DE1623410C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung mechanischer Bewegungen eines Objektes mit Hilfe eines von einem Laser erzeugten kohärenten Strahlenbündels, das in ein das bewegte Objekt beleuchtendes Strahlenbündel und in ein phasenmoduliertes Referenzstrahlenbündel zerlegt wird und bei dem das vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel mit dem phasenmodulierten Referenzstrahlenbündel überlagert wird, um aus dem durch Überlagerung entstandenen Mischlichtstrahlenbündel durch Demodulation ein der Bewegung des Objektes entsprechendes Signal zu erhalten. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens_i mit einem Laser, einem das von dem Laser erzeugte kohärente Strahlenbündel in ein das bewegte Objekt beleuchtendes Strahlenbündel und in ein Referenzstrahlenbündel zerlegenden Strahlteiler, einem im Strahlengang des Referenzstrahlenbündels angeordneten Modulator, einem das vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel mit dem modulierten Referenzstrahlenbündel überlagernden Mischer und einem das von dem Mischer erzeugte Mischlichtstrahlenbündel in ein elektrisches Meßsignal umformenden, einen Demodulator umfassenden Detektor.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung ähnlich dieser Art sind bekannt (»Proceedings of the IEEE«, Februar 1965, S. 211und212). Hierbei erfolgtdiePhasenmodulation des Referenzstrahlenbündels mittels eines feststehenden Filters. Das Verfahren dient zur Messung linearer Bewegungen eines reflektierenden Objektes. Grundsätzlich können zwar auch Schwingungen des Objektes erfaßt werden, jedoch sind nur sinusförmige Schwingungen ihrem Verlauf nach eindeutig zu bestimmen, während der Verlauf periodischer Schwingungen beliebiger Form wegen der dann auftretenden Mehrdeutigkeit hinsichtlich des Vorzeichens der Bewegungsrichtung nicht ohne weiteres feststellbar ist. Dies sei im folgenden kurz erläutert. Die Doppler-Frequenzverschiebung ist die Differenz zwischen der Frequenz des von dem schwingenden Objekt reflektierten Anteils des ihn beleuchtenden Strahlenbündels und der Frequenz des Referenzstrahlenbündels. Bewegt sich das Objekt in Richtung des es beleuchtenden Strahlenbündels von dessen Ursprung fort, so ist die Frequenz des reflektierten Anteils geringer als die Frequenz des Referenzstrahlenbündels. Bewegt sich das Objekt dagegen entgegen der Richtung des es beleuchtenden Strahlenbündels auf dessen Ursprung hin, so ist die Frequenz des reflektierten Anteils größer als die Frequenz des Referenzstrahlenbündels. Man könnte somit von einer negativen bzw. einer positiven Doppler-Frequenzverschiebung sprechen. Negative Frequenzen existieren jedoch nicht.

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 μτη 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 rohrsystem 17 und ein //4-Blättchen 18 zur Ober-Referenzstrahlenbündels vorwärts und zurück be- fläche 10. Ein Anteil des von der Oberfläche 10 rewegt. Es tritt in diesem Fall jedesmal dann, wenn der flektierten und dabei gestreuten Lichts wird mit Hilfe Spiegel seine Bewegungsrichtung umkehrt, eine des Fernrohrsystems 17 gesammelt und zum Strahl-180°-Phasenverschiebung im Ausgangssignal des 5 teiler 14 zurückgeleitet, in welchem er derart reflek-Detektors auf. Diese kann in einfacher Weise durch tiert wird, daß seine Achse mit derjenigen des Refe-Verwendung eines Schalters vermieden werden, der renzstrahlenbündels zusammenfällt. Der Strahlteiler synchron mit der Umkehr der Bewegungsrichtung 14 dient somit gleichzeitig als Mischer, der das von des Spiegels von der Antriebsvorrichtung betätigt der Oberfläche 10 beeinflußte Strahlenbündel mit wird und dabei abwechselnd eines von zwei Aus- io dem vom Spiegel 16 reflektierten Referenzstrahlengangssignalen auswählt, die ein Phasentrennverstär- bündel überlagert. Durch die Überlagerung wird ein ker abgibt, der mit dem Ausgangssignal des Detek- Mischlichtstrahlenbündel erzeugt, das durch ein tors gespeist ist. Λ/2-Blättchen 19, das eine Polarisationsdrehung um

Eine weitere Ausführungsform des das Referenz- 45° bewirkt, einem weiteren Polarisations-Strahltei-

strahlenbündel modulierenden Modulators kann 15 ler 20 zugeführt wird. Der weitere Strahlteiler 20 zer-

darin bestehen, daß dieser eine Kerrzelle aufweist. legt das Mischlichtstrahlenbündel in zwei Ausgangs-

B ei einer anderen Ausführungsform arbeitet der Mo- strahlenbündel. Der weitere Strahlteiler 20 ist mit

dulator nach dem Pockle-Effekt. dem Strahlteiler 14 gleichartig; er weist zwei 45°-

Bei allen genannten Ausführungsformen ist es Prismen auf, die mit ihren Basen aneinander anliegünstig, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung 20 gen, wobei zwischen diesen Basen ein veränderliches der Strahlteiler senkrecht zueinander polarisierte dielektrisches Material vorgesehen ist. Die beiden Strahlenbündel erzeugt, ein weiterer Strahlteiler das Strahlteiler 14, 20 fluchten miteinander. Die beiden Mischlichtstrahlenbündel in zwei senkrecht zueinan- Ausgangsstrahlenbündel des weiteren Strahlteilers 20 der polarisierte Ausgangsstrahlenbündel zerlegt, für sind rechtwinklig zueinander polarisiert. Für jedes jedes Ausgangsstrahlenbündel ein lichtelektrischer 25 Ausgangsstrahlenbündel ist ein gesonderter lichtelek-Wandler vorgesehen ist und die von den Wandlern irischer Wandler in Gestalt einer Fotozelle 21, 22 erzeugten Ausgangssignale mittels eines Differenz- vorgesehen. Die in den Ausgangssignalen der Fotoverstärkers verglichen werden. Hierdurch werden in zellen 21, 22 auftretenden Doppler-Frequenz-Signale einfacher Weise Störfrequenzen unterdrückt. sind gegeneinander phasenverschoben. Sie werden

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Aus- 30 einem Differenzverstärker 23 zugeführt, in diesem

führungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfin- überlagert und hierdurch verglichen. Durch diesen

dung in einer Anwendung zur Messung von Sprach- Vergleich werden in dem vom Laser 11 erzeugten

Signalen erläutert. Strahlenbündel enthaltene Störfrequenzen ausge-

B ei dem in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- löscht.

rungsbeispiel ist angenommen, daß eine Oberfläche 35 Das Referenzstrahlenbündel wird durch mechani-10 auf Grund von Sprachsignalen in Schwingungen sehe Schwingungen des Spiegels 16 mit hoher Fregerät und daß diese Sprachsignale gemessen und quenz in Richtung der Spiegelnormalen über einen wiedergegeben werden sollen. Die in der Zeichnung Teil einer Wellenlänge, z. B. A/3, moduliert. Hierzu dargestellte Anordnung umfaßt einen Gaslaser 11, wird der Spiegel 16 von einer Antriebsvorrichtung 26 der von einer Laser-Steuer schaltung 12 gespeist wird. 40 in Schwingung versetzt. Da die Modulation sich Ie-Das von dem Laser 11 erzeugte kohärente Strahlen- diglich auf eines der von dem Strahlteiler 14 abgegebündel gelangt durch ein A/2-Blättchen 13 zu einem benen Strahlenbündel, nämlich das Referenzstrahlen-Polarisations-Strahlteiler 14, der zwei 45°-Prismen bündel, und somit auf nur eine der senkrecht zueinumfaßt. Die beiden Prismen liegen mit ihren Basen ander polarisierten Komponenten des Mischlichtaneinander an; zwischen den Basen ist ein veränder- 45 Strahlenbündels auswirkt, tritt die Modulationsfreliches dielektrisches Material vorgesehen. Durch die quenz auch im Ausgangssignal des Differenzverstär-Prismen wird das von dem Laser 11 erzeugte Strah- kers auf. Die Modulationsfrequenz ist wesentlich hölenbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte her gewählt, als es den festzustellenden Doppler-Fre-Teil-Strahlenbündel zerlegt. Eines dieser Teil-Strah- quenzverschiebungen entspräche. Der Differenzverlenbündel wird als Referenzstrahlenbündel verwen- 50 stärker 23 ist auf die Modulationsfrequenz abgedet und durch ein A/4-Blättchen 15 auf einen Spiegel stimmt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 23 wird 16 gerichtet, der das Licht durch das A/4-Blättchen mittels eines Demodulators 24, beispielsweise eines 15 wieder zurückreflektiert. Das Blättchen 15 be- Frequenzdiskriminators, dessen Mittenfrequenz wirkt insgesamt eine Polarisationsdrehung um 90°, gleich der Modulationsfrequenz ist, demoduliert. Das so daß das zum Strahlteiler 14 zurückkehrende Refe- 55 demodulierte Ausgangssignal entspricht in seinem renzstrahlenbündel jetzt durch den Strahlteiler 14 ge- Kurvenverlauf genau den Bewegungen der Oberradlinig hindurchtritt. Das senkrecht zum Referenz- fläche 10 und damit dem Sprachsignal und wird strahlenbündel polarisierte Strahlenbündel gelangt einem Lautsprecher 25 oder einem Aufzeichnungsgenach Austritt aus dem Strahlteiler 14 durch ein Fern- rät zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung mechanischer Bewegungen eines Objektes mit Hilfe eines von einem Laser erzeugten kohärenten Strahlenbündels, das in ein das bewegte Objekt beleuchtendes Strahlenbündel und in ein phasenmoduliertes Referenzstrahlenbündel zerlegt wird und bei dem das vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel mit dem phasenmodulierten Referenzstrahlenbündel überlagert wird, um aus dem durch Überlagerung entstandenen Mischlichtstrahlenbündel durch Demodulation ein der Bewegung des Objektes entsprechendes Signal zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, 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.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Laser, einem das von dem Laser erzeugte kohärente Strahlenbündel in ein das bewegte Objekt beleuchtendes Strahlenbündel und in ein Referenzstrahlenbündel zerlegenden Strahlteiler, einem im Strahlengang des Referenzstrahlenbündels angeordneten Modulator, einem das vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel mit dem modulierten Referenzstrahlenbündel überlagernden Mischer und einem das von dem Mischer erzeugte Mischlichtstrahlenbündel in ein elektrisches Meßsignal umformenden, einen Demodulator umfassenden Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Schwingungen beliebiger Kurvenform der Modulator (16, 26) 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.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus einem das Referenzstrahlenbündel umlenkenden Spiegel (16) und einer den Spiegel bewegenden Antriebsvorrichtung (26) besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (26) den Spiegel (16) in Schwingung versetzt.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (26) den Spiegel (16) mit niedriger Frequenz in Achsrichtung des Referenzstrahlenbündels vorwärts und zurück verstellt.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine Kerrzelle aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator nach dem Pockle-Effekt arbeitet.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (14) das das bewegte Objekt beleuchtende Strahlenbündel und das Referenzstrahlenbündel als senkrecht zueinander polarisierte Strahlenbündel erzeugt, daß ein weilerer Strahlteilcr (20) das Mischlichtstrahlenbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte Ausgangsstrahlenbündel zerlegt, daß für jedes Ausgangsstrahlenbündel ein lichtelektrischer Wandler (21, 22) vorgesehen ist und daß die von den Wandlern (21, 22) erzeugten Ausgangssignale mittels eines Differenzverstärkers (23) verglichen werden.