DE69002707T2 - Mit einer bewegbaren Vorrichtung verbundener Apparat zur Erfassung von Signalen, die der Geschwindigkeit dieser Vorrichtung in einem Fluidum entsprechen sowie Messgerät mit einer solchen Vorrichtung. - Google Patents

Description

• Um bestimmte bewegliche Geräte wie etwa Flugzeuge oder bestimmte Raketen, selbst Schiffe, zu lenken, ist die Kenntnis ihrer Relativgeschwindigkeit in bezug auf ein Umgebungsfluid notwendig. Im folgenden werden Flugzeuge betrachtet, wobei jedoch Selbstverständlich ist, daß das im folgenden Gesagte bis auf den Fluidtyp auch für andere Typen von Geräten, die entweder fliegen oder sich auf dem Boden, im Wasser oder unter Wasser bewegen, gültig ist.
• Es ist bekannt, daß in einem Flugzeug diese Relativgeschwindigkeit anhand von Signalen bestimmt wird, die von vier Meßfühlern geliefert werden:
• - ein Meßfühler für den statischen Druck, dessen Meßfläche parallel zu den Strömungsfäden der Luft an einer Stelle angeordnet ist, wo weder Unterdrücke noch Überdrücke entstehen,
• - ein Meßfühler für den Gesamtdruck, dessen Meßfläche im allgemeinen vor dem Flugzeug wenigstens im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Flugzeugs angeordnet ist,
• - zwei klinometrische Meßfühler beispielsweise vom Typ eines Windrichtungszeigers, die den Anstellwinkel bzw. den Schiebewinkel des Flugzeugs angeben. Es wird daran erinnert, daß der Anstellwinkel derjenige Winkel ist, den der Relativgeschwindigkeitsvektor in bezug auf den Wind mit der Flügelbreite des Flugezeugs bildet, d.h. mit der Linie, die den vordersten Punkt des Flügels mit dem hintersten Punkt desselben in einem vertikalen Schnitt parallel zur Symmetrieebene des Flugzeugs verbindet. Die Kenntnis des Anstellwinkels ist wichtig, weil mit ihr den Gefahren eines Strömungsabrisses vorgebeugt werden kann; der Schiebewinkel ist derjenige Winkel, den der Relativgeschwindigkeitsvektor in bezug auf den Wind mit der Längsachse des Flugzeuges bildet.
• Diese vier Meßfühler, die an der Außenwand des Flugzeugs ebensoviele Vorsprünge bilden, weisen verschiedene Nachteile auf. Sie erzeugen Probleme hinsichtlich des mechanischen Widerstandes gegenüber Witterungseinflüssen und hinsichtlich einer stets guten Funktion, insbesondere während einer Vereisung; sie machen das Flugzeug durch ein Radar leichter erkennbar, was für Militärflugzeuge einen Nachteil darstellt; sie erfordern in Abhängigkeit vom Anstellwinkel von den Druckmeßfühlern auszuführende Meßkorrekturen; sie erzeugen Turbulenzen.
• Es ist außerdem aus dem Dokument EP-A-9533 bekannt, Laser-Anemometer mit Dopplereffekt zu verwirklichen, die ein mittels eines Oszillators moduliertes Laserstrahlenbündel emittieren und die Modulation des reflektierten Signals mit derjenigen des Oszillators vergleichen, um daraus die Geschwindigkeit der Teilchen abzuleiten, die die Reflexion verursacht haben. Bei diesem Anemometer-Typ wird das Meßvolumen durch den Teil des emittierten Strahlenbündels gebildet, in dem sich die Teilchen befinden, die die Reflexion hervorgerufen haben; es ist daher unmöglich, eine punktförmige Messung auszuführen, d.h. in einem kleinen Volumen, das sich in einem vorgegebenen Abstand vom Anemometer befindet.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen oder wenigstens zu verringern.
• Dies wird dadurch erhalten, daß Meßvorrichtungen mithilfe von Interferenzstreifen- Läseranemometern verwirklicht werden, wie sie auf festen Trägern in geschlossenen Räumen verwendet werden, um Luftströmungen zu messen, indem unter diesen Anemometern diejenigen ausgewählt werden, die am besten für einen Einbau geeignet sind, und indem diese Anemometer an die besonderen Bedingungen einer Messung im freien Raum angepaßt werden.
• Gemäß der Erfindung ist eine in einem beweglichen Gerät untergebrachte Vorrichtung zur Erzielung von Signalen, die die Geschwindigkeit des Geräts relativ zu einem Umgebungsfluid repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, daß sie n Interferenzstreifen-Anemometer mit Laser-Dioden enthält, wobei n eine ganze positive Zahl ist, daß jedes Anemometer ein optisches Filter aufweist, dessen Durchlaßband auf die Sendefrequenz der Laser-Diode zentriert ist, daß dieses Filter in der optischen Bahn zwischen dem Meßvolumen des betrachteten Anemometers und seinem Photodetektor angeordnet ist und daß diese Signale von den Photodetektoren der n Anemometer für wenigstens zwei bestimmte Richtungen von n Meßachsen bezüglich n Anemometern mit dem Ziel geliefert werden, wenigstens zwei Geschwindigkeitskomponenten zu bestimmen.
• Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich und weitere Merkmale werden deutlich mithilfe der folgenden Beschreibung und der ihr beigefügten Figuren, von denen zeigen:
• - Fig. 1 und 2 zwei Ansichten eines Anemometers, das in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist,
• - die Fig. 3 eine Ansicht des Meßvolumens des Anemometers gemäß den Fig. 1 und 2,
• - die Fig. 4 bis 7 Ansichten, die auf drei Vorrichtungen gemäß der Erfindung bezogen sind.
• In den verschiedenen Figuren sind die entsprechenden Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
• Die Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Anemometers mit Laser-Diode, das in der optischen Ebene nacheinander versehen ist mit einer Emissionsquelle, die durch eine Leistungs-Läser-Diode 1 gebildet ist, einer Kollimatoroptik 2, einem optischen Strahlenbündel-Teiler mit halbreflektierenden Spiegeln 3, einer Emissionsoptik 4, einer Empfangsoptik 5, einem Interferenzfilter 6, einer Blende 7 und einem Photodetektor 8. Dieses Anemometer ist in der französischen Patentanmeldung 2 637 085 vom 28. Juni 1989 beschrieben; es ist vom französisch-deutschen Forschungsinstitut von Saint-Louis (Frankreich) entwickelt worden; für seine Verwendung im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere durch Hinzufügung der Elemente 6 und 7 abgewandelt worden, deren Aufgabe im folgenden erläutert wird.
• Die Funktion des Anemometers gemäß Fig. 1 ist die folgende.
• Die Laser-Diode 1 emittiert monochromatische Strahlung. Aus dieser Strahlung bildet die Kollimatoroptik 2 ein Lichtstrahlenbündel, welches sie zum Eingang des Strahlenbündel- Teilers 3 leitet. Der Strahlenbündel-Teiler unterteilt das eintretende Strahlenbündel in zwei Strahlenbündel A und B, die er zur Emissionsoptik 4 schickt. Diese Emissionsoptik führt die beiden Strahlenbündel in einer mit Meßvolumen bezeichneten Zone M zusammen, in der Interferenzstreifen entstehen. Diese Streifen sind in Fig. 3 gezeigt, die eine stark vergrößerte, schematische Ansicht dieses Meßvolumens in einer durch die Diode verlaufenden vertikalen Ebene im wesentlichen in der Mitte des Volumens M ist; dieses Volumen, das sich verändert in Abhängigkeit von den Querschnittsabmessungen, die den Strahlenbündeln A und B verliehen worden sind, und in Abhängigkeit vom Winkel Q, den die Strahlenbündel einschließen, wenn sie sich schneiden, hat eine Länge in der Größenordnung von einigen 100 Mikrometern und eine Dicke und eine Breite in der Größenordnung von einigen 10 Mikrometern. Die abwechselnd hellen und dunklen Streifen, die im Volumen M entstehen, sind zur Halbierungsebene der beiden Strahlenbündel parallel. Der Abstand s, der die Mitte zweier aufeinanderfolgender Steifen trennt, ist gleich der Wellenlänge der Strahlung der Diode 1, geteilt durch den doppelten Sinus des Winkels Q/2. Die durch die Luftströmung im Volumen M bewegten Staubteilchen streuen das Licht, dessen Intensität sich aufgrund der Streifen periodisch verändert, und zwar mit einer Frequenz f proportional zu ihrer Geschwindigkeit V oder genauer in einer linearen Abhängigkeit von der Komponente U ihrer Geschwindigkeit V in der Richtung XX, die zur Ebene der Streifen senkrecht ist; diese Richtung bildet die im allgemeinen mit Meßachse des Anemometers bezeichnete Achse; die Beziehung, in der U, f und s stehen, lautet:
• U = f s (bis auf das Vorzeichen)
• Ein Teil des Lichts, das so durch die Teilchen gestreut worden ist, welche das Volumen M durchquert haben, durchquert nacheinander die Emissionsoptik 4 und die Empfangsoptik 5, um auf dem Photodetektor 8 gebündelt zu werden, indem sie durch das Interferenzfilter 6 und die Blende 7 verlaufen. Dieses Licht, dessen Leuchtkraft moduliert ist, erzeugt eine Modulation des elektrischen Ausgangssignals des Photodetektors 8, so daß eine einfache Messung der Modulationsfrequenz dieses elektrische Signals die Bestimmung der Komponente U des Geschwindigkeitsvektors erlaubt.
• Das Interferenzfilter 6 ist ein optisches Filter mit schmalem Durchlaßband, das auf der Frequenz der Emissionsspektrallinie der Diode 1 zentriert ist; seine Aufgabe besteht darin, das zum Photodetektor 8 gelieferte Licht von allem zu reinigen, was nicht von der Diode 1 ausgeht, insbesondere von Sonnenlicht; ohne Filter 6 wäre der Photodetektor 8 leicht gesättigt, was jede Messung unmöglich machen würde.
• Es ist festzustellen, daß die Anemometer mit Laser-Diode, Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die mit Hilfe der Fig. 4 bis 7 beschrieben werden, mit einer Laser-Diode verwirklicht worden sind, deren Spektrallinie bei 0,82 Mikrometern liegt, daß jedoch eine Untersuchung im Gange ist, um Laser-Dioden mit 1,4 und 1,9 Mikrometern zu verwirklichen; derartige Dioden hätten den Vorteil, daß sie eine Emissionsspektrallinie besitzen, die sich in einem Loch des Sonnenspektrums befindet und daher in Verbindung mit dem Filter 6 erlaubt, daß der Photodetektor 8 praktisch kein Sonnenlicht empfängt, weil das Durchlaßband des Filters vollständig in diesem Loch angesiedelt ist. Es ist außerdem festzustellen, daß das Durchlaßband des Filters 6 in dem Maß schmal gewählt werden kann, in dem die Frequenz der Emissionsspektrallinie der Diode 1 stabil ist; somit iäßt eine Temperaturstabilisierung der Diode 1 den Einsatz eines Filters mit sehr schmalem Band von ±1 Nanometer, d.h. eines gegenüber dem parasitären Licht sehr wirksamen Filters zu.
• Die Blende 7 hat die Aufgabe, das vom Photodetektor 8 empfangene Licht von Strahlungen zu säubern, die nicht vom Meßvolumen ausgehen, weil sie in bezug auf die optische Achse ZZ des Anemometers zu weit verschoben sind.
• Die Fig. 2 zeigt das Anemometer gemäß Fig. 1, betrachtet vom Kopfende, d.h. von einem Punkt der optischen Achse ZZ, der sich jenseits des Meßvolumens M befindet. In dieser Figur sind nur die Meßachse XX, das Meßvolumen M, die äußeren Umfänge der Emissionsoptik 4 und der Empfangsoptik 5 sowie die Lichtstrahlenbündel A und B gezeigt, die die Emissionsoptik 4 im Meßvolumen M zusammenführt, nachdem sie dieses nach einem Verlauf beiderseits der Empfangsoptik 5 erreicht haben.
• Es ist bei der Beschreibung der Fig. 3 gesehen worden, daß das Anemometer gemäß den Fig. 1 und 2 die Bestimmung der Komponente des Relativgeschwindigkeitsvektors entlang der Achse XX ermöglicht. Für die Führung eines Flugzeugs ist es erforderlich, daß die Komponente des Relativgeschwindigkeitsvektors in der durch die Längsachse des Flugzeugs verlaufenden vertikalen Ebene bekannt ist. Nun befindet sich bei einem Flugzeug der Relativgeschwindigkeitsvektor in einem von vorneherein bekannten Kegel, der vom Konstrukteur des Flugzeugs angegeben wird; es ist daher möglich, mit zwei Anemometern, deren Meßachsen in der vertikalen Längsebene des Flugzeugs richtig angeordnet sind, die Komponente des Geschwindigkeitsvektors in dieser Ebene durch die Projektionen dieses Vektors auf diese beiden Achsen zu bestimmen; diese Anordnung muß so sein, daß der Geschwindigkeitsvektor sich stets im selben Winkel zwischen den beiden Meßachsen befindet, derart, daß hinsichtlich der Bestimmung keine Mehrdeutigkeit entsteht, vorausgesetzt, daß die Projektionen auf die Meßachsen hinsichtlich ihrer Amplitude, jedoch nicht hinsichtlich ihres Vorzeichens bekannt sind; da der maximale Ausschlag des relativen Geschwindigkeitsvektors unter Flugbedingungen im allgemeinen 90º nicht übersteigt, ist es möglich, die beiden Meßachsen mit 45º beiderseits der Längsachse des Flugzeugs anzuordnen, um die gesuchten Projektionen zu erhalten.
• Wenn die Messung des Geschwindigkeitsvektors durch einen Mittelwert über die vom Anemometer gegebenen Werte erhalten wird, brauchen die beiden oben erwähnten Projektionen auf dasselbe Teilchen nicht bestimmt zu werden; es ist daher möglich, die Meßvolumina der beiden Anemometer voneinander zu trennen, wobei sie jedoch in denselben Luftfäden gelassen werden. Eine solche Verwirklichung ist in Fig. 4 gezeigt; diese Figur zeigt zwei Anemometer, die mit dem Anemometer gemäß den Fig. 1 und 2 identisch sind, betrachtet vom Kopfende wie in Fig. 2, wo die auf diese beiden Anemometer bezogenen Bezugszeichen diejenigen von Fig. 2 sind, gefolgt von einer 1 bzw. von einer 2. Die beiden Anemometer von Fig. 4 sind übereinander angeordnet und um -45º und +45º um ihre Längsachse gedreht, welche der Achse ZZ in Fig. 1 entspricht; selbstverständlich können für die Winkel andere Werte gewählt werden, wobei jedoch, wie weiter oben erläutert worden ist, der maximale Ausschlag des Relativgeschwindigkeitsvektors berücksichtigt werden muß.
• Eine weitere Möglichkeit der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit besteht darin, ein einzelnes Anemometer wie dasjenige der Fig. 1 und 2 zu verwenden, jedoch dessen Strahlenbündel-Teiler 3 um die Achse ZZ zu drehen oder ozillieren zu lassen; die für die Relativgeschwindigkeit erhaltenen Maximalwerte entsprechen Teilchen, deren Bahnen zur Meßachse XX parallel sind, während die Minimalwerte Teilchen entsprechen, deren Bahnen zur Achse XX praktisch senkrecht sind. Eine solche Verwirklichung ist in Fig. 5 gezeigt.
• Die Einrichtung gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von dem Anemometer gemäß den Fig. 1 und 2 nur durch die Hinzufügung einer drehbaren Scheibe 30, die von einem Motor 31 angetrieben wird und mit einem Winkel-Meßwertaufnehmer 32 gekoppelt ist, der dazu bestimmt ist, ein Phasenreferenzsignal zu liefern, um eine Verarbeitung des vom Photodetektor 8 gelieferten Signals zu ermöglichen. Die Drehscheibe trägt den Strahlenbündel-Teiler 3 und treibt diesen um die Achse ZZ in Drehrichtung an. In dem Fall, in dem der Motor den Teiler zu Oszillationen antreibt, können die Oszillationen senkrecht sein, d.h. progressiv wie ein Uhrenpendel, oder sie können plötzlich geschehen, mit Aufenthalten von vorgegebener Dauer in den beiden Extrempositionen; im letzteren Fall werden die Messungen nur während der Aufenthalte ausgeführt. Im Falle von vollständigen Drehungen oder progressiven Oszillationen werden die Messungen mit dem in Bewegung befindlichen Teiler ausgeführt.
• Die Fig. 6 und 7 entsprechen einer weiteren eingebauten Meßvorrichtung für die Erzielung von Signalen, die die Relativgeschwindigkeit eines Flugzeugs in bezug auf die Luft repräsentieren. Diese Vorrichtung ist durch ein Doppel-Anemometer gebildet, das sich von demjenigen gemäß den Fig. 1 und 2 durch einen Strahlenbündel-Teiler 3' mit vier Ausgangsstrahlenbündeln A, B, A', B', durch zwei Meßvolumina M und M', durch zwei Blenden 7 und 7' und durch zwei Photodetektoren 8 und 8' unterscheidet. Die vier Strahlenbündel sind in Fig. 7 in der Ausgangsebene des Teilers 3 dargestellt; diese Figur zeigt, daß in der Ausgangsebene des Teilers 3 das Paar von Strahlenbündeln A'B' in bezug auf das Paar AB um 90º verschoben ist und daß darüber hinaus seine Mitte in bezug auf die Mitte des Paars AB nach unten versetzt ist, was zur Folge hat, daß die den Strahlenbündeln AB bzw. A'B' entsprechenden Meßvolumina M und M' verschieden sind und daß das aus diesen Meßvolumina ausgehende Licht auf den beiden benachbarten Photodetektoren fokussiert werden kann, ohne daß zwischen den von den beiden Meßvolumina M und M' ausgehenden Strahlungen eine Interferenz erzeugt wird. Es ist festzustellen, daß wegen der Position der Strahlenbündel A'B' von 90º gegenüber derjenigen der Strahlenbündel AB die Meßachsen, die in Fig. 6 nicht gezeigt sind, jedoch der Achse XX von Fig. 1 entsprechen, für das Volumen M, wie in Fig. l gezeigt, vertikal und für das Volumen M' senkrecht zur Figurenebene sind. Die Einrichtung gemäß den Fig. 6 und 7 ist mit einem Winkel von 90º zwischen den beiden Meßachsen verwirklicht worden. In dem Fall, in dem der maximale Ausschlag des Relativgeschwindigkeitsvektors kleiner als 90º ist, kann dieser Winkel zwischen den Meßachsen bis zum Wert dieses maximalen Ausschlags verkleinert werden kann, jedoch unter der Voraussetzung, daß die Längsachse des Flugzeugs parallel zur Halbierenden dieses Winkels ist, wie dies übrigens auch für die anderen Vorrichtungen der Fall ist. Es ist festzustellen, daß die Photodetektoren 8, 8', die in Fig. 6 getrennt sind, in der Verwirklichung, die als Beispiel gedient hat, tatsächlich vom selben Träger gehalten werden.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die unten beschriebenen Beispiele beschränkt sie findet insbesondere auf den Fall Anwendung, in dem die Koordinaten des Geschwindigkeitsvektors nicht mehr in einer Ebene, sondern im Raum gesucht werden, wobei in dem Fall, in dem die Meßachsen fest sind, wenigstens drei Anemometer und in dem Fall, in dem sie sich drehen oder oszillieren, wenigstens zwei Anemometer erforderlich sind; im Falle der drei festen Meßachsen kann die Vorrichtung beispielsweise von Vorrichtungen gemäß den Fig. 4 oder 6 und 7 gebildet sein, die einem Anemometer gemäß den Fig. 1 und 2 zugehören, wobei die Meßvolumina nahe beieinander liegen und zwischen diesen beiden Einheiten beispielsweise ein Winkel von 90º vorhanden ist. Es ist außerdem möglich, zum Beispiel ein Anemometer gemäß den Fig. 1 und 2 einer Vorrichtung gemäß Fig. 5 zuzuordnen, wobei sie beispielsweise einen Winkel von 90º einschließen und wobei die beiden Meßvolumina nahe beieinander befinden.
• Ebenso kann die Ausbildung von Vorrichtungen gemäß der Erfindung von derjenigen der obenbeschriebenen Vorrichtungen unterschiedlich sein; gleichermaßen können der oder die Strahlenbündel-Teiler, die in den in Frage stehenden Verwirklichungen aus Spiegeln bestanden, auch mithilfe von Lichtleitfasern hergestellt sein.
• Es ist außerdem möglich, keine Blende zu verwenden und die Lichtfilter zwischen den Emissionsoptiken und den Empfangsoptiken anzuordnen.
• Wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung von Signalen verbunden ist, welche von ihrem oder ihren Photodetektoren geliefert werden, bildet sie ein Meßgerät für die Relativgeschwindigkeit des Geräts, in dem sie untergebracht ist.

Claims (10)

1. In einem beweglichen Gerät untergebrachte Vorrichtung zur Erzielung von Signalen, die die Geschwindigkeit des Geräts relativ zu einem Umgebungsfluid repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, daß sie n Interferenzstreifen-Anemometer mit Laser-Dioden (1) enthält, wobei n eine ganze positive Zahl ist, daß jedes Anemometer ein optisches Filter (6) aufweist, dessen Durchlaßband auf die Sendefrequenz der Laser-Diode (1) zentriert ist, daß dieses Filter in der optischen Bahn zwischen dem Meßvolumen (M, M1, M2, M') des betrachteten Anemometers und seinem Photodetektor (8, 8') angeordnet ist und daß diese Signale von den Photodetektoren der n Anemometer für wenigstens zwei bestimmte Richtungen (X1X1, X2X2) von n Meßachsen bezüglich n Anemometern mit dem Ziel geliefert werden, wenigstens zwei Geschwindigkeitskomponenten zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Anemometer enthält, deren jeweilige Meßvolumen (M1, M2) nahe beieinanderliegen und deren jeweilige Meßachsen (X1X1, X2X2) einen Winkel bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Anemometer mit einem Strählenbündelteiler (3) enthält, der auf einem rotierenden Träger (30) so angebracht ist, daß sich das Meßvolumen (M) um sich selbst dreht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Träger (30) den Teiler (3) in einer kontinuierlichen Drehbewegung antreibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Träger (30) den Teiler (3) in einer oszillierenden Bewegung antreibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierende Bewegung pendelartig ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierende Bewegung mit einem plötzlichen Durchgang zwischen zwei Extrempositionen und mit Aufenthalt mit vorbestimmter Dauer an jeder Extremposition erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher n den Wert 2 hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der n Anemometer ein Doppel-Anemometer mit einer gemeinsamen Laser-Diode (1) bilden, auf die optisch ein Strahlungsbündelteiler (3') mit vier Ausgangsstrahlenbündeln und zwei getrennte Photodetektoren (8, 8') folgen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anemometer eine Blende (7, 7') enthalten, die in der optischen Bahn zwischen dem Meßvolumen (M, M') und ihren Photodetektoren (8, 8') liegt.

10. Apparat zum Messen der Relativgeschwindigkeit eines beweglichen Geräts, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.