DE2825446A1 - Verarbeitungs-verfahren und -vorrichtung fuer digitalsignale, - Google Patents
Verarbeitungs-verfahren und -vorrichtung fuer digitalsignale,Info
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Description
National Research Development Corporation, London Großbritannien
Verarbeitungs-Verfahren und -Vorrichtung
für Digitalsignale
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Digitalsignals, das aus einer
Folge von diskreten Impulsen besteht, um die in dem Signal enthaltene Spektralinformation zurückzugewinnen.
Die Technik der Laser-Doppler-Anemometrie oder -Geschwindigkeitsmessung
ist bekannt (vgl. „Optics and Laser Technology", Bd. 6 (1974) Nr. 6, S. 249 - 261). Dabei ist
eine allgemeine Form eines Laser-Doppler-Anemometers ein Doppler-Differenz-System, bei dem zwei Laserstrahlen von
der gleichen Quelle zum Sich-Überschneiden gebracht werden zur Erzeugung einer Folge oder einer Gruppe von Interferenzstreifen
in deren Überkreuzungsbereich,und von Teilchen, die den Überkreuzungsbereich durchsetzen, gestreute Signale werden
gesammelt bzw. aufgefangen und analysiert. Diese Signale
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sind mit einer Frequenz moduliert, die von dem Abstand der
Interferenzstreifen und von der Geschwindigkeit der Teilchen abhängt, die jedoch unabhängig ist von der Streurichtung.
Das gestreute optische oder Lichtsignal von jedem den Überkreuzungsbereich durchsetzenden Teilchen besteht aus
einem Photonenstrom, deren jedes einzeln verarbeitet werden kann mittels eines Photonen zählenden Detektors, um ein erkennbares
Ausgangssignal von jedem einzelnen zu erhalten.
Der Photonenstrom kann auf diese Weise in epe Folge elektrischer
Impulse umgesetzt sein, deren jeder den Augenblick wiedergibt, zu dem eine Fotoerfassung stattfindet.
Um eine Information in bezug auf die Geschwindigkeit der Teilchen zu erhalten, von denen die erfaßten Photonen
gestreut sind, ist es notwendig, eine Information, die in den Abständen zwischen den Impulsen der Impulsfolge enthalten
ist, d. h. in bezug auf die Zeiteinteilung der Impulse herauszuführen oder abzuleiten. Für einen stetigen unmodulierten
Photonenstrom ist der Impulszug im Zufallsverfahren nach dem Poissonschen Gesetz über die Zeit verteilt,
d. h. es bestehen keine Korrelationen zwischen den Photonen-Ankunftszeiten. Wenn der Photonenstrom schwankend ist oder
moduliert wird durch den Durchtritt von Teilchen über die Interferenzstreifen, besteht jedoch eine Korrelation oder
eine Wechselbeziehung zwischen den Impulsen der Folge. Diese Wechselbeziehungen können herausgeführt werden entweder
durch direkte Autokorrelation der digitalen Impulsfolge mit sich selbst (Photonenkorrelation) oder durch Spektralanalyse
des Signals. Die Erfindung nimmt Bezug auf letztere Vorgehensweise.
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Zwei Arten von signalverarbeitenden Vorrichtungen werden derzeit verwendet, um das Leistungsspektrum eines Digitalsignals
zu bestimmen, das aus einer Folge diskreter
ist/
Impulse besteht. Deren erste, ein Wobbelfllter-Spektralanalysator, bei dem ein Schmalbandfilter über einen Frequenzbereich gewobbelt wird und das Ausgangssignal quadriert und aufgezeichnet wird. Diese Verfahrensweise ergibt das Leistungsspektrum des Eingangssignals zum Filter unter der Voraussetzung, daß die invertierte Bandbreite und die Untersuchungszeit beide groß sind im Vergleich mit der Durchschnittszeit zwischen Teilchenübergängen, ist jedoch unwirksam, weil das Gerät auf lediglich eine Frequenz zu einem Zeitpunkt abgestimmt ist, wenn es über den erforderlichen Frequenzbereich abtastet.
Impulse besteht. Deren erste, ein Wobbelfllter-Spektralanalysator, bei dem ein Schmalbandfilter über einen Frequenzbereich gewobbelt wird und das Ausgangssignal quadriert und aufgezeichnet wird. Diese Verfahrensweise ergibt das Leistungsspektrum des Eingangssignals zum Filter unter der Voraussetzung, daß die invertierte Bandbreite und die Untersuchungszeit beide groß sind im Vergleich mit der Durchschnittszeit zwischen Teilchenübergängen, ist jedoch unwirksam, weil das Gerät auf lediglich eine Frequenz zu einem Zeitpunkt abgestimmt ist, wenn es über den erforderlichen Frequenzbereich abtastet.
Dieses Problem wird durch eine zweite Art einer Signalverarbeitungsvorrichtung
überwunden, das eine Parallelanordnung von Filtern bei benachbarten Frequenzen enthält, die
den gewünschten Frequenzbereich überdecken. Bei dieser Art eines Spektralanalysators werden alle Frequenzen simultan
verarbeitet, weshalb keine Signalinformation verlorengeht und die Versuchs- bzw.. Untersuchungszeit verringert wird.
Jedoch ist eine große Anzahl von Filtern erforderlich für
genaue Ergebnisse und ist die. Vorgehensweise daher ziemlich mühsam und umständlieh.
Es ist Aufgabe, der Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung anzugeben, durch die auf einfache Weise eine geeignete
Verarbeitung digitaler elektrischer Signale möglich ist.
Gemäß der Erfindung weist ein Verfahren zur Verarbeitung
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eines digitalen elektrischen Signals, das aus einer Folge diskreter Impulse besteht, um die Spektralinformation, die
in den Abständen zwischen den Impulsen enthalten ist, wiederzugewinnen, den Verfahrensschritt auf des Anlegens des
Digitalsignals an einen Oberflächenschallwellen-Spektralanalysator
(SAW-Spektralanalysator), der so angeordnet ist, um Ausgangssignale zu erzeugen, deren Hüllkurven das Leistungsspektrum
über einen gewählten Frequenzbereich wiedergeben von konstituierenden Probenlängen im Digitalsignal,
und den Verfahrensschritt aus diesen Ausgangssi-
gnalen Spektralinformation abzuleiten, die in den Abständen zwischen den pulsen enthalten ist.
In diesem Zusammenhang sind hier unter dem Begriff »digitales elektrisches Signal" nicht nur Signale zu verstehen,
die aus einer Folge von gleichförmigen diskreten Impulsen bestehen, sondern auch solche Signale, bei denen
die Impulse ungleichförmig sind, d. h. unterschiedliche Impulshöhen besitzen, wobei bei diesen die interessierende
Spektralinformation in den Abständen zwischen den Impulsen enthalten ist.
Wenn das Digitalsignal aus einer Folge diskreter gleichgeformter Impulse besteht, enthält jedes Ausgangssignal vom
SAW-Spektralanalysator zwei Arten von Spektralinformation. Zunächst enthält es eine Information in bezug auf das Leistungsspektrum
der einzelnen Impulsformen, was im Fall von kurzdauernden Impulsen ein relativ breites Bandspektrum ist.
Zum zweiten enthält es eine Spektralinformation in bezug auf die Ab stände ..'.zwischen den Impulsen und insbesondere in
bezug auf die Korrelationen zwischen den Impulsabständen. Es ist das Wesentliche der Erfindung, daß diese zweite Art
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der Spektralinformation aus Digitalsignalen wiedergewonnen
werden kann unter Verwendung eines SAW-Spektralanalysators,
worauf die Erfindung beruht.
Es ist weiter eine dritte Art einer Spektralinformation in den Ausgangssignalen des SAW-Spektralanalysators enthalten,
wenn die Impulse des Digitalsignals unterschiedliche Höhen besitzen, und zwar ist es die Spektralinformation,
die in den sich zeitabhängig ändernden Impulshöhen enthalten ist. Diese Art der Information kann leicht aus einem derartigen
Digitalsignal beseitigt werden vor der Anlage an den SAW-Spektralanalysator, dadurch, daß es durch einen Diskriminator
oder eine ähnliche Impulsformerschaltung geführt wird, um es in eine Folge gleichgeformter Impulse umzuformen,
vorzugsweise solche kurzer Dauer. Dieses Impulsformen bestimmt auch das Spektrum der einzelnen Impulsformen, wodurch
das Wiedererkennen der gewünschten Impulszeiteinteilungsinformation
erleichtert wird. Bei einigen Anwendungsfällen kann jedoch die Verwendung einer Impulsformerschaltung
zu diesem Zweck unerwünscht sein, da dadurch eine obere Grenze für die Impulswiederholfrequenz gesetzt wird, die
verarbeitet werden kann ohne Verlust von Signalinformation infolge der Geschwindigkeitsbegrenzungen derartiger Schaltungen
.
Vorzugsweise wird die Spektralinformation, die in den Impulsabständen enthalten ist, von mehreren AusgangsSignalen
von dem SAW-Spektralanalysator abgeleitet, und miteinander integriert, um ein integriertes Ausgangssignal zu erzeugen,
das das gesamte Leistungsspektrum wiedergibt über einen gewählten Frequenzbereich von konstituierenden oder
bildenden Probenlängen des Digitalsignals. Dieser Integra-
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tionsvorgang ist üblicherweise erforderlich, um die gewünschte
Information wiederzugewinnen, weil die Länge jeder Probe des Digitalsignals,von dem der SAW-Spektralanalysator ein
Ausgangssignal erzeugt, sehr kurz ist (üblicherweise im Bereich
von 10 bis 50 με). Auf diese Weise kann, wenn nicht die Anzahl der in jeder Probe enthaltenen Impulse, von denen
ein Ausgangssignal vom SAW-Spektralanalysator erzeugt wird, ziemlich hoch ist, nur geringe Spektralinformation in bezug
auf die Impulsabstände aus einem einzigen Ausgangssignal zurückgewonnen
werden. Im allgemeinen kann eine bedeutsame oder wesentliche Information von einem einzigen Ausgangssignal
nur dann wiedergewonnen oder rückgewonnen werden, falls die Probenlänge des Digitalsignals, von dem es abgeleitet
ist, mehr als fünf Impulse enthält. Jedoch kann durch Integrieren mehrerer Ausgangssignale vom SAW-Spektralanalysator
ein integriertes Spektrum des Digitalsignals aufgebaut werden über eine ausgedehnte Integrationsperiode, wodurch
die gewünschte Spektralinformation zurückgewonnen werden kann, selbst aus AusgangsSignalen, aus denen die Information
nicht einzeln rückgewonnen werden kann.
Die Erfindung ermöglicht es, die Analyse während einer Echtzeit zu erhalten, und das schließlich integrierte Spektrum
kann entweder angezeigt oder aufgezeichnet werden.
Die gewünschte Spektralinformation in bezug auf die Impulsabstände
des Digitalsignals erscheint im Leistungsspektrum des Signals als mindestens ein genau definiertes Peak
oder eine genau definierte Spitze, wobei jedes dieser Peaks
die Frequenz wiedergibt, zu der eine Korrelation zwischen Impulsabständen auftritt. Abhängig von der Art des Digitalsignals kann die Lage dieser Peaks entweder stationär bleiben
oder sich zeitabhängig ändern.
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Um ein Überwachen der Zeitänderungen der Lage einer derartigen Peaks im Leistungsspektrum zu ermöglichen (Frequenz-Nachlauf;
frequency-tracking),können wiederholte Integrationen aufeinanderfolgender Gruppen von Ausgangssignalen
von dem SAW-Spektralanalysator durchgeführt werden, um
eine Folge integrierter Ausgangssignale, die das Leistungsspektrum
wiedergeben, in einem gewählten Frequenzbereich einschließlich der Peaks zu erzeugen aus dem Digitalsignal
bei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen. Die durch die
Peak-Amplitudenkomponente jeder Folge von integrierten Ausgangssignalen
wiedergegebene Frequenz kann dann bestimmt werden, um eine Anzeige der Änderung dieser Frequenz mit
der Zeit zu erreichen. Die Integrationsperiode für jedes integrierte Ausgangssignal sollte kurz sein im Vergleich
mit der Zeitänderung der Peak-Frequenzkomponente.
Andererseits kann ein ähnliches Verfahren durchgeführt
werden mit einzelnen Ausgangs Signalen von dem SAW-Spektralanalysator
anstelle einer solchen für integrierte Gruppen von AusgangsSignalen, wenn ausreichende Information in den
einzelnen Ausgangssignalen enthalten ist, um die Lage der Peaks mit ausreichender Genauigkeit bestimmen zu können.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung,
beispielsweise mittels Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung an, wobei ein Bereich im Raum, in dem die
zu messende Bewegung stattfindet, mit Laserlicht beleuchtet oder erhellt wird, einzelne Photonen erfaßt werden, die von
dem beleuchteten Bereich gestreut werden, um ein digitales elektrisches Signal zu erzeugen, das aus einer Folge von
diskreten Impulsen besteht, die jeweils der Erfassung eines einzelnen Photons entsprechen und das 'digitale Signal.ver-
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arbeitet wird mittels des erläuterten Verfahrens, um eine Information in bezug auf die Geschwindigkeit des gemessenen
Schrittes abzuleiten.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zeichnet
sich eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines digitalen elek-
aus
trischen Signals, das einer Folge von diskreten Impulsen besteht, um Spektralinformation, die in den Abständen zwischen
den Impulsen enthalten ist, wiederzugewinnen, aus durch einen OberflächenschallwellenCSAW^-Spektralanalysator,
der zum Empfang des digitalen Signals und zum Erzeugen von Ausgangssignalen vorgesehen ist, deren Hüllkurven
das Leistungsspektrum wiedergeben in einem gewählten Frequenzbereich der konstituierenden oder bildenden Probenlängen
des Digitalsignals, sowie durch einen Integrator zum Integrieren mehrerer Ausgangssignale von dem SAW-Spektralanalysator
zur Erzeugung eines integrierten Ausgangssignals, das das Leistungsspektrum mehrerer konstitutierender oder
bildender Probenlängen des Digitalsignals wiedergibt.
Die Vorrichtung ermöglicht eine Echtzeitanalyse der
Digitalsignale, bei der kurze Probenlängen des Signals durch
mäßigen
den SAW-Spektralanalysator xn regel Intervallen so abgetastet
werden, daß dessen Ausgangssignal eine Folge einzelner Ausgangssignale aufweist, deren Hüllkurven das Leistungsspektrum aufeinanderfolgender Probenlängen des Digitalsignals
wiedergeben. Der Integrator bewirkt eine additive Überlagerung dieser Ausgangssignale in Echtzeit zur Erzeugung eines
integrierten Spektrums.
Der Integrator kann ein Schieberegister aufweisen, das zum Synchronhetrieb mit dem SAW-Spektralanalysator vorgese-
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hen ist, sowie ein Summierglied, das zum Addieren von Amplitudenproben
entsprechender Prequenzkomponenten aufeinanderfolgender Ausgangssignale vom SAW-Spektralanalysator vorgesehen
ist j und um diese aufeinanderfolgend in getrennte
Speicherplätze des Schieberegisters zu führen.
, Die Vorrichtung kann eine Einrichtung zum periodischen Bestimmen der Frequenz enthalten, die die Peak-Amplitudenkomponente
des integrierten Ausgangs signals wiedergibt, das durch den Integrator während aufeinanderfolgender Integrationsperioden
abgeleitet ist, um eine Anzeige der Änderungen dieser Frequenz mit der Zeit zu erzeugen (Frequenz-Nachlauf)
.
Für Frequenz-Nachlauf-Zwecke kann der Integrator nicht
erforderlich sein, wenn ausreichende Information in den Ausgangssignalen des SAW-Spektralanalysators enthalten ist, um
die Lage der _ Peak~Amplitudenkomponente mit ausreichender
Genauigkeit bestimmen zu können. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung für solche Anwendungsfälle kann .einen SAW-Spektralanalysator
enthalten sowie eine Einrichtung zum periodischen Bestimmen der Frequenz, die durch die Peak-Amplitudenkomponente
entsprechend der Ausgangssignale von dem SAW-Spektralanalysator wiedergegeben ist, um eine Anzeige
der Änderungen dieser Frequenz mit der Zeit zu erzeugen.
Die Erfindung ist auch auf eine Geschwindigkeitsmeß-Vorrichtung mit einem Laser zum Beleuchten eines Bereichs
im Raum, in dem die zu messende Bewegung stattfindet, anwendbar, wobei ein Photonendetektor vorgesehen ist zum Erfassen
einzelner Photonen, die von dem beleuchteten Bereich gestreut sind zur Erzeugung eines digitalen elektrischen Si-
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j das aus einer Folge diskreter Impulse besteht, deren
jeder der Erfassung eines einzelnen Photons entspricht, sowie eine Vorrichtung zur Verarbeitung des digitalen elektrischen
Signals der oben genannten Art, . wobei das digitale elektrische Signal durch den Photonendetektor erzeugt
ist, um die Spektralinformation, die in den Impulsabständen enthalten ist, rückzugewinnen.
Wenn die Impulse des digitalen Ausgangssignals vom Photonendetektor
ungleichförmig sind, kann die Vorrichtung weiter einen Impulsformer aufweisen zum Umsetzen der unterschiedlich
geformten Impulse in kurzzeitige Impulse gleicher Form. Wie bereits ausgeführt, ist diese Impulsformung
nicht wesentlich und kann beispielsweise unerwünscht sein, wenn die Impulswiederholfrequenz des Photonendetektor-Ausgangssignals
sehr hoch ist.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige
Figur der Zeichnung zeigt ein Laser-Doppler-Anemometer mit einer Signalverarbeitungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Figur zeigt die optische Anordnung eines Laser-Doppler-Anemometers
oder -Geschwindigkeitsmessers mit üblichem Doppler-Differenz-Aufbau, bei dem Licht von einer
Laserquelle 1, in diesem Fall einem 10-mW-Helium-Neon-Laser,
gleichförmig aufgeteilt wird in zwei getrennte konvergierende Strahlen 3j ^ mittels eines prismatischen Strahlteilers
2, und wobei das von Teilchen, die von einem durch den Überkreuzungsbereich 7 der beiden Strahlen sich bewegenden
Fluid getragen sind. gestreut wird /von einer Linse 5 großer Apertur aufgesammelt oder aufgefangen wird und von
einem Detektor 9 aufgefangen wird, der als Photonen zählende
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Potovervielfacherrohre PMT ausgebildet ist. Eine Einfach-Linse
6 ist paraxial zwischen der Laserquelle 1 und dem Spaltteiler 2 angeordnet zum Fokussieren der beiden Strahlen
33 ^ an ihrem Punkt im Überschneidungs- oder Überkreuzungsbereich
7· Dieser Überkreuzungsbereich 7 und die Apertur "oder die Sehfeldblende an der Vorderseite des Detektors
9 definieren zusammen den Bereich im Raum oder das Streuvolumen, von dem Information in bezug auf die Geschwindigkeit
des den Bereich durchsetzenden oder durchströmenden Fluids erhalten wird.
Gemäß dem sogenannten Streifen-Modell bei der Doppier-Differenz-Technik
wird ein Muster von Interferenzstreifen, die parallel zur Symmetrieachse der beiden Strahlen 3S ^
liegen, im Überkreuzungsbereich 7 gebildet, wobei der Streifenabstand S = λ/2 sin (Θ/2) beträgt.mit λ = Wellenlänge
der einfallenden Strahlung,und θ = Schnittwinkel der beiden
Strahlen 3, 4. Auf diese Weise sind die Lichtsignale, die
am Detektor 9 von einem Teilchen, das den Überkreuzungsbereich 7 durchsetzt, erhalten wird, mit einer Frequenz f =
(2 u sin (θ/2))/Α erhalten, mit u = ■Geschwindigkeitskomponente des streuenden Teilchens in der Richtung senkrecht
zu den Streifen.
Das Ausgangssignal des Detektors 9 besteht aus einer
Folge elektrischer Impulse, deren jeder die Erfassung eines Photons wiedergibt. Die Form dieser Impulse wird in einem
Diskriminator 10 standardisiert zur Erzeugung gleichgeformter Impulse kurzer Dauer, üblicherweise 20 ns.
Das Leistungsspektrum dieser Folge von digitalen Impulsen
enthält zwei Arten von Frequenzinformation. Erstens ent-
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hält es eine Information in bezug auf das Spektrum der einzelnen Impulsformen, die wegen der sehr kurzen Impulsdauer
ein ziemlich breites Hintergrundspektrum bildet. Zweitens enthält es eine Information in bezug auf periodische Änderungen
in den Impulsabständen entsprechend der Modulation
der Intensität des von dem Detektor 9 erhaltenen optischen oder Lichtsignals. Aus dieser Information kann die Geschwindigkeit
der streuenden Teilchen im streuenden Volumen abgeleitet werden.
Um diese Spektralinformation herauszuführen, wird der
Impulszug oder die Impulsfolge gemäß der Erfindung einer Signalverarb ei tungs-^forrichtung einschließlich eines SAW-
oder Oberflächenschallwellen-Spektralanalysators 14 zugeführt. Zusätzlich enthält die Signalverarbeitungs-Vorrichtung
einen Analog/Digital-Umsetzer 15 (A/D) und einen digitalen Integrator 16, der das Echtzeit-Ausgangssignal des
Spektralanalysators 14 integriert zum Aufbauen einer vergleichsweise
rauschfreien Abschätzung des Leistungsspektrums im Eingangssignal über eine Zeitperiode.
Die Signalverarbeitungs-Vorrichtung sowie das Signalverarb eitungs-Verfahren im Betrieb wird im folgenden erläutert.
Die Folge gleichgeformter Impulse, die aus dem Diskriminator 10 austritt j wird einer Filter- und Verstärker-Schaltung
18 mit einstellbarer Verstärkungsregelung zugeführt, wobei der Verstärkungsfaktor zu Kalibrierzwecken eingestellt
werden kann, bevor sie in den SAW-Spektralanalysator
14 eintreten. Der Spektralanalysator 14 kann von jedem
üblichen im Handel erhältlichen Typ sein, der geeignet ist, analoge Signale im gleichen Frequenzband spektral zu analysieren,
beispielsweise das Modell Nr. 1740 der nMicrowave
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and Electronics Systems Ltd." (MESL); wobei darauf hingewiesen
sei, daß &ie Verwendung des SAW-Spektralanalysators für
digitale Signale zum Herausführen einer Information, die in den Impulsabständen enthalten ist, bisher noch nicht erwogen
worden ist.
.Der SAW-Spektralanalysator 14 enthält einen ersten Mischer
20 zum Multiplizieren des Eingangs signals mit dem Ausgangssignal eines Ortsoszillators 21, dessen Frequenz eingestellt
werden kann, um den Frequenzbereich des Spektralanalysators 14 zu verändern, einen zweiten Mischer 22 zum
Multiplizieren des Ausgangssignals des Erstmischers 20 mit dem Ausgangssignal eines SAW-Zirp-Signalgenerators 23 ("Chirp-Signalgenerator,
entsprechend einem Signalgenerator, der ein zeitproportionales Frequenzmodulationsverfahren
verwendet), ein SAW-Zirpfilter 24 und einen Hüllkurvendetektor
25. Der erste Mischer 20 dient zum Übertragen des Eingangssignals auf eine geeignete Mitten- oder Zwischenfrequenz,
auf der der Zirpgenerator 23 und das Zirpfilter 24 arbeiten können.
Der Zirpgenerator 23 enthält ein SAW-Zirpfilter oder
eine streuende oder dispersive Verzögerungsleitung mit 25 us
Dauer, die in regelmäßigen Abständen gepulst ist, bei vorliegendem Beispiel alle 51 us. Das Ausgangssignal ist daher
eine Folge von Zirpsignalen, d. h. von Signalen, deren Frequenz sich mit der Zeit ändert, mit jeweils 25 M-s Dauer,
die alle 51 M-S wiederholt werden. Diese Zirpsignale werden
mit dem Ausgangssignal des ersten Mischers 20 im zweiten
Mischer 22 gemischt, wodurch auf diese Weise wirksam 25-us-Proben des Eingangssignals mit Abständen von 51 US erhalten
werden, wobei das Ausgangssignal des Mischers 22 nur
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bei Koinzidenz seiner beiden Eingangssignale nicht Null ist,
wobei diese Proben dem SAW-Pilter 24 zugeführt werden.
DAs SAW-Filter 24 ist ein Zirpfilter oder eine dispersive
Verzögerungsleitung ähnlich der des Zirpgenerators 23, besitzt jedoch eine Frequenz/Zeit-Kennlinie entgegengesetzter
Neigung. Auf diese Weise wirkt, während das Filter des Zirpgenerators 21 als Expander oder Dehner wirkt, das SAW-Filter
24 als Kompressor. Das Ausgangssignal des Filters 24
für jede 25 μs-Probe ist die Echtzeit-Fourier-Transformierte
des Eingangssignals über die 25-us-Periode. Der Hüllkurvendetektor
25 verarbeitet, zum Beispiel quadriert, den Modul des Ausgangssignals des Filters 24 zur Erzeugung eines
getrennten Ausgangssignals für jedes der 25-us-Proben des
ursprünglichen Eingangssignals, wobei die Hüllkurve dieses
Ausgangssignals das Leistungsspektrum dieser Probe über einen gewählten Frequenzbereich wiedergibt, das durch die Frequenz
des Ortsoszillators 21 bestimmt ist.
Da die Abtastperiode des Spektralanalysators 14 relativ kurz ist, hängt die Verwendbarkeit des einzelnen „Proben-Spektrums"
von der durchschnittlichen Impuls-Wiederholfrequenz der Eingangsimpulse ab sowie von der Periode jeglicher
Modulation in diesem Verhältnis, das die gesuchte Geschwindigkeit der Information enthält. Für jede niedrigstreuende
Intensität oder Stärke, die lediglich zwei oder drei Impulse pro 25-us-Probe im Durchschnitt hergibt, ist die Menge
der Information, die im Spektrum einer einzelnen Probe enthalten ist, in bezug auf periodische Modulationen in den
Trennungen oder Abständen der Impulse sehr klein.
Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß eine aus-
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reichende Informationsmenge enthalten ist und daß durch Integrieren
einer Anzahl derartiger einzelner Proben-Spektren miteinander über eine Zeitperiode eine verhältnismäßig
rauschfreie Abschätzung des Eingangssignal-Spektrums erhalten
werden kann, die die Frequenzen periodischer Änderungen in den Impulsabständen darstellt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Integration digital durchgeführt j weshalb das Ausgangssignal
vom SAW-Spektralanalysator 14 einem A/D-Umsetzer 16 zugeführt
wird, gegebenenfalls über einen (nicht dargestellten) logarithmischen Verstärker. Der A/D-Umsetzer 16 setzt die
einzelnenProben-Spektren in digitale Form um mit einer 4-Bit-Binärgenauigkeit
(16 Pegel) mit einer 10-MHz Digitalisierungsfrequenz. Diese Digitalisierungsfrequenz ist in Übereinstimmung
mit der Auflösung des Spektralanalysators 14.
Das Ausgangssignal des A/D-Umsetzers 16 enthält eine Folge
oder einen Strom von 4-Bit-Worten, deren Wert jeweils die Amplitude einer bestimmten Frequenzkomponente im laufenden
oder jeweiligen Proben-Spektrum wiedergibt.
Die digitalisierten Proben-Spektren werden dann dem Integrator 16 zugeführt, der ein 5l6stufiges 16 Bit breites
lQ-MHz-Schieberegister 28 und ein Summierglied 29 enthält. Das Schieberegister 28 hat einen Zyklus synchron zum A/D-Umsetzer
derart, daß für aufeinanderfolgende Proben-Spektren die digitalen 4-Bit-Amplitudenproben, die der gleichen Frequenz
entsprechen, in das gleiche lö-Bit-Schieberegister-Wort
durch das Summierglied 29 so eingegeben oder hinzugefügt ^e'rden
daß nach einer Anzahl von Zyklen ein integriertes Spektrum
aus während einer Zeitperiode gesammelten Spektralinformationen aufgebaut wird. Korrelationen zwischen den Abständen
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der Impulse treten als genau definierte Peaks an Stellen auf, die der Frequenz oder den Frequenzen entsprechen, an denen
die Korrelation auftritt über einem Rausch-Hintergrund, das das Spektrum der einzelnen Impulsformen wiedergibt, wobei
mit kürzerer Impulsdauer dieses Hintergrund-Spektrum um so flacherjistc Die Anzahl der Zyklen, über die die Integration
durchgeführt wird, kann voreingestellt sein, oder der Zyklus
kann wiederholt werden, bis ein Kipp-Pegel durch die größte Amplitudenkomponente des Spektrums erreicht ist. Das ingegrierte
Ausgangssignal wird dann weiter analysiert, um eine Information zu erhalten in bezug auf die Geschwindigkeit
der Teilchen.
Die Anzahl der erforderlichen Zyklen zum Aufbau einer
vergleichsweise rauschfreien Abschätzung des Eingangssignal-Spektrums hängt von der Länge der Proben ab, die von dem
Spektralanalysator 14 aufgenommen werden, wobei die Auflösung um so besser ist, je länger diese sind, und von der
Durchschnittsgeschwindigkeit bzw. -frequenz der Photonenerfassungen. Dort, wo die Geschwindigkeit des die streuenden
Teilchen durch das Streuvolumen führenden Fluids stetig ist, bleiben die Stellungen, an denen die entsprechenden
Peaks im Leistungsspektrum des Eingangssignals auftreten,
im wesentlichen fest, was einen stetigen Fluß bzw. eine stetige Strömung anzeigt. Wenn jedoch die gemessene bzw. überwachte
Fluidströmung unstetig oder turbulent ist, ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit mit der Zeit, weshalb folglich
sich die entsprechende Peakfrequenz des Spektrums in ihrer Lage ändert.
Um diese Änderungen der Frequenz der größten Amplitudenkomponente nackzufuhren, kann der Integrator 16 so ausgebildet
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sein, daß er wiederholte Integrationen aufeinanderfolgender
Gruppen von Ausgangssignalen vom SAW-SpektralanaIysator Ik
durchführt, wobei die Anzahl der Ausgangssignale in jeder Gruppe entweder voreingestellt ist oder durch ein geeignetes
Einstellen des genannten Kipp-Pegels bestimmt ist. Am Ende jeder Integrationsperiode wird die von dem Schieberegisterwort
wiedergegebene Frequenz, die den größten Wert hat, bestimmt auf irgendeine übliche Weise, und die Änderung dieser
Peakfrequenz, die von aufeinanderfolgenden Integrationsperioden abgeleitet wird, die entweder angezeigt oder aufgezeichnet
werden, erreicht eine im wesentlichen kontinuierliche Anzeige der Zeitänderung des gemessenen Parameters, in
diesem Fall der Geschwindigkeit.
Die Peakfrequenz kann durch serielles Einlesen der Worte des Schieberegisters 28 in einen Vergleicher bestimmt werden,
"anfangs den Wert und die Lage des ersten Wortes speichert und dann die verbleibenden Worte abtastet, wobei sein gespeicherter
Wortwert mit dem der aufeinanderfolgenden Worte verglichen wird und der gespeicherte Wortwert und die Wortlage
mit der eines folgenden Wortes nur geändert wird, wenn der Wert des folgenden Wortes den gespeicherten Wortwert
überschreitet. Die gespeicherte Wortlage am Ende der Abtastung ergibt so eine Anzeige der Frequenz der größten Amplitudenkomponente
im integrierten Spektrum, das durch den Inhalt des Schieberegisters 28 am Ende jeder Integrationsperiode
dargestellt ist.
Eine ausreichende Spektralinformation, für eine derartige
Frequenzabtastung kann im allgemeinen aus einer Integration über relativ kurze Integrationsperioden erreicht werden,
und in bestimmten Fällen, in denen die Impuls-Wiederholfrequenz des Eingangssignals relativ hoch ist, kann ausreich-
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chende Information von einzelnen Impulslängen des digitalen
EingangsSignals erhalten werden. Im letzteren Fall wird keine Integration durchgeführt. Jedes aufeinanderfolgende
Ausgangssignal des SAW-Spektralanalysators 14 wird digitalisiert,
in das Schieberegister 28 eingeschrieben und dessen Peakfrequenz bestimmt in der erläuterten Weise. Das
Schieberegister 28 wird auf diese Weise gelöscht, bevor das nächste nachfolgende Ausgangssignal vom SAW-Spektralanalysator
14 eingelesen wird.
Dort, wo jedoch die durchschnittliche oder Mittel-Impuls-Wiederholfrequenz
des digitalen Signals niedrig ist, beispielsweise lediglich zwei oder drei Impulse pro 25-us-Probenlänge,
und eine vergleichsweise rauschfreie Abschätzung des Leistungsspektrums erforderlich ist, sind relativ
lange Integrationszeiten von z.B. 5s erforderlich. Die
Auflösung des Analysators wird verbessert durch Erhöhen der Probenlänge. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken,
daß die Mindestzahl von Impulsen, die innerhalb jeder Probenlänge enthalten sein muß, aus der eine verwendbare Information
rückgewonnen werden kann, zwei beträgt. Jedoch kann die durchschnittliche Anzahl von Impulsen erheblich
geringer sein und sogar sich dem Wert Null annähern. In diesem Fall wird eine verwendbare Information von den gelegentlichen
Proben erhalten, die mindestens zwei Impulse aufweisen. Diese Situation kann insbesondere dann auftreten,
wenn der Einfall streuender Partikel in das Streuvolumen gering ist, derart, daß Fotoerfassungs-Ereignisse in
Intervallen auftreten, die größer als die Zykluszeit des SAW-Spektralanalysators 14 sind.
Die Erfindung erreicht eine schnelle und wirksame Echt-
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zeit-Spektralanalyse von digitalen Signalen. Ein großer Frequenzbereich
kann durch Ändern der Zwischenfrequenz des SAW-Spektralanalysators 14 überstrichen oder überdeckt werden,
was insbesondere zweckmäßig für Anemometrie bei Hochgeschwindigkeitsströmen ist. Die Spektralform des Ausgangssignals
erleichtert die Hochgeschwindigkeitsherausführung der erforderlichen Daten gemäß der üblichen Vorgehensweise,
beispielsweise Spektralbreite an ausgewählten Teilen der Peak-Höhe,und die Mittellage bei gewählten Bruchteilen oder
Abschnitten der Peak-Höhe können in Echtzeit bestimmt werden, Um den Wirkungsgrad der Signalverarbeitungs-Vorrichtung zu
erhöhen, können zwei identische SAW-Spektralanalysatoren 14
parallel verwendet werden, jedoch mit einer l80°-Phasenverschiebung zwischen deren Betriebszyklen derart, daß der eine
Teile oder Lose des Eingangs signals abtastet, die von dem anderen nicht abgetastet werden. Die Ausgangssignale der
beiden können einem gemeinsamen Integrator zugeführt werden, um ein integriertes Spektrum zu erzeugen, das aus im
wesentlichen dem gesamten digitalen Eingangssignal abgeleitet
ist.
Es ist nicht wesentlich, daß die Impulse des digitalen Eingangssignals, die den SAW-Spektralanalysatoren zugeführt
werden, gleich geformt sind/Beispielsweise kann das digitale Ausgangssignal vom Photonendetektor 9, das üblicherweise
eine Impulsfolge mit Impulsen unterschiedlicher Höhe aufweist, deren einige sich überlappen können, um schließlich
Impulse unterschiedlicher Breite zu bilden, direkt dem SAW-Spektralanalysator zugeführt werden. Das kann einen höheren
Rauschpegel in den Ausgangssignalen des Spektralanalysators ergeben, ermöglicht jedoch, daß Digitalsignale mit
höherer Impulswiederholfrequenz analysiert werden können ohne Signalinformations-Verlust.
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Die niedrigste Frequenz, die der SAW-Spektralanalysator
lh auflösen kann, ist durch die Probenlänge bestimmt (im vorliegenden
Fall 25 us). Im allgemeinen liegt jede Frequenz,
deren Halbperiode T/2 (T = 1/f) diejenige der Probenlänge überschreitet, außerhalb der Bandbreite des SAW-SpektralanalysatorSj
obwohl in der Praxis die Probe eher einen vollen Zyklus der niedrigsten Frequenz aufweisen können muß.
Um eine Information außerhalb des Frequenzbereiches des den SAW-Spektralanalysator verwendenden erfindungsgemäßen
Vorrichtung rückzugewinnen, kann das digitale Signal zunächst in der Zeit zusammengedrückt werden oder in der Zeit
davon,
gedehnt oder expandiert werden, abhängig-, ob die erforderliche
Spektralinformation oberhalb oder unterhalb des Frequenzbereiches des Spektralanalysators liegt. Diese Zeitkompresssion
oder -expansion kann durch Bandaufzeichnen des Digitalsignals mit einer bestimmten Geschwindigkeit erfolgen,
wobei es im SAW-Spektralanalysator abgespielt wird mit einer schnelleren Geschwindigkeit (Zeitkompression) oder
einer niedrigeren Geschwindigkeit (Zeitexpansion), wobei dann eine geeignete Korrektur in den Daten durchgeführt
wird, die von den SAW-Spektralanalysator-Ausgangssignalen
abgeleitet werden.
Wenn auch die Erfindung anhand eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers
erläutert worden ist, so kann jedoch das erfindungsgemäße Signalverarbeitungs-Verfahren und die
-Vorrichtung auch auf die Verarbeitung jeglicher digitalen Signale angewendet werden, die aus einer Folge diskreter unterschiedlich
oder gleichförmig geformter Impulse besteht, um eine in den Abständen zwischen den Impulsen enthaltene
Information rückzugewinnen.
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Claims (13)
- A η s' p" r u c h e1J Verfahren zur Verarbeitung eines digitalen elektrisehen Signals, das aus einer Folge diskreter Impulse zusammengesetzt ist, um eine in den Abständen zwischen den Impulsen der Folge enthaltene Spektralinformation rückzuge-winnen,dadurch gekennzeichnet,daß das digitale Signal einem OberflächenschallwellenCSAVJ-)-Spektralanalysator zugeführt wird, der so ausgebildet ist, daß er Ausgangssignale erzeugt, deren Hüllkurven das Leistungsspektrum über einem ausgewählten Frequenzbereich der konstituierenden Probenlängen des Digitalsignals wiedergeben, unddaß aus den Ausgangssignalen Spektralinformationen abgeleitet werden, die in den Abständen zwischen den Impulsen der Folge enthalten sind.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Abständen zwischen den Impulsen enthaltene Spektralinformation durch Integrieren mehrerer Ausgangssignale vom SAW-SpektralanaIysator abgeleitet werden zur Erzeugung eines integrierten Ausgangssignals, das das gesamte293"(JX 5210/05)-Me-v809882/0705o«qinal inspectedLeistungsspektrum über zumindest einem Teil des gewählten Frequenzbereiches der mehreren Probenlängen des Digitalsignals wiedergibt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrfache Integration aufeinanderfolgender Gruppen von Ausgangssignalen vom SAW-Spektralanalysator durchgeführt wird, um eine Folge integrierter Ausgangssignale zu erzeugen.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß die von der Peak-Amplitudenkomponente entsprechender der Ausgangssignale vom SAW-Spektralanalysator oder entsprechender der Folge von integrierten Ausgangssignalen wiedergegebene Frequenz an aufeinanderfolgenden Zeitintervallen bestimmt wird, um eine Anzeige der Änderung dieser Korrelationsfrequenz mit der Zeit zu erreichen.
- 5. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung, dadurch gekennzeichnet,daß ein Bereich im Raum, in dem die zu messende Bewegung stattfindet, mit Laserlicht beleuchtet wird,daß einzelne von dem beleuchteten Bereich gestreute Photonen erfaßt werden, um ein digitales elektrisches Signal zu erzeugen, das aus einer Folge von diskreten Impulsen be-809882/0705steht, die jeweils der Erfassung eines einzelnen Photons entsprechen, unddaß das digitale elektrische Signal nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 verarbeitet wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse des digitalen Signals in Kurzzeit- Impulse gleicher Form umgeformt werden vor deren Zufuhr zum SAW-Spektralanalysator.
- 7· Vorrichtung zur Verarbeitung eines digitalen elektrischen Signals, das aus einer Folge diskreter Impulse besteht, um die in den Abständen zwischen den Impulsen enthaltene Spektralinformation rückzugewinnen,gekennzeichnet durcheinen Oberflächenschallwellen(SAW-)-Spektralanalysator (14) zum Empfang des digitalen Signals und zur Erzeugung von Ausgangssignalen, deren Hüllkurven das Leistungsspektrum über einen gewählten Frequenzbereich konstituierender Probenlängen im Digitalsignal wiedergibt, undeinen Integrator (16) zum Kombinieren mehrerer Ausgangssignale vom SAW-Spektralanalysator (14) zur Erzeugung eines integrierten Ausgangssignals, das das Leistungsspektrum der mehreren Probenlängen in dem Digitalsignal wiedergibt.809882/0705
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (16) ein Schieberegister (28) aufweist, das zum Synchronbetrieb mit dem SAW-Spektralanalysators (14) vorgesehen ist, sowie ein Summierglied (29), das Amplitudenproben entsprechender Prequenzkomponenten aufeinanderfolgender Ausgangssignale vom SAW-Spektralanalysator (14) addiert und sie aufeinanderfolgend in getrennte Speicherplätze im Schieberegister (28) eingibt.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bestimmen der Frequenz, die die Peak-Amplitudenkomponente des integrierten Ausgangssignals wiedergibt, das vom Integrator (16) während aufeinanderfolgender Integrationsperioden abgeleitet ist, um eine Anzeige der Änderung dieser Frequenz mit der Zeit zu erreichen.
- 10. Vorrichtung zur Verarbeitung eines digitalen elektrischen Signals, das aus einer Folge diskreter elektrischer Impulse zusammengesetzt ist, um eine in den Abständen zwischen den Impulsen enthaltene Spektralinformation rückzugewinnen,gekennzeichnet durcheinen Oberflächenschallwellen(SAW-5-Spektralanalysator (14) zum Empfang des Digitalsignals und zur Erzeugung von Ausgangssignalen, deren Hüllkurven das Leistungsspektrum über einen ausgewählten Frequenzbereich konstituierender Probenlängen des Digitalsignals wiedergeben, undeine Einrichtung zum periodischen Bestimmen der Frequenz,809882/0705die von der Peak-Amplitudenkomponente der jeweiligen Ausgangssignale wiedergegeben ist, um eine Anzeige der Änderung dieser Frequenz mit der Zeit zu erreichen.
- 11. Vorrichtung nach, einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Änderung der Zwischenfrequenz des SAW-Spektralanalysators (14).
- 12. Geschwindigkeitsmeß-Vorrichtung ge. kennzeichnet durcheine Laserquelle (1) zur Beleuchtung eines Bereichs (7) im Raum, in dem die zu messende Bewegung stattfindet,einen Photonendetektor (9) zum Erfassen einzelner Photonen, die von dem beleuchteten Bereich (7) gestreut sind, zur Erzeugung eines digitalen, elektrischen Signals, das aus einer Folge diskreter Impulse besteht, die jeweils der Erfassung eines einzelnen Photons entsprechen, undeine. Vorrichtung zur. Verarbeitung der digitalen elektrischen Signale gemäß, einem der Ansprüche 7 bis 11.
- 13... Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Impulsformer (10, 18) zum Umsetzen der Ausgangsimpulse vom Photonendetektor (9) in kurzzeitige Impulse gleicher Form vor deren Zufuhr zum SAW-Spektralanalysator (14).809882/0705I1J. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ändern der Zwischenfrequenz des SAW-Spektralanalysators (14), damit unterschiedliche Spektralbereiche des Digitalsignals analysierbar sind.809882/0705
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FR (1) | FR2394092A1 (de) |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3435295C1 (en) * | 1984-09-26 | 1990-05-17 | Siemens Ag | Method and arrangement for detecting and identifying target objects |
DE19643475C1 (de) * | 1996-10-22 | 1998-06-25 | Laser Applikationan Gmbh | Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung nach dem Laser-Doppler-Prinzip |
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1977
- 1977-06-10 GB GB2444177A patent/GB1603087A/en not_active Expired
-
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- 1978-06-09 FR FR787817332A patent/FR2394092A1/fr active Granted
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Title |
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Buch "Optical and Acoustical Micro-Electronics" Apr.1974, S.70-77 * |
Zeitschr. "The Microwave Journal", Sept.1974, S.57-62 * |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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GB1603087A (en) | 1981-11-18 |
FR2394092A1 (fr) | 1979-01-05 |
FR2394092B1 (de) | 1984-01-06 |
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