DE2845592A1 - Vorrichtung mit optischem sender und empfaenger, insbesondere flugzeit-laseranemometer - Google Patents

Description

• Vorrichtung mit optische Sender und Empfänger, insbe-
• sondere Flup:zeit-Laseranemomete Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem optischen Sender, der wenigstens eine Lichtquelle und ein optisches System mit zwei Linsen und einem doppelbrechenden optischen Element zum Aussenden-von zwei Lichtstrahlen umfasst, die an der Messstelle zwei fokale Volumina haben, welche in kleinem Abstand voneinander liegen, und mit einem optischen Empfänger, der ein optisches System zum Empfangen zerstreuter Strahlung, die von Partikeln an der Messstelle herrührt, und wenigstens einen Photodetektor zum Umsetzen der empfangenen Strahlung in elektronische Signale umfasst, sowie mit elektronischer Ausrüstung zum Analysieren der vom Photodetektor oder von den Photodetektoren gelieferten Signale und Erstellen eines Analysenergebnisses, insbesondere ein Flugzeit-Laseranemometer.
• Laseranemometer dieser Gattung werden dazu benutzt, die Zeit zu ermitteln, die Partikeln in einem Medium dazu benötigen, sich von einer Messstelle zu einer anderen zu bewegen. Sind die Zeit und die Wegstrecke bekann, so lässt sich die Geschwindigkeit der Partikeln bestimmen. Es sind optische Vorrichtungen für Rauheitsuntersuchungen bekannt geworden, die auf einem ähnlichen Prinzip beruhen und bei denen das Analysenergebnis dazu benutzt wird, eine Abbildung zu erstellen, die die räumlichen Verhältnisse auf der gemessenen Fläche veranschaulicht. Bei derartigen optischen Vorrichtungen ist es zweckmässig, die Messrichtung, die durch die relative Lage der beiden fokalen Messvolumina bestimmt wird, einstellen zu können. Bei den bekannten Yessausrüstungen liegt die Messstelle in kleinem Abstand von den optischen Systemen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige optische Vorrichtung zu erstellen, die eine leichte und schnelle Einstellung der Messrichtung erlaubt, insbesondere ein Laseranemometer, das dazu geeignet ist, Messungen an einer Messstelle vorzunehmen, die von der eigentlichen Ausrüstung weit entfernt liegt Eine derartige Messausrüstung ist speziell für meteorologische Untersuchungen geeignet und kann mit Vorteil in Flughäfen, ansonsten aber auch überall dort Anwendung finden, wo es erforderlich ist, die Geschwindigkeit strömender Medien oder Partikelbewegungen in flüssigen oder gasförmigen Medien oder eventuell im Raum zu messen. Wenn die Ausrüstung für Fernrnessungen eingerichtet werden soll, sind die mit der Einstellung der Messrichtung verbundenen Probleme besonders gross. Selbst wenn man Sender und Empfänger zu einer Finheit zusammenbaut und diese Einheit so einrichtet, dass sie einstellbar ist, so ergibt sich keine bedienungsfreundliche Vorrichtung.
• Der vorliegenden Erfindung gemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass im Empfänger wenigstens ein doppelbrechendes Element in den Strahlengang eingeschaltet ist und dass sowohl dieses Element als auch das doppelbrechende Element im Sender zwecks Einstellung der Messrichtung drehbar angebracht ist.
• Obwohl es hinsichtlich der Reduktion falschen Lichtes ein Vorteil sein kann, dass Sender und F.mpfänger keine optischen Komponenten gemeinsam haben, wird zwecks Erleichterung der Einstellung bevorzugt, dass die Ausgangslinse des optischen Senders die Eingangslinse des optischen Empfängers bildet.
• Bei einer zweckmässigen Ausführungsform des erfindungsgemässen Anemometers enthält das optische System im Strahlengang hinter der Eingangslinse teils eine Linse und ein doppelbrechendes optisches Element, welches das aufgefangene Licht in einen einzelnen Strahl umsetzt, teils eine Linse, die die zwei fokalen Volumina der Messstelle in einem einzelnen Lichtfleck ab bildet, in dessen Ebene eine Blende P angeordnet ist, teils ein i/2-Plättchen, das drehbar angebracht ist und sich bei Drehung um den halben Winkel der Drehung des doppelbrechenden optischen Elementes bewegt, teils ein feststehendes doppelbrechendes Element, teils zwei Photodetektoren, gegebenenfalls mit vorgeschalteten Bandpässen. Dank dieser Einrichtung des Empfängers erübrigt es sich, bei einer Änderung der Messrichtung die beiden Photodetektoren zu drehen, die eine elektronische Trennung der von den essvolumina herrührenden Signale überflüssig machen.
• Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erklärt. Es zeigt Fig. 1 in Diagrammform eine Vorrichtung mit erfindungsgemässem optischem Sender und Empfänger, Fig. 2 ein Blockschaltbild der zugehörigen elektronischen Ausrüstung zum Analysieren der von den beiden Photodetektoren in Fig. 1 gelieferten Signale und Fig. 3 in Diagrammform eine vereinfachte Ausführungsform des Empfängers nach Fig. 1.
• Der kombinierte optische Sender und Empfänger, der in Fig. 1 in Diagrammform dargestellt ist, enthält einen Lasergenerator, in dessen Strahlengang ein X/4-Plättchen, ein doppelbrechendes optisches Element Wl, bevorzugterweise ein Wollastonprisma, eine Linse L1, zwei Spiegel S1 und S2 sowie eine Ausgangslinse L2 eingeschaltet sind. Die Messstelle, die weit von der Linse L2 entfernt liegt, ist rechts in der Figur mit den beiden fokalen Volumina schematisch wiedergegeben. Der hier erwähnte Sender ist hauptsächlich bekannt aus den Aufsätzen von L. Lading "The Time-of-Flight Laser Anemometer", AGARD-CP-193, Paper 23, und von R. Schodl "The Laser-Dual-Focus Flow Velocimeter, AGARD-CP-193, Paper 21, und braucht deshalb hier nicht eingehender beschrieben zu werden. Es sei lediglich bemerkt, dass statt des Wollastonprismas W1 nach Belieben ein Rochonprisma benutzt werden darf, während die Methode von Schodl ausschliessend ein Rochonprisma erfordert, und dass der Laserstrahl vom Wollastonprisma W1 in zwei angular getrennte Strahlen mit orthogonaler Polarisation zerlegt und von der Linse L1 in zwei räumlich getrennte Lichtflecken gebrochen und fokussiert wird. Diese Lichtflecken werden von der Linse L2 in einer Entfernung von 10 bis 100 m abgebildet. Die Anordnung des Wollastonprismas W1 in der fokalen Ebene auf der linken Seite der Linse L1 anstatt in der fokalen Ebene der Linse L2 bewirkt, dass der Abstand zwischen den abgebildeten Lichtflecken der Entfernung proportional ist und dass ein fokussierter Laserstrahl innerhalb des Wollastonprismas W1 vermieden wird. Im Fokus sind die Lichtfleckdurchmesser ebenfalls der Entfernung proportional, weil die Senderapertur fest ist. Eine Anordnung des Wollastonprismas W1 in der fokalen Ebene auf der linken Seite der Linse L2 würde zwar parallele Strahlen ergeben, aber kein konstantes Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Strahlen und dem Abstand zwischen den Strahlen.
• Die Eingangslinse L2 des Empfängers ist identisch mit der bereits erwähnten Ausgangslinse L2 des Senders, und hinter dieser Linse befindet sich eine Sperrblende S, die das Einfallen direkten Lichtes vom Sender verhindert. In den Strahlengang des Empfängers ist eine Linse L3 und ein Wollastonprisma W2 geschaltet. Vorausgesetzt, dass das Produkt aus der Brennweite und dem Tangens des halben Offnungswinkels von L3 bzw. W2 des Empfängers dasselbe wie das von L1 und W1 des Senders ist, wird das eingefangene Licht in einen einzelnen Strahl umgesetzt, der, wenn er durch eine Linse L4 fokussiert wird, genau auf der optischen Achse ein einzelnes Bild der beiden Lichtflecken ergibt. Zwischen das Wollastonprisma W2 und die Linse L4 sind zwei Spiegel S3 und S4 geschaltet. In der fokalen Ebene der Linse L4 ist eine Blende P (Matched Pinhole) angeordnet, die als räumliches Filter für die beiden Kanäle dient, aus denen der Strahl besteht. Auf das räumliche Filter P folgen ein >/2-Plättchen und noch irgendein doppelbrechendes Element W3, z.B. ein Wollastonprisma, welches letztere die beiden Kanäle in je einen Strahl zerlegt, welche Strahlen auf je einen Photodetektor PMT1 bzw. PMT2 gerichtet sind. Den Photodetektoren sind Bandpässe B1 und B2 vorgeschaltet.
• Die beiden Wollastonprismen W1 und W2 sind um die optische Achse drehbar angebracht, und zwar zweckdienlich in einer solchen Weise, dass sie miteinander gekoppelt sind, so dass man zwecks Einstellung der Messrichtung mit Hilfe nur eines Bedienungselementes beide Prismen um ein und denselben Winkel drehen kann. Das t 2-Plättchen ist ebenfalls drehbar angebracht und zweckmässigerweise derartig mit den beiden Wollastonprismen zusammengekoppelt, dass es eine Winkeldrehung ausführt, die halb so gross wie diejenige Winkeldrehung ist, welche die beiden Wollastonprismen W1 und W2 bei Betätigung des Bedienungselementes ausführen. Da die Blende P nur eine einzelne Öffnung besitzt (Pinhole), braucht sie nicht gedreht zu werden. Die Drehung des t 2-Plättchens bewirkt, dass man die beiden Photodetektoren nicht um eine gemeinsame Achse zu drehen braucht, wenn die Messrichtung durch Drehung der Wollastonprismen W1 und W2 geändert wird. Durch Anwendung eines verhältnismässig grossen Abstandes zwischen den Linsen L3 und L4 wird das Gesichtsfeld und damit das Hintergrundslicht reduziert.
• Die Verarbeitung der von den Photodetektoren PMT1 und PMT2 in Fig. 1 gelieferten Signale kann entweder mit einer Ausrüstung wie der durch das Blockschaltbild nach Fig. 2 veranschaulichten oder mit Hilfe einer an-- deren geeigneten Ausrüstung erfolgen, die der Anwendung der Vorrichtung entsprechend eingerichtet ist.
• In Fig. 2 gelangen die von den Photodetektoren PMT1 und PMT2 gelieferten Signale über Verstärker Al und A2 und Filter sowie Diskriminatoren zu einem Umsetzer, der Zeitwerte in Impulse mit von den Zeitwerten abhängigen Impulshöhen umsetzt. Die Ausgangssignale dieses Umsetzers werden in einen Histographen eingespeist, der ein Histogramm der Flugzeiten liefert, und daraus lässt sich dann die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Geschwindigkeiten herleiten.
• Zu gewissen Zwecken kann eine vereinfachte Ausführungsform der Vorrichtung Anwendung finden, so wie in Fig. 3 veranschaulicht, die einen optischen Empfänger wie den in Fig. 1 gezeigten darstellt, bei dem aber der eine Photodetektor PMT2, das Wollastonprisma W3 und das 42-Plättchen weggelassen sind. Mit dieser vereinfachten Vorrichtung kann man nicht wie mit der Vorrichtung nach Fig. 1 die Flugrichtung bestimmen, und sie lässt sich deshalb nur mit Vorteil zu Messungen benutzen, bei der die Flugrichtung entweder bereits bekannt oder uninteressant ist.
• Das in Fig. 1 eingezeichnete t4-Plättchen lässt sich entbehren, wenn die benutzte Lichtquelle nichtpolarisiertes oder kreisförmig polarisiertes Licht liefert.
• Bei der vereinfachten Ausführungsform sind die doppelbrechenden Elemente W1 und W2 unabhängig voneinander manuell einstellbar. Eine derartige manuelle Einstellung ist völlig unkompliziert, aber bei grösseren Vorrichtungen mit grösserer Reichweite stellt die Kopplung der drehbaren optischen Elemente einen bedienungsmässigen Vorteil dar. Diese Kopplung kann in jeder beliebigen bekannten Weise erfolgen, z.B. mechanisch oder elektromechanisch.

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Vorrichtung miteinem optischen Sender,der wenigstens eine Li.chtauelle, z.B. einet Laser, und ein optisches System mit zwei Linsen und einem doppelbreehenden optischen Element zum Aussenden von zwei Lichtstrahlen urifasst, die an der Messstelle zwei fokale Volumina halben, welche in kleinem Abstand voneinander liegen, und mit einem optischen Empfängers der ein optisches System zum empfangen zerstreuter Strahlung, -die von Partikeln an der meßstelle herrührt, und wenigstens einen Photodetektor zum Umsetzen der empfangenen Strahlung in elektronische Signale umfässt, sowie mit elektronischer Misrüstung zum Analysleren der vom Photodetektor oder von den Photodetektoren gelieferten Signale und Erstellen eines Anaiysenergebni-sses, insbesondere ein flugzeit-Laseranemometer, dadurch gekennzeichnet, dass im Empfanger wenigstens ein dopgelbrechendes Element (W2) in den Strahlengang eingeschaltet ist und dass sowohl dieses Element als auch das doppelbrechende Element (Wi) im Sender zwecks F.instellung der Messrichtung drehbar angebracht sind, 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System im Strahlengang hinter der Eingangslinse teils eine Linse {L3) und ein doppelbrechendes optisches Element (w2), welches das aufgefangene Licht in einen einzelnen Strahl umsetzt, teils eine Linse (L4), die die zwei fokalen Volumina der Messstelle in einem einzelnen Lichtfleck abbildet, in dessen Ebene eine Blende (P) angeordnet ist, teils ein #/2-Plättchen, das drehbar angebracht ist und si.ch bei Drehung um den halben Winkel der Drehung des doppelbrechenden optischen Elementes (W2) bewegt, teils ein feststehendes doppelbrechendes Element (W3), teils~zwei Photodetektoren (PMT), gegebenentalls mit vorgeschalteten Pandpässen (B), enthält.