DE2043290A1

DE2043290A1 - Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungsfeldern mittels einer selbstjustierenden, für den Empfang rückwärts gestreuter Signale dienenden Laser-Dopplersonde

Info

Publication number: DE2043290A1
Application number: DE19702043290
Authority: DE
Inventors: Paul Dominik Dipl.-Ing. Oberrohrdorf Iten (Schweiz)
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1970-05-29
Filing date: 1970-09-01
Publication date: 1971-12-09
Also published as: US3832059A; GB1349365A; FR2090365B1; CA953395A; NL7107293A; FR2090365A1; CH516800A

Description

35/70

Me/MH

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungsfeldern mittels einer selbstjustierenden, für den Empfang rückwärts gestreuter Signale dienenden Laser-Dopplersonde

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungsfeldern mittels einer selbstjustierenden, für den Empfang rückwärts gestreuter Signale dienenden Laser-Dopplersonde, bei welchem Verfahren der Messpunkt durch zwei gegenseitig kohärente Laser-Referenzstrahlen gleicher oder nahezu gleicher Intensität, aber unterschiedlicher Richtung bestrahlt wird und der rückwärts gestreute Signalstrahl zwei im Hinblick auf die Frequenz in unterschiedlicher V/eise dopplerverschobene Komponenten aufweist, aus welchen mittels Mischung bzvNT. Ueberlagerung die von der Streurichtung unabhängige und nur von den beiden Referenzstrahl-Richtungen sowie der Geschwindigkeit der strömenden Teilchen abhängige Doppler-Differenz-■ frequenz gewonnen wird.

Ein derartiges Verfahren, das auch als "Doppier-Differenz-Methode" bezeichnet wird, ist z.B. im Beitrag von M.Mazu:rder .und D.Wankum "SMR and Spectral Broadening in Turbulence Struc-

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ture Measurement Using CW Lasers" in den veröffentlichten Tagungsberichten der "1969 IEEE Conference on Laser Engineering and Applications" besehrieben. Zur Erläuterung dieser Methode und ihrer Vorzüge sei zunächst ein konventionelles Verfahren für die Anwendung der Laser-Doppler-Sonde zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungsfeldern kurz erläutert.

Gemäss dem der Laser-Doppler-Strömungssonde zugrundeliegenden Prinzip wird der Lichtstrahl (Referenzstrahl) eines Dauerstrich-Lasers auf den zu untersuchenden mikroskopischen Bereich des Strömungsfeldes fokussiert (s. Fig. 1, Referenzstrahl S_R). Durch die sich bewegenden Teilchen des Strömungsbereiches erfährt das gestreute Laser-Licht eine Doppler-Frequenz-VerschiebunguJifiie der Vakuum-Wellenlänge^des Laser-Lichtes umgekehrt und dem optischen Brechungsindex'ndes. strömenden Mediums und dem betrag und dem Richtungs-Cosinus des Geschwindigkeitsvektors des streuenden Teilchens relativ zur Richtung der Winkelhalbierenden zwischen dem Referenzstrahl S_R und dem

^direkt proportional JLstj

Streustrahl (SignalstrahlT^T^/^st E~die Intensität (Feldstärke) des Referenzstrahls und uJ seine Kreisfrequenz, so

.¹Ij) j.

wird er durch den Ausdruck E_n'e^J ° dargestellt. Der Streu-

■i (tu + tu )t

strahl wird dann durch den Ausdruck E · e ο d wieder-

sc

StreüiJ
gegeben, wobei E die ("intensität und UJ , die Doppler-Frequenz-

SC Cl

Verschiebung bedeuten. Bezeichnet man die Einheitsvektoren des

einfallenden Referenzstrahls und des Streustrahls mit "k*. bzw. κ und den Geschwindigkeitsvektor mit v*_} so ergibt sich die

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Doppler-Frequenz Ld , geraäss obigem aus der Gleichung

wobei der Punkt, wie üblich, das skalare Vektorprodukt bedeutet. Eine detaillierte Herleitung dieser Formel· folgt am Schluss.

Die Doppler-Frequenz ist somit von der Streurichtung fc"* abhängig. Dies bedeutet, dass bei solchen konventionellen Laser-Doppler-Sonden die Genauigkeit der Messung durch die spektrale Breite (Auflösung) des Instrumentes begrenzt wird. Diese ist vor allem durch den Oeffnungswinkel des Referenz- und Signalstrahls, d.h. durch die Apertur des optischen Uebertragungsystems gegeben ("Unscharfe" US in Fig.l). Diese Apertur kann aus energetischen Gründen nicht beliebig klein gemacht werden, sondern es muss versucht werden, das Optimum zwischen Intensität und spektraler Breite des Doppler-Signals zu finden. Bei der Detektion der Vorwärts-Streuung, kann man relativ kleine Oeffungswinkel der Strahlenbündel verwenden, wobei man immer noch ein brauchbares Signal/Rauschverhältnis zur Verfügung hat; dagegen ist es praktisch aussichtslos, mit dieser Methode etwa die durch Beleuchtung mit einem He/Ne-Laser rückwärts gestreute Strahlung mit messtechnisch brauchbarem Signal/Rauschverhältnis detektieren zu wollen, da sich die Intensität der Vor- und Rückwartsstreuung bei den zur Verfügung stehenden Streuteilchen um Grössenordnungen unterscheidet. Dies wäre höchstens durch Vergrösserri der Empfänger-Apertur möglich, wodurch aber, wie oben gezeigt wurde, die der Doppler-Spektroskopie innewohnende hohe spektrale Auflösung

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lerstört würde.

Konventionelle Systeme der beschriebenen Art findet man u.a. in "Applied Physics Letters", Band 4, Nr. 10, vom 15. Mai 196Ί, S. 177> Fig. 2, und in "IEEE Journal of Quantum Electronics", August 1966, S. 177, Fig. 1.

Durch Anwendung der weiter oben erwähnten Doppier-Differenz-Methode gelingt es nun, ein System aufzubauen, dessen spektrale Auflösung von der Empfänger-Apertur unabhängig und deshalb speziell zur Detektion schwacher rückgestreuter Doppler-Signale geeignet ist. Anhand der Fig. 2 sei diese Methode etwas genauer erläutert:

Der Messpunkt wird durch zwei gegenseitig kohärente Referenzetrahlen S_R1 und S_R? vorzugsweise gleicher Intensität, aber unterschiedlicher Richtung angestrahlt. Das in eine beliebige Richtung gestreute Signal enthält somit wegen der zwei Beleuchtungsrichtungen Ic^. bzw. ΐζρ 7-wei dopplerverschobene Komponenten

i(U^+cO)t i ( tO + U) ) t . .

E ,· e" ο dl und E _o· e ο d2 . Für jede der beiden sei *"~- °

Doppler-Frequenzverschiebungen gilt die obige Formel

- k.) · "v", so dass man erhält:

SC X

ω di ^λ^Γ ^sc

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Mittels der bekannten Ueberlagerungs-CHeterodyn-) Technik bildet man die Doppler-Differenzfrequenz

/iu) _d = w_dl - w_d2

Daraus ergibt sich, dass die Doppler-Differenzfrequenz durch die Beleuchtungsrichtungen ICT, bzw. "k*". ₂ gegeben und von der Streurichtung Tc" 'unabhängig ist. Dies heisst aber, dass die spektra-

S C

Ie Auflösung von der Empfänger-Apertur (Beobachtungsunschärfe) unabhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde, ein vervollkommnetes Doppler-Differenzsystem zu schaffen, das für den Empfang rückgestreuter Signale besonders geeignet ist, einen sparsamen Aufbau aufweist und bei einer vorgegebenen Bandbreite des elektronischen Mess-Systems eine Erfassung verschiedener Geschwindigkeitsbereiche ermöglicht.

Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Linse zugleich als Sende- und Empfangsoptik in der Weise verwendet wird, dass zwei kohärente Laser-Strahlen symmetrisch und parallel zur optischen Achse dieser Linse und in einem Achsenabstand zugeführt werden, der etwas kleiner ist als der Linsenradius, und dass der rückwärts streuende Messpunkt sich im Brennpunkt der Linse und somit im Treffpunkt der beiden nach Brechung durch die Linse unterschiedliche Richtungen aufweisenden Referenzstrahlen befindet, und ferner dadurch gekennzeichnet,

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dass das rückwärts gestreute, die beiden dopplerverschobenen Frequenzkomponenten enthaltende Licht nach Durchgang durch die Linse mittels eines weiteren, zur optischen Achse koaxialen optischen Systems, das in seinen radialen Abmessungen kleiner ist als der Achsenabstand der primär zugeführten Referenzstrahlen, gebündelt und einem Detektor zugeführt wird, in v/elchem die Ueberlagerung-bzw. Mischung der beiden dopplerverschobenen Prequenzkomponenten und die Gewinnung eines nur von der Doppier-Differenzfrequenz und somit von der Geschwindigkeit der streuenden Teilchen abhängigen elektrischen Signals vorgenommen wird.

Das vorgeschlagene Verfahren sei anhand des Ausführungsbeispiels von Fig. 3 näher erläutert. Der primäre Laserstrahl, der mit der optischen Achse Z der Linse L-. und des Gesamtsystems koinzidiert, wird mittels zweier Spiegel S,,S„ umgelenkt und einem Kösters-Prisma P zugeführt, das den Strahl, wie aus der Figur ersichtlich, an Mittelebene und Seitenflächen in der Weise reflektiert, dass sich zwei gegenseitig kohärente, zur optischen Achse Z symmetrische und parallele und mit dieser Achse in einer Ebene liegende Lichtstrahlen I und II ergeben, die auf die als Sende- und Empfangssystem dienende Linse L, gelangen. Der Abstand d dieser Strahlen von der optischen Achse ist dabei nur wenig kleiner als der Radius der Linse L-, so dass innerhalb dieser Strahlen noch genügend Platz für das Empfangsystem für die rückwärts gestreute Strahlung bleibt.

Bei Durchgang durch die Linse L, erfolgt eine Brechung der

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beiden Parallelstrahlen I, II in der Weise, dass sie sich im Brennpunkt der Linse treffen. Dieser Punkt ist zugleich der Messpunkt im Strömungsmedium, dessen Bewegungsrichtung (GeschwindigkeitBvektor T), wie dargestellt, senkrecht zur optischen Achse Z ist. Die beiden Referenzstrahlen I und II haben also nach Durchgang durch die Linse unterschiedliche Richtungen, die durch die Einheitsvektoren ]?., und κ·₂ bezeichnet sind, genau wie dies beim Doppler-Differenzsystem gemäss Fig. 2 der'

Fall ist. i

Das rückwärts gestreute Licht, das die beiden von k.. bzw. lt.-abhängigen Frequenzkomponenten tJ_Q + W_dl bzw. W _o ^{+ 1}^ ^p ^ent<" hält, passiert nur in umgekehrter Richtung die Linse L^ und wird mittels der (vom Messpunkt aus gesehen) hinter dieser Linse angeordneten Linse Lp gebündelt. In der Brennebene der Linse L₂ ist eine sehr kleine Blende B^ angeordnet. Der Messpunkt wird also durch die Linsen L, und L₂ auf dieser Blende B^ abgebildet; L,, L₂ und B- bilden zusammen ein Filter zur Er- " höhung der räumlichen Auflösung, wie es in einem anderen Erfindungsvorschlag der Anmelderin "Einfach justierbare Dopplersonde mit hoher räumlicher Auflösung" beschrieben ist.

Nach Passieren der Blende B, gelangt das Rückv/ärts-Streulicht über eine weitere Linse L, und ein Interferenzfilter F auf

\odfer Halblelter-Photo-Dlode einen als Detektor dienenden Photo-Vervielfacher~PiV. Hier wird

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das elektrische Differenz-Mischsignal ("Heterodyn-Signal")

η- η A· -^ -*. gebildet, das dem AusdructaU'-r— (k.₉ - k.,)*v = portional und elektronisch verarbeitbar ist.

.₉ k.,)v = £ (,J pro-

Das dem beschriebenen Messverfahren zugrundeliegende, für den Empfang rückgestreuter Signale geeignete Doppler-Differenzsystem ist selbstjustierend, da Sende- und Empfangsoptik mittels ein und derselben Linse L, verwirklicht sind. Dadurch wird auch ein kompakter, integrierter Aufbau ermöglicht, der sich für den praktischen Einsatz speziell eignet.

Ferner kann durch Verändern der Brennweite der Linse L. (Wechselobjektiv oder Zoom) der zwischen den Referenzstrahl-Richtungen }£, und "k". „ gebildete Winkel und damit die Eichkonstante a = —-— des Systems um ca. einen Faktor 20 variiert werden. Dadurch ist es möglich, mit einer vorgegebenen Bandbreite des elektronischen Mess-Systems verschiedene Geschwindigkeitsbereiche zu überstreichen.

Schliesslich ist für die Gewinnung der beiden parallelen Strahlen I und II (Fig.3) aus dem primären Laserstrahl noch ein zweites Brechungs- und Reflexionssystem anwendbar, das auf die Umlenkspiegel verzichtet. Dieses in Fig.4 schematisch dargestellte System macht von einer quaderförniigen, planparallelen Glasplatte PG Gebrauch, die, wie in der Figur gezeigt, im Lichtweg angeordnet und teilweise verspiegeltist. Die parallelen Grundflachen G, und G₂ bilden dabei mit der Richtung des einzafal-

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lenden Strahls einen einstellbaren, von 90 verschiedenen Winkel, und die Lage der Platte PG ist so, dass die normal zu den Grundflüchen G₁, Gp verlaufende Symmetrieachse S die optische Achse Z des Gesamt-Systems schneidet. Die Verspiegelung ist so beschaffen, dass jeweils eine Rechteckhälfte der Grundflächen G-, G_? verspiegelt, die andere Rechteckhälfte durchlässig ist. Bei der dem einfallenden Strahl zugewandten Grundfläche G, ist diejenige Rechteckhälfte, die dank der Schrägstellung direkt vom •einfallenden Laserstrahl getroffen wird, durchlässig, während. die zweite, auf der anderen Seite der Symmetrieachse S befindliche Rechteckhälfte mit nahezu totaler Reflexion (ca. 99>7p) verspiegelt ist. Bei der dem einfallenden Lichtstrahl abgewandten Grundfläche G_ ist die der durchlässigen Rechteckhälfte der anderen Grundfläche G- gegenüberliegende Rechteckhälfte halbdurchlässig (Reflexion 5OiS, Transmission 5Oi)₁ während die der verspiegelten Rechteckhälfte von G_n gegenüberliegende Rechteckhälfte durchlässig ist.

Durch diese Massnahmen entstehen, wie in Fig. *1 gezeigt, zwei parallele und bei geeigneter Stellung der Platte zur optischen Achse des Gesamtsystems symmetrische Strahlen I und II von gleicher Intensität. !Her muss die Parallelität von I und II nicht mehr justiert werden, sondern ist durch die Parallelität der Platte, also durch das Fabrikationspropramm gegeben.

Der Abstand D dor Strahlen I und II kann durch Drehen der

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Platte um die Achse X, die senkrecht zur Lichtstrahlenebene durch den räumlichen Mittelpunkt der Platte PO verläuft, eingestellt werden.

Ergänzend soll noch der v/eiter oben (S.3) verwendete Ausdruck für die Doppler-Kreisfrequenzverschiebung w, hergeleitet werden. Der fundamentale Ausdruck lautet:

k ist der Wellenvektor des Lichtes, der dessen Richtung und Freouenz enthält:

k bedeutet dabei den für die Richtung massgebenden Einheitsvektor des Lichtes. Bei technischen (terrestrischen) Geschwindigkeiten unterscheidet sich die Wellenlänge des gestreuten, dopplervorsehobenen Lichtes unwesentlich vom eingestrahlten Licht, d.h.:

rv.j

(3)

Der dabei auftretende Fehler beträgt ca. 10- bis 10- . Man darf deshalb k in (1) vor die Klammer ziehen:

"d ^=t * ^(irsc * *i> * -*^{B (ir} ^

weiter gilt c=^ ± \ - ^o_

η η

Setzt man (5) in (Ί) ein, so erhält man schllesslich:

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Claims

Patentansprüche

1·/Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungsfeldern mittels einer selbstjustierenden, für den Empfang rückwärts gestreuter Signale dienenden Laser-Dopplersonde, bei welchen Verfahren der Messpunkt durch zwei gegenseitig kohärente Laser-Referenzstrahlen gleicher oder nahezu gleicher Intensität, aber unterschiedlicher Richtung bestrahlt wird und der i rückwärts gestreute Signalstrahl ewei im Hinblick auf die Frequenz in unterschiedlicher Weise dopplerverschobene Xorr.ponenten aufweist» aus welchen mittels Mischung bzw. Ueberlagerung die von der Streurichtung unabhängige und nur von den beiden Referenestrahl-Richtungen sowie der Geschwindigkeit der streuenden Teilchen abhängige Doppler-Differenzfrequenz gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Linse (L,) zugleich als Sende- und Empfangsoptik in der Weise verwendet wird, dass zwei kohärente Laser-Strahlen (I, II) symir.et~ I risch und parallel zur optischen Achse (Z) dieser Linse und in einem Achsenabstand (d) zugeführt werden, der etwas Kleiner ist als der Linsenradius, und dass der rückwärts streuende Messpunkt sich im Brennpunkt der Linse (L₁) und somit im Treffpunkt der beiden nach Brechung durch die Linse (L₁) unterschiedliche Richtungen (^_1# ^2) aufweisenden Referenzstrahlen (1,11) befindet, und ferner dadurch gekennzeichnet-,

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dass das rückwärts gestreute, die beiden dopplerverschobenen Frequenzkomponenten enthaltende Licht nach Durchgang durch die Linse (L,) mittels eines weiteren, zur optischen Achse (Z) koaxialen optischen System (Lp, B,, L,), das in seinen radialen Abmessungen kleiner ist als der Achsenabstand (d) der primär zugeführten Referenzstrahlen (1,11), gebündelt und einem Detektor (Ph) zugeführt wird, in welchem die Ueberlagerung bzw. Mischung der beiden dopplerverschobenen Frequenzkomponenten und die Gewinnung einer nur von der Doppier-Differenzfrequenz und somit von der Geschwindigkeit (v) der streuenden Teilchen abhängigen elektrischen Signals vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlen (I, II) aus einem einzigen, mit der optischen Achse (Z) des Systems koinzidierenden primären Laserstrahl mittels eines Kösters-Prismas (P) in der V/eise gewonnen werden, dass mit Hilfe zweier Spiegel (S., S) der Einfallswinkel in das zur optischen Achse symmetrisch angeordnete Kösters-Prisma (P) so justiert wird, dass die beiden aus dem Prisma austretenden reflektierten Strahlen gegenseitig parallel und symmetrisch zur Achse sind»

j5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlen (I,II) aus einem einzigen, zur optischen Achse (Z) des Systems parallelen primären Laserstrahl mittels einer teilweise verspiegelten, quaderförmigen, planparallelen Glas-

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platte (PG) gewonnen werden, deren parallele Grundflächen (G₁, Gp) mit der Richtung des einfallenden Strahls einen von 90° verschiedenen Winkel bilden und deren Lage zur optischen Achse (Z) so ist, dass die normal zu den Grundflächen (G-,, Gp) verlaufenden Symmetrieachse (S) der Platte (PG) die optische Achse (Z) schneidet, und die Verspiegelung so beschaffen ist, dass bei der dem einfallenden Strahl zugewandten rechteckigen Grundfläche (G,) die vom einfallenden Strahl dank der Schrägstellung der Platte (PG) gegenüber der optischen Achse (Z) di- " rekt getroffene Rechteckhälfte der Grundfläche (G,) durchlässig, die auf der anderen Seite der Symmetrieachse (S) befindliche Rechteckhälfte dieser Grundfläche (G-, ) jedoch mit nahezu totaler Reflexion verspiegelt ist, während bei der dem einfallenden Strahl abgewandten Grundfläche (Gp) die der durchlässigen Rechteckhälfte der anderen Grundfläche (G,) gegenüberliegende Rechteckhälfte halbdurchlässig verspiegelt, die der verspiegelten Rechteckhälfte der anderen Grundfläche (G,) gegenüberliegende Rechteckhälfte jedoch durchlässig ist. ™

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3> dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg zwischen der Linse (L,) und dem Detektor (PH) angeordnete optische System eine zweite Linse (Lg), eine in der Brennebene dieser zweiten Linse angeordnete Blende (B,) mit sehr kleiner Oeffnung, eine dritte, im Abstand ihrer Brennweite hinter der Blende (B,) liegende Linse (L-,) und ein Interferenzfilter (P) enthält.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verändern der Brennweite der Linse (L,) der zwischen den Referenzstrahl-Richtungen (k.,, ^kip) gebildete Winkel

und damit die Eichkonstante (a= -^G-) des Systems variiert wird, so dass mit einer vorgegebenen Bandbreite des elektronischen Mess-Systems verschiedene Geschwindigkeitsbereiche überstrichen werden.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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