DE3009384A1

DE3009384A1 - Messeinrichtung zur analyse von laser-doppler signalen

Info

Publication number: DE3009384A1
Application number: DE19803009384
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl.-Ing. 4010 Hilden Schnettler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-12
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1981-10-01

Description

Meßeinrichtung zur Analyse von Laser-Doppler Signalen
Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Analyse von Laser-Doppler Signalen mittels akustooptischer Elemente.
Die Analyse von Laeer-Doppler Signalen dient vorwiegend der Gewinnung von Information über Strömungsphänomene verschiedenster Art an Meßobjekten, -die den Einsatz von Sonden nicht erlauben oder die Messung beeinträchtigen. Laser-Doppler Signale entstehen im Fokusbereich einer Linse, wenn sith dort zwei T aserstrahlen durchdringen und ein Interferenzsystem bilden, das von Staubpartikeln geeigneter Größe durchquert wird. Ein Partikel emittiert beim Durchfliegen der Interferenzebenen periodisch Streulicht, dessen Frequenz proportional zu der Geschwindigkeitskomponente ist, die senkrecht auf den Interferenzebenen steht.
Die bekanntesten Laser-Doppler Signalanalysegeräte basieren auf den folgenden Signalverarbeitungsverfahren: 1. Burstfrequenzermittlung durch Frequenznachlaufschaltung ( Tracker ) 2. Burstfrequenzermittlung durch Frequenzvergleich ( Spektrum Analysator ) 5. Burstfrequenzermittlung durch Messung der Periodendauer des Signals z.B. mit einer hochfrequenten Clock ( Counter ) 4. Ermittlung der mittleren Burstfrequenz von mehreren Bursts durch Korrelationsmeßtechnik ( Korrelator ) Die größte Signalbandbreite erzielt man zur Zeit mit dem "Counting"-Verfahren, -Verfahren, das eine relativ genaue Verarbeitung von Einzelteilchensignalen bei gutem Signal -Raus chverhältnis erlaubt. Die Meßpraxis zeigt, daß z.B. in stark turbulenten Heißgasströmungen oder bei Messungen in Wandnähe extrem verrauschte Laser-Doppler Signale entstehen können, die keine der angegebenen Signalve'arbeitüngseinrichtung zufriedenstellend demodulieren kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die breitbandige Demodulation von verrauschten Einzel- und Mehrteilchensignalen sowie deren Mischformen zu ermöglichen, um die Laser-Doppler Meßtechnik auch auf bisher problemattiche Meßobjekte anwenden zu können.
Besehreibung des Meßverfahrens: (siehe Abbildung) Das Laser-Doppler Signal gelangt Ul,er die Empfangsoptik ( Linse 2 ) auf eine Lochblende. Eine Faseroptik leitet das optische Signal weiter zum PhotoverstErker, der das Signal in ein elektrisches Signal wandelt und verstärkt.
Das Signal wird hochpaß gefiltert llnd anschließend weiter verstärkt bis die Signalleistung ausreicht, eine Bragg-Zelle zu treiben. In dem akustooptischen Element ( Bragg-Zelle ) entsteht ein Ultraschallsignal ( akustischer Burst ), an dem Laserlicht gebeugt werden kann. Der Beugungswinkel der ersten Beugunvrsordnung ist dabei proportional zur ursprünglichen Laser-Doppler Burstfrequenz. Besteht das Meßsignal aus mehreren Frequenzen ( z.B. Rauschsignal, Nutzsignal Komponente 1, Nutzsignal Komponente 2 o.ä. ), so wird für die Dauer des Signals jede Komponente Laserlicht in den der Komponente entsprechenden Winkelbereich beugen.
Diskrete Frequenzen erzeugen einen xxxxx diskreten Lichtfleck am Registrierort ( Film oder Photomatrix ). Rauschsignalanteile sind meist breitbandige Frequenzgemisehe und erzeugen demerltsprechend Beugungsintensität über einen größeren Winkelbereich, der dem Nutzsignal überlagert ist.
Rauschsignale, die im gleichen Frequenzbereich liegen wie das Nutzsignal, erzeugen einen sogenannten Phasenjitter, der eine Abbildun;sunschärfe bewirkt. Der Winkelbereich des Nutzsignals wird durch Rauschsignalanteile nicht beeinflusst.
Die in der Meßeinrichtung verwirklichte optoelektronische Demodulation von I.aser-Doppler Signalen mittels eines akustooptischen Elementes ermöglicht die zeitsynchrone Verarbeitung ( Demodulation ) von Zwei- oder Mehrkomponentensignalen mit einer Verarbeitungseinheit und einer Einfarben-Mehrkanalsendeoptik. Das Empfangssystem benötigt dabei keinen weiteren Photoempfänger. ( Bisherige Geräte benötigen für jede Nutzsignalkomponente eine weitere Verarbeitungseinheit. ) *zusätzliche Weitere Vorzüge der Meßeinrichtung zur Analyse von Laser-Doppler Signalen mit akustooptischen Elementen: Die Meßeinrichtung erlaubt eine Signalverarbeitungsbandbreite von über 100 Mhz,wenn mehrere optoelektronische Elemente verwendet werden.
Es können Einzelteilchensignale verarbeitet werden, die kürzer als 9,7 H sec Dauer sind.
Es können Einzelteilchen- und Mehrteilchensignale sowie deren Mischformen auch in Gegenwart von stärkeren Rauschsignalen verarbeitet werden, ohne daß das Rauschen auf den Nutzsignalanteil einwirkt. (Meßwert ist nicht auschverfälscht) Bei der optoelektronischen Demodulation trägt die gesamte im Laser-Doppler Signal enthaltene Information zur Meßwertbildung bei.
Das Meßsystem beansprucht keine Integrations- und Meßwertwandlungszeiten.
Meßobjektbedingte Laser-Doppler Si gnalfrequenzschwankungen unterliegen keiner Beschränkung, so daß auch äußerst extreme Geschwindigkeitsgradienten rormgetreu erfaßt werden können.
Zur x-Ablenkung des Meßstrahls kann ein rotierendes Prisma oder ein weiteres optoelektronisches Element verwendet werden. Die Meßwertdarstellung läßt sich somit gut triggern.
Leerseite

Claims

Ansprüche 1. Meßeinrichtung zur Analyse von Laser-Doppler Signalen dadurch gekennzeichnet, daß die Inforiationsgewinnung aus Laser-Doppler Signalen auf optoelektronischem ( elektrooptischem ) Wege erfolgt.
2. Meßeinrichtung zur Analyse von Laser-Doppler Signalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßwertdarstellung ein rotierendes Prisma oder eine optoelektronische Ablenkung verwendet werden kann.
3 Meßeinrichtung zur Analyse von Laser-Doppler Signalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Laser-Doppier Signal mittels Faseroptik dem Photosensor zugeführt wird.