DE60036467T2

DE60036467T2 - Verfahren und vorrichtung zur dopplergeschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE60036467T2
Application number: DE60036467T
Authority: DE
Inventors: Philippe Barricau; Andre Mignosi; Christine Lempereur; Jean-Michel Mathe
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: EP1183549B1; JP2003501634A; DE60036467D1; FR2794247A1; AU4929100A; US6522397B2; JP4433653B2; FR2794247B1; WO2000073817A1; EP1183549A1; US20020071110A1; RU2225015C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe des Doppler-Effektes, insbesondere zur Messung eines Geschwindigkeitsfeldes in einer Fluidströmung, aber auch zur Messung der Geschwindigkeiten bewegter fester Körper, wie etwa von ballistischen Geschossen oder Maschinen.
Es ist bereits bekannt, die Komponenten der Geschwindigkeit eines Objektes, das durch eine aus einem Laserstrahl hervorgegangene Laserebene beleuchtet wird, aus einerseits der Intensität des an diesem Objekt gestreuten und von geeigneten Photorezeptoren direkt empfangenen Lichtes und andererseits der Intensität dieses von anderen geeigneten Photorezeptoren durch Spektralfiltermittel, die auf die Frequenz der Beleuchtungslaserebene abgestimmt sind, empfangenen Lichtes zu bestimmen (siehe insbesondere die Schriften EP-0506657 und AIAA 97-0498, 35th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January 6–10, 1997, „Planar Doppler Velocimetry performance in low-speed flows" von R. L. McKenzie). Üblicherweise wird die Beleuchtungslaserebene von einer Impuls-weise arbeitenden Argon- oder Nd-YAG-Laserquelle in Verbindung mit einem Frequenzverdoppler ausgesandt, wobei die Spektralfiltermittel eine Küvette mit Ioddampf umfassen, der eine Absorptionslinie in der Nähe der Frequenz des Beleuchtungslasers aufweist und dessen Durchlassgrad bei dieser Frequenz ungefähr 50% beträgt, und wobei die Photorezeptoren vom Typ CCD-Matrix sind.
Die Aufgabe der Spektralfiltermittel besteht darin, die Frequenzänderungen aufgrund des Doppler-Effektes des vom Objekt gestreuten Lichtes in Intensitätsschwankungen des von den Photorezeptoren aufgefangenen Lichtes zu wandeln. So ändert sich die Intensität des durch die Spektralfiltermittel hindurch aufgefangenen Lichtes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Fortbewegung des Objektes. Es wird das Verhältnis der Intensität des durch die Spektralfiltermittel aufgefangenen Lichtes zur direkt aufgefangenen Intensität gebildet, um ein normalisiertes Signal zu erhalten, das in Abhängigkeit von der Dopplerverschiebung schwankt und dessen Kenntnis erlaubt, die Geschwindigkeit des Objektes in einer Raumrichtung zu berechnen.
Außerdem wird ein Teil des Laserstrahles abgeleitet und auf Photorezeptoren der CCD-Matrix gesandt, einerseits direkt und andererseits durch die Spektralfiltermittel, um ein normalisiertes Signal zu erhalten (das oben genannte Verhältnis der direkt aufgenommen Lichtintensität zur durch die Spektralfiltermittel hindurch aufgefangenen Intensität), das einer Geschwindigkeit gleich Null entspricht und das erlaubt, laufend die Schwankungen der Laserfrequenz in der Zeit zu kompensieren.
So wird mit Hilfe einer vorherigen Eichung der spektralen Durchlässigkeitsfunktion der oben genannten Filtermittel die Frequenzverschiebung aufgrund des Doppler-Effektes aus dem normalisierten Signal des an einem bewegten Objekt gestreuten Lichtes und dem normalisierten Signal bei der Geschwindigkeit Null bestimmt und anschließend die Geschwindigkeit dieses Objektes in einer Raumrichtung berechnet. Diese Richtung wird durch die Richtung der Laserbeleuchtung und durch die Beobachtungsrichtung definiert. Durch Ausführung der Beobachtungen in drei verschiedenen Richtungen werden die drei Komponenten der Geschwindigkeitsvektoren der bewegten Objekte im Beobachtungsbereich erhalten.
Die Patentanmeldung WO 95/33999 bietet Verbesserungen an der Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung durch den Dopplereffekt nach der Patentanmeldung EP 0506657 . Das Bildraster der einzigen CCD-Kamera wird in zwei Pixelbereiche geteilt, um jeweils Teile der Intensität des durch ein Fluid gestreuten Lichtes direkt und durch die oben genannten ersten Spektralfiltermittel hindurch zu empfangen, die als Wandler von Frequenz in Intensität arbeiten. Ein Eichsystem, das zweite Spektralfiltermittel mit einer Ioddampf-Küvette ähnlich den ersten Spektralfiltermitteln aufweist, das von einem Teil der Intensität des Lichtes der Laserquelle durchquert wird, überwacht die Frequenz- und Intensitätsschwankungen des Beleuchtungslaserstrahles in Abhängigkeit von der Temperatur, um die ersten Spektralfiltermittel vorzueichen. Diese Schwankungen werden berücksichtigt, um die Geschwindigkeit des Fluids in einer Vorrichtung zur Geschwindigkeitsberechnung zu berücksichtigen.
Diese bekannten Techniken berücksichtigen jedoch nicht die Abweichungen der Wandlung durch die Spektralfiltermittel in Echtzeit, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur, so dass sich die Präzision in der Geschwindigkeitsmessung als unzureichend erweist.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt insbesondere, eine einfache, wirkungsvolle und wenig kostspielige Lösung für dieses Problem zu schaffen.
Sie schlägt zu diesem Zweck ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit mindestens eines Objektes durch den Doppler-Effekt vor, umfassend:

– die Beleuchtung des Objektes durch eine Laserebene, die aus einem Laserstrahl hervorgegangen ist,
– die Messung der Intensität des vom Objekt gestreuten Lichtes, wobei diese Messung einerseits direkt erfolgt und andererseits über Spektralfiltermittel, die im Wesentlichen auf die Frequenz der Laserbeleuchtung abgestimmt sind,
– Bestimmung eines Verhältnisses der genannten Messungen zur Erzeugung eines normalisierten Signals des gestreuten Lichtes,
– Messung der Intensität eines Teils des Laserstrahls, einerseits direkt und andererseits durch die Spektralfiltermittel, und Bestimmung des Verhältnisses dieser Intensitätsmessungen, um ein normalisiertes Signal zu erhalten, das einer Geschwindigkeit gleich Null entspricht, und
– Bestimmung einer Komponente der Geschwindigkeit des Objektes in einer bestimmten Richtung aus den genannten normalisierten Signalen,

– die Messung der Intensität eines monochromatischen Bezugslichtstromes, einerseits direkt und andererseits durch die Spektralfiltermittel, wobei dieser Bezugslichtstrom über eine um einen bekannten festen Wert andere Frequenz verfügt, als der des Laserstrahls,
– und die Bestimmung des Verhältnisses der Intensitätsmessungen des Bezugsstromes zur Erzeugung eines normalisierten Bezugssignals, das einer festen und bekannten Frequenzabweichung entspricht, also einer bekannten Geschwindigkeit ungleich Null.

Dieses normalisierte Bezugssignal, das einer festen bekannten Frequenzabweichung entspricht, dient dazu, die Durchlässigkeitskurve der Spektralfiltermittel in Echtzeit zu fixieren, indem die eventuellen Abweichungen dieser Mittel kompensiert werden.
Die Frequenzabweichung wird vorteilhafterweise derart gewählt, dass sie einen im Wesentlichen linearen Abschnitt der Durchlässigkeitskurve ab dem Punkt abdeckt, der der Geschwindigkeit Null entspricht. Es ist dann möglich, präzise durch Interpolation den Wert der Dopplerverschiebung zu bestimmen, der einem normalisierten Signal des vom Objekt gestreuten Lichtes entspricht, wenn dieses Signal zwischen dem normalisierten Signal der Geschwindigkeit Null und dem normalisierten Signal des Bezugsstromes liegt.
Vorteilhafterweise umfasst dieses Verfahren die Messung der Intensitäten mehrerer monochromatischer Bezugslichtströme, deren Frequenzen sich von der des Laserstrahls um feste und bekannte Beträge unterscheiden, die voneinander verschieden sind, einerseits direkt und andererseits durch die Spektralfiltermittel hindurch und die Bestimmung des Verhältnisses dieser Intensitätsmessungen für jeden Bezugsstrom zur Erzeugung normalisierter Bezugssignale, die verschiedenen festen und bekannten Frequenzabweichungen entsprechen.
Diese verschiedenen Frequenzabweichungen werden vorteilhafterweise über einen größeren Abschnitt der Durchlässigkeitskurve der Spektralfltermittel gestaffelt, insbesondere über nichtlineare Bereiche dieser Kurve. Dies hat beispielsweise zur Folge, die Frequenzdynamik zu verdoppeln, was sich in einer entsprechenden Erhöhung der Dynamik der messbaren Geschwindigkeiten auswirkt.
Nach einem anderen Merkmal dieses Verfahrens wird der oder jeder oben genannte Bezugsstrom in eine Zwischenbildebene der optischen Mittel zur Erzeugung eines Bildes des Objektes auf einer Photodetektoreinheit gesandt. Auf diese Weise wird vermieden, das zu messende Geschwindigkeitsfeld zu stören.
Vorteilhafterweise wird der oder jeder Bezugsstrom von einer im Wesentlichen punktförmigen Quelle ausgesendet.
Dadurch wird nur ein sehr kleiner Teil des Bildes dieses Feldes zur Erfassung der Intensitäten der Bezugsströme verwendet.
Die Erfindung schlägt ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit mindestens eines Objektes durch den Doppler-Effekt vor, umfassend:

– Mittel zur Beleuchtung des Objektes durch eine Laserebene, die aus einem Laserstrahl hervorgegangen ist,
– optische Mittel zur Erzeugung eines Bildes des Objektes auf zwei Photorezeptoreinheiten, deren Ausgangssignale der empfangenen Lichtintensität entsprechen,
– Spektralfiltermittel, die im Wesentlichen auf die Frequenz des Laserstrahls abgestimmt und zwischen die genannten optischen Mittel und eine oben genannte Photorezeptoreinheit eingefügt sind,
– Mittel zur direkten und gleichzeitigen Lenkung eines Teils des Laserstrahls auf einen ersten Teil jeder der beiden genannten Photorezeptoreinheiten durch die optischen Bilderzeugungsmittel, um normalisierte Signale des vom Objekt gestreuten Lichtes und normalisierte Signale zu erhalten, die einer Geschwindigkeit gleich Null entsprechen,

– Mittel zur Erzeugung mindestens eines monochromatischen Bezugslichtstromes, der über eine um einen bekannten festen Wert andere Frequenz verfügt, als der des Laserstrahls, und
– Mittel, die diesen Bezugsstrom direkt und gleichzeitig durch die optischen Mittel zur Bilderzeugung auf einen zweiten Teil jeder der beiden oben genannten Photorezeptoreinheiten lenken, um ein normalisiertes Bezugssignal zu erzeugen, das einer festen und bekannten Frequenzabweichung entspricht.

Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung Mittel, die mehrere monochromatische Bezugslichtströme erzeugen, deren Frequenzen sich um feste bekannte, untereinander verschiedene Beträge von der Frequenz des Laserstrahls unterscheiden, wobei diese Bezugsströme direkt und gleichzeitig durch die optischen Mittel zur Bilderzeugung auf unterschiedliche Teile jeder der beiden Photodetektoreinheiten gelenkt werden, um normalisierte Bezugssignale zu erzeugen, die festen und bekannten Frequenzabweichungen entsprechen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die oben genannten Mittel zur Erzeugung des oder der Bezugslichtstromes/ströme akusto-optische Mittel, wie etwa insbesondere eine BRAGG-Anordnung.
Diese Mittel erzeugen Bezugsströme, die über Frequenzen verfügen, die sich von der der Laserbeleuchtung um Werte mehr oder weniger gleich nΔF unterscheiden, wobei ΔF eine feste und bekannte Frequenzabweichung ist und n eine ganze Zahl größer als 0.
Diese Frequenzabweichungen werden vorteilhafterweise regelmäßig über den nützlichen Teil der Kurve der spektralen Durchlässigkeit der oben genannten Filtermitel gestaffelt.
Nach anderen Merkmalen der Erfindung:

– sind die Mittel zur Erzeugung der Bezugslichtströme durch Lichtleitfasern mit den Bilderzeugungsmitteln verbunden,
– verfügen die optischen Fasern über Enden, die im Wesentlichen in einer Zwischenbildebene der Bilderzeugungsmittel liegen und auf die oben genannten Photodetektoren gerichtet sind.

Ganz allgemein verbessert die Erfindung die Präzision der Messung der Geschwindigkeit eines Objektes durch den Doppler Effekt und ist auf die Messung eines Geschwindigkeitsfeldes in der Fluid-Mechanik anwendbar, sowie für ballistische Zwecke für die Messung von Geschwindigkeiten bewegter Körper, wie etwa von Geschossen.
Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung, die als Beispiel unter Bezugnahme auf die entsprechenden beigefügten Zeichnungen erfolgt, verständlicher werden und weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden deutlicher werden. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung des Standes der Technik,
2 ein Schema, das die Richtung der Geschwindigkeitskomponente in Abhängigkeit von der Beleuchtungsrichtung und der Beobachtungsrichtung zeigt,
3 eine schematische Draufsicht, die die wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt,
4 einen Graphen, der einen Teil der Kurve der spektralen Durchlässigkeit der Filtermittel darstellt, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden,
5 schematisch Mittel zur Erzeugung der Bezugsströme, die in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden.
Das in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel wird auf die Bestimmung eines Geschwindigkeitsfeldes in einer Fluidströmung 10 durch Messung der Doppler-Verschiebungen des an Teilchen 12, die in die Fluidströmung eingebracht werden, gestreuten Lichtes angewendet. Beispielsweise und wie in den oben genannten älteren Schriften beschrieben, kann eine Gasströmung mit einem Nebel sehr feiner Teilchen einer geeigneten Flüssigkeit oder eines geeigneten Feststoffes geimpft werden, die in der Gasströmung dispergiert und von dieser mitgeführt werden.
Die Strömung 10 wird durch eine Laserebene 14 beleuchtet, die durch geeignete Mittel 16, wie etwa eine Strahlauffächerungsoptik (eine Anordnung zylindrischer und sphärischer Linsen) oder eine Vorrichtung mit einem rotierenden Polygon, aus dem Strahl 18 erzeugt wird, der von einer geeigneten Laserquelle ausgesendet wurde, wie etwa einem Argon-Laser im longitudinalen Einmodenbetrieb, der mit einer Wellenlänge von 514,5 nm strahlt oder einem verdoppelten YAG-Laser bei 532 nm.
Das Laserlicht wird an den Teilchen 12 gestreut, die in der Strömung 10 anwesend sind. Mittel zum Nachweis des von den Teilchen 12 gestreuten Lichtes umfassen ein optisches System 22 zur Erzeugung eines Bildes auf einer Photodetektoreinheit, wie beispielsweise einer CCD-Kamera 24, wobei der vom optischen System 22 übertragene Lichtstrom einen Strahlteiler 26 durchquert, der einen Teil dieses Stromes auf eine andere Photodetektoreinheit lenkt, wie beispielsweise eine andere CCD-Kamera 28, wobei der vom Strahlteiler 26 durchgelassene Lichtstrom Spektralfiltermittel 30 durchquert, die auf die Frequenz des Laserstrahls 18 abgestimmt sind, bevor er bis zur CCD-Kamera 24 gelangt.
Beispielsweise bestehen die Filtermittel 30 aus einer Küvette mit Ioddampf, der eine Absorptionslinie in der Nähe der Frequenz des Laserstrahls 18 aufweist, wobei der Durchlassgrad bei dieser Frequenz beispielsweise ungefähr 50% beträgt.
Die CCD-Kameras 24 und 28 sind mit ihrem Ausgang an Informationsverarbeitungsmittel 32 angeschlossen, die Erfassungs- und Rechenmittel und Anzeigemittel 34 umfassen, auf denen Bilder des beobachteten Feldes angezeigt werden können, in denen die Komponenten der Teilchengeschwindigkeiten in einer bestimmten Richtung durch verschiedene Graustufen oder unterschiedliche Farben dargestellt werden.
In 2 ist V → der Geschwindigkeitsvektor eines Teilchens 12, das durch einen einfallenden Laserstrahl 36 beleuchtet wird, dessen Ausbreitungsrichtung durch den Einheitsvektor E → vertreten wird, und R → ist der Einheitsstrahl der Beobachtungsrichtung oder Richtung, die das Teilchen 12 mit dem Perspektivenzentrum der Bildaufnahme verbindet.
Die Dopplerverschiebung des vom Teilchen 12 gestreuten Lichtes gegenüber dem Beleuchtungslaser ergibt sich aus der Formel:
in der F₀ die Frequenz des Beleuchtungslasers ist und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
In 2 stellt der Vektor R →–E → die Richtung dar, in der die Geschwindigkeitskomponente V des Teilchens mit der Vorrichtung der 1 gemessen wird.
Das von den Teilchen 12 gestreute Licht wird vom optischen System 22 aufgefangen und teilweise nach Durchquerung der Spektralfiltermittel 30 auf die erste CCD-Kamera 24 geleitet und teilweise auf die andere CCD-Kamera 28, gegebenenfalls mit Hilfe eines Ablenkspiegels 38 (3). Die Ausgangssignale der Kameras 24 und 28 erlauben es, Pixel für Pixel die Intensität des direkt von der Kamera 28 empfangenen gestreuten Lichtes mit der des gestreuten Lichtes zu vergleichen, das von der Kamera 24 nach Durchqueren der Spektralfiltermittel 30 empfangen wird.
Wie der spektralen Lichtdurchlasskurve C der 4 zu entnehmen ist, sind diese Mittel 30 auf eine Frequenz abgestimmt, die der Frequenz F₀ des Laserstrahls 18 benachbart ist, wobei der Durchlassgrad bei der Frequenz F₀ ungefähr 50% beträgt. In Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Teilchen 12 relativ zur Messvorrichtung, kann die Frequenz des an den Teilchen gestreuten Lichtes höher oder niedriger sein, als die Freqenz F₀, und sein Durchlassgrad durch die Mittel 30 ist größer bzw. kleiner, als bei der Frequenz F₀.
Damit die Schwankungen der Frequenz F₀ des Laserstrahls 18 und die insbesondere thermischen Abweichungen der Spektralfiltermittel 30 automatisch berücksichtigt und kompensiert werden können, sieht die Erfindung Mittel 40 (3) vor, die monochromatische Bezugsströme erzeugen, die in den Lichtstrom eingeleitet werden, der vom optischen System 22 übertragen und von den Photodetektoren der CCD-Kameras 24 und 28 aufgefangen wird.
Die Mittel 40 sind vorteilhafterweise vom akusto-optischen Typ und umfassen ein Kristall, in das ein Phasengitter durch die Fortpflanzung einer Schallwelle eingeführt wird, die von einem piezoelektrischen Kristall erzeugt wird, an dessen Anschlüsse eine Sinusspannung der Frequenz ΔF angelegt wird. Wenn sich eine Lichtwelle der Frequenz F₀ (ein Teil des Laserstrahls 18) im Inneren dieses Kristalls ausbreitet, ergibt sich nach deren Austritt ein Strahl mit der Frequenz F₀, sowie ein Strahl mit der Frequenz F₀ + ΔF (BRAGG-artige Arbeitsweise). Diese beiden Strahlen können durch Lichtleitfasern 42 auf zwei Punkte einer Zwischenbildebene des optischen Systems 22 geleitet werden, wobei die Enden der Lichtleitfasern 42 in dieser Ebene in Richtung auf den Strahlteilerwürfel 26 gerichtet sind. So liefern die Ausgangssignale der Kameras 24 und 28 Intensitätsmessungen der Lichtströme mit den Frequenzen F₀ und F₀ + ΔF, die nach Durchquerung der Spektralfiltermittel 30 von der Kamera 24 aufgefangen werden und von der Kamera 28 direkt aufgefangen werden.
Auf diese Weise verfügt man über zwei Punkte auf der spektralen Lichtdurchlasskurve der 4, die den Frequenzen F₀ und F₀ + ΔF entsprechen, und dies unabhängig von den Schwankungen der Frequenz F₀ des Laserstrahls 18, wobei der Wert ΔF seinerseits fest und bekannt ist.
Die von der CCD-Kamera 28 gelieferten Intensitätsmessungen werden verwendet, um normalisierte Signale In zu erhalten, die (Pixel für Pixel) den Verhältnissen aus den durch die Kamera 24 gemessenen Intensitäten zu den durch die Kamera 28 gemessenen Intensitäten gleich sind. Vorzugsweise und wie schematisch in 5 dargestellt, arbeiten die Mittel 40 zur Erzeugung von Bezugslichtströmen im RAMAN-NATH-Regime, um am Ausgang Lichtstrahlen zu liefern, die die Frequenzen F₀, F₀ + ΔF, F₀ – ΔF, F₀ + 2ΔF und F₀ – 2ΔF haben.
Diese Strahlen werden über Lichtleitfasern und einige Verbinder 44 mit drei kleinen Gehäusen 46 verbunden, die zur Messung der Geschwindigkeitskomponenten der Teilchen 12 in drei verschiedenen Richtungen jeweils mit einer Erfassungsvorrichtung verbunden sind, wie der in 3 dargestellten, wobei dann eine einzige Laserquelle 20 fester Richtung verwendet wird.
In jedem Gehäuse 46 sind die Enden der Lichtleitfasern auf die Photorezeptoren gerichtet und übertragen fünf Bezugslichtströme mit den oben angegebenen Frequenzen.
Dies erlaubt die Nutzung eines größeren Teils der Kurve der spektralen Durchlässigkeit der Mittel 30, einschließlich nichtlinearer Teile, unter automatischer und fortlaufender Kompensation der Frequenzschwankungen des Beleuchtungslasers und der Abweichungen der Spektralfiltermittel 30 im Laufe der Zeit.
Die oben genannte Frequenzabweichung ΔF kann 200 MHz betragen, was erlaubt, mit einer Frequenzdynamik von 1 GHz um die Laserfrequenz F₀ zu arbeiten. Die Dynamik der gemessenen Geschwindigkeit hängt von den geometrischen Beobachtungsbedingungen ab. Im Fall einer Standardkonfiguration, die im Windkanal angetroffen wird, ergibt sich eine Geschwindigkeitsdynamik, die beispielsweise von 350 m/s (wenn nur der lineare Teil der Kurve der spektralen Durchlässigkeit der Mittel 30 genutzt wird) auf 700 m/s übergeht, d. h. auf das Doppelte.
Üblicherweise bestehen die Spektralfiltermittel 30 aus einer Ioddampfküvette. Wenn die Temperaturschwankungen des Stiftes dieser Küvette 0,5°C beträgt, führt dies zu einer Frequenzschwankung um ungefähr 5 MHz. Die Frequenzschwankungen der Laserquelle 20 können in der Größenordnung von 2 MHz liegen. Sie bewirken eine Unsicherheit von ungefähr 5 m/s der gemessenen Geschwindigkeiten (bei Standardkonfiguration). Die Erfindung erlaubt es, diese Unsicherheit gegen Null gehen zu lassen, indem sie automatisch die thermischen Abweichungen der Ioddampf-Küvette und die Frequenzschwankungen der Laserquelle kompensiert.
Die akusto-optischen Mittel 40 können Frequenzverschiebungen mit einer relativen Genauigkeit von 10^–6 erzeugen, d. h. mit einer Unsicherheit von 200 Hz bei einer Frequenzabweichung ΔF um 200 MHz. Der Messfehler ist also an die Unsicherheit der Interpolationstechnik gebunden, die angewandt wird, um in Echtzeit die Eichkurve der Funktion der spektralen Durchlässigkeit der Ioddampfküvette zu erhalten, sowie an die Unsicherheit, die mit der Strahlungsmessung der Kameras 24 und 28, die im Fall von Kameras mit 10 effektiven Bits auf 0,15% geschätzt wird.

Claims

Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit mindestens eines Objektes durch den Doppler-Effekt, umfassend: – die Beleuchtung des Objektes (12) durch eine Laserebene (14), die aus einem Laserstrahl hervorgegangen ist, – die Messung der Intensität des vom Objekt (12) gestreuten Lichtes, wobei diese Messung einerseits direkt erfolgt und andererseits über Spektralfiltermittel (30), die im Wesentlichen auf die Frequenz F₀ der Laserbeleuchtung abgestimmt sind, – Erzeugung eines normalisierten Signals In, das dem Verhältnis der Messungen der Intensität durch die Spektralfiltermittel zur direkt gemessenen Intensität gleich ist, – Messung der Intensität eines Teils des Laserstrahls, einerseits durch die Spektralfiltermittel (30) und andererseits direkt, und Bestimmung des Verhältnisses dieser Intensitätsmessungen, um ein normalisiertes Signal zu erhalten, das einer Geschwindigkeit gleich Null entspricht, und – Bestimmung einer Komponente der Geschwindigkeit des Objektes (12) in einer bestimmten Richtung aus den genannten normalisierten Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass es ebenfalls umfasst: – die Messung der Intensität mindestens eines monochromatischen Bezugslichtstromes, wobei diese Intensität einerseits direkt gemessen wird und andererseits durch die Spektralfiltermittel (30), wobei dieser Bezugslichtstrom über eine um einen bekannten festen Wert ΔF andere Frequenz verfügt, als der F₀ des Laserstrahls, – und die Bestimmung des Verhältnisses der Intensitätsmessungen des Bezugsstromes zur Erzeugung eines normalisierten Bezugssignals, das einer festen und bekannten Frequenzabweichung ΔF entspricht.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Messung der Intensitäten mehrerer monochromatischer Bezugslichtströme direkt und durch die Spektralfiltermittel umfasst, deren Frequenzen sich von der F₀ des Laserstrahls um feste und bekannte Beträge unterscheiden, die voneinander verschieden sind, und die Bestimmung des Verhältnisses der genannten Intensitätsmessungen für jeden Bezugsstrom zur Erzeugung normalisierter Bezugssignale, die verschiedenen festen und bekannten Frequenzabweichungen entsprechen.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Bezugsstrom aus dem Laserstrahl durch Verschieben der Frequenz dieses Strahls erzeugt wurde.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Bezugsstrom in eine Zwischenbildebene optischer Mittel (22) zur Erzeugung eines Bildes des Objektes (12) auf jeder Photodetektoreinheit (24, 28) gesandt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Bezugsstrom von einer im Wesentlichen punktförmigen Quelle ausgesendet wird.
Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit mindestens eines Objektes durch den Doppler-Effekt, umfassend: – Mittel (20, 16) zur Beleuchtung des Objektes durch eine Laserebene (14), die aus einem Laserstrahl hervorgegangen ist, – optische Mittel (22) zur Erzeugung eines Bildes des Objektes (12) auf zwei Photorezeptoreinheiten (24, 28), deren Ausgangssignale der empfangenen Lichtintensität entsprechen, – Spektralfiltermittel (30), die im Wesentlichen auf die Frequenz F₀ des Laserstrahls abgestimmt und zwischen die genannten optischen Mittel (22) und eine oben genannte Photorezeptoreinheit (24) eingefügt sind, – Mittel (40, 42) zur direkten und gleichzeitigen Leitung eines Teils des Laserstrahls auf einen ersten Teil jeder der beiden genannten Photorezeptoreinheiten durch die optischen Bilderzeugungsmittel (22), – und Mittel (32) zur Bestimmung des Verhältnisses der Intensitätsmessungen des vom Objekt (12) gestreuten Lichtes und des Verhältnisses der Intensitätsmessungen des genannten Teils der Laserbeleuchtung, um normalisierte Signale zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem umfasst: – Mittel (40) zur Erzeugung mindestens eines monochromatischen Bezugslichtstromes, der über eine um einen bekannten festen Wert ΔF andere Frequenz verfügt, als der F₀ des Laserstrahls, – und Mittel (42), die diesen Bezugsstrom in die oben genannten optischen Mittel (22) zur Bilderzeugung lenken und ihn auf einen zweiten Teil jeder der beiden oben genannten Photorezeptoreinheiten richten, einerseits direkt und andererseits durch die Spektralfiltermittel (30) zur Erzeugung eines normalisierten Bezugssignal, das einer festen und bekannten Frequenzabweichung ΔF entspricht.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (40) umfasst, die mehrere monochromatische Bezugslichtströme erzeugen, deren Frequenzen sich um feste bekannte, untereinander verschiedene Beträge von der Frequenz des Laserstrahls unterscheiden, und Mittel (46), um diese Bezugsströme auf unterschiedliche Teile jeder der beiden oben genannten Photodetektoreinheiten zu lenken.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zur Erzeugung des oder der Bezugslichtstromes/ströme akusto-optische Mittel sind, etwa eine Vorrichtung nach BRAGG.
Vorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zur Erzeugung der genannten Bezugslichtströme Bezugslichtströme erzeugen, deren Frequenzen jeweils F₀ + nΔF und F₀ – nΔF sind, worin F₀ die Frequenz der Laserbeleuchtung ist, ΔF eine feste und bekannte Frequenzabweichung, n eine ganze Zahl größer 0, die die Werte 1, 2, ... annimmt.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40) zur Erzeugung der Bezugslichtströme durch Lichtleitfasern (42) mit den Bilderzeugungsmitteln (22) verbunden sind, wobei jede optische Faser über ein Ende verfügt, das im Wesentlichen in einer Zwischenbildebene der Bilderzeugungsmittel (22) liegt und auf die oben genannten Photodetektoren gerichtet ist.