DE2825446A1

DE2825446A1 - Verarbeitungs-verfahren und -vorrichtung fuer digitalsignale,

Info

Publication number: DE2825446A1
Application number: DE19782825446
Authority: DE
Inventors: Michael Alldritt; Robin Jones; Christopher John Oliver; John Michael Vaughan
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1978-06-09
Publication date: 1979-01-11
Also published as: GB1603087A; FR2394092A1; FR2394092B1

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.

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 3_S ^ 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

A η s' p" r u c h e

1J 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, und

daß 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 gesamte

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Leistungsspektrum 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-

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steht, die jeweils der Erfassung eines einzelnen Photons entsprechen, und

daß 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 durch

einen 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, und

einen 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.

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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 durch

einen 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, und

eine Einrichtung zum periodischen Bestimmen der Frequenz,

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die 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 durch

eine 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, und

eine. 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).

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I¹J. 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.

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