DE3323249A1

DE3323249A1 - Signalanalysator

Info

Publication number: DE3323249A1
Application number: DE19833323249
Authority: DE
Inventors: Paul William 45218 Greenhills Ohio Mossey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-07-06
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1984-01-12
Also published as: GB8317029D0; US4610540A; JPS5938666A; IT8321610A0; GB2123155A; FR2530032A1; IT1170149B; GB2123155B

Description

9142-13DV-O8156

GENERAL ELECTRIC COMPANY

Signalanalysator

Die Erfindung bezieht sich auf Analysatoren zum Messen der Frequenz von elektromagnetischer Strahlung in Echtzeit und betrifft insbesondere Analysatoren zum Messen der Geschwindigkeit einer Fluidströmung durch Projizieren von Licht in das Fluid und Messen der Frequenz von reflektiertem Licht
unter Verwendung von Filtern, die überlappende Durchlaßbereiche haben.

Es ist üblich, die Frequenz von elektromagnetischer Strahlung durch Zählen der Anzahl von Strahlungsperioden zu Messen, die während eines bekannten Zeitintervalls auftreten. Eine solche Frequenzzählung ist jedoch strenggenommen keine Echtzeitmessung, weil sie eine mittlere Frequenz über dem
verwendeten Zeitintervall ergibt. Sollte die Frequenz am
Beginn des Intervalls größer und gegen Ende des Intervalls kleiner sein, so wird diese Tatsache bei der Messung nicht angezeigt.

Dadurch wird die Verwendbarkeit dieser Art der Messung begrenzt. Beispielsweise in einem Fall, in welchem die Frequenzmessung zum Anzeigen der Gasgeschwindigkeit in einem Düsentriebwerk benutzt werden soll, kann Strahlung, wie beispielsweise Licht, auf reflektierende Teilchen, wie beispielsweise Staub oder RuB, die in der Gasströmung vorhanden sind, projiziert werden. Die Strahlung wird durch die Teilchen reflektiert, und eine Frequenzänderung der reflektierten Strahlung aufgrund der Doppler-VerSchiebung liefert eine Angabe über die Geschwindigkeit, mit der sich die Teilchen bewegen, und somit über die Geschwindigkeit des sich bewegenden Gases. Das Gas kann sich jedoch so schnell bewegen, daß die Teilchen in der Nähe des Bereiches, wo die Geschwindigkeit gemessen werden soll, nur für eine sehr kurze Zeit bleiben, bevor sie sich vorbeibewegt haben. Sie können daher nur für eine entsprechend kurze Zeit reflektieren, mit dem Ergebnis, daß die reflektierte Strahlung in Stößen oder Impulsen extrem kurzer Dauer erzeugt wird. Diese Frequenzstöße oder -impulse dauern nicht lange genug, um Frequenzzählern zu gestatten, richtig zu zählen.

Eine Alternative zu der Verwendung von Frequenzzählern besteht darin, die Frequenz zu schätzen, indem eine Gruppe von Bandpaßfiltern benutzt wird, die ein interessierendes Spektrum abdecken, wobei jedes Filter ein bekanntes Unterband des Spektrums einnimmt. Beispielsweise kann ein erstes Filter einen Durchlaßbereich in dem Bereich von 0-10 Hz, ein zweites Filter ein Band in dem Bereich von 10-20 Hz, usw. haben, bis zu einem zehnten Filter, das einen Durchläßbereich in dem Bereich von 90-100 Hz hat. Es würde daher ein Spektrum von 0-100 Hz abgedeckt, und beispielsweise ein Signal aus dem zweiten Filter würde anzeigen, daß die Frequenz eines EingangsSignaIs irgendwo zwischen 10 und 20 Hz liegt. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß nur ein Frequenzbereich und nicht eine genaue Frequenz des Eingangs-

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signals erhalten wird. Weiter wird die Genauigkeit der Meßvorrichtung durch die Anzahl der Filter und durch den Durchlaßbereich jedes Filters bestimmt. Zum Erzielen einer hohen Genauigkeit ist eine große Anzahl von Filtern erforderlich, die jeweils einen schmalen Durchlaßbereich haben. Außerdem ist zum überdecken eines großen Spektrums eine entsprechend größere Anzahl von Filtern erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten, im wesentlichen in Echtzeit messenden Frequenzanalysator zu schaffen.

Weiter soll ein neuer und verbesserter, im wesentlichen in Echtzeit arbeitender Frequenzanalysator geschaffen werden, der in der Lage ist, Strahlungsstöße oder -impulse extrem kurzer Dauer zu analysieren.

Ferner soll ein neuer und verbesserter, im wesentlichen in Echtzeit arbeitender Frequenzanalysator geschaffen werden, der eine hohe Genauigkeit liefert und trotzdem eine geringere Anzahl von Bandpaßfiltern erfordert.

Außerdem soll ein neues und verbessertes System geschaffen werden, in welchem ein im wesentlichen in Echtzeit arbeitender Frequenzanalysator zum Messen von Fluidströmungsgeschwindigkeiten benutzt wird.

Schließlich soll ein neues und verbessertes System geschaffen werden, bei dem ein im wesentlichen in Echtzeit arbeitender Frequenzanalysator zum Messen einer Fluidströmung auf nichtstörende Weise mittels einer Doppler-Verschiebungstechnik benutzt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

die Fig. 1A-1C einen sich im Raum bewegenden Wellenimpuls,

Fig. 2 einen Teil des Impulses nach Fig.

1, der durch ein stationäres Objekt reflektiert wird,

Fig. 3 einen Teil des Impulses nach Fig. 1,

der durch ein sich bewegendes Objekt reflektiert wird,

Fig. 4 schematisch die Erfindung in Verbin

dung mit einem Düsentriebwerk,

Fig. 5 eine Längsschnittansicht einer op

tischen Meßsonde nach der Erfindung,

Fig. 6 ein Diagramm der übertragungsfunk

tion eines elektrischen Filters,

Fig. 7A ein Diagramm der Übertragungsfunk

tionen von vier elektrischen Filtern, die benachbarte Durchlaßbereiche haben,

Fig. 7B eine andere Darstellung einiger der

Daten nach Fig. 7A,

Fig. 8 drei Filterzellen nach der Erfindung,

Fig. 9 die Verbindung von zwölf Filter

zellen mit vier Signalbuspaaren,

Fig. 10 das gleichgerichtete Ausgangssignal

Tt'

eines Filterelements und

Fig. 11 das gleichgerichtete Ausgangssignal

nach Fig. 10 im Anschluß an eine weitere Verarbeitung zum Beseitigen von Welligkeit.

Bei der Erfindung werden wenigstens zwei Gruppen von Filtern benutzt, wobei jede Gruppe ein oder mehrere Filter enthält. Ein Eingangssignal, das eine zu messende Frequenz hat, wird gleichzeitig an sämtliche Filtergruppen angelegt. Jedes Filter in jeder Gruppe liefert ein vorläufiges Signal, dessen Größe durch den Frequenzgang des betreffenden Filters bestimmt wird. Das Filter in jeder Gruppe, das das größte Signal liefert, wird identifiziert. Information über den Frequenzgang dieser identifizierten Filter, wie beispielsweise die Mittenfrequenzen oder eine mathematische Beschreibung jeder Frequenzkennlinie, wird in Verbindung mit der Ausgangs-Signalgröße, die jedem entspricht, benutzt, um die Frequenz des Eingangssignals zu berechnen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird monochromatisches Licht, beispielsweise aus einem Laser, auf sich bewegende Teilchen, wie beispielsweise Staub oder Ruß, die in einem sich bewegenden Fluid, wie beispielsweise einem Gasstrom in einem Düsentriebwerk,vorhanden sind, projiziert. Licht, das durch die sich bewegenden Teilchen reflektiert wird, wird in der Frequenz durch den Doppler-Effekt verschoben, und die Frequenz des verschobenen Signals wird durch die oben beschriebene Vorrichtung gemessen, um ein Maß für die Geschwindigkeit des sich bewegenden Fluidstroms zu liefern.

Strahlung, die durch ein sich bewegendes Objekt reflektiert wird, wird gemäß dem Doppler-Effekt in der Frequenz verändert.

Dieser Effekt kann, wie in dem weiter unten folgenden Abschnitt, der die Überschrift "Allgemeine Überlegungen" trägt, erläutert, benutzt werden, um die Geschwindigkeit des Objekts zu bestimmen. Beispielsweise ist gemäß Fig. 4 die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Stroms eines Fluids, wie beispielsweise eines Gases, in einer Position 12 innerhalb eines Bereiches 14, der durch eine gestrichelte Linie 15 angegeben ist, zu messen. Das Gebiet 14 befindet sich in einem Düsentriebwerk, das insgesamt mit der Bezugszahl 18 bezeichnet ist. Eine optische Meßsonde 21 enthält optische Komponenten, die ein Bündel 22 im wesentlichen monochromatischen Lichtes auf die Position 12 projizieren, in der das Lichtbündel 22 reflektiert und als ein Bündel 24 zurückgeleitet werden soll.

Das Triebwerk 18 und die Meßsonde 21 können in bezug auf einander durch nichtdargestellte Vorrichtungen bewegt werden, um unterschiedliche besondere Positionen des Gebietes 14 der Beleuchtung durch das Lichtbündel 22 auszusetzen. Zu Bezugszwecken wird der Strahlengang, in welchem sich das Lichtbündel 22 bewegt, als optische Achse bezeichnet. Die besondere Lage der Position 12 in bezug auf ein Bezugssystem wird durch Meßwandler 26, 28 und 30 abgefühlt, die Signale erzeugen, welche über Leitungen 32, 34 und 36 zu einer insgesamt mit 39 bezeichneten Signalverarbeitungsschaltung übertragen werden. Das rückkehrende Bündel 24 wird durch die Meßsonde 21 empfangen, die ein Geschwindigkeitssignal erzeugt, das die Frequenz des Lichtes in dem rückkehrenden Bündel 24 und somit die Geschwindigkeit des Gasstroms angibt. Das Geschwindigkeitssignal wird über eine Leitung 41 zu der Signalverarbeitungsschaltung 39 übertragen.

Ein Gasstrom, der in dem Düsentriebwerk 18 enthalten ist, ist zwar normalerweise transparent und reflektiert Licht nicht, trotzdem sind im allgemeinen jedoch Fremdteilchen, wie Staub oder Ruß, in dem Gasstrom vorhanden und reflek-

tieren das Lichtbündel 22. Sollte solches reflektierendes Material in dem Gasstrom nicht vorhanden sein, kann es künstlich in diesen eingebracht werden. Beispielsweise kann Ruß künstlich eingebracht werden, indem die Verbrennungsprozesse in dem Triebwerk entsprechend eingestellt werden, oder Staub kann aus einer nicht dargestellten äußeren Quelle eingebracht werden.

Fig. 5 zeigt schematisch die optischen Komponenten, die in der optischen Meßsonde 21 enthalten sind. Eine Quelle monochromatischen Lichtes in Form eines Lasers 45 projiziert ein Lichtbündel 47, das auf einen Strahlenteiler 49 auftrifft. Ein Teil 50 des Lichtbündels 47 wird auf eine reflektierende Vorrichtung in Form eines Spiegels 52 reflektiert und dadurch auf eine Fokussiervorrichtung in Form einer Linse 55 reflektiert. Die Linse 55 erweitert das Lichtbündel zu einem divergierenden Lichtbündel 57, das durch eine reflektierende Vorrichtung in Form eines Spiegels 59 auf eine Linse 62 reflektiert wird. Die Linse 62 kollimiert das sich erweiternde Lichtbündel 57. Dadurch wird der Grad der Divergenz verringert und das sich erweiternde Bündel 57 in ein Bündel umgewandelt, in welchem die Lichtstrahlen im wesentlichen parallel sind. Das kollimierte Bündel 62A wird durch eine Linse 63 zu einem konvergierenden Bündel 65 fokussiert. Das Bündel 65 wird durch einen Strahlenteiler 67 auf einen Detektor 70 reflektiert.

Der Strahlenteiler 49 gestattet dem restlichen Bündel 71 des Lichtbündels 4 7, das nicht als Bündelteil 50 reflektiert wird, zu einer Fokussiervorrichtung in Form einer Linse 72 zu gelangen, die das restliche Lichtbündel 71 in ein divergierendes Bündel 75 verwandelt. Eine reflektierende Vorrichtung in Form eines Spiegels 77 reflektiert das divergierende Bündel 75 auf eine reflektierende Vorrichtung in Form eines

Spiegels 79. Letzterer projiziert das divergierende Bündel 75 in derselben Gesamtrichtung wie das restliche Lichtbündel 71, aber in Fig. 5 in vertikaler Richtung versetzt. Das divergierende Bündel 75 wird durch eine Fokussiervorrichtung in Form von Linsen 81 und 82 zu einem konvergierenden Bündel 83 fokussiert, das sich in einem Gebiet 84 zu einem im wesentlichen zylindrischen Teil sehr kleinen Durchmessers verengt, welcher als Bündelmittelteil bezeichnet wird. In dem Bündelmittelteilgebiet 84 erfolgt die Reflexion durch die Staub- und Rußteilchen, und dieses Gebiet befindet sich in der in Fig. 1 gezeigten Position 12.

Licht wird durch die Staub- und Rußpartikel in willkürlichen Richtungen in dem Bündelmittelteilgebiet 84 reflektiert, und ein Teil des reflektierten Lichtes kehrt zu der Meßsonde 21 zurück. Von diesem zurückkehrenden Licht wird dasjenige Licht, das auf die Linse 82 auftrifft, nämlich das Licht, das ein divergierendes Bündel bildet, welches durch gestrichelte Linien 87 und 88 angegeben ist, durch die Linsen 81 und 82 zu einem konvergierenden Bündel 90 fokussiert. Das konvergierende Bündel 90 trifft auf den Strahlenteiler 67 auf, und ein Teil dieses Bündels geht durch den Strahlenteiler 67 hindurch und gelangt von diesem aus zu dem Detektor 70.

Es sei angemerkt, daß die Linsen 81 und 82 eine symmetrische Funktion erfüllen, indem sie das divergierende Bündel 75 in dem Bündelmittelteil 84 fokussieren und außerdem das Licht 90 fokussieren, das von dem Bündelmittelteil 84 in den Strahlenteiler 67 reflektiert worden ist. Es sei außerdem angemerkt, daß die gemessene Teilchengeschwindigkeit tatsächlich die Geschwindigkeitskomponente in der Richtung des Lichtbündels 83 ist.

Der Detektor 70 multipliziert oder überlagert das Bündel 65,

das hier manchmal als Bezugsbündel bezeichnet wird, mit dem reflektierten Bündel 90. Das überlagern läßt sich folgendermaßen erklären: ein Lichtbündel kann als eine Sinuswelle behandelt und somit mathematisch durch einen Ausdruck der Art sin At beschrieben werden, wobei A eine Frequenzkonstante ist und t die Zeit darstellt. Demgemäß kann das Verfahren des Überlagerns anhand von trigonometrischen Identitäten beschrieben werden. Es ist eine mathematische Tatsache, daß der Ausdruck (sin At) (sin Bt), der den Sinus von At multipliziert mit dem Sinus von Bt bedeutet, dem Ausdruck sin (At + Bt) + sin (At - Bt), was den Sinus der Summe von At und Bt plus dem Sinus der Differenz zwischen At und Bt bedeutet, äquivalent ist. Das Multiplizieren von zwei Sinuswellen ist somit dem Addieren von zwei Sinuswellen geeigneter Frequenzen äquivalent. In diesem Beispiel ist die eine Frequenz A + B und die andere Frequenz A-B.

Anders betrachtet, die Multiplikation der beiden Sinuswellen dient zum Transformieren derselben in zwei Wellen der soeben erwähnten Frequenzen. Da in dem Fall von optischen Frequenzen die resultierende Welle, die durch den Ausdruck sin (A + B)t dargestellt wird, eine extrem hohe Frequenz haben wird, kann sie außer Betracht gelassen werden. Ein Grund dafür ist, daß diese Frequenz außerhalb des Bereiches der Frequenzanalysierschaltung liegt, die unten beschrieben ist. Infolgedessen bleibt der andere Ausdruck, sin (A - B)t, zurück, und dessen Frequenz enthält die Information, aus der die Gasgeschwindigkeit gewonnen wird.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Frequenzanalysierschaltungsanordnung nach der Erfindung wird ein vereinfachtes Beispiel von einigen der Arbeitsprinzipien angegeben. Fig. 6 zeigt den Frequenzgang oder die Frequenzkennlinie 99, d.h. die Ubergangsfunktion eines elektronischen Filters. Diese Funktion gibt an, daß bei einer Eingangsfrequenz 101 ein

Ausgangssignal erhalten wird, das in der Größe ein Prozentsatz der Größe des Eingangssignals ist. In dem Falle der Frequenz 101 wird eine Ausgangsgröße von 70 % erzielt. Ebenso wird bei einem Eingangssignal der Frequenz 103 ein Ausgangssignal gleicher Größe erzielt.

Drei Dinge seien an dieser Stelle erwähnt. (1) Es gibt keine definierte Sperre oder Grenze für die Frequenzen, auf die das Filter anspricht. Das heißt, die übertragungsfunktion 99 erstreckt sich theoretisch unendlich weit nach rechts und nach null nach links. Daher wird ein Eingangssignal der Frequenz 105 zwar noch ein Ausgangssignal erzeugen, dieses wird jedoch eine geringe Größe haben. (2) Der Durchlaßbereich des Filters wird üblicherweise als das Frequenzband definiert, das beispielsweise zwischen 101 und 103 liegt und ein Ausgangssignal oberhalb einer gewissen Größe, wie beispielsweise 70 %, erzeugt. (3) Das Eingangssignal ist ein Wechselstromsignal, was auch für das Ausgangssignal des Filters gilt. Die Signalgröße ist in diesem Fall eine Größe, die sich auf die vertikale Strecke zwischen den Punkten 110 und 111 in Fig. 1C bezieht.

Zur weiteren Erläuterung des vereinfachten Beispiels sei angegeben, daß mehrere Filter, die benachbarte Durchlaßbereiche haben, benutzt werden können, um ein interessierendes Frequenzspektrum zu überdecken, obgleich sich die Erfindung nicht auf die Verwendung von Bandpaßfiltern beschränkt. Die Art und Weise der Ausführung der Frequenzanalyse wird mit Bezug auf Fig. 7A erläutert. Filter, die eine vorbestimmte oder bekannte Übertragungsfunktion 115A-115D haben, werden jeweils ein Ausgangssignal auf ein Eingangssignal hin erzeugen. Beispielsweise wird ein Eingangssignal der Frequenz 117 Ausgangssignale 119A-119D aus den betreffenden Filtern ergeben.

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Die Filterausgangssignale nach Fig. 7A sind in Fig. 7B anders dargestellt. Letztere zeigt zwei Informationsteile, aufgetragen für jedes Filter: die Filtermittenfrequenz und die relative Größe des Ausgangssignals in bezug auf das Eingangssignal von jedem. Eine Methode zum Abschätzen der Eingangsfrequenz besteht darin, einen gewichteten Mittelwert der Frequenzen in Fig. 7B zu gewinnen. Das heißt, eine Gleichung wie die folgende zu benutzen, in der sich die Symbole, wie beispielsweise f.. auf die in Fig. 7B gezeigten Werte beziehen:

₌ ^A1^f1^+A2V^A3^f3^+A4^f4 ein) ~ A..+A₂+A.,+A₄

Eine genauere Schätzmethode besteht darin, eine Kurve graphisch empirisch zu bestimmen. Diese Methode erfordert die Rekonstruktion einer Figur, die mit Fig. 7A identisch ist, unter Verwendung der bekannten Filterübertragungsfunktion und unter Einfügung der Datenpaare (Amplitude und Mittenfrequenz) in die Figur. (Es sei angemerkt, daß bei der Verwendung von Filtern, die die gezeigten symmetrischen Übertragungsfunktionen haben, wie die Funktion 115A, eine Amplitude, wie A-, zwei Frequenzen entspricht, nämlich f . und fc· Somit identifiziert jedes Datenpaar eine übertragungsfunktion sowie zwei mögliche Frequenzen, die der Amplitude in dem Datenpaar entsprechen. Die Frequenz, bei der die Amplitudenpunkte, wie A₁, A₂, A₃ und A. in Fig. 7A zusammenfallen, wird als Eingangsfrequenz genommen, welches in diesem Fall f . ist.
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Eine andere Methode als das empirische Bestimmen einer Kurve in dem Fall, in welchem die Übertragungsfunktionen 115A-D die gleiche Form haben, besteht darin, eine der Übertragungsfunktionen in Fig. 7B nach links und nach rechts zu verschieben, bis sie die Punkte 119A-D wie die übertragungsfunktion

115Ε überdeckt. Wenn das der Fall ist, wird die Mittenfrequenz der verschobenen übertragungsfunktion als Eingangsfrequenz genommen.

Statt dessen kann diese graphische Methode ausgeführt werden, indem entweder manuell oder mittels Rechner die Gleichungen gelöst werden, die die Übertragungsfunktionen beschreiben, und die erhaltenen Datenpaare in die Lösung eingefügt werden, um die Eingangsfrequenz zu gewinnen.

Ungeachtet der angewandten Methode zum Gewinnen der Eingangsfrequenz (gewichteter Mittelwert, empirisches Bestimmen einer Kurve oder Lösung der Gleichung) wird das Gewinnen der Eingangsfrequenz hier als Regressionsanalyse bezeichnet. Die folgende Schaltungsanordnung liefert die Datenpaare, die in diesem vereinfachten Beispiel benutzt werden. Die Schaltungsanordnung besteht aus zahlreichen gleichen Filterzellen, von denen drei eingerahmt in gestrichelte Linien 120A-C in Fig. 8 gezeigt sind. Der Aufbau einer solchen Filterzelle wird nun beschrieben. Ein Verteilungsverstärker 121 speist eine Hochfrequenzsignalverteilleitung oder einen Hochfrequenzsignalverteilbus 123, der über einen veränderbaren Kondensator 128A mit dem Eingang 124A eines als gestrichelter Block dargestellten Filterelements 126A verbunden ist. Das Filterelement 126A enthält gemäß der Darstellung eine Spule 130A, die mit einem veränderbaren Kondensator 132A in Reihe geschaltet ist. Es sei jedoch angemerkt, daß zahlreiche andere Schaltungskomponentenkonfigurationen benutzt werden können, um ein geeignetes Filterelement aufzubauen. Ein Ausgang 134A des Filterelements 126A ist mit dem Eingang einer Diode 136A verbunden, deren Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers 138A sowie mit Masse über ein Glättungsfilter in Form eines Kondensators 140A

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verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 138A ist mit dem Eingang einer Trenneinrichtung in Form einer Diode 142A verbunden, deren Ausgang mit einem Maximalanalogsignalbus 144 sowie mit einer Klemme eines Widerstands 146A verbunden ist. Die andere Klemme des Widerstands 146A ist mit dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 138A sowie mit Masse über einen Widerstand 148A verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 138A ist weiter mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) eines Komparators 150A verbunden, dessen invertierender Eingang (-) mit einer Referenzspannung V- verbunden ist. Der Ausgang 151A des Komparators 150A ist gleichzeitig mit den Eingängen von Codierdioden 152AA-152AI verbunden, deren Ausgänge mit ausgewählten Leitungen 154AA, 154AD, 154AH und 154AI verbunden sind. Diese Leitungen bilden zusammen mit den Leitungen 154AB, 154AC, 154AE, 154AF und 154AG einen Digitalsignalidentifizierbus 154.

Es ist eine Filterzelle, nämlich die Filterzelle 120A, beschrieben worden. Alle anderen Filterzellen haben den gleichen Aufbau, mit der Ausnahme, daß das Filterelement jeder Filterzelle auf eine andere Spitzenfrequenz abgestimmt ist, so daß die Übertragungsfunktionen der drei Filterelemente 126A-C einander überlappen, wie es die drei Übertragungsfunktionen in Fig. 7A tun. Die Codierdioden jeder Filterzelle sind zu einer eindeutigen Kombination von Leitungen in dem Digitalsignalbus 154 verbunden. Diese eindeutige Verbindung gestattet jeder Filterzelle, ein Signal auf dem Bus 154 zu erzeugen, um sich selbst zu identifizieren. Wegen der Gleichartigkeit des Aufbaus von sämtlichen Filterzellen sind die Schaltungskomponenten in ihnen, d.h. in den Filterzellen 120B und 120c in Fig. 8, analog zu denen der Filterzelle 120A bezeichnet (z.B. ist die Diode 136B der Diode 136A analog). Die obige Beschreibung für die Filterzelle

• β» * * α ι« α η « f>

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120A gilt auch für die Zellen 120B und 120C und eine bestimmte Schaltungskomponente, wie die Diode 136B kann hier allgemein als Diode 136 beschrieben werden, womit sämtliche Dioden 136A, 136B, 136C, usw. gemeint sind.

Der Maximalanalogsignalbus 144 und der Digitalsignalbus 154 bilden eines von mehreren Paaren solcher Busse (Saimelschienen), von denen vier Paare (144A und 154A, 144B und 154B, 144C und 154C, 144D und 154D) in Fig. 9 gezeigt sind. Die Spitzenanalogs ignalbusse sind mit 144A-D bezeichnet, und die Digitalsignalbusse (die in Fig.9 als einzelne Leitungen anders als in der Mehrfachleitungsdarstellung in Fig. 8 gezeigt sind) sind mit 154A-D bezeichnet. Die Zellen 120A-C nach Fig. 8 sind als Blöcke 120A-C gezeigt, die zwischen den Hochfrequenzverteilbus 123 und das Buspaar 144A und 154A geschaltet sind. Analoge Zellen 160A-C sind zwischen den Hochfrequenzverteilbus 123 und das Buspaar 144B und 154B geschaltet; Zellen 170A-C sind zwischen den Hochfrequenzverteilbus 123 und das Buspaar 144C und 154C geschaltet; und Zellen 18OA-C sind zwischen den Hochfrequenzverteilbus 123 und das Buspaar 144D und 154D geschaltet. In diesem Beispiel sind drei Filterzellen mit jedem Buspaar verbunden dargestellt. Die tatsächliche Anzahl, die bei der Erfindung zu benutzen ist, wird jedoch durch den gewünschten Frequenzmeßbereich bestimmt und unterliegt somit der Wahl durch den Benutzer.

Es wird nun die Arbeitsweise einer der Filterzellen beschrieben, die mit dem Ausgangssignalbuspaar 144A und 154A verbunden ist. Das Hochfrequenzsignal, das durch den Überlagerungsbetrieb erzeugt wird, welcher in dem Detektor 70 in Fig. 5 erfolgt, wird an den Eingang 124A des Filterelements 126A mit Hilfe des Kondensators 128A nach Fig. 8 angelegt. Ein vorläufiges Signal wird an dem Ausgang 134A des Filterelements 126A erzeugt und wird in der Größe von der besonde-

ren übertragungsfunktion des Filterelements 126A abhängig sein. Das vorläufige Signal wird an den Eingang der Diode 136A angelegt und durch diese gleichgerichtet, wodurch ein Signal 175 erzeugt wird, das dem in Fig. 10 gezeigten ähnelt. Die Welligkeit in dem gleichgerichteten Signal wird durch den Kondensator 140A geglättet, um ein Signal 176 zu schaffen, das, allgemein gesprochen, dem in Fig. 11 gezeigten ähnelt und ein Signal ist, das eine kleinere Wechselstromkomponente und eine größere Minimalkomponente 190 als das Eingangssignal 175 an der Diode 140A hat. Ein Signal, das als ein Gleichstromsignal angesehen werden kann und in seiner Größe in Beziehung zu der des vorläufigen Signals steht, wird an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 138A angelegt.

Die besondere Verbindung des Operationsverstärkers 138A mit den Operationsverstärkern 138B und 138C ergibt die Identifizierung desjenigen, der das größte vorläufige Signal 176 empfängt. Weiter erzeugt der identifizierte Operationsverstärker ein Signal, das an den Analogsignalbus 144 angelegt wird und die Größe dieses größten Signals angibt. Das wird an einem Beispiel erläutert.

Es sei angenommen, daß an den Dioden 142A-C die Eingangsspannungen 1, 2 bzw. 3 Volt betragen. Dann wird die Spannung an dem Analogsignalbus 144 auf 3 Volt minus der Spannung an der Diode 142C gezogen, welch letztere in der Größenordnung von einem halben Volt liegt. Somit befindet sich der Analogsignalbus 144 auf etwa 2,5 Volt. Da die Diode 142C leitend ist, ist eine Rückkopplungsschleife für den Operationsverstärker 138C über die Widerstände 146C und 148C geschlossen, die, je nach den Werten dieser Widerständer über den Operationsverstärker 138C wirken kann, um die Spannung an dem Eingang der Diode 142C zu vergrößern. In bezug auf die Dioden 142A und 142B ist jedoch die Spannung

an dem Analogsignalbus 144 positiver als deren Eingangsspannungen. Somit werden sie in Sperrichtung oder schwach in
Durchlaßrichtung betrieben und können als offene Stromkreise behandelt werden. Das hat zur Folge, daß die Rückkopplungsschleifen an den Operationsverstärkern 138A und 138B jeweils unterbrochen sind. Das verringert die Verstärkung von jedem und wird die ursprünglich postulierten Spannungen von 1 und 2 Volt, die an den Dioden 142A bzw. 142B anliegen, verringern. Anders betrachtet, das Signal auf dem Analogsignalbus 144
wird zu den invertierenden Eingängen (-) der Operationsverstärker 138A und 138B rückgekoppelt, und diese Operationsverstärker interpretieren dieses Signal als ihr eigenes
Ausgangssignal. Daraufhin sind die Operationsverstärker 138A und 138B bestrebt, ihre Ausgangssignale zu verringern, weil sie ihre Ausgangssignale als zu groß interpretieren, mit dem Ergebnis, daß die Dioden 142A und 142B tatsächlich zu Stromkreisunterbrechungen werden, wie oben beschrieben. Demgemäß wird nur das Signal aus dem Operationsverstärker 138C zu dem Analogsignalbus 144 übertragen. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, liegt daher ein Signal, das die Größe der größten vorläufigen Ausgangsspannung unter den Filterzellen 120A-C angibt, an dem Analogsignalbus 144 an.

Außer an den Analogsignalbus 144 wird das Ausgangssignal
des Operationsverstärkers 138C an den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 150C angelegt. Durch das Schließen der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers 138C, wie
oben beschrieben, wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 138C auf einen Wert gebracht, der ausreicht, um diesen Komparator zu triggern. Da die Rückkopplungsschleifen der Operationsverstärker 138A und 138B nicht geschlossen werden, werden die Komparatoren 150A und 150B nicht
getriggert. Das Triggern des Komparators 150C erhöht die
Eingangssignale der Dioden 152CA-152CI auf einen relativ

•η-

hohen Spannungszustand, der die Leitungen, an denen sie anliegen (in diesem Fall 154AA, 154AB, 154AH und 154AI) auf einen relativ hohen Spannungszustand bringt, d.h., als Binärlogikbegriff ausgedrückt, auf einen Zustand "1". Da diese Dioden 152CH-CI mit einer eindeutigen Kombination von Leitungen in dem Digitalsignalbus 154 verbunden sind, wird daher ein Digitalsignal, das diejenige Zelle unter den Zellen 120A-120C, die das größte vorläufige Signal hat, eindeutig identifiziert, an diesen Bus angelegt. In diesem Beispiel ist das angelegte Signal, gelesen von links nach rechts von der Leitung 154AA zu der Leitung 154AI, 110000011. Es ist somit ein Datenpaar geschaffen worden: die Größe des Filterelementausgangssignals in Form des Signals auf dem Analogsignalbus 144 und die Filterelementmittenfrequenz in Form einer Digital zahl, die das Filter selbst identifiziert.

In Fig. 9 sind vier Gruppen, die aus drei Filterzellen bestehen, jeweils mit vier Paar Ausgangssignalbussen verbunden. Die Zelle, die das größte vorläufige Ausgangssignal in jeder Gruppe hat, wird durch das Digitalsignal identifiziert, das auf den Digitalsignalbussen 154A-D erzeugt wird. Die Größe jedes größten vorläufigen Ausgangssignals wird durch ein Signal angegeben, das an die Analogspannungsbusse 144A-144D angelegt wird. Es werden somit vier Paar Signale erzeugt. Vorzugsweise haben benachbarte Zellen, wie die Zellen 120A, 160A, 170A und 180A in Fig. 9, Filterelemente 126, die benachbarte Ubertragungsfunktionen wie die in Fig. 7A gezeigten haben. Jedes Paar Signale auf dem Ausgangsbuspaar 144 und 154 enthält Information über die übertragungsfunktion des Filterelements (das Digitalsignal identifiziert die Zelle, die das Filterelement enthält) und Information über die Signalgröße, die durch dieses Filterelement erzeugt wird (der Analogsignalbus führt diese Information).

Die Frequenz des Signals, das auf dem Hochfrequenzverteilbus 123 vorhanden ist, kann somit durch die Gewichtungsmethode, die graphische Methode oder die manuelle oder die Rechnerlösung, die alle oben beschrieben sind, berechnet werden. Aus dieser Frequenz läßt sich die Geschwindigkeit des Gasstroms in dem Düsentriebwerk 18 auf einfache Weise bestimmen.

Allgemeine Überlegungen

Zuerst wird der Doppler-Effekt kurz beschrieben. Der Erfinder behauptet nicht, daß diese Erläuterung im Hinblick auf die absolute Wissenschaft streng korrekt ist. Es ist vielmehr eine Erläuterung, die ausreichend genau ist, um die Arbeitsweise der Erfindung zu erklären.

Elektromagnetische Strahlung kann sich durch den Raum bewegen. Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1A bewegt sich ein Strahlungsstoß oder -impuls 3, der eine Dauer von 1 s und eine Frequenz von 1O Perioden pro Sekunde hat, mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s nach rechts. Genau 1,0 s, nachdem der Impuls zum ersten Mal die NuIlmetermarke durchquert hat, überspannt er die Strecke von 0 bis 100 m. In der zweiten Sekunde hat der Impuls gemäß Fig. 1B sich nach rechts bewegt und überspannt die Strecke von 100 bis 200 m, und in der dritten Sekunde überspannt der Impuls gemäß Fig. 1C die Strecke von 200 bis 300 m. Wenn ein Objekt 6 genau an der 300-m-Marke angeordnet ist, kann der Impuls durch das Objekt 6 reflektiert werden, so daß der Impuls sich am Ende der vierten Sekunde in der umgekehrten Richtung bewegt hat und die 100- bis 200-m-Marken überspannt, wie es in Fig. 1B gezeigt ist, und am Ende der fünften Sekunde wird er die 0- bis 100-m-Marken überspannen, wie es in Fig. 1A gezeigt ist, und somit zu dieser Zeit die

ΊΨ-

Nullmetermarke erreichen.

Die Reflexion durch das Objekt 6 kann als Auffangen durch das Objekt 6 und anschließendes Abstrahlen von diesem interpretiert werden. Das heißt, das Objekt kann als Strahlungsquelle betrachtet werden. Der 1-s-Strahlungsimpuls werde in zehn gleiche Fragmente unterteilt, so daß nur 1/10 des Impulses betrachtet werden kann, was in diesem Fall eine Strahlungsperiode ist. Gemäß Fig. 2 wird das stationäre Objekt 6, das ein solches Impulsfragment 7 abstrahlt, das in 1/10 s tun, so daß der Impuls sich zwischen den 300- und 290-m-Marken erstrecken wird, wie dargestellt.

Es ist jedoch experimentell festgestellt worden, daß, wenn sich das Objekt 6 nach rechts bewegt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, und zwar mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 75 m/s oder, äquivalent, 7,5 m pro 1/10 s, dann wird sich während der 1/10 Sekunde, die das Objekt benötigt, um das Impulsfragment abzustrahlen, das Objekt 6 um 7,5 m bewegt haben. Das heißt, am Ende dieses Intervalls von 1/10 Sekunde nimmt das Objekt 6 die in Fig. 3 gezeigte Position ein.

In diesem Fall hat die Wellenlänge, nämlich die Strecke von dem Beginn bis zum Ende einer vollen Welle des abgestrahlten Impulsfragments zugenommen. Das Impulsfragment erstreckt sich nun von der Marke 290 zu der Marke 307,5, was einer Strecke von 17,5 m entspricht, im Gegensatz zu der Erstreckung von der Marke 290 zu der Marke 300, was einer Strecke von 10m entspricht, in dem Fall, in welchem sich das Objekt nicht bewegte. Zusammengefaßt heißt das, daß Strahlung, die durch ein sich bewegendes Objekt reflektiert wird, ihre Wellenlänge ändert.

Für die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Frequenz

sowie der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Strahlung gilt folgende Gleichung

L = V/f

wobei f die Frequenz, L die Wellenlänge und V die Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist. Da sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in diesem Beispiel nicht ändert, kann bei Kenntnis der Frequenz f die Wellenlänge und somit die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden, wenn die Frequenz der Strahlung, die anfänglich durch das Objekt aufgefangen wird, bekannt ist. In dem obigen Beispiel wird die Messung der Frequenz der Welle, die in Fig. 3 als Welle 9 angegeben ist, die Berechnung der Wellenlänge der reflektierten Welle gestatten. In dem obigen Beispiel kann somit aus den aufgefangenen und den abgestrahlten Frequenzen ermittelt werden, daß sich das Objekt in 1/10 Sekunde 7,5 Meter oder, äquivalent, mit 75 m/s bewegt hat.

Die hier beschriebene Erfindung beschränkt sich nicht auf die Gasgeschwindigkeitsmessung, sondern kann auch zum Analysieren der Frequenz irgendeines kurzen Strahlungsstoßes oder -impulses benutzt werden. Als solche ist sie bei der Radar- und der Sonarverfolgung verwendbar.

Claims

Ansprüche :

1. Anordnung zum Entnehmen von Daten aus einem Eingangssignal, gekennzeichnet durch:

mehrere Filterelemente (126), die unterschiedliche, bekannte Frequenzgänge haben und auf das Eingangssignal hin ein vorläufiges Signal erzeugen;

mehrere Maximalsignaldetektoren (138, 150, 152), von denen jeder mit ausgewählten Gruppen der Filterelemente verbunden ist, um ein Größensignal zu erzeugen, welches das größte vorläufige Signal (176) angibt, das durch die Gruppe erzeugt wird, und um ein Identitätssignal zum Identifizieren des Filterelements in jeder Gruppe, das das größte vorläufige Signal erzeugt, zu erzeugen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regressionsanalyseneinrichtung (144, 154AA-154AH) zum Empfangen der Identitätssignale und der Größensignale und zum Erzeugen eines Signals, das die Frequenz des Eingangssignals angibt.

y Signalanalysator zum Bestimmen der Eingangsfrequenz eines Eingangssignals, gekennzeichnet durch: eine erste Gruppe von Filtereinrichtungen (120), die jeweils einen vorbestimmten Frequenzgang haben, um ein erstes Identifizierungssignal zu erzeugen, das die Filtereinrichtung in der ersten Gruppe identifiziert, welche am stärksten auf das Eingangssignal anspricht, und zum Erzeugen eines ersten Größensignals, das die Größe dieses Ansprechens angibt;

>^ eine zweite Gruppe von Filtereinrichtungen (160), die jeweils einen vorbestimmten Frequenzgang haben, um ein zweites Identifizierungssignal zu erzeugen, das die Filtereinrichtung in der zweiten Gruppe identifiziert, die am stärksten anspricht, und um ein zweites Größensignal zu erzeugen, das die Größe dieses Ansprechens angibt; und Regressionsanalyseneinrichtungen (144, 154), die mit den Filtereinrichtungen verbunden sind, um ein Signal auf die Identifizierungs- und Größensignale hin zu erzeugen, das die Frequenz des Eingangssignals angibt.

4. Signalanalysator, der im wesentlichen in Echtzeit arbeitet, zum Bestimmen der Eingangsfrequenz eines Eingangssignals, gekennzeichnet durch:

einen Verteilungsverstärker (121) zum Verstärken des Eingangssignals und zum Verteilen desselben auf mehrere Verteilleitungen (123);

η Gruppen von Filterelementen (126), wobei jede Gruppe mit einer der Verteilleitungen (123) verbunden ist und wobei jedes Filterelement auf ein anderes Frequenzband anspricht, einen vorbestimmten Frequenzgang hat und ein vorläufiges Signal gemäß seinem Frequenzgang erzeugt; η Gruppen von Trenneinrichtungen (142); η Gruppen von Operationsverstärkern (138), wobei ein Eingang jedes Verstärkers mit einem der Filterelemente (126)

Χ.: ::-_:.X.·: 33232Λ9

und der Ausgang jedes Operationsverstärkers mit dem Eingang einer der Trenneinrichtungen (142) verbunden ist; η Identitätssignalbusse (154), die mit den Ausgängen von sämtlichen Trenneinrichtungen (142) in jeder Gruppe von Trenneinrichtungen verbunden sind;

η Rückkopplungseinrichtungen (146, 148), die jeweils zwischen den Ausgang jeder Trenneinrichtung (142) und den zweiten Eingang des betreffenden Operationsverstärkers (138), der mit deren Eingang verbunden ist, geschaltet sind, wobei die Rückkopplungseinrichtungen und die Trenneinrichtungen dazu dienen, die Verstärkungseinrichtung in jeder Gruppe auszuwählen, die das größte Signal erzeugt, und dieses Signal zu dem betreffenden Maximalsignalbus zu übertragen;

η Gruppen von Komparatoreinrichtungen (150), die jeweils mit dem Ausgang einer der Verstärkungseinrichtungen (138) verbunden sind, um aktiviert zu werden, wenn die betreffende Verstärkungseinrichtung ihr Signal zu dem Maximalsignalbus überträgt;

η Gruppen von Codiereinrichtungen (152), die jeweils ein Signal erzeugen, das die Filtereinrichtung identifiziert, welche das größte Signal in jeder der η Gruppen erzeugt; Regressionseinrichtungen (144, 154AA-154AH), die mit den Codiereinrichtungen (152) und mit den Maximalsignalbussen verbunden sind, um von diesen Signale zu empfangen und ein Signal zu erzeugen, das die Frequenz des Eingangssignals angibt.

5. Signalanalysator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Gleichrichteinrichtungen (136) und Glättungsfiltereinrichtungen (140), die jeweils zwischen die Filterelemente (126) und die Verstärker (138) geschaltet sind, um die Wechselstromkomponente des durch jedes Filterelement (126) erzeugten Signals zu verkleinern.

6. Signalanalysator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge-

14. 9 β

kennzeichnet, daß wenigstens einige der Verstärker (138) Operationsverstärker sind.

7. Signalanalysator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtungen Dioden (142) enthalten.

8. Signalanalysator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Codiereinrichtungen (152) Leitungen aufweisen, die zwischen einen Ausgang jeder Komparatoreinrichtung (150) und eine ausgewählte Kombination von Leitungen, die in einem Identifizierbus (154) enthalten sind, geschaltet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch:

eine Vorrichtung (21, 45) zum Projizieren eines Bündels (22) im wesentlichen monochromatischen Lichtes auf einen Punkt (12) zur Reflexion an diesem; eine Referenzvorrichtung (67) zum Erzeugen eines Referenzbündels (65) im wesentlichen monochromatischen Lichtes; eine Vorrichtung (21, 70) zum Mischen des projezierten Bündels und des Referenzbündels, um das Eingangssignal zu erzeugen, das eine Frequenz hat, die jedwede Frequenzdifferenz zwischen den Bündeln angibt.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzvorrichtung einen Strahlenteiler (67) enthält, der das Referenzbündel (65) aus dem projizierten Bündel (47) erzeugt.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Einbringen von Partikeln in den Fluidstrom zum Reflektieren des projizierten Bündels.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch Meßwandler (26, 28, 30) zum Bestimmen der Position eines Referenzsystems in bezug auf die Projektionsvorrichtung (21), um die Position des Punktes (12) festzulegen.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Vorrichtung zum Projizieren des Bündels im wesentlichen monochromatischen Lichtes enthält:

i) eine Quelle (45) zum Projizieren des Bündels

(47) in einer ersten Richtung;

ii) eine Reflexionsvorrichtung (49) zum Leiten des projezierten Bündels in einer zweiten Richtung; iii) eine Linsenanordnung (81, 82) zum Fokussieren des projezierten Bündels in einem vorbestimmten Punkt (12, 84) zur Reflexion an diesem;

b) daß die Vorrichtung zum Erzeugen des Referenzbündels im wesentlichen monochromatischen Lichtes enthält:

i) eine Strahlenteilvorrichtung (52, 59) zum Abtrennen eines Referenzbündels (65) aus dem durch die Quelle (45) projezierten Bündel (47); und

c) daß die Mischvorrichtung enthält:

i) die Linsenanordnung (81, 82), die aber zum Fokussieren von Licht, das in dem Punkt (12, 84) reflektiert wird, zu dem Detektor (70) benutzt wird;

ii) eine Strahlenteilvorrichtung (67), die zwischen der Linsenanordnung (81, 82) und dem Detektor (70) angeordnet ist, um das von dem Punkt (12, 84) reflektierte Licht zu dem Detektor zu senden und um das Referenzbündel (65) zu dem Detektor zu reflektieren.