DE3233483C2

DE3233483C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten mit Hilfe der relativen Laser-Doppler-Anemometrie

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Publication number: DE3233483C2
Application number: DE19823233483
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 1000 Berlin Lehmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1982-09-09
Filing date: 1982-09-09
Publication date: 1984-09-27
Also published as: DE3233483A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten mit Hilfe der relativen Laser-Doppler-Anemometrie weisen durch optische Strahlteilung aus einem Laserlichtbündel erzeugte Teillichtbündel auf, die auf das optisch streuende Objekt eingestrahlt werden. Dabei wird dem Streulicht der den Teillichtbündeln zugeordneten Streulichtfelder, welches in Folge des Dopplereffektes jeweils unterschiedliche Lichtfrequenzen besitzt, die Information der dopplerschen Frequenzänderung in Form von Schwebungsfrequenzen des aus interferometrischer Überlagerung resultierenden Streulichtfeldes mittels optoelektronischer Empfänger entnommen, wobei die empfangenen Schwebungsfrequenzen den Beträgen der Geschwindigkeitskomponenten entsprechen, die jeweils senkrecht zu den Winkelhalbierenden zweier Teillichtbündel ausgerichtet sind. Um gleichzeitig zwei aufeinander senkrechtstehende Geschwindigkeitskomponenten messen zu können, wird entweder mindestens eines der Teillichtbündel nach Passieren des Streuobjektes durch koaxial entgegengesetzt ausgerichtete optische Rückführung in sich selbst oder durch koaxial entgegengesetzt optische Rückführung zu einem der anderen Teillichtbündel nochmals auf das Streuobjekt eingestrahlt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein weiteres Teillichtbündel durch eine zusätzliche Strahlteilung aus dem ursprünglichen Laserlichtbündel zu bilden und optisch koaxial und entgegengesetzt zurückzuführen. In beiden Fällen wird ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten mit Hilfe der relativen Lascr-Doppler-Anemomctrie der im OberbegrilTder Ansprüche I und 3 angegebenen Art.

Optisch und dadurch mechanisch störungsfrei wirkende Geschwindigkeitsmeßvorrichtungen der Laser-Doppler-Anemomctrie sind bekannt. Ein Hauptanwcndungsgebict finden sie in der Sirömungsmeßtechnik.

Ursprüngliche und grundlegende Beschreibungen der Eigenschaften und Möglichkeiten ϋτ& Verfahrens erschienen in der Literatur seit 1964.

Cummins. Knablc und Yeh (Phys. Rev. Letters. Vol. 12. Febr. 1964. pp. 150-153) gaben erstmals das Prinzip des Verfahrens an. Das an bewegten, optisch streuenden Partikeln gestreute kohärcnde Laseilicht wurde in einer definierten Sireurichtung empfangen. Zur physikalischen Darstellung seiner Frequenzänderung 1/„ durch den Dopplereffekt in Folge der Partikelbewegung wird es mit einem Anteil des ursprünglichen, nicht dopplervcrschobencn Laserlichts vordem optoelektronischer, Empfänger zur Interferenz uebracht. Dabei entstehende, vom Empfänger zeillich auflösbare Intensilüisschwebungcn des Interfercnzfeldes weisen die Frequenz Λ I₁, auf. welche linear proportional zu einer bestimmten Gcschwindigkeitskomponeme der Pariikclhewegung ist.

Sinti die Partikel klein genug, um von einem strömenden Fluid annähernd schlupffrei miigeluhri zu werden, so mißt man mit der Partikelgesihwindigkeii die Strömungsgeschwindigkeit. Jedoch können die Streupanikel auch Bestandteil fester, bewegter Oberflächen ausgedehnter Körper sein.

Wesentliche Vorteile des Verfahrens liegen in ihrer l-ichfreiheil. ihrer physikalisch exakt definierten Richtiingsumprindlichkeit. ihres großen erfaßbaren ficschwindigkeilshereiclis und im Fntläll einer mechanischen Ikeinlltissung der I luidsirönmng durch eine Sunde.

Eine Möglichkeit der Messung des Richtungssinns der erfaßten Geschwindigkcitskomponente ergibt sich durch das Mittel der Freqiienzverschiebiing (DE-OS

1798 076, US-PS 3649125). Durch verschiedenartige physikalische Mittel, heute überwiegend Braggzcllen, wird mindestens einem der interferierenden Lichtanteile eine zusätzliche und bekannte Frequcnzverschiebung Af₁, aufgeprägt. Dies führt dazu, daß als Meßfrequenz I/- Af₁, + Af₁₁ gemessen wird. Dann ist beispielsweise hei Af < Af₁, die gemessene Gcschwindigkeitskomponente negativ, bei I/>.!/,", positiv und bei Af- if, ist sie gleich null. So:".it sind auch die Vorzeichen der Geschwindigkeit meßbar.

Anordnungen zur gleichzeitigen Messung mehrerer Geschwindigkeitskomponer.tcn eines Streupanikeis lassen sich durch entsprechend mehrere optische Einstrahlrichtungen auf den Meßon realisieren. Die entstehenden Frequenzgemische im Streulicht können durch farboptische, polarisatio .optische oder durch elektronische Mittel in der Signalverarbeitungskette in die den jeweiligen Geschwindigkeitskomponenten zugeordneten Signalfrequenzen aufgespalten werden.

Eine Auswahl aus der Vielzahl der Möglichkeiten optischer Laser-Doppier-Anordnungen sowie die wesentlichen Grundlagen der Laser-Doppler-AnCtiiometrie sind in dem Buch von Durst, Melling und Whnelaw (Principles and Practice of Laser-Doppler Anemomeiry. New York. 1976. Academic Press. Seiten 96 bis 109) zu finden.

Im Verlauf der Entwicklung hat sich eine spezielle optische Anordnung als besonders praktikabel erwiesen und findet heute in der überwiegenden Mehrzahl aller Fälle und kommerziellen Geräte ihre Anwendung. Dies ist das Mehrstrahl- oder Doppler-Diflerenzverfahren (DE-PS 16 73 403. sowie B. Lehmann: Geschwindigkeitsmessung mit Laser-Doppler-Vcrfahren. Wiss. Berichte AEG-Telelunken. 41 (1968). 3. Seiten 141 - 145). Hiervon geht die Erfindung aus. Dabei wird aus mehreren Richtungen gleichzeitig Laserlicht auf den Meßort eingestrahlt, wobei jedoch auf eine optische Mischung des Streulichtes mit einem Anteil des ursprünglichen ungestörten Laserlichtes verzichtet wird. Vielmehr wird die Interferenz uer aus den unterschiedlichen Einstrahlrichtungen herrührenden Streulichifelder untereinander ausgenutzt. Sie führt zu Schwebungsfrequenzen der resultierenden Intensität, die für je ein Paar der eingestrahlten Lichtbündel einen noch einfacheren Zusammenhang mit einer Geschwindigkeitskomponente aufweisen als bei der Vergleichsstrahlanordnung von Cummins. Knable und Yeh.

Für den ebenen Fall einer /weistrahlordnung gilt

Af='. -sin (2,,)+ /!/„.

Dabei ist /.„ die im allgemeinen sehr genau bekannte Lichtwellcnlänge des ursprünglichen Laserlichts, y. ist der leicht und genau meßbare Krcu/ungswinkel der beiden Einstrahlrichtungen. Die zur Meßfrequenz linear proportionale Geschwindigkeitskomponente ii steht senkrecht auf der Winkelhalbierenden von χ und liegt in der Ebene tier beiden Einstrahlrichiungcn. l/„ ist die bereits erwähnte und im ullpcmcincn konstant gehaltene Frequenzverschiebung.

Gleichung (I) drückt unter anderem den Vorteil der Mehrstrahlanordnung aus. daß die Meßl'requcnz Af von der Empfangsrichtung unabhängig ist. Dieser Sachverhalt wird oft durch das reelle »Interferen/sireilensystem« erklärt, welches in Schnitt bereich der eingestrahlten Lichtbündel nachweisbar ist. Diese Erklärung besitzt jedoch keine Allgemeingültigkeit.

Von der ebenen Doppler-Differenzanordnung ausgehend, ist es denkbar, durch Hinzufügen einer dritten F.instrahlrichtung auf den Meßptinkt ein MchrkomponeiUeiisysteni zu schallen. Jede mögliche Paarung der

■> eingestrahlten Tcillichtbündel liefert dabei ein /weist rahlsysiem für die Messung einer Geschwindigkeitskomponcnic. Für die Trennung der den einzelnen Komponenten zugeordneten Signale linden farbselektive oder polarisationsoptische Optiken Verwendung, die

κι die Mehrfarbigkeit beispielsweise des Argon-Lascrlichts bzw. den Polarisationszustand des Laserlichts ausnutzen. Eine nichtkomplanare Dreistrahlanordnung bietet so grundsätzlich die Möglichkeit der gleichzeitigen Messung dreier niehtkomplanarer Geschwindigkeitskompo-

M ncntcn. Ein wesentliches Kriterium für entsprechende, praktikable und transportable optische Meßköple ist jedoch, daß möglichst alle auf den Mcßqn eingestrahlten Lichtbündel aus nur einem Meßkopf austreten. Demzufolge gilt, dyß nur Winkel begrenzter Größe der Ein-

:ii strahlrichtungen untereinander realisieAar sind. Das bedeutet wiederum, daß eine RichtungsauMösung der meßbaren Komponenten begrenzt ist. Zwei zu messende Komponenten lassen sieh dabei noch in einen rechten Winkel zueinander bringen, jedoch wird eine dritte zu-

:5 messende '<omponente mit den beiden anderen nur einen Winkel bilden, der erheblich kleiner als 90° sein wird. Der Idealfall, daß alle drei Geschwindigkeitskomponenten senkrecht aufeinander stehen, ist also mit einem einzigen optischen Meßkopf nicht za realisieren.

ίο Eine indirekte Lösung dieses Problems wird durch ein Gerät der Firma TSI Deutschland Inc.. Schmiedstr. 3. 51(M) Aachen, angeboten (siehe »3-Component, On-Axis LDV System«. Technische Information). Es werden unterschiedliche Frequenzverschicbungen der einzelnen

υ Strahlenpaare zur Vorzeichen- und Nullpunktdetektion bewirkt. Die Frequenzverschiebungen werden so ausgelegt, daß die Messung einer dritten Geschwindigkeitskomponente in Richtung auf den optischen Meßkopf simuliert wird. Diese Richtung entsteht dabei scheinbar

-m durch Drehen der Richtung dieser Komponente in Folge einer geeigneten Frequen/verschiebung. Ein Nachteil dieser Lösung liegt in einem wesentlich erhöhten Aufwand für die zusätzlich notwendige Freqii.-nzverschiebevorrichtung und für die Signalerfassing.

-15 Schließlich wird'in der DE-OS 31 06025 ein Verfahren beschrieben, bei welchem durch zueinander entgegengesetzte Einstrahlung zweier Laserlicht bündel auf einen Meßpunkt mit Mitteln der absoluten Laser-Doppler-Anemometrie zwei Gcschwindigkeilskomponenten gleichzeitig gemessen warden. Absolute Laser-Doppler-Ancmometrie bedeutet, daß aus dem empfangenen Streulicht nur die absolute dopplcrvcrschobene Lichtlrcqi'.:n/ empfangen und als Meßsignal einer weiteren Frequenzanalyse zugeführt wird. Die erwähnte optisch?

Mischung verschiedener Streulichtkomponcnten air Erzeugung einer Schwebungsfrequenz als Meßfrequenz, wie in der relativen Laser-Doppler-Anemometrie. erfolgt hierbei nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah-

Ni reu und eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art aufzuzeigen, mit denen die meßtechnische Erfassung der in der Laser-Dopplcr-Anemonieirie bisher nur sehr schwer zugänglichen Geschwindigkeitskomponcnte ermöglicht wird, die paraüi-l zu der Hauptachse des opti-

(.5 sehen Strahltcilerkopfes ausgerichtet ist: beim bekannten Doppler-DilTcrenzverfahren oder Zweistrahlverfahren ist dies also die Richtung der Winkelhalbierenden der beiden Einst rahlriehtunuen.

JZ. JJ

Erfindungägemäß wird dies bei dem Verfahren der angegebenen Art durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Fines der beiden Tcillichlhiindel wird wieder riickgcluhrt und bildet damit das dritte Teillichtbündel. Durch die zu einem der beiden ursprünglichen Teillichtbündel koaxial entgegengesetzt ausgerichtete Rückführung wird die Messung der anderen, um W⁰ zur ersten Geschwindigkeiiskomponcnie stehenden zweiten Geschwindigkeiiskomponente möglich. Damit wird auch die Geschwindigkeitskomponente parallel zu der bisher meßtechnisch nur schwer zugänglichen Hauptachsenrichtung des üblicherweise vcrwendeien optischen Strahlteücrkopfes meßbar. FIs ist aber auch möglich, das dritte Teillichtbündel durch eine zusätzliche Strahlteilung aus dem ursprünglichen Laserliehtbündel zu bilden und koaxial entgegengesetzt zu einem der beiden ursprünglichen Teillichtbündel ein-/ustrahlen. Dieses dritte Teillichtbündel kann also den Strcuort durchlaufen haben, muß es aber nicht.

Die Merkmale des Anspruches 2 dienen dazu, um neben der Frequenzverschiebung die Detektierung des Nullpunktes und des Vorzeichens der nach der optischen Rückführung zusätzlich meßbaren Geschwindigkeitskomponente sowie die Trennung der ihr zugeordneten Signalfrcqucn/ von den Signalfrequenzen der anderen Gesehwindigkeitskomponenten zu ermöglichen.

Die Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art kennzeichnet sich erfindungsgeinäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3. Damit wird mit sehr einfachen, zu den bekannten Mchrstrahlanordnungen zusätzlichen optischen Mitteln ein Mehrkomponentcnsysiem für mindestens zwei Komponenten geschaffen. Die so meßbaren Gesehwindigkeitskomponenten stehen nicht nur senkrecht aufeinander, sondern eine Geschwinuigkcitskomponente ist dabei noch in Richtung der optischen Hauptachse des Strahlteücrkopfes ausgerichtet.

Die gemäß Anspruch 4 beschriebenen optischen Mittel können in einfacher Weise aus Spiegeln. Hohlspiegeln, eine Kombination aus optischen Linsen. Prismen und spiegelnden Flächen usw. bestehen.

Ls ist möglich, gemäß Anspruch 5 auch zusätzlich einen weiteren opto-elektronischen Empfänger neben dem ersten Empfänger einzusetzen, um die beiden Gesehwindigkeitskomponenten mit je einem Empfänger zu messen. Fs ist aber auch möglich, hier nur einen einzigen optischen Empfänger einzusetzen und nachfolgend eine Signaltrennung vorzunehmen.

Die Merkmale des Anspruches 6 sind bei Benutzung von mehrfarbigem Laserlieht im Strahlengang sinnvoll, da sie nicht nur eine Farbtrennung der optischen Signale für die zu messenden Gesehwindigkeitskomponenten ermöglichen, sondern zusätzlich eine Blockierung des koaxial zurückgeführten Laserlichts vor dem Wiedereintritt durch den optischen Sirahlteilerkopf in den Laserresonator bewirken, wodurch eine nachteilige Beeinflussung des Laservorgangs vermieden wird.

Die Merkmale des Anspruches 7 dienen nicht nur zur Frequenzverschiebung, sondern auch Deteklierung des Nullpunktes und des Vorzeichens der nach der optischen Rückführung zusätzlich meßbaren Geschwindigkeitskomponente sowie der Trennung der ihr zugeordneten Signalfrequenz von der Signalfrequenz der anderen Gesehwindigkeitskomnonente.

Die Merkmale des Anspruches X verbessern die »Sichtbarkeit« der Streulichtinierferenzen. Ihre Einhaltung ist für eine optimale Wirkungsweise des Meßverfahrens erforderlich.

Die Lrfindung soll weiter am Fall einer ebenen Zweikomponcntenanordnung erläutert werden. Zur Messung einer Geschwindigkciiskomponente diener, zunächst zwei kohärente Tcillichtbündcl, die sieh in der be-

< kannten Weise unter dem Winkel 2, am Meßort schneiden, welcher das Streuobjekt einschließt. Die damit meßbare erste Geschwindigkeitskomponente steht senkrecht auf der Winkelhalbierenden von a,. und liegt in der l'bcne der beiden Einstrahlrichtungen. Erfindungsge-

tii maß wird nun eines der beiden Tcillichtbündel nach Hindurcluritt durch den Meßort mittels eines Spiegels oder einer Kombination aus spiegelnden und brechenden Opt'ken koaxial und entgegengesetzt zu sich selbst in den Mcßori zurückgeführt, so daß dieses zurückge-

i< führte Tcillichibündcl mit dem anderen originalen Teilliehtbündcl ein zweites Paar von Teillichtbündeln bildet. Dieses Paar bildet miteinander den Winkel I₁, dessen Winkelhalbierende senkrecht auf der Winkelhalbierenden von I_x steht. Demzufolge liegt die durch dieses

:u Sirahlenpaar erfaßte Geschwindigkeitskoinponentc parallel zur Winkelhalbierenden von *, der beiden Original-Teillichtbündel, ist also auf den optischen Strahlteilerkopf ausgerichtet, aus dem diese austreten und der häufig gleichzeitig als optischer Meßkopf fungiert. Diese

:< Richtung ist es jedoch, deren Komponente bei den bisher praktizierten Verfahren zur Mehrkomponentenmessung meßf *vhnisch nicht zugänglich war.

Welches der beiden Onginal-Tcillichtbündel optisch zurückgeführt wird, ist grundsätzlich frei wählbar. Je-

λι doch mehr als ein Teillichtbündel zurückzuführen, ist nicht sinnvoll, da der Geschwin'Jigkeitsvektor dann überbcstimmt wäre. F.s muß jedoch nicht unbedingt eines der Tcillichtbündcl in sieh selbst zurückgeführt werden, sondern es kann auch durch geeignete opti-

.'< sehe Mittel in den Strahlengang des anderen Teillichtbündcls koaxial und entgegengesetzt gerichtet zurückgeführt werden. Schließlich kann auch ein Teillichtbündel, das vorher nicht die Funktion eines Original-Teillichtbündels der Mcßvorrichtung erfüllte, in eines

■χ» der Original-Tcillichibündel zurückgeführt werden.

F.inc künstliche Frequenzverschiebung Af_n zwischen den beiden eingestrahlten Original-Teillichtbündeln wirkt sich sowohl für das Strahlenpaar mit dem Sehnittwinkel 2, als auch für das mit dem Winkel ϊ_: aus. Sie transponiert die Doppeldifferenzfrequenzen I/,,, und .!./„,.

die aus beiden Liehihündelpaaren resultieren, in die Bereiche der Meßfrequenzen Af_i=\f_m±\f_u und ΙΛ= 1//)'± '/,',· Eine weitere Vorrichtung zur Frequenzvcrschiebung im Strahlengang des optisch zurück-

>o geführten Teillichibündels kann dabei die Möglichkeiten der Signaltrennung für die beiden Geschwindigkeitskomponenien durch Vergrößerung des Abstandes der Signalfrequcnzen erweitern.

Zwei physikalische Einflüsse sind bei einer derartigen Meßanordnung zu beachten:

Das zu einem der Tcillichtbündel koaxial und entgegengesetzt optisch zurückgeführte Teillichtbündel kann durch die Optik des Strahlteilerkopfes zurück in den Laserresonaiorgehingen. Durch Wechselwirkung mit dem «ι Lasermedium kann dies zu störenden Instabilitäten des Laserprozesses führen. Zur Abhilfe können wiederum optische Farbfilter oder polarisationsoptische Filter dienen. Wird zum Beispiel die Polarisationsrichtung des optisch zurückgeführten Lichtbündels um 90° gefö dreht, so kann sein Licht durch ein hierzu mit 90° gekreuztes Polarisationsfilter vor dem Rückwärtseinfall in den Laserresonator blockiert werden. Derartige färb- oder polarisaiionsoptische Filterungen lassen sieh

böser realisieren, wenn ein Teilliehlbündel nicht in sich selbst sondern in den Strahlengang des anderen Tcillichibündels zurückgeführt wird. Dies ist möglich, wenn beispielsweise verschiedenfarbige l.ichlhündcl verwendet werden, wobei die Blockierung des Original-Tcillichibündeis durch ein Filter seiner eigenen Farbe vermieden wird,

Wcii-:.^-hiii bedeutet die angegebene Strahlführung einen erheblichen optischen Weglängenunterschied der Teillichibündel vom Laser bis zum Meßort bzw. vom Laser über die optische Rückführung zurück zum Meßort. Laserlichi eines Lasers, der in mehreren axialen Moden schwingt, verliert durch derartige optische Wegdifferenzen im allgemeinen seine Fähigkeiten, mit hinreichend großer Intensitätsmodulation (angelsächsisch: »visibility« der Interferenzen) zu interferieren. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn die optische Weglängcndifferenz ein gerades Viellaches der Resonatorlänge des Lasers ist. Diese relativ leicht zu realisierende Bedingung garantiert »maximale Sichtbarkeit« der für die Messung ausgenutzten Interferenzen.

Das bisher beschriebene Verfahren und die Vorrichtungen ermöglichen die gleichzeitige Messung zweier Geschwindigkeitskomponenicn. die senkrecht aufeinander stehen und in der Hbene der beiden Original- und des zurückgeführten Teillichtbündels liegen. !Durch ein geeignet ausgerichtetes drittes Original-Teillichthündel. wie es bei bisherigen /weikomponentensystemen bereits verwendet wird, läßt sich das beschriebene Zweikomponenicp-Mcßverfahrcn leicht zu einem Dreikomponenten· verfahren ergänzen. Umgekehrt kann ein zum Stand der Technik zählendes Zweikomponentensystem durch die Zusatzmaßnahme der optischen Rückführung eines Teilliehtbündels mit relativ geringen optischen Mitteln zu einem Dreikomponentensystem mit idealer, annähernd rechtwinkliger Komponcntcnorientieriing erwciicr'l werden.

Dabei kann ein dritter optoelektronischer Empfänger für die dritte Geschwindigkeitskomponente erforderlich werden, wenn eine optische Signaltrennung durch färb- oder poiarisationsopiische Maßnahmen erfolgt. Es ist aber auch die Verwendung nur eines Empfängers möglich, wenn die Signaltrennung innerhalb der elektronischen Meßkettc hinter dem Empfänger und ggf. vorbereitet durch geeignete Frequenzverschiebungen erfolgt.

Die Erfindung wird anhand schematisierter Ausluhrungsbeispiele weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. I eine erste Ausführungsform der Vorrichtung.

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Strahlengangs im Bereich des Meßpunktes.

Fig. 3 eine zweite Ausführungsfonn der Vorrichtung.

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung.

Von einem vor eine nicht dargestellte Lascrlichtquelle gesetzten Strahlteüerkopf 1, der häufig gleichzeitig als optischer Meßkopf ausgelegt wird, gehen zwei Teilliehtbündel 2 und 2' aus. die aus Kohärenzgründen durch Strahlteilung aus einem einzigen Laserlichibündel erzeugt werden. Vereinfachend werden diese Tcillichtbündel in der Literatur häufig als »Teilstrahlen« bezeichnet. Beide Teillichtbünde! 2 und 2' schneiden sich unter einem Winkel α, und bestrahlen in ihrem Schnittbereich, dem Meßort. ein optisches Streuobjekt 3. z. B. ein bewegtes Streuteilchen. Dabei entstehen zwei optische Streulichtfelder, deren Lichtfrequenzen /_v, und /_v, gegenüber der ursprünglichen Frequenz /„ in l-olge der Tcilehenbeweuung dopplcrverschoben sind. Beide Streulichtfeldcr interferieren miteinander und liefern durch optische Mischung eine Schwebungsfrequcnz I/„. die hier als Dopplcrdifferen/frequeii/ I/,,, bezeichnet und mit einem optoelektronischen Empfänger 4 detektion wird. Die l)oppk-rdil'fcicii/frci|iien/ steht mit einer lioschwindigkcitskomponenic 5(/O der Teilchenueschwindigkeit in folgendem Zusammenhang:

'«./,„ -./m - fs: = ■ ■ sin , .

'Ml

Die durch Messung von \f_m bestimmbare Geis schwindigkeitskomponenie 5((/) steht senkrecht auf der Winkelhalbierenden 6 des Schnittwinkels 2, der Teilliehtbündel 2 und 2'.

Diese bekannten Teilliehtbündel 2. 2' werden durch ein weiteres Teilliehtbündel 2" ergänzt, welches ebenfalls

:ii auf den besagten Schnittbereich mit dem Streuobjekt 3 ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu den bisher bekannten MehrkomponenicnverlVhren zeichnet sich Jas neue Verfahren jedoch dadurch aus. daß das Teilliehtbündel 2" koaxial und entgegengesetzt zu einem der beiden Teil-

:? lichlbündel 2 oder 2' ausgerichtet ist und gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. I aus einem der beiden durch koaxial entgegengerichtete optische Rückführung erzeugt wird. Dies kann beispielsweise durch spiegelnde und oder brechende optische Mittel 7. insbcsondere einen Spiegel, realisiert werden.

In dem dargestellten Fall bildet das optisch zurückgeführte Teilliehtbündel 2" mit dem Teilliehtbündel 2 eine weitere Doppler-DilTerenzanordnung mit dem Winkel Z₂. mit der die Geschwindigkeitskomponente 5(r) meßbar ist. die senkrecht auf der Winkelhalbierenden 6' des Winkels κ, steht und deren zugeordnete Meßfrequenz Af₀₂ beispielsweise mit dem optischen Empfänger 4' delektiert wird.

Die so gleichzeitig mil der Gesehwindigkeitskompo-

4(i ncnte 5 meßbare Geschwindigkeitskomponente 5' zeichnet sich dadurch aus. daß sie zumeist parallel zur optischen Hauptachse des optischen Strahlteilerkopfes 1 ausgerichtet ist. Die optische Hauptachse ist im allgemeinen parallel oder identisch mit der Winkelhalbierenden 6 des Winkels a₍. Die Messung gerade dieser Geschwindigkeitskomponentc 5' stellt ein für die Laser-Doppler-Anemometric bisher nur schwer lösbares Problem dar. Sofern die optische und örtliche Zugänglichkeit des Meßortes gewährleistet ist. kann dieses Problem nunmehr mit

5ii relativ geringem zusätzlichem Aufwand in der beschriebenen Weise gelöst werden.

Bis auf einen nicht vernieidbaren optischen Weglängcnunterschicd ist die Bedingung der Kohärenz der Tcillichtbündel 2. ΐ und 2" gewährleistet, da sie alle aus einem Laserlichibündel durch Strahlteilung erzeugt werden.

Fig. 2 zeigt die in Fig. I nur schemalisch dargestellten, tatsächlich aber mil endlichem Querschnitt versehenen Teilliehtbündel 2 und T. welche bei ausgeführten

«ι technischen Lösungen zumeist einzeln auf den Meßort fokussiert werden. Dadurch wird die Lichtintensität im optisch erfaßten Meßort erhöht und sein Volumen verkleinert.

Dementsprechend müssen die optischen Mittel 7 das

(o sie erreichende divergente Teilliehtbündel im Verlauf der optischen Rückführung wiederum als Teilliehtbündel 2" auf den Meßort fokussieren. Dies kann beispielsweise — wie dargestellt — mit einem Hohlspiegel geeigneter

Urennweitc oder einer geeigneten Kombination aus optischen Linsen. Prismen und spiegelnden Machen erfolgen.

Fig. 3 zeigt eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung. Jedoch wird hier das Teillichtbündel 2" nicht durch optische Rückführung eines der Teillichtbündel 2 oder 2' in sich selbst erzeugt. Vielmehr wird mittels spiegelnder und brechender Mittel 7 und T das Teillichtbündcl 2 als Teilliehibündel 2" koaxial und entgegengesetzt gerichtet /tun Teillichtbündel 2' auf den Meßort mit dem Streuobjekt 3 ausgerichtet. Dies erleichtert Maßnahmen, die der Trennung der Signale für die Geschwindigkeitskomponenten !> und 5' durch F.inbringung von Filtern oder Mitteln zar Frequenzverschiebung in den zurückgeführten Strahlengang dienen.

Enthält beispielsweise das ursprüngliche Laserlicht einen blauen und einen grünen Anteil, so können die Signale auf folgende Weise getrennt werden:

Das Teilliehibündel 2 enthält beide Karben. Durch ein Blaufilter 8 wird das grüne Licht aus dem Teillichtbündcl 2' eliminiert. Die Geschwindigkeitskomponente 5 wird dann allein durch das blaue Licht der Teillichtbündcl 2 und 2' erfaßt, das entsprechende Streulicht gelangt durch einen Blaufilter 8' in den optischen Empfänger 4. z. B. einen Strahlendetektor. Nach dem Durchgang durch den Meßort wird das Teillichtbündel 2 im Verlauf seiner koaxialen Rückführung mit dem Grünl'ilter 9 gefilten. Das Teillichtbündel 2" ist somit grün und erfaßt mit dem grünen Anteil des Teillichtbündels 2 die Geschwindigkeitskomponente 5'. Das zugehörige Streulichtsignal gelangt durch ein Grünlllter 9'. zu dem weiteren optoelektronischen Empfänger 4'. Damit ist die Signaltrennung vollzogen.

Durch die Farbfilter 8 und 9 wird jedoch zusätzlich erreicht, dall die koaxial ineinander geführten Teillichtbünde! noch vor einem rückwärts gerichteten Eintritt in den Strahitciierkopf i blockiert werden, hs kann somit keine Lichtintensität zurück in den Laserresonator gelangen, dessen optische Beiriebsstabilität sonst gestört werden könnte. Anstelle der Farbfilter 8.8'. 9.9' können auch geeignet orientierte Polarisationsfilter zur Signalt rennung und Intensitätsblockicrung verwendet werden. Die verschiedenen Farbfilter entsprechen dabei unter 90° gekreuzten Polarisationsfiltern und das zweifarbige Teillichtbündel 2 entspricht einem Lichtbündcl. dessen Polarisationsrichtung zu den beiden Polarisationsfiltern um 45° gekreuzt ist. Das ursprüngliche Laserlicht kann dann natürlich einfarbig sein.

Fig. 4 zeigt, daß bei der Strahlführung noch Fig. 3 besonders einfach auch Mittel zur Frequenzverschiebung 10 und 10'. die für sich zum Stand der Technik gehören, eingesetzt werden können. Dabei ist es von wesentlichem Vorteil, daß beispielsweise durch das Mittel 10' die Frequenz des koaxial zurückgeführten Teillichtbündels 2" nochmals und unabhängig von einer Frequenzverschiebung verändern kann, die möglicherweise bereits dem reilliclubündel 2 durch die Mittel 10 aufgeprägt wurde. Solche Frequenzverschiebungen dienen nicht nur der Vorzeichen- und Nullpunktdetektion der gemessenen Geschwindigk'sitskomponenicn. Sie können auch der Signaltrennung dienen, indem durch Frequenzverschiebung die Meßfrequenzen mit hinreichend großem Frequenzabstand untereinander versehen werden. Das dann mit nur einem Empfänger detektierbare Frequenzgemisch kann anschließend durch elektronische Filterung in die einzelnen Signalfrequenzen zerlegt werden. Fig. 5 zeigt schließlich die Möglichkeil, daß eine Mehrkomponemenmcssung mit den entsprechend vorteilhaft gerichteter. Komponenten auch erreicht wird, wenn das zu einem der Original-Tcillichtbündcl koaxiale und enigegiingcrichiete Tiellichtbündel 2" nicht aus einem der Original-Teülichlbündcl 2 oder 2' resul-

< tiert. Ws kann auch durch zusätzliche Strahlteilung erzeugt werden, um dann als Teillichtbündel 2" zu fungieren. Fine solche Anordnung ist jedoch weniger praktikabel, insbesondere wird die Einhaltung der Kohärenzbedingung für die Teillichtbündel schwieriger.

κι Schließlich sei erwähnt, daß die erfindungsgemäße Lösung durch koaxiale optische Rückführung eines Lichtbündcls auf ein bewegtes Meßobjekt auch im allgemeineren Fall der Vergleichsstrahlenanordnung, wie sie von Yeh und C'ummings beschrieben wurde, die Mög-

i> lichkeit für die gleichzeitige Messung von zwei Geschwindigkeitskoinponenten liefen.

In Verbindung mit dem Doppler-üilTerenzvcrfahrcn oder Mehrstrahlverfahren, wie es den Fig. I bis 5 zugrunde liegt, bietet die crfindungsgemäße Lösung jedoch

:<> besonders praktikable Möglichkeiten der gleichzeitigen Messung mehrerer Komponenten mit einer besonders günstigen Richtungsorientierung.

Be/.ugszeichen liste:

I -= Strahlteilerkopf

2. 2'. 2' - riickgefühnesTeillichtbündel

3 - Streuobjekt

4. 4' --■ Strahlcndetektor

in 5. 5' ·= Gesehwindigkeitskoniponente

6. 6' - Winkelhalbierende

7.7' -- optische Mittel

8. 8 - Blaufilter

9.9' -dränfilter
'< 10'. 10 Mittel /iir Frequen/verschiebung

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten mit Hilfe der relativen Laser-Doppler-Anemomeirie. bei welchem durch optische Strahlteilung aus einem Laserlichtbündel erzeugte Teillichtbündel auf das optisch streuende Objekt eingestrahlt werden und dem Streulicht der den Teillichtbündeln zugeordneten Streulichtfelder. welches in Folge des, Dopplereffektes jeweils unterschiedliche Liehtfrequenzen besitzt, die Information der dopplerschen Frequenzänderung in Form von Schwebungsfrequenzen des aus interferometrischer Überlagerung resultierenden Streulichtfeldes mittels optoelektronischer Emplängcr entnommen wird, wobei die empfangenen Schwebungsfrcquenzcn den Beträgen der Geschwindigkciiskomponentcn entsprechen, die jeweils senkrecht zu den Winkelhalbierenden zweier Teillichlbündcl ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Messung einer zusätzlichen Geschwindigkeitskomponente entweder eines der Tcillichibündel nach Passieren des Streuobjekies durch koaxial entgegengesetzt ausgerichtete optische Rückführung in sich selbst oder durch koaxial entgegengesetzt gerichtete optische Rückführung zu einem der anderen Teillichtbündel als drittes Teillichtbündel nochmals auf das Streuobjekt eingestrahlt wird, oder ein weiteres drittes Teillichtbündel durch eine zusätzliche Strahlteilung aus uem ursprünglichen Laserliehibünilel gebildet und optisch ko.txial u--:.l entgegengesetzt in einem der anderen Teilüchtbündel zurückgeführt wird, so daß über das driitc ' tiillichibündel mit einem der anderen Teillichlbündel nochmals ein Doppler-Zweistr.ihlsysieni gebildet wird, und daß die diesem zugeordnete Schwebungsfrcquenz zur Messung einer weiteren, senkrecht zu der ersten Geschwindigkeitskomponentc ausgerichteten Geschwindigkeitskomponentc führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang des dritten optisch zurückgeführten Teillichtbündels eine zusätzliche definierte optische Frequenzverschiebung des Laserlichts erzeug! wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I. mit einer Einrichtung, die zwei kohärcnie Teillichtbiindel eines Lasers durch Überschneidung im Bereich des Streuobjektes interferieren läßt, sowie mit einem opto-elektronischen Empfänger und dar.in angeschlossener Signalauswerlung. dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum koaxial entgegengesetzt ausgerichteten optischen Rückführen eines der beiden Teillichtbündel (2. 2) o-:ler eines durch zusätzliche Sirahllciliing aus dem ursprünglichen Laserlichtbündel gebildeten l'eillichibündels (2") /u einem der Teillichtbündel (2 oder 2) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus spiegelnden und oder brechenden optischen Mitteln (7) besteht.

5 Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein weilcrer optn-clcktmnischer l'.iripliinger (4 ) für die Messung der zusätzlichen auf der ersten (jescliwindigkciiskomponcn-Ie (5) senkrecht stehenden zweiten Cicschwindigkciiskumponente (5) \orgesehen ist.

(). Vorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Teillichtbündel (2. 2'. 2") und vor den opto-elektronischen Empfängern (4, 4') Färb- und/oder Polarisationsfilter (8. 9. 8'. 9') zur Signaltrennung und Intensitätsblockicrung angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Teillichtbündel (2. 2', 2") Mittel zur FrequenzverschHbung (10 und/oder 10') zur Vorzeichen- und NuIIpunktdetektion der Geschwindigkeitskomponenten (5, 5') sowie zur Signaltrennung vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der instesondere durch die optische Rückführung entstehende optische Weglängenunterschied bis zum Meßort im Vergleich zur optischen Weglänge des direkt auf das Streuobjekt (3) eingestrahlten Teillichtbündels (2 oder T) so ausgelegt ist. daß er ein gerades Vielfaches der Resonatorlänge des verwendeten Lasers beträgt, wodurch die »Sichtbarkeil« der Streulicht Interferenzen bei der Verwendung von in mehreren axialen Moden aktiven Lasern maximal wird.