DE4408072C2 - Verwendung einer elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera bei einem Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Verwendung einer elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera mit einem eine Mehrzahl von getrennten Halbleiter-Bildsensoren aufweisenden optoelektronischen Aufnahmesystem und einem das Bild des Objekts auf dem Bildsensoren abbildenden optischen Abbildungssystem, wobei jedem Bildsensor eine einzeln ansteuerbare elektronische Verschlußeinrichtung zugeordnet ist und jeder Bildsensor an einen nachgeordneten Bildspeicher angeschlossen ist, wobei das Aufnahmesystem ein den Bildsensoren gemeinsames Kameraobjektiv und einen Strahlteiler aufweist, der in der optischen Achse des Kameraobjektivs liegt, und wobei die Bildsensoren im Strahlen­ gang des Kameraobjektivs hinter dem Strahlteiler angeordnet sind.

Eine solche Kamera ist aus der DE-PS 42 12 271 C1 bekannt. Sie wird üblicherweise zur fotografischen Registrierung von schnell bewegten Objekten, einschließlich sichtbar gemachten Vorgängen, z. B. Strömungen, verwendet, um die schnell ablaufenden Bewegun­ gen aufzulösen. Bei der bekannten Hochgeschwindigkeitskamera ist eine Mehrzahl von getrennten Halbleiter-Bildsensoren vorgesehen, die jeweils eine eigene elektronische Verschlußeinrichtung aufweisen, um auch mit elektronischen Bildsensoren sehr schnell aufeinander abfolgende Aufnahmen tätigen zu können.

Zur Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten in mit Tracer­ partikeln geimpften Strömungen sind Verfahren der Particle-Image-Velocimetrie (PIV-Verfahren) bekannt. Dabei werden zwei zeitlich aufeinander abfolgende, dasselbe Teilvolumen erfassende Lichtschnitte durch die mit Tracerpartikeln geimpfte Strömung aufgezeichnet und hieraus die Geschwindigkeit der Tracerpartikel ermittelt. "Lichtschnitt" bedeutet dabei ein durch Beleuchtung hervorgehobenes, flächenhaftes, d. h. eine geringe Quererstreckung aufweisendes Teilvolumen der Strömung zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Aus der US-PS 5 177 607 ist die Verwendung einer elektronischen Kamera, die im wesentlichen der eingangs beschriebenen Art entspricht, bei einem PIV-Verfahren zum Bestimmen von Strömungs­ geschwindigkeiten in einer Strömung bekannt. Dabei werden mehrere zeitlich aufeinander abfolgende Abbildungen der mit Tracerpartikel geimpften Strömung mit jeweils einem der Bildsensoren aufgezeichnet. Für alle Bildsensoren ist ein gemeinsamer Bildspeicher vorgesehen. Das Aufnahmesystem weist in Abweichung von der eingangs beschriebenen Art nicht ein allen Bildsensoren gemeinsames Kameraobjektiv, sondern je Bildsensor ein separates Kameraobjektiv auf. Die Strömungsgeschwindigkeiten werden aus einer doppelt belichteten Aufnahme ermittelt, deren einzelne Aufnahmen von getrennten Bildsensoren stammen und anschließend überlagert werden.

Für die vorliegende Erfindung sind die sogenannten digitalen PIV-Verfahren, bei denen die Auswertung der aufgezeichneten Lichtschnitte durch mathematische Verfahren erfolgt, von besonderem Interesse. Einmal ist dies durch Berechnung einer Autokorrelation einer beide Lichtschnitte umfassenden, doppelt belichteten Aufnahme möglich. Hierbei bedarf es jedoch aufwendi­ ger Maßnahmen, um das Vorzeichen der Geschwindigkeit der einzelnen Tracerpartikel zu ermitteln. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in "Experiments in Fluids" Heft 10, 1991, Seiten 181 bis 193, beschrieben.

Auch aus der GB-Z: Meas. Sci. Technol. 4 (1993) S. 619-62 ist die Berechnung von Kreuzkorrelationen zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung bekannt.

Das Vorzeichen der Geschwindigkeit der Tracerpartikel ergibt sich ohne weiteres, wenn die Kreuzkorrelation zwischen zwei separaten, jeweils einen Lichtschnitt umfassenden Aufnahmen berechnet wird. Bei einem derartigen Verfahren ist es aus SPIE Vol. 2005, "Proceedings: Optical Diagnostics in Fluid and Thermal Flow, 14-16 July 1993", Seiten 648 bis 654, bekannt, eine hoch auflösende CCD-Kamera derart zu verwenden, daß der jeweils erste Lichtschnitt in das erste Halbbild und der jeweils zweite Licht­ schnitt in das zweite Halbbild der CCD-Kamera fällt. Hiermit ist jedoch in nachteiliger Weise die Anwendung des Verfahrens auf vergleichsweise langsame Vorgänge beschränkt, da die beiden Halbbilder der CCD-Kamera nur mit der üblichen Videofrequenz aufeinander abfolgen. In der oben zitierten Beschreibung des bekannten Verfahrens wird darauf verwiesen, daß schnellere Vorgänge nur mit entsprechend schneller getakteten Videokameras aufzuzeichnen sind, d. h. mit Videokameras, bei denen die Frequenz der Halbbilder höher ist als der übliche Videostandard. Hierbei ergibt sich jedoch zwangsläufig eine geringere Auflösung der aufgezeichneten Lichtschnitte, da die Frequenz der Halbbilder mit ihrem Kehrwert die Auslesezeit für die einzelnen Halbbilder bestimmt und in einer vorgegebenen Auslesezeit nur eine begrenzte Anzahl von Bildpunkten auslesbar ist.

Bei PIV-Verfahren ist generell eine möglichst hohe Auflösung anzustreben. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist, daß beim Aufzeichnen von mehr als zwei Lichtschnitten hinter­ einander zusätzliche Beschränkungen hinsichtlich deren zeit­ licher Abfolge auftreten.

Aus dem Patent Abstract of Japan JP 4-36 11 62 (A), Sect. P, Vol. 17 (1993) Nr. 235, (P-1533), ist die Verwendung einer elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera zum Bestimmen von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung grundsätzlich bekannt. Es fehlt jedoch an der Angabe, ob und wo irgendwelche Bildspeicher vorgesehen sind. Auch zu dem bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten angewandten Verfahren werden keine Angaben gemacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung, insbesondere ein digitales PIV-Verfahren, aufzuzeigen, bei dem die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in der Strömung durch Kreuzkorrelationen vorzeicheneindeutig möglich ist und das keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeiten in der beobachteten Strömung aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung der eingangs beschriebenen elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Zur Ausleuchtung der einzelnen Lichtschnitte sind die Bild­ sensoren mit pulsbaren Lichtquellen zur Ausleuchtung der von den einzelnen Lichtschnitten erfaßten Teilvolumina der Strömung synchronisiert. Dabei wird mit der Lichtquelle der Zeitpunkt jedes Lichtschnitts festgelegt.

Wegen der begrenzten Tiefenschärfe des Kameraobjektivs ist es für eine scharfe Abbildung der in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs hintereinander liegenden, benachbarten oder sich teilweise überdeckenden Teilvolumina der Strömung wichtig, die optischen Abstände der jeweiligen Bildsensoren zu dem Kameraobjektiv einzeln abzustimmen. Danach weisen die demselben Teilvolumen zugeordneten Bildsensoren jeweils denselben optischen Abstand zu dem Kameraobjektiv auf, während die verschiedenen, unterschiedlichen Teilvolumina zugeordneten Bildsensoren jeweils verschiedene optische Abstände zu dem Kameraobjektiv aufweisen.

Für die vereinfachte Berechnung der Kreuzkorrelationen können die Bildsensoren jeweils mit untereinander vernetzten Bildprozessoren verbunden sein. Die an sich bekannte Hochge­ schwindigkeitskamera erlaubt mittlerweile eine Bildfrequenz von knapp unterhalb 10 Mhz. Hiermit sind Strömungsgeschwindigkeiten auch in schnellsten Strömungen meßbar. Zudem können im strömungstechnischen Sinne gleichzeitig mit der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten andere Meßverfahren an der Strömung zum Einsatz gebracht werden. Beispielsweise kann alternierend eine laserinterferometrische Schwingungsmessung an einem umströmten Profil erfolgen. Dabei beeinträchtigen sich die beiden Meßverfahren nicht, da sie jeweils nacheinander durchgeführt werden.

Die Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera erlaubt bei einem digitalen PIV-Verfahren verschiedene Abwandlungen des bekannten Vorgehens. Sie ist aber auch bei anderen, an sich bekannten Verfahren zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung, beispielsweise bei Verfahren der Speckleinterfero­ metrie oder bei der Beobachtung von Mehrphasenströmungen vorteilhaft. Hier sind die Strömungsgeschwindigkeiten ebenfalls durch Kreuzkorrelationen zwischen einzelnen Aufzeichnungen der Strömung ermittelbar. Dabei entsprechen im Fall der Mehrphasen­ strömungen die Phasengrenzen den Tracerpartikel.

Für einfache erfindungsgemäße Anwendungen der Hochgeschwin­ digkeitskamera ist ein halbdurchlässiger Spiegel oder ein Strahlteilerprisma als Strahlteiler ausreichend. Im Fall des Stahlteilerprismas können die Bildsensoren direkt auf dieses aufgeklebt werden, wodurch deren Justierung vereinfacht ist. Unter Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels oder eines Strahlteilerprismas als Strahlteiler ist das Bild des Objekts allerdings nur auf zwei getrennte Bildsensoren abbildbar.

Breitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn der Strahlteiler des Aufnahmesystems der Hochgeschwindigkeitskamera eine Spiegelpyramide ist, die mit ihrer Pyramidenspitze dem Kameraobjektiv zugewandt ist, wobei die optische Achse der Spiegelpyramide mit der optischen Achse des Kameraobjektivs zusammenfällt und wobei die Spiegelpyramide eine Mehrzahl von jeweils einem der Bildsensoren zugeordneten Spiegelflächen aufweist. Dieser Aufbau der Hochgeschwindigkeitskamera ent­ spricht demjenigen, wie er in der DE-PS 42 12 271 beschrieben ist. Durch entsprechende Ausbildung der Spiegelpyramide können problemlos 6 oder mehr Bildsensoren vorgesehen sein.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Hochgeschwindigkeits­ kamera kann ein und dasselbe Teilvolumen der Strömung von den aufeinander abfolgenden Lichtschnitten mehrfach erfaßt werden.

Diese Ausführungsform entspricht noch weitgehend einem üblichen Vorgehen bei PIV-Verfahren, bei dem ein und dasselbe Teilvolumen der Strömung doppelt belichtet wird. Mit der Hochgeschwindig­ keitskamera sind jedoch problemlos auch drei oder mehr direkt aufeinander folgende Abbildungen desselben Teilvolumens möglich, was insbesondere bei instationären Strömungen von Interesse ist.

In einer ersten Abwandlung zu den bekannten PIV-Verfahren können verschiedene, in Richtung der optischen Achse des Kamera­ objektivs hintereinander liegende Teilvolumina der Strömung von den Lichtschnitten jeweils mehrfach erfaßt werden. Hiermit ist die Beobachtung der Strömung in verschiedenen Ebenen mit ein und derselben Hochgeschwindigkeitskamera möglich. Dieses Vorgehen wird durch eine große Tiefenschärfe des Kameraobjektivs erleichtert.

In einer sich bereits deutlich von den bekannten PIV-Verfahren abkehrenden Ausführungsform werden in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs benachbarte oder sich teilweise überdeckende Teilvolumina der Strömung von den aufeinander abfolgenden Lichtschnitten nacheinander erfaßt. Die Kreuz­ korrelationen zwischen den einzelnen Abbildungen beinhalten dabei zusätzlich Informationen über Geschwindigkeitskomponenten der Strömung parallel zu der optischen Achse des Kameraobjek­ tivs. Konkret können diese Strömungsgeschwindigkeiten, die mit herkömmlichen PIV-Verfahren nicht ermittelbar sind, auf einfache Weise aus den Peakintensitäten der Kreuzkorrelationen berechnet werden.

Wenn die in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs benachbarten oder sich teilweise überdeckenden Teilvolumina der Strömung von den Lichtschnitten wechselweise erfaßt werden, sind durch die Kreuzkorrelationen die Strömungsgeschwindigkeiten in der Strömung parallel zur optischen Achse des Kameraobjektivs unabhängig davon ermittelbar, ob diese Geschwindigkeits­ komponente positives oder negatives Vorzeichen hat, d. h. vom Kameraobjektiv weg oder auf dieses zu verläuft.

Um unnötige Schwierigkeiten bei der Berechnung der Kreuzkorrela­ tionen zu vermeiden, ist es erforderlich, daß alle Bildsensoren, zwischen deren Aufzeichnungen Kreuzkorrelationen zu berechnen sind, in optisch drehäquivalenten Stellungen relativ zu der optischen Achse des Kameraobjektivs angeordnet sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen eines PIV-Verfahrens näher erläutert und beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Aufbau zur Durchführung des PIV-Verfahrens mit einer Hochgeschwindigkeitskamera,

Fig. 2 die prinzipielle Durchführung des PIV-Verfahrens in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine gemäß Fig. 2 ermittelte Kreuzkorrelationsebene,

Fig. 4 die prinzipielle Durchführung des PIV-Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 Schnitte durch drei gemäß Fig. 4 ermittelte Kreuz­ korrelationsebenen und

Fig. 6 die prinzipielle Durchführung des PIV-Verfahrens in einer dritten Ausführungsform.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient zur Durchführung eines Verfahrens der Particle-Image-Velocimetrie bei einer mit Tracerpartikeln 1 geimpften Strömung 2. Ein flächenhaftes Teil­ volumen 3 der Strömung wird durch eine Lichtquelle 4 ausge­ leuchtet, der eine hier nicht näher dargestellte Lichtschnitt­ optik zugeordnet ist. Die Lichtschnittoptik beschränkt die Aus­ leuchtung der Strömung 2 auf das Teilvolumen 3, bei dem es sich um eine Ebene mit geringer Querausdehnung handelt. Zur Auf­ zeichnung von Lichtschnitten durch die Strömung 2 ist eine Hochgeschwindigkeitskamera 5 vorgesehen. Lichtschnitt bedeutet dabei das durch Beleuchtung hervorgehobene, flächenhafte Teil­ volumen 3 der Strömung 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Hochgeschwindigkeitskamera 5 weist eine Mehrzahl von getrennten Halbleiter-Bildsensoren 6 auf, von denen hier zwei dargestellt sind. Das Teilvolumen 3 wird auf die Bildsensoren 6 über ein Kameraobjektiv 7 und einen Strahlteiler 8 abgebildet. Der Strahlteiler ist hier als Spiegelpyramide ausgebildet, die mit ihrer Pyramidenspitze dem Kameraobjektiv zugewandt ist und die so viele Spiegelflächen aufweist, wie Bildsensoren 6 vorgesehen sind. Jeder Bildsensor ist Bestandteil einer separaten CCD-Kamera 9 und weist somit eine eigene, einzeln ansteuerbare elektronische Verschlußeinrichtung auf. Jedem Bildsensor 6 ist weiterhin ein Bildspeicher 10 zugeordnet, an den die jeweilige CCD-Kamera ein Videosignal 11 und ein Triggersignal 12 weiter­ gibt. Die Bildspeicher 10 sind wiederum mit einem Bildprozessor 13 verbunden, der zur Ermittlung von Kreuzkorrelationen zwischen den von den einzelnen Bildsensoren aufgezeichneten Bildern dient. Bei dem Bildprozessor 13 handelt es sich vorzugsweise um einen Rechner und er weist einen Monitor 14 auf. Daneben sind zwei Ausgänge 15, beispielsweise für einen Drucker, vorgesehen. Die Ansteuerung der Verschlußeinrichtungen der CCD-Kameras 9 erfolgt über eine Ablaufsteuerung 16, die synchron mit den Ver­ schlußeinrichtungen die Lichtquelle 4 betätigt. Die Ablaufsteuerung 16 weist einen Eingang 17 für ein externes Triggersignal auf.

Mit der Hochgeschwindigkeitskamera 5 werden aufeinander abfolgende Lichtschnitte durch die Strömung 2 getrennt von­ einander aufgezeichnet. Zwischen den einzelnen Abbildungen der Tracerpartikel 1 in den Lichtschnitten werden mit dem Bild­ prozessor 13 Kreuzkorrelationen berechnet, aus denen sich die Strömungsgeschwindigkeiten der Strömung 2 ergeben. Die Ver­ wendung der Hochgeschwindigkeitskamera erlaubt dabei die schnelle Abfolge von mehreren Lichtschnitten hintereinander. Dabei mögliche Ausführungsformen des PIV-Verfahrens werden im folgenden einzeln erläutert.

Fig. 2 zeigt die einfachste Ausführungsform des PIV-Verfahrens unter Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera 5, die hier als Strahlteiler 8 einen halbdurchlässigen Spiegel aufweist. Die Lichtquelle 4 leuchtet über die Lichtschnittoptik 18 das Teilvolumen 3 der hier nicht weiter dargestellten Strömung aus. Die Hochgeschwindigkeitskamera 5 ist mit der optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 senkrecht zu den Haupterstreckungs­ richtungen des Teilvolumens 3 ausgerichtet. Durch den im Strahlengang hinter dem Kameraobjektiv 7 angeordneten Strahl­ teiler 8 wird das Teilvolumen 3 auf beide Bildsensoren 6 und 6′, bei denen es sich um hochauflösende Videochips handelt, abgebildet. Durch die den Videochips 6 und 6′ zugeordneten, hier jedoch nicht separat dargestellten, elektronischen Verschluß­ einrichtungen werden die Zeitpunkte von zwei aufeinander­ folgenden Lichtschnitten festgelegt. Zum Zeitpunkt des ersten Lichtschnitts ist der Bildsensor 6 aktiv und der einzeln dar­ gestellte Tracerpartikel befindet sich am Punkt 1. Zum Zeitpunkt des zweiten Lichtschnitts ist der Bildsensor 6′ aktiv und der Tracerpartikel befindet sich am Punkt 1′. Da sich die beiden Bildsensoren in drehäquivalenten Stellungen zu der optischen Achse 19 des Kameraobjektivs befinden, können aus den beiden aufgezeichneten Lichtschnitten die Strömungsgeschwindigkeiten in dem Teilvolumen 3 unmittelbar bestimmt werden. Hierzu ist die Kreuzkorrelation zwischen den beiden separaten Aufnahmen zu berechnen. Einen Schnitt 20 durch die Kreuzkorrelationsebene zeigt Fig. 3. Dabei gibt die Lage des Peaks 21 Betrag und Vor­ zeichen der zu dem Schnitt gehörigen Strömungsgeschwindigkeit an.

Mit der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des PIV-Ver­ fahrens ist es darüberhinaus möglich, Strömungsgeschwindigkeiten parallel zur optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 zu bestimmen. Dazu werden aufeinander abfolgende Lichtschnitte mit der Hochgeschwindigkeitskamera 5 aufgezeichnet, die abwechselnd zwei hintereinander angeordnete, sich teilweise überdeckende Teilvolumina 3 und 3′ der Strömung erfassen. Die Lichtquelle, bei der es sich hier um einen Pulslaser handelt, ist mit den Bildsensoren 6, 6′ und 6′′ der Hochgeschwindigkeitskamera 5 entsprechend synchronisiert und leuchtet für einen ersten, vom Bildsensor 6 aufzuzeichnenden Lichtschnitt das Teilvolumen 3, für einen zweiten vom Bildsensor 6′ aufzuzeichnenden Licht­ schnitt das Teilvolumen 3′ und für einen dritten, vom Bildsensor 6′ aufzuzeichnenden Lichtschnitt wieder das Teilvolumen 3 aus. Dabei sind die Bildsensoren 6, 6′ und 6′′ hinter dem hier nur schematisch angedeuteten Strahlteiler 8 mit unterschiedlichem Abstand zu dem Kameraobjektiv 7 angeordnet. D. h., daß zwar die Bildsensoren 6 und 6′′ denselben Abstand zu dem Kameraobjektiv 7 aufweisen, daß aber der Bildsensor 6′ der geringeren Objektentfernung entsprechend etwas weiter vom Kameraobjektiv entfernt angeordnet ist. Wenn der einzeln dargestellte Tracerpartikel sich zum Zeitpunkt des ersten Lichtschnitts am Punkt 1, des zweiten Lichtschnitts am Punkt 1′ und des dritten Lichtschnitts am Punkt 1′′ befindet, finden sich Abbildungen des Tracerpartikels nur in der Aufnahme des ersten Lichtschnitts mit dem Bildsensor 6 und des zweiten Lichtschnitts mit dem Bildsensor 6′.

Hieraus ergeben sich die in Fig. 5 dargestellten Schnitte durch die verschiedenen Kreuzkorrelationsebenen, wobei Fig. 5a zur Kreuzkorrelationsebene zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtschnitt, Fig. 5b zu der Kreuzkorrelationsebene zwischen dem zweiten und dem dritten Lichtschnitt und Fig. 5c zur Kreuzkorrelationsebene zwischen dem ersten und dem dritten Lichtschnitt gehört. Der Peak 21 des Schnitts 20 gemäß Fig. 5a zeigt mit seiner Lage das Vorzeichen und den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit, die dem Schnitt durch die Kreuzkorre­ lationsebene entspricht und die in die Haupterstreckungsebene der Teilvolumina 3 und 3′ fällt, an. Aus der Intensität des Peaks ist zu entnehmen, wie häufig zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtschnitt Tracerpartikel 1 aus dem ersten in das zweite Teilvolumen gewechselt sind. Hieraus ergibt sich unmittelbar der Betrag der Strömungsgeschwindigkeit der Strömung in Richtung der optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7. Das Vorzeichen dieser Strömungsgeschwindigkeit ist unter Berücksichtigung der Anordnung der beiden Teilvolumina 3 und 3′ ermittelbar. Eine Gegenkontrolle ermöglicht Fig. 5b, die keinen Peak zeigt, obwohl die zugehörigen Lichtschnitte dieselben Teilvolumina betreffen. Dies ist auf die andere zeitliche Reihenfolge der Lichtschnitte zurückzuführen, die beim Auftreten eines Peaks einer umgekehrten Strömungsrichtung entspräche. Fig. 5c zeigt ebenfalls keinen Peak bei dem Schnitt 20′′, weil die Geschwindigkeitskomponente der Strömung parallel zur optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 vergleichsweise groß ist und den Kreuzkorrelationen nur der dargestellte Tracer­ partikel zugrundeliegt. Bei einer Vielzahl von Tracerpartikeln mit unterschiedlichen Startpunkten in dem ersten Lichtschnitt würden auch in den Fig. 5b und 5c Peaks auftreten, da sich ein Teil der Tracerpartikel nicht nur zum Zeitpunkt des ersten Lichtschnitts sondern auch noch zum Zeitpunkt des dritten Lichtschnitts in dem Teilvolumen 3 befände. Die berechneten Kreuzkorrelationen liefern dabei durch die Intensität der Peaks ein Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit innerhalb der beteiligten Lichtschnitte. Diese hängen unmittelbar von der Geschwindigkeitskomponente der Tracerpartikel 1 quer zu den jeweiligen Teilvolumina 3, 3′ ab. Durch Verkürzen des Zeitabstands zwischen dem ersten und dem dritten Lichtschnitt läßt sich auch bei sehr schnellen Strömungen und einer geringen Partikeldichte ein auswertbarer Peak bei den Schnitten durch die Korrelationsebenen gemäß den Fig. 5b und 5c erreichen, dessen Lage dabei einer Geschwindigkeit in der Haupterstreckungsrich­ tung des Teilvolumens 3 entspricht. Eine andere Anpassungs­ möglichkeit an die Strömung stellt der seitliche Abstand der Teilvolumina 3, 3′ in Richtung der optischen Achse 19 dar.

Die Ausführungsform des PIV-Verfahrens gemäß Fig. 6 entspricht weitgehend derjenigen gemäß Fig. 2. Hier sind die Bildsensoren 6 jedoch seitlich versetzt zur optischen Achse 19 des Kamera­ objektivs 7 angeordnet, so daß bei vier zeitlich aufeinander abfolgenden Lichtschnitten der dargestellte Tracerpartikel zunächst von einem hier zusammengefaßt wiedergegebenen Bild­ sensorenpaar 6, 6′ und dann von einem zweiten Bildsensorenpaar 6′′, 6′′′ aufgezeichnet wird. D. h., zum Zeitpunkt des ersten Lichtschnitts wird der Tracerpartikel 1 auf den Bildsensor 6 abgebildet, zum Zeitpunkt des zweiten Lichtschnitts wird derselbe Tracerpartikel 1′ auf den Bildsensor 6′ abgebildet usw. Hierbei überschneiden sich die beiden Bildbereiche der Bildsensorenpaare 6, 6′ und 6′′, 6′′′ nicht. Auf diese Weise ist bei gleicher nomineller Auflösung der Bildsensoren im Vergleich zu den vorhergegangenen Ausführungsbeispielen des PIV-Verfahrens die lokale Auflösung verbessert, da die einzelnen Bildsensoren nur zur Aufzeichnung eines eng begrenzten Ausschnitts aus dem Teilvolumen 3 verwendet werden. Bei einer Strömung mit zusätzlicher Strömungskomponente parallel zur optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 kann es auch sinnvoll sein, das zweite Paar der Bildsensoren 6′′, 6′′′ einem anderen Teilvolumen, wie beispielsweise dem Teilvolumen 3′ gemäß Fig. 4, zuzuordnen. Dann wären die Beobachtungsbereiche der beiden Bildsensorenpaare 6, 6′ bzw. 6′′, 6′′′ sowohl quer als auch in Richtung der optischen Achse 19 des Kameraobjektivs 7 versetzt zueinander angeordnet. Die konkrete Anordnung der Beobachtungsbereiche ist bei der Auswertung der einzelnen Kreuzkorrelationen zwischen den Lichtschnitten genau zu berücksichtigen.

Durch Verwendung der Hochgeschwindigkeitskamera bei den geschilderten PIV-Verfahren sind auch schnellste Strömungen vollständig erfaßbar und hinsichtlich ihrer lokalen Strömungs­ geschwindigkeiten in allen drei Komponenten auswertbar.

Claims (8)

1. Verwendung einer elektronischen Hochgeschwindigkeitskamera (5) mit einem eine Mehrzahl von getrennten Halb­ leiter-Bildsensoren (6) aufweisenden optoelektronischen Aufnahmesystem und einem das Bild des Objekts auf den Bildsensoren (6) abbildenden optischen Abbildungssystem, wobei jedem Bildsensor (6) eine einzeln ansteuerbare elektronische Verschlußeinrichtung zugeordnet ist und jeder Bildsensor (6) an einen eigenen nachge­ ordneten Bildspeicher (10) angeschlossen ist, wobei das Aufnahmesystem ein den Bildsensoren (6) gemeinsames Kameraobjektiv (7) und einen Strahlteiler (8) aufweist, der in der optischen Achse (19) des Kameraobjektivs (7) liegt, und wobei die Bildsensoren (6) im Strahlengang des Kameraobjektivs (7) hinter dem Strahlteiler (8) angeordnet sind, bei einem Verfahren zum Bestimmen von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Strömung, wobei mehrere zeitlich aufeinander abfolgende Lichtschnitte durch die mit Tracerpartikeln (1) geimpfte Strömung (2) mit jeweils einem der Bildsensoren (6) aufgezeichnet werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten in der Strömung (2) durch Berechnung von Kreuzkorrelationen zwischen den einzelnen Abbildungen der Tracerpartikel (1) ermittelt werden, wobei die Bildsensoren (6) mit pulsbaren Lichtquellen (4) synchronisiert sind, die zur Belichtung von einzelnen, von dem jeweiligen Lichtschnitt erfaßten Teilvolumina (3, 3′) der Strömung vorgesehen sind, und wobei verschiedene, demselben Teilvolumen (3) zugeordnete Bildsensoren (6) denselben optischen Abstand zu dem Kameraobjektiv (7) aufweisen und verschiedene Bildsensoren (6), die verschiedenen, in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs hintereinander liegenden Teilvolumina (3, 3′) zugeordnet sind, jeweils verschiedene optische Abstände zu dem Kameraobjektiv (7) aufweisen.

2. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (8) ein halbdurch­ lässiger Spiegel oder ein Strahlteilerprisma ist.

3. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (8) eine Spiegel­ pyramide ist, die mit ihrer Pyramidenspitze dem Kameraobjektiv (7) zugewandt ist, wobei die optische Achse der Spiegelpyramide mit der optischen Achse (19) des Kameraobjektivs (7) zusammen­ fällt und wobei die Spiegelpyramide eine Mehrzahl von jeweils einem der Bildsensoren (6) zugeordneten Spiegelflächen aufweist.

4. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein und dasselbe Teil­ volumen (3) der Strömung (2) von den aufeinander abfolgenden Lichtschnitten mehrfach erfaßt wird.

5, Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene, in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs hintereinanderliegende Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2) von den Lichtschnitten jeweils mehrfach erfaßt werden.

6. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs (19) benachbarte oder sich teilweise überdeckende Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2) von den aufeinander abfolgenden Lichtschnitten nacheinander erfaßt werden, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten parallel zur optischen Achse (19) des Kameraobjektivs (7) aus den Peakinten­ sitäten der Kreuzkorrelationen berechnet werden.

7. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten oder sich teilweise überdeckenden Teilvolumina (3, 3′) der Strömung (2) durch die aufeinander abfolgenden Lichtschnitte wechselweise erfaßt werden.

8. Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildsensoren (6) in optisch drehäquivalenten Stellungen relativ zu der optischen Achse (19) des Kameraobjektivs (7) angeordnet sind.