DE3106025C2 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Messung örtlicher Geschwindigkeitskomponenten in einem Geschwindigkeitsfeld - Google Patents

Abstract

Trotz einer großen Anzahl verschiedenartiger Meßtechniken ist es in der Strömungstechnik noch heute ein Problem, auf experimentellem Wege ein exaktes Gesamtbild der örtlichen Geschwindigkeitskomponenten in einem Strömungsfeld über einen ausgedehnten Strömungsquerschnitt zu erhalten. Die Strömungsgeschwindigkeiten sollen örtlich nach ihren Komponenten bzw. vektoriell und quasimomentan erfaßt werden. Hierzu wird ein optischer Strahl, beispielsweise ein Laserlichtbündel, an im Geschwindigkeitsfeld mitgeführten Streupartikeln (2) optisch gestreut und die dadurch im allgemeinen sichtbare Lichtspur (3) durch eine Empfangsvorrichtung optisch abgetastet und das empfangene Streulicht einem SmeetΔschen Laser-Doppler-Spektrometer zugeführt wird, welches die augenblickliche Dopplerverschiebung der Streulichtwellenlänge gegenüber des ursprünglichen Lichtes hinreichend schnell analysiert und dabei beispielsweise schrittweise und lokal entlang der Lichtspur (3) momentan die dort jeweils vorhandene Geschwindigkeitskomponente nach Größe und Richtungssinn erfaßt. Die Richtung ergibt sich mittels einer zusätzlichen Positionsmessung des Meßortes aus der dadurch bekannten momentanen Geometrie der optischen Anordnung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur schnellen serienweisen und dndurch quasimomentanen Messung örtlicher Gcschwindigkeitskomponcntcn eines räumlich ausgedehnten Geschwindigkeitsfeldes, beispielsweise in einem strömenden Fluid, wobei nach der Lascr-Dopplcr-Gcschwindigkcilsmcßtcchnik erzeugtes Streulicht verwendet wird, dessen dopplersche Wellenlängen- bzw. Frequenzänderung die Information

über eine genau definierte Geschwindigkeitskomponente der optisch streuenden Objekte darstellt.

Trotz einer großen Anzahl verschiedenartiger Meßtechniken ist es in der Strömungstechnik noch heute ein Problem, auf experimentellem Wege ein exaktes Gesamtbild des augenblicklichen Strömungsfeldes über einen ausgedehnten Querschnitt zu erhalten. Die momentanen Vektorfelder der Geschwindigkeit von ganzen Strömungsbereichen sind jedoch von zunehmendem Interesse, beispielsweise für die Untersuchung von turbulenten Strukturen in abgelösten Strömungen. Sie geben Auskunft über die Dynamik der Struktur und können zur Erkennung und Festlegung von Rand- und Anfangsbedingungen für numerische Rechnungen und zur Optimierung von umströmten Körpern herangezogen werden.

Die bisherigen Techniken der Momentanfeldmessungen ergaben entweder phänomenologische Information, wie z. B. viele Methoden der Strömungssichtbarmachung, oder quantitative integrale Information, so beispielsweise interferometrische Methode;» einschl. Holographie.

Exakte Verfahren, wie die Technik der Stausonden, der Hitzdraht- und Hitzfilmmessung der bekannten Formen der Laser-Doppler-Anemometrie wirken dagegen lokal und momentan, erfassen jedoch keine augenblickliche Feldverteilung, ihre Signale werden durch Zeitintegration häufig zu statistischen Aussagen verarbeitet, was eine zusätzliche Reduktion des Informationsgehalts bedeutet

Zur quantitativen Strukturerkennung in Strömungsfeldern dienen häufig Korrelationsmethoden unter Verwendung von Meßfühlern, welche im Geschwindigkeitsfeld verteilt angeordnet sind und mit deren Anzahl der meßtechnische Aufwand ansteigt Da diese Techniken ebenfalls zeitlich integrieren, wird oft eine äußere Beeinflussung der Strömungsstruktur durch getriggerte Anregung vorgenommen, um den Kontrast der erzielbaren stalis-.schen Feldinformation zu steigern.

Umfassendere Information hinsichtlich der lokalen Geschwindigkeiten innerhalb eines augenblicklich erfaßten Geschwindigkeitsfeldes kann eine stroboskopisch wirkende Lichtschnittmethode liefern (Weinert, W.. Heber, ]., Bayerer, R., Laser-Stroboskop-Anemometer (LSA) i.ur Bestimmung von Ströiijungsvektorfeldern im Hochgeschwindigkeitsbereich; Z. Flugwiss. Weltraumforsch. (ZFW),4(1980) Heft 3).

Die Erfindung geht von der bekannten Tatsache aus, daß an bewegten Objekten, z. B. durch optische Streuung emittiertes Laserlicht für einen in einem anderen Bewegungjzustand befindlichen, beispielsweise ruhenden Empfänger durch den Dopplereffekt in seiner Frequenz und Wellenlänge geändert wird. Diese Tatsache wird auf dem Gebiet der Laser-Doppler-Anemometrie in einer Vielzahl von optischen Anordnungen verwendet. Die dabei zu empfangenden Laser-Doppler-Signale werden in den meisten Fällen durch aufwendige elektronische Schaltungen hinsichtlich ihrer Frequenz analysiert. Derartige, heute am weitesten verbreitete Meßsysteme realisieren ein relatives Meßprinzip, indem sie die gemessene Frequenz aus einem interferometrischen Vergleich zwischen zwei unterschiedlich dopplerverschobenen Lichtanteilen erzeugen (optische Frequenzmischung). Das führt zu optisch und elektronisch aufwendigen Laser-Doppler-Meßsystemen für lokale Geschwindigkeiten, die eiii-i hohe Meßgenauigkeit in einem relativ großen Geschwindigkeitsbereich erreichen können. Die obere Grenze dieses Geschwindigkeitsbereichs wird jedoch durch die Güte der opto-elektronischen Empfänger und durch die Eigenschaften der signalerfassenden Elektronik bestimmt.

Diese Gruppe der relativ messenden Laser-Doppler-Systeme verlangt von dem empfangenen Streulicht einen Mindestgrad an Kohärenz, da nur dann die optische Frequenzänderung detektiert und analysiert werden kann. Diese Forderung wiederum begrenzt die zulässige maximale Volumenkonzentration der Streupartikel, welche beispielsweise bei Strömungsgeschwindigkeitsmessungen in dem Fluid enthalten sein müssen. Die maximal zulässige Partikelkonzentration sowie die begrenzten Eigenschaften der hochgezüchteten relativ wirkenden Laser-Doppler-Systeme begrenzt auch die maximal erzielbare Häufigkeit von zuverlässig a^usgeV werteten Geschwindigkeitsinformationen. Selbst Ejej wenig extremen Strömungsbedingungen, beispielsweise bei großem Turbulenzgrad der Strömung, dürfte diese maximale Häufigkeit noch unter lOVsec liegen.

Eine weitere Gerätegruppe wird ·;*. der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmeßtechnik zur absoluten Messung der dopplerschen Frequenz- bzw. Wellenlängenänderung des gestreuten Laserlichts benutzt W'rchtige Bauformen solcher Geräte sind beispielsweise hochauflösende optische Filter, häufig in Form des elektronisch durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers oder des in neuerer Zeit entwickelten Laser-Doppler-Spektrometers nach Smeets (Smeets, G, George, A, Laser-Doppler-Velocimetrie mit Hilfe eines Michelson-Interferometers mit schneller Phasennachführung. Bericht R124/78, Deutsch-Französisches Forschungsinstitut Saint Louis. Saint Louis, (Frankreich) 1978). Derartige Geräte nutzen die Wellenlängen- und Phaseninformation des gestreuten Laserlichts aus und bestimmen.

durch verschiedene interferometrische Methoden phasenempfindlich dessen dopplersche Wellenlängenänderung.

Diese Methoden benötigen für eine optimale Funktion nur die Schmalbandigkeit und ggf. die fast ideale Bündelung des Laserlichts, seine weiteren Kohärenzei-„gcnschaf ten jedoch nicht.

Dadurch können beispielsweise die Partikelkonzentrationen in zu vermessenden Strömungsfeldern soweit gesteigert werden, daß hierin keine wesentliche, obere Grenze für die Informationsdichte über die Geschwindigkeiten im Strömungsfeld entsteht.

Mit allen bisher genannten Meßsystemen werden bereits Geschwindigkeitsmessungen am bewegten festen Körpern oder in strömenden Fluiden durchgeführt. Erzielt werden dabei momentane oder auch zeitlich gemittelte örtliche Geschwindigkeitsinformationen.

In der DE-PS 30 09 3Ö2 ist eine Meßeinrichtung beschrieben, mit welcher in relativ kurzer Zeit ein komplettes Geschwind'vkeitsprofil erfaßt werden kann. Diese Meßeinrichtung benutzt die Mittel der reiativen Laser-Doppler-Anemometrie, wobei ein rotierendes Polygonprisma den Meßort, der als Schnittpunkt zweier Laserlichtbündel def.-iiert ist, entlang der örtlichen Profilkoordinate versetzt. Die für die relative Laser-Doppler-Anemometrie typischen Doppler-Frequenzsignale dienen zur Frequenzsteuerung einer Braggzeüe, welche einen weiteren Laserstrahl als Lichtzeiger zur Aufzeichnung bzw. elektronischen Weiterverarbeitung des Geschwindigkeitsverlaiifs über die Ortskoordinate ablenkt.

o5 Das hier empfangsseitig eingesetzte Lichtieitfasersystem zur Weiterleitung des optischen Signals erzeugt die örtliche Auflösung der Meßwert«. Eine ähnliche, jedoch mehrkomponentige Abscanvoirrichtung ebenfalls

unter Anwendung der relativen Laser-Doppler-Anemometrie - wird in der US-PS 40 63 814 beschrieben. Auch hier dient bewegte, optisch brechende Optik zum örtlichen Versatz des Meßortes. Der Empfang der Streulichtsignale erfolgt in Richtung der Rückwärtsstreuung.

Diese Abscanverfahren der relativen Laser-Doppler-Anemometrie benötigen nach wie vor die hohe Kohärenz des gestreuten Lichts. Die maximal verwendbare Konzentration der optisch streuenden Partikel in der Strömung ist dadurch begrenzt. Dies wiederum begrenzt die Informationsdichte des Streulichts und damit u. a. auch die Abtastgeschwindigkeit, d. h. die zeitliche Auflösung der Profilmessung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit denen in

SirönVüfigsfciuciTi kcriVCkticrcudC GuC" Such örtlich gC-

bundene Strukturen geschwindigkeitsmäßig nach ihren Komponenten bzw. vektoriell und quasimomentan erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei wird unter einer quasimomentanen Erfassung ein extrem schnelles Abtasten des Strömungsfeldes verstanden, um beispielsweise eine konvektierende Struktur der Strömung örtlich hinreichend aufzulösen. Beispielsweise erfordert eine Struktur der Abmessung 0J m χ 03 m, konvektierend mit einer Geschwindigkeit von 30 m/s und aufgelöst in ein Meßpunktraster von 100 χ 100 Meßpunkten eine Abtastfrequenz von etwa WHz.

Dies wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Verfahrensschritte bzw. Merkmalen erreicht. Die Anms!dung geht von einer an sich bekannten optischen Grundanordnung aus, die den absoluten Doppler-Effekt an gestreutem Laser-Licht zur Messung ausnutzt. Aus diesem Grund genügt ein Laserstrahl bzw. dessen Streulichtspur zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente mit einer Empfangsoptik. Das optische Abtasten des Geschwindigkeitsfeldes geschieht durch das Abscannen einer fest lokalisierten Laser-Streuiichtspur im Geschwindigkcitsfeld mit geeigneten optischen Mitteln, wie beispielsweise Drehspiegel, Zwischenabbildung, Nipkow-Scheibe, Lichtleitfaser usw. Wesentliche Verfahrensmerkmale sind daher das schnelle optische Abtasten der Streulichtspur eines Laserstrahls in einem Geschwindigkeitsfeld, der für mindestens zwei zeitliche und örtliche aufeinanderfolgende Einzelmessungen im Raum ruht, sowie die nachgeschaltete Analyse des emp- so fangenen Streulichts aus der Lichtspur bezüglich des absoluten Doppler-Effektes. Für die zweikomponentige Messung wird der Laserstrahl durch einen weiteren, zu ihm koaxial und entgegengesetzt ausgerichteten, wiederum technisch verschiedenartig realisierbaren Laser- strahl erweitert, so daß die Möglichkeit geschaffen ist, gleichzeitig zwei Geschwindigkeitskomponenten in einer Empfängeroptik im zeitlich und örtlich momentanen Meßpunkt unter den extremen Bedingungen des schnellen Abtastverfahrens zu erhalten. Ein wesentlicher Vor- teil des Anmeldungsgegenstandes ist dabei die sehr große Abtastgeschwindigkeit

Das Lassr-Doppler-Spektrometer nach Smeets ist für die Analyse der empfangenen optischen Streulichtsignale durch seine speziellen Eigenschaften besonders geeignet. Die nachfolgende Beschreibung erwähnt deshalb immer dieses Spektrometer, obwohl an seiner Stelle auch andere Geräte mit ähnlichen Eigenschaften grundsätzlich verwendbar sind. Die angestrebte große Abtastgeschwindigkeit soll es ermöglichen, daß beispielsweise die augenblickliche Struktur von turbulenten Gcschwindigkcitsfcldern erfaßt werden kann.

Dies geschieht dadurch, daß das Strömungsfcld mit optisch streuenden Partikeln dicht besät wird, die praktsich schlupffrei die örtliche Fluidgcschwindigkeit annehmen. Ein Laserstrahl erzeugt in diesem Strömungsfeld eine Lichtspur in Folge seiner optischen Streuung an den Partikeln. Diese Lichtspur wird über ein geeignetes optisches System systematisch so abgetastet, daß das ihr örtlich entnommene Streulicht einem Laser-Dopplcr-Spektrometer nach Smeets zugeführt und analysiert werden kann.

Die Zeitkonstante der Signalanalysc durch das Spektrometer bestimmt dabei die maximal cr/.ielbare AbtM^'frcuMcnz und somit im Zussmmcnhün*⁷ mit der Dvnamik des Strömungsfeldcs die geometrische Dichte der einzelnen Meßortc in seinem Inneren.

Um das gestreute Licht aus der Lichtspur lokal zu selektieren und dem Lascr-Doppler-Spektromcter zuzuführen, wird eine Empfänger-Optik benutzt. Die Verlagerung des optisch lokalisierten Meßorts entlang der Lichtspur kann mit verschiedenen Mitteln erreicht werden. Beispielsweise kann der Strahlengang der Empfänger-OpS k über einen Drehspiegel geführt werden, dessen elektronisch kontrollierte Drehung und Winkelposition die für die momentane Position des Meßorts notwendige Information liefern. Ein» andere Lösung besteht in der Erzeugung eines reollen Bildes der Lichtspur durch die Empfänger-Optik. In der Bildebene dieser Abbildung kann dann z. B. eine Nipkow'sche Scheibe installiert werden, durch deren Rotation die Abbildung periodisch und lokal abgetastet wird. Weiterhin ist eine Lösung mittels geeignet angeordneter Lichtleitfasern möglich, deren Lichteintriitsflächcn beispielsweise in die Ebene der letztgenannten Abbildung der Lichtspur gelegt werden, ihre systematisch periodische Abfrage kann dann auf optoelektronischem Wege erfolgen.

Ein derartiges System ermöglicht in Verbindung mit den Eigenschaften z. B. eines Laser-Doppler-Spektrometers nach Smeets das schnellörtlichc Abtasten der Lichtspur und die Entnahme der jeweiligen Geschwindigkeitsinformation.

Bewegt sich nun beispielsweise die turbulente Struktur eines Strömungsfeldes durch den Bereich der Lichtspur, so ergibt sich bei periodischer Wiederholung des Abtastvorgangs eine über die Struktur verteilte w/atrix von Meßorten mit den dazu ermittelten Geschwindigkeitskomponenten. Ist die turbulente Struktur örtlich gebunden, z. B. hinter einer plötzlichen Querschnittserweiterung der Strömung, so kann die flächenhafte Verteilung der Meßorte durch zusätzliches systematisches Verlagern der Lichtspur im Strömungsfeld erzielt werden.

Genügend schnelle Abtastung vermittelt von dem Geschwindigkeitsfeld einen quasimomentanen Eindruck trotz der zeitlichen Aufeinanderfolge der Einzelmessungen. Die dabei entstehenden Feldverzerrungen können bei Bedarf mittels eines Digitalrechners durch zeitliches Zurückrechnen korrigiert werden.

Für die Datenerfassung und -auswertung ist im allgemeinen die Heranziehung eines Digitalrechners zweckmäßig. Mit diesem können auch die gemessenen Komponenten auf ein gemeinsames Koordinatensystem bezogen werden, was sinnvoll ist, da beim Abtasten der Lichtspur sich die Richtung der erfaßten Komponenten

dreht.

Das vorangehend beschriebene Meßsystem ist in der Lage, in jedem Punkt des Meörasters eine Geschwindigkeitskomponente zu erfassen. Wünschenswert ist jedoch die Kenntnis des jeweils kompletten Geschwindigkcitsvoktors. Im ebenen Fall erfordert dies die gleichzeitige r/'cssung zweier, im räumlichen Fall dreier Geschwindigkeitskomponenten.

Für den ebenen Fall bietet die Erfindung nun folgende vom optischen Aufbau her besonders einfache Lösung:

Werden innerhalb der Lichtspur zwei Laserstrahlen zueinander koaxial aber entgegengesetzt ausgerichtet, so wird durch nur eine Empfänger-Optik die Information über gleichzeitig zwei Geschwindigkeitskomponenten empfangen. Beide Komponenten liegen in der gemeinsamen Ebene der Lichtspur und der Empfangsrichtung. Sie stehen zusätzlich stets aufeinander senkrecht, was aus dem bereits genannnten Richtungskriterium für die erfaßte Einzelkomponente folgt. Das dann empfangene Streulicht kann durch geeignete optische Farbfilter oder Polarisationsfilter nach seiner entsprechend konditioniertcn Lichtquelle aufgespalten und nunmehr je einem Laser-Doppler-Spektrometer zugeführt werden. Die Meßsignale für beide gleichzeitig erfaßten Geschwindigkeitskomponenten stehen dadurch momentan zur Verfugung.

Die beiden in der Lichtspur koaxial und entgegengesetzt ausgerichteten Laserlichtbündel brauchen dabei nicht unbedingt von zwei verschiedenen Lasern zu stammen. Sie können auch aus ursprünglich einem Laserstrahl und durch Strahlteilung erzeugt und durch optische Mittel in der geeigneten Weise ausgerichtet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der direkten koaxialen Reflexion eines I-aserstrahls in sich, was einen sehr einfachen optischen Aufbau ermöglicht.

Die angedeutete Konditionierung des Laserlichts durch Farbselektion und/oder Polarisationsdrehung der die Lichtspur erzeugenden Laserstrahlen soll die spätere Trennung der gestreuten Lichtanteile in Zuordnung zu den erfaßten Geschwindigkeitskomponenten ermöglichen.

Für eine räumliche, also dreikomponentige Messung können zwei Geschwindigkeitskomponenten in der zuletzt beschriebenen Weise erfaßt werden. Eine dritte Komponente erfordert dann eine zweite Empfangsrichtung außerhalb der Ebene der bereits erfaßbaren Komponenten. Der optische Strahlengang dieser zweiten Empfangsrichtung ist dann auf denselben Meßort zu richten wie der der ersten Empfangsrichtung und mit dieser zwecks Abtastung exakt synchron zu verändern. Dieses kann wiederum über einen getrennten oder gar einen gemeinsamen entsprechend größeren rotierenden Spiegel geschehen oder über die bereits erläuterte optische Zwischenabbildung der Lichtspur.

Die Erzeugung der Lichtspur erfordert dabei keine weiteren Maßnahmen gegenüber der Zweikomponentenmessung. Außer einer zweiten Empfangsoptik ist jedoch ein drittes Laser-Doppler-Spektrometer für die dritte Komponente erforderlich.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen weiter verdeutlicht. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Laser-Doppier-Spektrometers nach Smeets (Stand der Technik),

F i g. 2 eine schematische Darstellung des einkomponentigen Abtastverfahrens,

Fig.3 eine schematische Darstellung einer ersten

Ausführungsform des zweikomponentigen Abtastverfahrens bzw. der dabei zum Einsatz gelangenden Vorrichtung und

Fig. 4 eine schematischc Darstellung einer ebenfalls s für zweikomponentige Abtastung geeigneten Vorrichtung.

F i g. 1 verdeutlicht die Wirkungsweise des Laser-Doppler-Spektrometers nach Smeets. Das Lichtbündel eines Lasers !'erzeugt an den mitgeführten Streuparti kein 2 eines Strömungsfeldes Z? durch optische Streu ung eine für das menschliche Auge im allgemeinen sichtbare Lichtspur 3. Die diese Lichtspur erzeugenden aufblitzenden Streupartikel 2 liefern Streulicht, welches durch die partikelbewegung in Folge des Dopplereffek tes in seiner Frequenz bzw. Wellenlänge gegenüber dem Austrittszustand aus dem Laser 1 verändert wird. Abhängig von der durch eine Empfangs-Optik 4 festgelegten Empfangsrichtung ist die Doppiersche Frequenzänderung proportional zu der Geschwindigkeitskompo- nente 5 der jeweiligen Streupartikel 2, welche parallel zur Winkelhalbierenden zwischen dem auf die Streupartikel eingestrahlten Laserlicht und der Empfangsrichtung ausgerichtet ist. Das durch eine Linse 6 geführte Streulichtbündel wird in einem Polarisationsstrahlteiler 7 in zwei Teillichtbündel 8 und 8' aufgespalten, welche, zwei unterschiedlich lange optische Weglängen durchlaufend, an Spiegeln 9 und 9' reflektiert werden und im Lichtbündel 10, koaxial zueinander ausgerichtet, miteinander interfe-

jo Heren. Ein Glasblock 11 dient zur Wellenflächenanpassung des optisch längeren Teillichtbündels 8' gegenüber dem Teillichtbündel 8. Dadurch werden die Interferenzbedingungen für beide Teillichtbündel 8 und 8' im Bereich des Lichtbündels 10 verbessert. Ein Spiegel 20

j? dient der Strahlumlenkung.

in Folge der unterschiedlichen optischen Wcglängers der Teillichtbündel 8 und 8' entsteht im zur Interferenz überlagerten Lichtbündel 10 eine Phasendifferenz der Lichtwellen beider Teillichtbündel, welche mit der Aus gangswellenlänge des Streulichts, also durch den Dopp lereffekt mit der Geschwindigkeit der jeweils steuenden Partikel variiert. Im Lichtbündel 10 würde ein optoelektronischer Empfänger eine Lichtintensität detektieren, die durch Interferenz der Teillichtbündel 8 und 8' zur genannten Phasendifferenz und somit zum Geschwindigkeitsvektor 5 proportional ist Dies geschieht jedoch erst danach in den Teillichtbündein 13 und 13'.

Die Polarisationseigenschaften des Polarisationsstrahlteilers 7 und eines weiteren Polarisationsstrahltei- Ie; s 12 ergeben zwei Lichtbündel 13 und 13' aus dem LichtbOndel 10. Bei entsprechender Ausrichtung der Polarisationsstrahlteiler 7 und 12 sind die Lichtintensitäten der Lichtbündel 13 und 13' komplementär. Sie werden durch die Fotovervielfacher 14 und 14' dctektiert.

Eine Differenzbildung aus den Signalen der Fotovervielfacher 14 und 14' erfolgt in einer einfachen elektronischen Schaltung 15 mit sehr kleiner Zeitkonstante. Die gebildete Intensitätsdifferenz stellt nicht nur ein eindeutiges vorzeichenempfindliches Signal für die Wellenlän- genänderung des Streulichts dar, sondern eliminiert gleichzeitig Intensitätsschwankungen des im allgemeinen nicht völlig stabilen Laserlichts.

Die so meßbare Intensitätsdifferenz kann als direktes fvießsigna! verwendet werden. Vorzugsweise dient sie jedoch zur Steuerung einer Pockelszelle 16, welche durch Drehung der Polaristationsrichtung in Verbindung mit einem Polarisator 17 das empfangene Streulichtbündel 18 so polarisiert, daß die gemessene Intensi-

tätsdifferenz konstant gehalten wird. Zu diesem Zweck steuert ein Regelverstärker 19 die Pockelszelle 16 nach den Abweichungen der Intensitätsdifferenz von ihrem konstant gehaltenen Sollwert. Das Ergebnis ist eine Kompensation der im empfangenden Streulicht enthaltenen dopplerschen Wellenlängenänderung im Sinne einer Nullmethode. Die Steuerspannung für die Pockelszelle 16 ist proportional zu dieser Wellenlängenänderung und ist als Meßgröße verwendbar. Durch Instabilitäten des Laserresonators kann die Laserwellenlänge bereits am Ort ihrer Entstehung driften. Als Folge dieser Drift entsteht eine Nullwertunsicherheit, welche nach Smeets durch schnelles Umschalten (choppern) zwischen dem Meßsignal und einem nicht dopplerverschobenen Nullsignal aus dem direkten Strahlengang des Lasers eliminiert werden kann.

Neben den bekannten Eigenschaften der Laser-Doppler-Anemometrie sind zwei Eigenschaften des Laser-Doppler-Spektrometers nach Smeets für die Erfindung von Bedeutung:

1. Der einfache elektronische Aufwand ermöglicht sehr kleine Zeitkonstanten des Nachregelsystems für die Pockelszelie. Geschwindigkeitsänderungen innerhalb von z. Z. bereits weniger als 1 μβ werden dadurch detektierbar.

2. Da das empfangene Streulicht nicht kohärent, sondern nur schmalbandig sein muß, ist eine innerhalb der Zeitkonstanten nach Pkt. 1 lückenlose Besäung der zu messenden Strömung ohne Verlust an Signalgüte möglich. Außerdem ist die Weiterleitung des Streulichtsignals über Lichtleitfasern zum Spektrometer ohne weiteres möglich.

F i g. 2 zeigt die Vorrichtung zur schnellen Messung örtlicher Geschwindigkeits-Komponenten in ihrer einfachsten Ausführungsform, d. h. für die einkomponentige Geschwindigkeitsmessung. Das von dem Laser t ausgesendete Lichtbündel erzeugt im Strömungsfeld 77 durch optische Streuung an den in die Strömung eingebrachten Streupartikeln 2 die Lichtspur 3. Das Strömungsfeld wird hier beispielsweise durch einen eingebrachten Störkörper 21 gestört, wodurch in dessen Nachlauf Turbulenz mit den angedeuteten Strukturen 22 entstehen, deren Geschwindigkeitsfeld erfaßt werden soll. Die Empfänger-Optik 4 ist in diesem Fall über einen Drehspiegel 23, welcher mit der Winkelgeschwindigkeit ω um den Winkel φ rotiert, auf den momentanen Meßort 24 innerhalb der Lichtspur 3 gerichtet. Das von der Empfangs-Optik 4 emfpangene Streulicht wird in das Laser-Doppler-Spektrometer 25 nach Smeeis geleitet, um dort in der bekannten Weise das zur Lichtwellenlänge proportionale Intensitätssignal E(w) zu erzeugen. Dieses ist durch den Dopplereffekt proportional zu der Geschwindigkeitskomponente w(jp, t)(t = Zeit) deren Richtung den Winkel zwischen der Einstrahlrichtung des Laserlichts und der Empfangsrichtung des Streulichts halbiert

Das in F i g. 2 gezeigte Signalbeispiel mit dem zu w(g>, t) proportionalen Signal 26 ist gechoppert, indem in das Spektrometer 25 periodisch ein aus dem ungestreuten direkten Laserlicht ausgeblendeter Anteil geleitel wird, intensitätsschwankungen durch Instabilitäten des Laserresonators können mittels dieses periodisch wiederholten Nullbezugs berücksichtigt werden.

Die für dieses Einblenden erforderliche optische Vorrichtung (z. B. unter Verwendung von Lichtleitfasern) ist nicht näher gezeigt.

Fig.3 zeigt die grundsätzliche Anordnung für eine Zweikomponenten-Meßvorrichtung. Im Strömungsfeld 77 entstehen die Lichtspuren 3 und 3' durch die Laser lichtbündel der zwei Laser 1 und Γ. Durch optische Schmalbandfilter 31 und 3Γ können aus beiden Lasern 1 und Γ verschiedene Farben selektiert werden, so daß die koaxial, aber entgegengesetzt gerichteten Lichtspuren 3 und 3' entsprechend verschiedenfarbig sind. Das

ίο aus dem Meßort 24 über den Drehspiegel 23 mittels der Empfänger-Optik 4 empfangene Streulicht wird durch einen Strahlteiler 32 in zwei etwa gleich intensive Teillichtbündel 33 und 33' aufgespalten. Die Farbfilter 34 und 34' unterdrücken jeweils eine Farbkomponente des Streulichts. Dadurch gelangt in die nunmehr notwendigen zwei Laser-Doppler-Spcktrometer 25 und 25' nur jeweils ein durch die Farbe gekennzeichneter Anteil des Streulichts. Jede der beiden Farben entspricht dann Streulicht mit der Geschwindigkeitsinformation über je eine der Geschwindigkeitskomponenten 5 und 5'. die aus geometrischen Gründen stets senkrecht aufeinander stehen.

An Stelle der Schmalbandfiltcr 31,3Γ und der Farbfilter 34 und 34' oder auch zu deren Ergänzung können auch Polarisationsfilter eingesetzt werden. Wesentlich ist bei der Verwendung derartiger Mittel ihre Funktion zur optischen Trennung der zu den erfaßten Geschwindigkeitsvektoren gehörigen Streulichtinformation. Dies kann durch Ausnutzung der Färb- und/oder der Polari-

JO sationseigenschaften des Lichts geschehen.

Im vorliegenden Fall sind den Laser-Doppler-Spektromctcrn 25 und 25' die geschwindigkeitsproportionalen Signale E(w\) und E(w}) zu entnehmen, die durch einen elektronischen Rechner erfaßt und weiterverar beitet werden.

Fig.4 zeigt den Aufbau einer anderen Vorrichtung für die Zweikomponentenmessung. Die beiden innerhalb der Lichtspur 3 bzw. 3' entgegengesetzt ausgerichteten Lichtbündel werden in diesem Fall jedoch durch Strahlteilung des aus dem Laser 1 austretenden Lichtstrahls erzeugt. Über einen Strahlteiler 41, Umlenkspiegel 42, 43, 43', 44 und 44' sowie die Schmalbandfilter (Färb- oder Polarisationsfilter) 31 und 3Γ bilden beide Teilbündel 39 und 39', die Lichtspur 3 bzw. 3' innerhalb des Strömungsfeldes 77. Die Empfängeroptik 4 erzeugt durch optische Abbildung ein reelles Bild 45 der Lichtspur 3 bzw. 3'. Zur optischen Abtastung dieses Bildes 45 dient in diesem Fall eine Nipkow'sche Scheibe 46, welche durch ihre Rotation das Licht des Bildes 45 partiell

so durchläßt. Dieses wird durch eine Optik 47 auf die Stirnfläche eines Lichtleitfasersystems 48 projiziert und von dort zu den Laser-Doppler-Spektrometern 25,25' geleitet. An Stelle der Nspkow'schen Scheibe 46 können auch andere Mittel für die optische Abtastung des optischen Bildes 45 verwendet werden, beispielsweise ein System vom direkt in der Ebene des Bildes 45 endenden Lichtleitfasern.

Die weitere Handhabung des Streulichts erfolgt durch zwei Laser-Doppler-Spektrometer 25 und 25'.

Die zusätzliche Linse 49 soll den beiden Teillichtbündeln im Bereich der Lichtspur 3 bzw. 3' eine geringe Konvergenz verleihen. Bei richtiger Dimensionierung dieser Konvergenz kann die Änderung der Streulichtintensität weitgehend kompensiert werden, die durch die

mit der Abtastung verbundene Änderung der Empfangsrichtung zusammenhängt.

Durch die gestrichelten Umrißlinien 50 und 51 ist die Zusammenfassung der Funktionseinheiten zu zwei Ge-

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räteeinheiten angedeutet. Beide körnen räumlich voneinander getrennt aufgestellt werden, wobei die opti- «he Streulichtinformation über das Lichtleitfasersystem 48 ausgetauscht wird.

Die momentane dreikomponentige Vektormessung 5 kann durch die Kombination einer einkomponentigen Abtastung nach Fig. 2 mit einer zwcikomponentigen Abtastung nach Fig.3 oder 4 erfolgen. Dabei müssen die Empfangsrichtungen beider Anordnungen jeweils mit der Lichtspur unterschiedliche Ebenen aufspannen. 10

Drehspiegel oder auch Abbildungsebenen für die Zwischenabbildung der Lichtspur können durch geeignete Anordnung gleichzeitig für alle drei Komponenten gemeinsam ihre Funktion erfüllen.

Für die Analyse des Streulichts der dritten Geschwin- 15 digkeitskomponente wird ein drittes Laser-Doppler-Spektrometer benötigt.

I üerzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur schnellen serienweisen und dadurch quasimomentanen Messung örtlicher Ge- schwindigkeitskomponenten eines räumlich ausgedehnten Geschwindigkeitsfeldes, beispielsweise in einem strömenden Fluid, wobei nach der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmeßtechnik erzeugtes Streulicht verwendet wird, dessen dopplersche WeI-lenlängen- bzw. Frequenzänderung die Information über eine genau definierte Geschwindigkeitskomponente der optisch streuenden Objekte darstellt, d a -durch gekennzeichnet, daß durch ausreichend schnelles optisches Abtasten einer an Streu- partikeln im Strömungsfeld erzeugten Lichtspur mittels eines rotierenden Spiegels oder ähnlicher Mittel zur optischen Abtastung sowie durch eine Empfangsoptik Streulicht empfangen und hinsichtlich seiner dopplerschen Wellenlängen- bzw. Fre- quenzänderung, beispielsweise mit einem Laser-Doppler-Spektrometer nach Smeets oder mit anderen ähnlichen Mitteln, analysiert wird, und daß dabei in schneller zeitlicher Folge, schrittweise und lokal entlang der Lichtspur, die dort jeweils vorhandene momentane Geschwindigkeitskomponente nach Betrag und Richtungssinn erfaßt wird, deren Richtung sich wiederum nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten des U jpplereffekts mittels einer zusätzlichen Erfassung der Position des Meßortes aus der dadurch bekannten momentanen Geometrie der optischen Meßanordnung ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Abtastung der Lichtspur durch die Abtastung einer optischen Abbildung der Lichtspur mittels einer Nipkow'schen Scheibe oder durch starr angeordnete Lichtleitfasersysteme und deren systematische elektronische Durchschaltung realisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gtkennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Erfassung zweier Geschwindigkeitskomponenten an dem momentanen Meßort zwei koaxial ineinander entgegengesetzt ausgerichtete Lichtbündel Verwendung finden, beispielsweise Laserlichtbündel verschiedener Farbe und/oder verschiedener Polarisation, wobei das empfangene Streulicht durch optische Mittel nach seiner Farbe und/oder nach seinem Polarisationszustand aufgespalten und zwei voneinander unabhängigen Smeets'schen Spektrometern zugeführt wird, welche die Meßsignale für die beiden dann stets senkrecht aufeinander stehenden Geschwindigkeitskomponenten liefern.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei koaxial ineinander entgegen- gesetzt ausgerichteten Lichtbündel aus nur einem Laserlichtbündel durch dessen koaxial entgegengesetzte Reflexion mittels eines Spiegels erzeugt wer· den.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge- eo kennzeichnet, daß durch optische Mittel den Lichtbündeln eine Konvergenz aufgeprägt wird, die so bemessen ist, daß der Verlauf der Slreulichtintensität entlang der Lichtspur für die beim Abtasten auftretenden unterschiedlichen Empfangsrichtungen möglichst geringen Schwankungen unterliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Messung einer dritten Geschwindigkeitskomponente und somit zur Messung der kompletten momentanen Geschwindigkeitsvektoren außerhalb der von der Lichtspur und der Empfangsrichtung gebildeten Ebene der zweikomponentigen Messung eine zusätzliche Empfangseinrichtung eingesetzt wird, und daß die Vorrichtung für die zweikomponentige Messung und die zusätzliche Empfangseinrichtung synchron gesteuert und stets auf denselben Meßort gerichtet werden, sei es direkt über einen oder über mehrere rotierende Spiegel odvr indirekt durch Abtasten einer optischen Abbildung der Lichtspur.

7. Verfahren nach Anspruch I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die quasimomentane Erfassung eines ausgedehnten Gcschwindigkeitsfeldes durch hinreichend schnell wiederholtes Abtasten der Lichtspur vollzogen wird, während dabei sich entweder das Strömungsfeld über die Lichtspur bewegt und/oder die Lichtspur mit geeigneten Mitteln über das Strömungsfeld bewegt wird, und daß die Meßdaten elektronisch erfaßt, gespeichert und gleichzeitig oder später ausgewertet werden.

8. Vorrichtung zur schnellen Messung örtlicher Geschwindigkeitskomponenten in einem Geschwindigkeitsfeld nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem Laser und insbes. mindestens einem Laser- Doppler-Spektrometer nach Smeets, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Meßort und dem Laser-Doppler-Spektrometer (25) ein Drehspiegel (23) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß zwei Laser (1, V) mit Laserlicht verschiedener Wellenlänge und/oder verschiedener Polarisation vorgesehen sind, oder daß für das Aufspalten des Lichts eines Lasers (1) nach seinen Wellenlängen und/oder seine Polarisationszuständen nach einer Empfänger-Optik (4) ein Strahlteiler (32) vorgesehen ist, und daß nach dem Strahltcilcr (32) in jedem Teilstrahl Färb- und/oder Polarisationsfilter (34, 34') und ein Laser-Doppler-Spektromcter (25, 25') angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Ebene der zweikomponentigen Abtastung zusätzlich eine weitere Empfangseinrichtung angeordnet ist, welche entweder über den gleichen Drehspiegel (23) der zweikomponentigen Abtastung oder über einen weiteren, hiervon mechanisch getrennten aber synchron gesteuerten Drehspiegel läuft, oder optische Mittel für die optische Abbildung der Lichtspur auf eine Nipkow'sche Scheibe (45) oder ein Lichtleitfasersystcm (48) vorgesehen sind, um mit einem dritten Lascr-Doppler-Spektromcter nach Smeets synchron zur Zweikomponentcnmexsung eine hierzu nicht komplanare dritte Komponente und damit den kompletten Geschwindigkeitsvektor zu messen.