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Die
Erfindung betrifft die Laseranemometer, d.h. die Instrumente zur
Messung der Geschwindigkeit der Luft oder der Geschwindigkeit bezüglich der Luft,
die das folgende Prinzip verwenden: Fernbeleuchtung durch einen
Laserlichtstrahl, im Allgemeinen Infrarot, eines Bereichs des Raums,
der schwebende Teilchen oder Staubkörner (die natürlich vorhanden
sind oder absichtlich in diesen Bereich injiziert werden, auch Aerosole
genannt) enthält,
Reflektion des Lichts auf den Teilchen, optische Erfassung des zur
Quelle reflektierten Strahls und elektronische Verarbeitung, um
durch Berechnung eine relative Geschwindigkeit zwischen der Quellen-Detektor-Einheit
einerseits und den Teilchen andererseits zu bestimmen.
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Laseranemometer
werden insbesondere in den Luftfahrzeugen verwendet, um die Geschwindigkeit
des Flugzeugs bezüglich
der Umgebungsluft zu messen, die schwebende natürliche Teilchen enthält. Einer
der Vorteile der Laseranemometer im Vergleich mit den Anemometersonden
mit Druckmessung ist es, dass sie eine Messung der Geschwindigkeit
bezüglich
der Umgebungsluft nicht direkt an der Oberfläche des Flugzeugs, sondern
in einer bestimmten Entfernung zu dieser Oberfläche dort ermöglichen, wo
die Luft weniger durch das Flugzeug selbst gestört oder gar nicht gestört ist.
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Man
unterscheidet zwei große
Typen von Laseranemometern: die Anemometer mit Quermessung und die
Anemometer mit Längsmessung.
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Die
Anemometer mit Quermessung senden zwei Strahlen kohärenten Lichts,
die leicht zueinander geneigt sind und in einer Messzone (zum Beispiel in
einer Entfernung von etwa einem Meter von der Sendeoptik) interferieren.
In dieser Zone werden ebene parallele Interferenzstreifen erzeugt,
und ein Teilchen, das diese Streifen durchquert, erfährt eine Beleuchtung
mit einer global sinusförmigen
Stärke; es
reflektiert also eine Lichtmenge, die sinusförmig variiert. Die Frequenz
dieser Variation hängt
von der Geschwindigkeitskomponente des Teilchens in der Richtung
lotrecht zur Ebene der Interferenzstreifen ab. Diese Richtung befindet
sich in der von den beiden geneigten Strahlen definierten Ebene
und lotrecht zur Winkelhalbierenden dieser beiden Strahlen. Diese
Anemometer messen also eine Geschwindigkeitskomponente quer zur
allgemeinen Achse der Strahlen.
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Die
Anemometer mit Längsmessung
arbeiten gemäß einem
anderen Prinzip. Sie senden einen einzigen Laserstrahl aus und messen
die relative Geschwindigkeitskomponente der Teilchen in Richtung der
optischen Achse dieses Strahls. Der Strahl wird von einer Sendeoptik
in großer
Entfernung (zum Beispiel 50 Meter) in einem Messvolumen fokussiert,
wo die beleuchteten Teilchen einen geringen Energiebruchteil kohärent zum
Sendestrahl, aber mit einer Verschiebung vom Doppler-Typ bezüglich der
optischen Frequenz, die durch die Geschwindigkeitskomponente der
Teilchen in der Rückkehrachse
des reflektierten Strahls verursacht wird, zur Quelle zurücksenden.
Die Erfassung besteht darin, das rückgestreute kohärente Licht
mit einem Bruchteil des gesendeten Strahls interferieren zu lassen
und Intensitätsschwebungen
mit einer elektronisch erfassbaren Frequenz zu erzeugen. Man verarbeitet
dann das elektronische Signal, um daraus ein Frequenzspektrum zu
entnehmen und aus diesem Spektrum eine statistische Mehrheitskomponente
abzuleiten, die die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen bezüglich des Anemometers
in Richtung der optischen Achse darstellt. Diese Anemometer mit
Längsmessung
ermöglichen
es, die Geschwindigkeit eines Luftfahrzeugs bezüglich einer vom Luftfahrzeug
entfernten Zone der Umgebungsluft zu messen, die also von diesem wenig
gestört
wird, während
die Anemometer mit Quermessung die Luft in einer Entfernung, die
etwa einen Meter nicht überschreitet,
also praktisch in einer turbulenten Atmosphäre beobachten.
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Wenn
man einen vollständigen
Geschwindigkeitsvektor messen möchte,
verwendet man drei aufeinanderfolgende oder gleichzeitige anemometrische
Messungen, deren optische Achsen in drei bekannten Richtungen ausgerichtet
sind (zum Beispiel drei orthogonale Richtungen), und man bestimmt
den Geschwindigkeitsvektor gemäß diesen
drei Komponenten. Weitere Messungen (zum Beispiel vier) können verwendet
werden, um Redundanzen zu erhalten, die die Messung des Geschwindigkeitsvektors absichern.
Dies ist typischerweise der Fall in einem Luftfahrzeug, bei dem
die Geschwindigkeit bezüglich der
Luft sowohl in der waagrechten Ebene als auch gemäß einer
senkrechten Achse nützlich
ist.
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Ein
Nachteil der Laseranemometer im Vergleich mit den einfachen Druckmesssonden
ist es, dass sie raumaufwändig
und aus diesem Grund schwierig in einem Luftfahrzeug anzuordnen
sind. Zum Beispiel ist es nicht einfach, einen Ort im Luftfahrzeug
zu finden, wo man einerseits den Platz hat, das Anemometer zu installieren,
und andererseits die drei Objektive richtig in drei vorteilhafte,
vorzugsweise orthogonale Richtungen weisen.
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Daher
ist es eines der Ziele der Erfindung, ein Anemometer zu entwickeln,
das unter Berücksichtigung
der durch die Umgebung aufgezwungenen Beschränkungen so einfach wie möglich installiert
werden kann.
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Mit
diesem Ziel wurde bereits in dem Patent FR-A-2 659 452 vorgeschlagen, die Laserquelle
und ihr Fokussieroptik in Abstand zu den Mitteln der interferometrischen
Erfassung und der elektronischen Verarbeitung, und sogar in Abstand
zur optischen Pumpquelle des Lasers anzuordnen, wenn der Laser ein optisch
gepumpter Laser ist. Im allgemeinen Fall, in dem eine Messung des
Geschwindigkeitsvektors gemäß drei Achsen
durchgeführt
wird, würde
dies aber dazu zwingen, schwierig herzustellende optische Schalter
zu verwenden.
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Es
wurde ebenfalls im Patent FR-A-2 761 162 vorgeschlagen, Lichtwellenleiter
und optische Koppler in verschiedenen Bereichen des Systems zu verwenden,
aber die daraus entstehende Architektur kann nur für sehr geringe
Lichtstärken
in der Größenordnung
von etwa 1 Watt funktionieren. Für
bestimmte Anwendungen, z.B. die Beobachtung von Geschwindigkeiten
in großer
Entfernung und großer
Höhe, sind
diese Leistungen viel zu schwach, und es sind mindestens zehn mal
höhere
Leistungen erwünscht.
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Die
Erfindung schlägt
folglich eine neue allgemeine Architektur eines Laseranemometers
vor, die eine größere Vielfalt
der Installation, eine Vereinfachung der Herstellung und trotzdem
eine ausreichende Sendeleistung ermöglicht, zudem unter Berücksichtigung
anderer den optischen und elektronischen Systemen innewohnender
technischer Zwänge
(zum Beispiel Minimieren des optischen und elektronischen Rauschens),
und natürlich
unter Berücksichtigung
der Kostenzwänge,
insbesondere bei der Serienherstellung.
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Zu
diesem Zweck wird ein Laseranemometer vorgeschlagen, das mindestens
eine Laserquelle, ein optisches Sende-/Empfangssystem, das es ermöglicht,
einerseits einen von der Quelle stammenden Laserstrahl zu in einem
bezüglich
des Anemometers in Bewegung befindlichen Medium schwebenden Teilchen
zu senden, und andererseits eine von den Teilchen rückgestreute
Strahlung zu empfangen und zu übertragen,
einen optischen Mischer, um einen Bezugslaserstrahl, der den vom
optischen System gesendeten Strahl darstellt, mit der von dem optischen
System empfangenen und übertragenen Strahlung zu
mischen, mindestens einen lichtempfindlichen Detektor, um die Energie
der Strahlung am Ausgang des Mischers zu erfassen, und ein elektronisches
Verarbeitungssystem aufweist, um die relative Geschwindigkeit des
bezüglich
des Anemometers in Bewegung befindlichen Mediums in Abhängigkeit von
den Frequenzkomponenten zu berechnen, die in den Ausgangssignalen
des Detektors vorhanden sind, wobei dieses Anemometer dadurch gekennzeichnet
ist, dass das optische Sende-/Empfangssystem sowie der Mischer von
dem gleichen Träger getragen
werden, die Laserquelle bezüglich
dieses Trägers
versetzt und mit dem optischen System über mindestens einen Lichtwellenleiter
verbunden ist, und der Detektor bezüglich des Trägers versetzt
und mit dem Ausgang des Mischers über einen Lichtwellenleiter
verbunden ist, wobei der Hauptsendekanal des vom Träger getragenen
Sende-/Empfangssystems
mit Hilfe einer nicht geleiteten Optik hergestellt wird.
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Nachfolgend
wird der Träger
des optischen Systems und des Mischers aus Gründen der Bequemlichkeit mit
dem Begriff Träger-"Platine" bezeichnet, ohne
dass dies eine besondere Form dieses Trägers bedeuten würde, da
die Form als Platte oder anders von den Umständen der in Betracht gezogenen
Herstellung und Benutzung abhängt.
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So
befinden sich nur die Sende-/Empfangsoptik und der optische Mischer
auf einer Trägerplatine,
die an einem Ort angeordnet werden muss, der von den Zwängen der
Anwendung diktiert wird: Zum Beispiel bei einem Flugzeug erlauben
die Zwänge der
Flugzeugstruktur nur wenig Auswahl an Stellen (und verfügbarem Platz
an diesen Stellen), um die Laserstrahlen in die gewünschten
Richtungen senden zu können.
Mit den heutigen Techniken kann man dann den Raumbedarf dieser Platine
auf etwa 15 × 8 × 5 cm3 begrenzen. Diese Platine kann in direkter
Nähe der
Außenfläche (oder "Haut") des Flugzeugs angeordnet
werden, während
der Rest des Anemometers an Stellen versetzt ist, wo man über mehr
Platz verfügt.
Mit den alten Architekturen benötigte
man sehr viel mehr Platz in der Nähe der Außenfläche des Flugzeugs, genau dort,
wo dieser Platz oft fehlt.
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Außerdem trägt die Platine
den Hauptsendekanal des von der Laserquelle gesendeten und über einen
Lichtwellenleiter empfangenen Strahls, aber dieser Hauptsendekanal
weist keine Elemente einer geleiteten Optik wie Zirkulatoren oder
optische Koppler auf, die mit Leistungen in der Größenordnung
von 20 Watt, die man senden möchte,
inkompatibel wären.
Er besteht in der Praxis hauptsächlich
aus Linsen, transparenten Lamellen und Prismen oder Trennlamellen
oder halbtransparenten Umlenkspiegeln, die den gesendeten Strahl
durchlassen und den reflektierten Stahl umrichten.
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Ein
weiterer Vorteil ist die völlige
Abwesenheit von elektrischen Bauteilen oder elektrischen Verbindungen
auf dieser Platine, was sie für
elektromagnetischen Störungen
unempfindlich macht.
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Für ein Anemometer
mit einer Messung gemäß mehreren
Achsen verwendet man mehrere Platinen, die je eine Sende-/Empfangsoptik
und einen optischen Mischer tragen. Die Laserquellen sind versetzt
und mit jeder der Platinen über
mindestens einen Lichtwellenleiter verbunden, und die Detektoren (die
sich nicht notwendigerweise an der gleichen Stelle befinden wie
die Quellen) sind je mit einer der Platinen über mindestens einen Lichtwellenleiter
verbunden. Die Platinen können
geographisch voneinander getrennt sein, zum Beispiel in einem Flugzeug eine
erste Platine auf der Backbordseite, eine andere auf der Steuerbordseite
und die dritte oben im Cockpit. Sie können aber auch von der gleichen
Struktur getragen werden, die zum Beispiel vorne am Flugzeug angebracht
ist, wobei diese Struktur dann vorzugsweise Mittel zur Regelung
der Ausrichtung aufweist, die es ermöglichen, die Ausrichtung jeder
Sende-/Empfangsoptik bezüglich
der Struktur (also bezüglich
des Flugzeugs) auf einen gewünschten
Wert einzustellen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Architektur
kann man außerdem
nun optische und elektronische Bauteile verwenden, die aufgrund
ihrer umfangreichen Verwendung auf dem Gebiet der Telekommunikationen
immer billiger werden, wie zum Beispiel die Lichtwellenleiter, ihre
Positioniersysteme und ihre Verbinder, wobei die Lichtwellenleiter-Koppler
als optischer Mischer usw. (außer
für den
Hauptsendekanal) dienen können.
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Als
Laserquellen werden vorzugsweise Quellen verwendet, die auf den
bei den Telekommunikationen verwendeten Wellenlängen arbeiten, insbesondere
Halbleiterlaser und Erbium-dotierte Festkörperlaser (oder Lichtwellenleiter),
die auf Wellenlängen
im Bereich bis 1,5 Mikrometer senden, die für das Auge nicht gefährlich sind.
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Vorzugsweise
ist die Laserquelle mit der Sendeoptik über einen ersten polarisationserhaltenden
Monomode-Lichtwellenleiter
verbunden, wobei dieser erste Lichtwellenleiter den größten Teil
der Energie der Laserquelle überträgt, und über einen
zweiten Lichtwellenleiter, vorzugsweise ebenfalls einen polarisationserhaltenden
Monomode-Lichtwellenleiter mit einem Eingang des optischen Mischers
verbunden, der sich auf der Platine befindet. Dieser zweite Lichtwellenleiter überträgt einen
kleinen Bruchteil der Laserleistung zum Mischer.
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Der
Mischer kann außerdem
zwei Ausgangskanäle
aufweisen und über
zwei Lichtwellenleiter mit getrennten (versetzten) Detektoren verbunden sein,
dies insbesondere, wenn man ein Prinzip der ausgeglichenen Erfassung
verwenden möchte,
das es ermöglicht,
die Geräusche
insbesondere aufgrund der Fluktuationen der Laserquelle zu verringern.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.
Es zeigen:
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1 das
System der Laseranemometrie gemäß der Erfindung;
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2 eine
Ausführungsvariante.
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Das
Laseranemometriesystem enthält
einer Trägerplatine 10,
die die Sende-/Empfangsoptik eines Laserstrahls, aber nicht die
Laserquelle trägt,
die der Ursprung dieses Strahls ist. Die Laserquelle 12 ist
versetzt, um sich an einer anderen Stelle zu befinden, und sie ist
mit der Platine über
einen Lichtwellenleiter 14 verbunden. Dieser Lichtwellenleiter
ist vorzugsweise vom polarisationserhaltenden Monomode-Typ, um die
Polarisation des Strahls aufrechtzuerhalten, wobei die Polarisation
insbesondere nützlich
ist, um die Trennung des Sendestrahls und des Rückkehrstrahls im Inneren der
Sende-/Empfangsoptik zu gewährleisten
(wobei die Trennung, wie man sehen wird, durch eine doppelbrechende Lamelle
hergestellt wird).
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Das
mit der Platine verbundene Lichtwellenleiterende wird von einem
Haltekopf 16 vorzugsweise mit Mitteln zur Positionsregelung
(nicht dargestellt) dieses Kopfes auf der Platine getragen.
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Die
Sende-/Empfangsoptik enthält
die üblicherweise
für die
Erzeugung eines Laserstrahls notwendigen Elemente, der in einer
Entfernung von etwa 50 Metern fokussiert wird. Diese Optik wurde
in Form eines afokalen Objektivs 20 (schematisch eine divergierende
Linse gefolgt von einer konvergierenden Linse) dargestellt. Die
Sendeoptik kann auch eine zusätzliche
Linse 22 aufweisen, die zwischen dem Objektiv 20 und
dem Kopf 16 des den Laserstrahl zuführenden Lichtwellenleiters 14 angeordnet ist.
Eine Viertelwellenlängenlamelle 24 und
eine Polarisations-Trennlamelle 26, die für eine Polarisation transparent
und für
die andere reflektierend ist, sind zwischen dem Objektiv 20 und
der Linse 22 angeordnet. Alle diese Elemente werden von
der Platine 10 getragen. Es sind optische Elemente in freier
Ausbreitung und keine geleiteten Optikelemente.
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Der
von der Laserquelle 12 über
den Lichtwellenleiter 14 zugeführte Laserstrahl geht nacheinander
- – in
die Linse 22, wo er kollimatiert wird, wobei die Positionsregelung
des Haltekopfes 16 das Ende des Wellenleiters 14 in
den Brennpunkt der Linse platziert;
- – durch
die Trennlamelle 26, die für die lineare Polarisation
des über
den Wellenleiter 14 kommenden Strahls transparent ist;
- – durch
die Viertelwellenleiterlamelle 24, die die lineare Polarisation
des Strahls in eine kreisförmige
Polarisation umwandelt;
- – durch
das afokale Objektiv 20, das ihn in die Atmosphäre überträgt, indem
es ihn in einem Messvolumen in großer Entfernung von der Sendeoptik fokussiert.
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Eine
Leistung von etwa 20 Watt kann ohne Schwierigkeiten diese Elemente
durchqueren.
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Das
von den im Messvolumen befindlichen Teilchen rückgestreute kohärente Licht
besitzt eine kreisförmige
Polarisation umgekehrt zu derjenigen des gesendeten Strahls; es
kommt über
das Objektiv 20, über
die Viertelwellenlängenlamelle 24 zurück, wo seine
kreisförmige
Polarisation in eine lineare Polarisation umgekehrt zur ursprünglichen
umgewandelt wird; aufgrund dieser umgekehrten Polarisation wird
das rückgeleitete
Licht von der Trennlamelle 26 vollständig zu einem Lichtwellenleiterende 32 reflektiert,
das einen ersten Eingang eines Lichtwellenleiterkopplers 30 bildet.
Das Ende des Wellenleiters 32 wird von einem Haltekopf 34 getragen,
der mit Mitteln zur Regelung seiner Position auf der Platine versehen
ist. Eine konvergierende Linse 36 kann zwischen der Lamelle 26 und
dem Haltekopf 34 vorgesehen sein, um den rückgeleiteten
Strahl auf das Ende des so gehaltenen Wellenleiters 32 zu
fokussieren.
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Die
Elemente 20, 24 und 26 sind den Sende- und
Empfangswegen der Sende-/Empfangsoptik gemeinsam; die Elemente 16 und 22 sind
spezifisch für den
Sendeweg; und die Elemente 34 und 36 sind spezifisch
für den
Empfangsweg. Alle werden von der Platine 10 getragen.
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Der
Lichtwellenleiterkoppler 30 wird ebenfalls von der Platine 10 getragen.
Dieser Koppler dient als optischer Mischer, der dazu bestimmt ist,
einen Bruchteil des Ausgangslaserstrahls mit dem kohärenten rückgeleiteten
Licht zu mischen, das vom Lichtwellenleiter 32 zugeführt wird.
Zu diesem Zweck weist der Koppler einen zweiten Eingangslichtwellenleiter 38 auf,
der mit einem Lichtwellenleiterverbinder 40 verbunden ist,
der sich auf der Platine 10 befindet. Der Verbinder 40 ist
mit einem vorzugsweise polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 42 verbunden,
der von der versetzten Laserquelle 12 einen kleinen Bruchteil
des kohärenten
Lichts des Lasers zuführt.
Ein solcher Lichtwellenleiterkoppler, der also mit geleiteter Optik
arbeitet, kann hier verwendet werden, da die im Empfangskanal zirkulierende Leuchtkraft
sehr viel schwächer
ist als diejenige, die im Hauptsendekanal zirkuliert.
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In
der Praxis kann die Laserquelle 12 aus einem kleinen Laser
geringer Leistung gefolgt von einer oder mehreren Verstärkerstufen
mit dotierten (meist mit Erbium) Lichtwellenleitern bestehen; der kleine
Laser geringer Leistung ist eine Laserdiode vom Typ DFB-Diode ("distributed feedback
diode", d.h. eine
Laserdiode mit Bragg-Gitter), oder ein Stablaser vom Typ Mikrochip-Laser, d.h. ein sehr
kleiner Laser mit festem Stab. In dieser Art Konstruktion wird,
das Ausgangssignal der Verstärker
mit dotiertem Lichtwellenleiter auf den Hauptlichtwellenleiter 14 übertragen,
und ein geringer Bruchteil Laserenergie wird am Ausgang des Lasers
geringer Leistung vor der Verstärkung
oder in einer Zwischenstufe entnommen, um dem Lichtwellenleiter 42 zugeführt zu werden.
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Der
Lichtwellenleiterkoppler, der aus den beiden Lichtwellenleitern 32 und 38 besteht,
die über eine
Länge von
einigen Zentimetern vereinigt und in ein Harz eingetaucht sind,
stellt die Mischung von zwei kohärenten
elektromagnetischen Wellen her, von denen eine (auf dem Lichtwellenleiter 38)
sich auf der Laserfrequenz der Quelle und die andere (auf dem Lichtwellenleiter 32)
sich auf einer in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit der Teilchen, die das Licht zur Quelle zurückgeschickt
haben, durch Doppler-Wirkung verschobenen Frequenz befindet. Die Welle,
die auf der Laserfrequenz der Quelle liegt, kann ggf. von einem
Frequenzumsetzer, z.B. einem akustooptischen Modulator, verschoben
werden; das ermöglicht
dann, ebenfalls das Vorzeichen der Geschwindigkeit zu kennen.
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Es
entsteht eine Schwebung im optischen Koppler, und die in dem oder
den Ausgangslichtwellenleiter(n) 30 des Kopplers ausgebreitete
Energie weist Maxima und Minima bei der Frequenz dieser Schwebung
auf.
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Diese
Energie wird einem lichtempfindlichen Detektor zugeführt, der
die Schwebungsfrequenz enthaltende elektrische Signale erzeugt.
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Im
dargestellten Beispiel wurden zwei verschiedene Detektoren vorgesehen,
die mit zwei symmetrischen Ausgängen
des Kopplers 30 verbunden sind. Die Ausgänge des
Kopplers, die von den Verlängerungen 44 und 46 der
Eingangslichtwellenleiter 32 und 38 gebildet werden,
sind mit zwei Lichtwellenleiterverbindern 48 bzw. 50 verbunden.
Der Verbinder 48 koppelt den Lichtwellenleiter 44 mit
einem Lichtwellenleiter 54, und der Verbinder 50 koppelt den
Lichtwellenleiter 46 mit einem anderen Lichtwellenleiter 56.
Die Lichtwellenleiter 54 und 56 übertragen
den Empfangslaserstrahl mit seinen Energieschwebungen an Detektoren 64 bzw. 66.
Die Lichtwellenleiter 54 und 56 müssen keine
polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter sein. Es sind einfache
Multimode-Lichtwellenleiter.
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Die
Detektoren 64 und 66 liefern elektrische Signale
auf einer Frequenz, die den Schwebungen des Sendelaserstrahls und
des Empfangslaserstrahls entsprechen. Ein einziger Detektor könnte für die Auswertung
der optischen Information ausreichen, aber mit zwei Detektoren kann
man eine ausgeglichene Erfassung durchführen, die es ermöglicht,
bestimmte Geräusche
zu eliminieren.
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Die
von den Detektoren kommenden Signale werden an Schaltungen zur schnellen
analogen (70) und digitalen Signalverarbeitung (72)
angelegt, wobei die Schaltungen zur schnellen digitalen Verarbeitung
für die
Bestimmung der Geschwindigkeit nützliche
digitale Informationen liefern.
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Die
Geschwindigkeitsbestimmung erfolgt anschließend in einem Rechner 74 ausgehend
von diesen digitalen Informationen.
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Die
vom Laserstrahl beleuchteten Teilchen haben zufällige Geschwindigkeiten in
der Beleuchtungsrichtung, aber statistisch haben sie eine mittlere Geschwindigkeit,
die der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Anemometer und der
Luft entspricht. Der Rechner verarbeitet die empfangenen Signale, um
daraus signifikante Daten der Frequenzspektren der von den Detektoren
erfassten Signale zu entnehmen.
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Die
Detektoren und die Schaltungen zur schnellen analogen 70 und
digitalen Signalverarbeitung 72 werden von einer oder mehreren
Druckschaltungskarten 75 getragen, die bezüglich der
Platine 10 versetzt und mit der Platine über die
Lichtwellenleiter 54 und 56 verbunden sind.
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Im
allgemeinen Fall versucht man die Geschwindigkeit gemäß drei verschiedenen,
vorzugsweise orthogonalen Achsen zu bestimmen, um einen vollständigen Geschwindigkeitsvektor
zu erhalten. In diesem Fall weist das vollständige Messsystem drei Platinen 10 (vorzugsweise
absolut gleich), drei vorzugsweise gleiche Druckschaltungskarten 75,
die die jeder Platine entsprechenden Detektoren und elektronischen
Schaltungen tragen, drei gleiche Laserquellen 12, und einen
einzigen Rechner 74 auf, der die Signale der drei Karten
verarbeitet. Diese Modularität
vereinfacht die Verwendung bei verschiedenen Anwendungen.
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In
einer Anwendung der Messung der Geschwindigkeit eines Luftfahrzeugs
sind nur die Platinen 10 in der Nähe der Haut des Flugzeugs angeordnet,
während
alle anderen Elemente an Stellen angeordnet sein können, wo
mehr Platz vorhanden ist.
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Die
Platinen können
dann an drei verschiedenen Stellen des Flugzeugs oder auch an der
gleichen Stelle angeordnet werden, gegenüber der drei Achsen mit Fernsichtweite
verfügbar
sind. In diesem Fall können
die drei Platinen auf einen gemeinsamen Träger montiert werden, der mit
Mitteln zur Regelung der Präzision
versehen ist, die die genaue Ausrichtung der Sendeoptiken in die
gewünschten
Richtungen erlauben.
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In
der in 1 gezeigten Ausführung verwendet man als optischen
Mischer einen Lichtwellenleitermischer, der vom Lichtwellenleiter 42 einen Bruchteil
des Strahls der Laserquelle 12 empfängt.
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2 stellt
eine Ausführungsvariante
dar, bei der der optische Mischer nicht aus einem Lichtwellenleiterkoppler,
sondern aus einem Mischerwürfel 80 besteht.
In diesem Fall sendet die Trennlamelle 26 den rückgeleiteten
Strahl zu einer ersten Eingangsseite des Würfels. Der von dem Lichtwellenleiter 42 stammende
(von der versetzten Laserquelle 12 kommende) Bezugsstrahl
wird über
eine Linse 82 (gleich der konvergierenden Linse 22 der 1)
auf eine andere Eingangsseite des Würfels gebracht. Der Würfel weist
eine halbreflektierende diagonale Fläche auf (Reflexionsvermögen gleich
dem Übertragungsvermögen in dem
Fall, in dem man zwei Detektoren verwendet und in dem man also symmetrisch auf
zwei Ausgangsseiten des Würfels
austritt). Ein Haltekopf 83 mit vorzugsweise regelbarer
Position ermöglicht
es, das Ende des Lichtwellenleiters 42 im Brennpunkt der
Linse 82 zu halten, in gleicher Weise wie der Kopf 16 den
Lichtwellenleiter 14 im Brennpunkt der Linse 22 hält. Die
Elemente 16, 20, 22, 24, 26 sind
die gleichen wie in 1 und haben die gleiche Aufgabe.
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Der
aus einer Ausgangsseite des Würfels austretende
Strahl ist eine Mischung aus dem von der Empfangsoptik kommenden
rückgeleiteten
Strahl und dem vom Lichtwellenleiter 42 kommenden Bezugsstrahl.
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Eine
Fokussieroptik (konvergierende Linse 84 für eine der
Ausgangsseiten, 86 für
die andere) fokussiert den gemischten Strahl auf das Ende eines Lichtwellenleiters 54 (oder 56),
der zum Detektor 64 (bzw. 66) führt. Die
Enden der Lichtwellenleiter 54 und 56 werden in
den Halteköpfen 88 bzw. 100 gehalten;
diese Köpfe
sind so positionsregelbar, dass das Ende des Lichtwellenleiters
sich im Brennpunkt der konvergierenden Linsen 84 und 86 befindet.
Die Lichtwellenleiter 54 und 56 sind Multimode-Lichtwellenleiter.
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In
dieser Ausführung
benötigt
man keine Verbinder mit Lichtwellenleitern 40, 48 und 50 wie
in 1. Diese Verbinder werden durch einfache Halte- und
Positionierköpfe
der Enden der Lichtwellenleiter ersetzt. Man benötigt aber einen Mischerwürfel 80 und
Fokussieroptiken 84 und 86.
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Ein
Frequenzumsetzer, z.B. ein akustooptischer Modulator, kann bei den
Anwendungen, bei denen das Vorzeichen der Geschwindigkeit bekannt sein
muss (Hubschrauber), auf dem Kanal 42 hinzugefügt werden,
vorzugsweise in oder in der Nähe
der Laserquelle 12.