im Mischlichtstrahlen- bei dem das vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel bündel hervorgerufene Doppler-Frequenzver- mit dem phasenmodulierten Referenzstrahlenbündel Schiebung ist. überlagert wird, um aus dem durch Überlagerung

2. Anordnung zur Durchführung des Verfah- entstandenen Mischlichtstrahlenbündel durch Demorens nach Anspruch 1, mit einem Laser, einem 25 dulation ein der Bewegung des Objektes entspredas von dem Laser erzeugte kohärente Strahlen- chendes Signal zu erhalten. Weiter bezieht sich die bündel in ein das bewegte Objekt beleuchtendes Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung Strahlenbündel und in ein Referenzstrahlenbün- dieses Verfahrens mit einem Laser, einem das von del zerlegenden Strahlteiler, einem im Strahlen- dem Laser erzeugte kohärente Strahlenbündel in ein gang des Referenzstrahlenbündels angeordneten 30 das bewegte Objekt beleuchtendes Strahlenbündel Modulator, einem das vom Objekt beeinflußte und in ein Referenzstrahlenbündel zerlegenden Strahlenbündel mit dem modulierten Referenz- Strahlteiler, einem im Strahlengang des Referenzstrahlenbündel überlagernden Mischer und einem Strahlenbündels angeordneten Modulator, einem das das von dem Mischer erzeugte Mischlichtstrah- vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel mit dem molenbündel in ein elektrisches Meßsignal umfor- 35 dulierten Referenzstrahlenbündel überlagernden Mimenden, einen Demodulator umfassenden Detek- scher und einem das von dem Mischer erzeugte tor, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung Mischlichtstrahlenbündel in ein elektrisches Meßvon Schwingungen beliebiger Kurvenform der signal umformenden, einen Demodulator umfassen-Modulator (16, 26) derart ausgebildet ist, daß den Detektor.

das Referenzstrahlenbündel mit einer Frequenz 40 Ein Verfahren und eine Vorrichtung ähnlich dieser

moduliert wird, die größer als die größte durch Art sind bekannt (»Proceedings of the IEEE«, Fe-

die Schwingungen des Objektes im Mischlicht- bruarl965,S.211und212).HierbeierfolgtdiePhasen-

strahlenbündel hervorgerufene Doppler-Fre- modulation des Referenzstrahlenbündels mittels

quenzverschiebung ist. eines feststehenden Filters. Das Verfahren dient zur

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge- 45 Messung linearer Bewegungen eines reflektierenden kennzeichnet, daß der Modulator aus einem das Objektes. Grundsätzlich können zwar auch Schwin-Referenzstrahlenbündel umlenkenden Spiegel gungen des Objektes erfaßt werden, jedoch sind nur (16) und einer den Spiegel bewegenden Antriebs- sinusförmige Schwingungen ihrem Verlauf nach einvorrichtung (26) besteht. deutig zu bestimmen, während der Verlauf periodi-

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge- 50 scher Schwingungen beliebiger Form wegen der dann kennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (26) auftretenden Mehrdeutigkeit hinsichtlich des Vorzeiden Spiegel (16) in Schwingung versetzt. chens der Bewegungsrichtung nicht ohne weiteres

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge- feststellbar ist. Dies sei im folgenden kurz erläutert,
kennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (26) Die Doppler-Frequenzverschiebung ist die Diffeden Spiegel (16) mit niedriger Frequenz in Achs- 55 renz zwischen der Frequenz des von dem Schwingenrichtung des Referenzstrahlenbündels vorwärts den Objekt reflektierten Anteils des ihn beleuchten- und zurück verstellt. den Strahlenbündels und der Frequenz des Referenz-

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge- Strahlenbündels. Bewegt sich das Objekt in Richtung kennzeichnet, daß der Modulator eine Kerrzelle des es beleuchtenden Strahlenbündels von dessen Uraufweist. 60 sprang fort, so ist die Frequenz des reflektierten An-

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge- teils geringer als die Frequenz des Referenzstrahlenkennzeichnet, daß der Modulator nach dem bündeis. Bewegt sich das Objekt dagegen entgegen der Pockle-Effekt arbeitet. Richtung des es beleuchtenden Strahlenbündels auf

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 dessen Ursprang hin, so ist die Frequenz des reflekbis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahltei- 65 tierten Anteils größer als die Frequenz des Referenzler (14) das das bewegte Objekt beleuchtende Strahlenbündels. Man könnte somit von einer negativen Strahlenbündel und das Referenzstrahlenbündel bzw. einer positiven Doppler-Frequenzverschiebung als senkrecht zueinander polarisierte Strahlen- sprechen. Negative Frequenzen existieren jedoch nicht.