DE69521468T2 - Sender-Emfänger für ein Längsdoppleranemometer - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft einen Sende-Empfangskopf für Doppler-Laser-Längswindmesser und insbesondere für einen derartigen Windmesser mit mindestens einem Paar Messachsen.
• Doppler-Längswindmesstechniken sind bereits bekannt, bei denen ein Laserstrahl mit der Frequenz f von einem Fahrzeug, insbesondere einem Luftfahrzeug, abgegeben wird, das sich in Bezug auf die Umgebungsluft in Bewegung befindet. Man empfängt das rückgestrahlte Licht durch die in der Luft hängenden Aerosole und man misst die Doppler-Abweichung Δf der Frequenz des rückgestrahlten Lichts in Bezug auf die Frequenz f. Man weiß, dass die Doppler-Abweichung Δf proportional zur Projektion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf der Messachse ist.
• Demzufolge kann man den Vektor Geschwindigkeit durch drei Messungen auf drei verschiedenen Messachsen ermitteln. Vorzugsweise sollte man vier Messachsen wählen, um über eine redundante Information zu verfügen.
• Beispielsweise aus der Unterlage "REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, JULY 1984, USA, Band 55, Nr. 7, ISSN 0034-6748, NEW YORK, NY, US, Seiten 1090-1093, BAHNEN R H UND AL., Laser Doppler velocimeter for multicomponent measurements using an electro-optical modulator demonstrated for a twocomponent optical configuration" sind ebenfalls Streifenlaser-Windmesser bekannt, die nach einem anderen Prinzip funktionieren. Bei diesem Windmessertyp überschneiden sich die Emissionsachsen zweier Strahlen in Entfernung, und man lässt die beiden Strahlen interferieren, um eine Komponente des Vektors Geschwindigkeit daraus zu erhalten.
• In der Unterlage "NASA TECH BRIEF, Band 1, Nr. 2, 1976 WASHINGTON DC, US, Seiten 182-183" wurde ebenfalls vorgeschlagen, ein Viertelwellenplättchen in einem Laserwindmesser mit Drehspiegel zu verwenden, das ebenfalls nach einem anderen Prinzip funktioniert als demjenigen der Laser-Längswindmesser.
• Im übrigen beschreibt die Unterlage US-A-4 199 226 eine Verwendung eines Glan-Prismas in Laser-Sende- /Empfangsvorrichtungen, wie beispielsweise Telemetern, Spektroskopen oder Luftverschmutzungssensoren. Im Bereich der Laser-Längswindmesser wird keine Anwendung erwähnt.
• Sowohl aus Gewichts- als auch aus Kostengründen ist es bei den Laser-Längswindmessern wünschenswert, alle Strahlen ab einem einzigen Laser zu bilden. Demnach muss man den vom Laser gesendeten Strahl so teilen können, dass er auf die verschiedenen gewählten Messachsen gerichtet wird. Es ist ebenfalls wünschenswert, den Strahl nicht gleichzeitig auf alle Messachsen zu richten, um für jede Messung über eine stärkere Leistung zu verfügen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sende- /Empfangskopf für einen Windmesser vorzuschlagen, der die vorgenannten Merkmale aufweist, und der außerdem vorzugsweise keine beweglichen mechanischen Teile umfasst, deren Vibrationen sowohl der Zuverlässigkeit des Materials als auch der Messgenauigkeit abträglich sind.
• Zu diesem Zweck ist das Ziel der Erfindung ein Sende- /Empfangskopf für Doppler-Laser-Längswindmesser gemäss Anspruch 1.
• Im erfindungsgemäßen Sende-/Empfangskopf wird demnach ein einziger Laser verwendet, und seine Leistung wird abwechselnd auf die eine und die andere Achse eines Messachsenpaares umgeschaltet.
• Das Plättchen hat zur Wirkung, den linear polarisierten Strahl in einen kreisförmig polarisierten Strahl umzuwandeln. Da die Aerosole eine im allgemeinen sphärische Form aufweisen, ist die Polarisierung des zurückgestrahlten Strahls umgekehrt kreisförmig. Nach dem Viertelwellenplättchen ist der zurückgestrahlte Strahl demnach linear polarisiert, jedoch zu 90º in Bezug auf den Eingangsstrahl versetzt. Er tritt demnach stets in der gleichen Richtung aus den Polarisierungstrennmitteln aus und kann an dieser Stelle von geeigneten Mitteln, beispielsweise einer Lichtleitfaser gesammelt werden.
• Die Trennmittel können beispielsweise aus einem Glan-Prisma realisiert werden. Die Polarisierungsumschaltmittel können aus Mitteln mit elektrisch-optischer Wirkung, beispielsweise einer Zelle mit Pockels-Wirkung, einem nematischen oder ferroelektrischen Flüssigkristall oder einem ZnSe-Kristall mit elektrisch-optischer Wirkung realisiert werden. Der erfindungsgemäße Sende-/Empfangskopf ermöglicht demzufolge, die angestrebten Ziele ohne mechanische Mittel zu erreichen.
• Bei einer besonderen Ausführungsform besteht die Ausgangsoptik des erfindungsgemäßen Sende-/Empfangskopfs aus einem Teleskop.
• Nachfolgend wird als nicht begrenzendes Beispiel eine besondere Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, auf denen:
• - Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Sende- /Empfangskopfs für einen Windmesser mit vier Messachsen zeigt;
• - Fig. 2 eine Schnittansicht der auf Fig. 1 dargestellten Polarisierungstrennmittel nach der Linie II-II der Fig. 3 zeigt;
• - Fig. 3 eine Vorderansicht der Polarisierungstrennmittel darstellt;
• - Fig. 4 eine Schnittansicht nach der Linie IV-IV der Fig. 3 ist; und
• - Fig. 5 und 6 analoge Figuren der Fig. 2 und 3 für eine andere Polarisierung des Eingangsstrahls sind.
• Der auf Fig. 1 dargestellte Sende-/Empfangskopf umfasst einen Laser 1, dessen Strahl von Spiegeln 2 und 3 an Polarisierungsumschaltmittel 4, beispielsweise mit Flüssigkristallen, zurückgestrahlt wird. Steuermittel 5 schalten die Mittel 4 so um, dass der aus ihnen heraustretende Strahl 6 abwechselnd lineare, um 90º versetzte Polarisierungen aufweist.
• Dann wird der Strahl 6 in einem Prisma 7 in zwei parallele Strahlen geteilt, und am Ausgang des Prismas 7 durchlaufen die beiden so erhaltenen Strahlen das Polarisierungstrennmittel 8, das jetzt unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 6 beschrieben wird.
• Das Trennmittel 8 besteht aus einem Glan-Prima 9, dessen aktive Fläche 10 entweder von den beiden Strahlen (Fig. 5 oder 6) durchlaufen wird oder die sie zum einem Spiegel 11 zurückstrahlt (Fig. 2 und 3), je nach ihrem Polarisierungszustand. Die Fläche 10 des Glan-Prismas und der Spiegel 11 sind parallel, so dass die Ausgangsstrahlen des Trennmittels 8, d. h. entweder die beiden durchlaufenden Strahlen 12 oder die beiden zweimal zurückgestrahlten Strahlen 12', parallel sind.
• Diese Strahlen durchlaufen dann ein Viertelwellenplättchen 13, dessen Ausgangsstrahlen demnach eine kreisförmige Polarisierung aufweisen.
• Diese letzten Strahlen werden von dem kleinen Spiegel 14 eines Teleskops 15 zum großen Spiegel 16 zurückgesendet, der sie seinerseits in die Richtungen der vier Messachsen richtet, und zwar durch das Ausgangsfenster des Geräts 17 und das in der Haut 19 des Luftfahrzeugs, an dem der Windmesser montiert ist, vorgesehene Fenster 18.
• Der große Spiegel 16 des Teleskops 15 umfasst eigentlich nur vier elementare Spiegel, einen für jeden aus dem Polarisierungstrennmittel 8 kommenden Strahl. Im übrigen werden die Lichtstrahlen innerhalb des Teleskops von zwei aus vier ebenen Spiegeln bestehenden Einheiten 20 und 21 geknickt, wodurch die Länge der Vorrichtung verkürzt werden kann.
• Man kann bemerkten, dass kein Strahl einen normalen Einfall aufweist, was zur Folge hat, die sogenannte "Narzissen- Wirkung" zu beseitigen.
• Das von den Aerosolen der Luft zurückgestrahlte Licht, dessen kreisförmige Polarisierung demnach umgekehrt ist, wird vom Teleskop 15 wieder aufgefangen, wonach es das Viertelwellenplättchen 13 durchläuft. Die zurückgestrahlten, jeweils in das Polarisierungstrennmittel 8 eintretenden Strahlen 22 und 22' sind demnach linear polarisiert, jedoch mit einem Versatz von 90º in Bezug auf die einfallenden Strahlen.
• Demzufolge wird der aus dem Strahl 12 stammende Strahl 22 nach seinem Durchlauf durch die Fläche 10 des Glan-Prismas von dieser Fläche zurückgestrahlt (Fig. 5). Der aus dem Strahl 12' stammende, von der Fläche 10 zurückgestrahlte Strahl 22' durchläuft diese Fläche (Fig. 2). Alle zurückgestrahlten Strahlen werden also an eine Kollimationsoptik 23 zurückgesendet und von dort aus über eine Lichtleitfaser 25 an ein Analysegerät 24. Die Lichtleitfaser 25 ist vorzugsweise eine Faser mit Polarisierungskonservierung, um im Analysegerät 24 eine kohärente Erfassung (mittels eines lokalen Oszillators) zu ermöglichen.
• Die Steuermittel 5 schalten die Polarisierungsmittel 4 abwechselnd von einen Zustand auf einen anderen. So lässt das Polarisierungstrennmittel 8 abwechselnd die Strahlen 12 und 12' durch, was dem Analysegerät 24 ermöglicht, abwechselnd zwei Messachsen und dann die beiden andern Achsen zu bearbeiten.

Claims (5)

1. Sende-/Empfangskopf für Doppler-Laser- Längswindmesser mit mindestens einem Paar Messachsen, dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst

- Polarisierungsumschaltmittel (4) auf dem Laserstrahlweg,

- Polarisierungstrennmittel (8) auf dem Weg des polarisierten, aus den Umschaltmitteln kommenden Strahls,

- Steuermittel (5) zum abwechselnden Umschalten der Umschaltmittel von einem Zustand in einen anderen, um den Strahl je nach Polarisierungszustand abwechselnd auf eine Messachse und dann auf eine andere zu richten,

- wobei die Trennmittel so angeordnet sind, dass der aus ihnen austretende Strahl bei der Umschaltung parallel zu ihm selbst verschoben wird, wobei eine Ausgangsoptik (15) vorgesehen ist, um den Strahl entsprechend seiner Verschiebung auf eine der Messachsen zu richten,

- wobei am Ausgang der Polarisierungstrennmittel ein Lambda-Viertelwellenplättchen vorgesehen ist.

2. Sende-/Empfangskopf nach Anspruch 1, bei dem die Trennmittel ein Glan-Prisma umfassen (9).

3. Sende-/Empfangskopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die Polarisierungsumschaltmittel Mittel mit elektrisch-optischer Wirkung umfassen.

4. Sende-/Empfangskopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die Polarisierungsumschaltmittel Mittel mit elastisch-optischer Wirkung umfassen.

5. Sende-/Empfangskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem die Ausgangsoptik bildenden Teleskop.