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Die
Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Fernmessung von
Luftströmungen,
und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung
zur Fernmessung von Luftströmungen
und auf ein Verfahren zur Fernmessung von Luftströmungen.
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Die
Messung der Luftgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung der Luft ist
wichtig, wenn die Bewegung eines Flugzeugs im Fluge gesteuert wird. Gegenwärtig benutzte
Verfahren verwenden ein Pitotrohr, das vom Flugzeug vorsteht und
Geschwindigkeitsmessungen in Ausdrücken des Differenzdruckes zwischen
der Luft im Pitotrohr und der Luft außerhalb des Pitotrohres ermöglicht.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es nur in der Lage ist,
die Geschwindigkeit dicht benachbart zur Zelle des Flugzeugs dort zu
messen, wo die Strömungsrichtung
der Luft beträchtlich
durch die Flugzeugzelle beeinflusst werden kann, und dieses Verfahren
ist bei geringen Geschwindigkeiten unempfindlich, da der Differenzdruck
zwischen der Luft innerhalb und außerhalb des Rohres proportional
dem Quadrat der Luftgeschwindigkeit ist. Diese Nachteile sind insbesondere
akut bei Hubschraubern, wo die Vorwärtsgeschwindigkeit der Luft
sehr gering oder sogar negativ sein kann und die Strömungsrichtung
der Luft in unmittelbarer Nähe der
Flugzeugzelle erheblich durch den Abwind vom Triebwerksrotor beeinflusst
werden kann.
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Außerdem arbeiten
Hochleistungsflugzeuge im Flug, beispielsweise Überschallflugzeuge, unter unstabilen
aerodynamischen Konfigurationen und erfordern eine Messung der Luftströmungsrichtung
relativ zum Flugzeug, um die Bewegung zu stabilisieren.
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Die
FR-A-2556841 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fernmessung
der Luftströmung
unter Benutzung eines Detektors, der von einem Flugzeug getragen
wird, das einen Sender aufweist, um einen Lichtstrahl auf einem
entfernt liegenden Brennpunkt in der Luft zu fokussieren. Dabei ist
ferner ein Empfänger
vorgesehen, der das resultierende Licht von dem Lichtstrahl empfängt, der durch
die Luft an dem fern liegenden Brennpunkt gestreut wird, und es
ist ein Detektor vorgesehen, um aus dem resultierenden Licht die
Strömungsrichtung und
die Geschwindigkeit der Luft an dem Brennpunkt zu bestimmen.
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Die
EP-A-0355018 beschreibt einen Doppler-Geschwindigkeitsmesser, der
einen Halbleiter-Laserstrahl benutzt, der in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird,
von denen der eine nach dem Ziel läuft und dadurch zurückgeführt wird,
während
der andere Teilstrahl reflektiert wird. Der zurückgeführte und der reflektierte Teilstrahl
werden vermischt und analysiert, um die Zielgeschwindigkeit zu ermitteln.
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Die
US-A-4255048 beschreibt einen richtungsempfindlichen Laser-Geschwindigkeitsmesser, der
einen ausgesandten Laserstrahl benutzt, um ein Ziel zu beleuchten
und um Rückstreulicht
zu erzeugen, das in zwei Teile aufgeteilt wird, von denen ein Teil
mit dem ausgesandten Strahl vermischt und durch einen ersten Photodektor
erfasst wird. Der andere Teil wird um 90° phasenverschoben und mit dem
anderen der beiden Teile vermischt und durch einen zweiten Photodektor
erfasst. Der Ausgang des ersten Photodektors wird mit dem Ausgang
des zweiten Photodektors multipliziert, um ein Signal zu erzeugen,
das die Bewegungsrichtung des Ziels anzeigt.
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Die
GB-A-2254975 lehrt die Benutzung eines einzigen Laser-Übertragungsstrahls
und eines einzigen Empfangsstrahls, der erfasst und benutzt wird,
um eine Anzeige der Windgeschwindigkeit zu erzeugen, indem der Laserstrahl
moduliert wird, um eine Dopplerverschiebung in der Frequenz zu erzeugen.
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Die
US-A-5587785 beschreibt einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser,
der eine Faseroptik benutzt, um kontinuierlich sich in der Frequenz änderndes
Laserlicht auf einen zu messenden Bereich zu richten und zu fokussieren.
Streulicht aus dem Bereich wird empfangen, und es wird eine Doppler-Verschiebungs- Frequenz berechnet
und benutzt, um die Strömung
in diesem Bereich zu berechnen.
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Aus 1 ist es bekannt, ein Doppler-Anemometer 10 vorzusehen,
um die Geschwindigkeit der Luftströmung zu messen, wobei eine
Laserdiode 11 benutzt wird, um einen Laserausgang 12 zu
erzeugen, der durch eine Kollimatorlinse 13 in einen Parallelstrahl 14 gerichtet
wird. Die Laserdiode wird so orientiert, dass sie einen Laserausgang 12 erzeugt,
der in Ausbreitungsrichtung des Parallelstrahls 14 so polarisiert
ist, dass der Parallelstrahl 14 durch einen Polarisations-Strahlteiler 15 übertragen
wird, um einen Strahl 16 zu erzeugen.
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Der
Strahl 16 tritt dann durch eine Viertelwellenplatte 17 hindurch
, die das linear polarisierte Licht des Strahls 16 in einen
zirkular polarisierten Lichtstrahl 18 umwandelt. Der Lichtstrahl 18 wird
durch ein Teleskop 19 mit den Linsen 20 und 21 expandiert und
tritt dann durch ein Fenster 22 des Flugzeugs. Der Strahl 18 wird
auf einen Brennpunkt 23 fokussiert, der in einer Entfernung
vom Fenster 22 liegt, indem die Linsen 20, 21 entsprechend
eingestellt werden.
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Die
Luftströmung
durch den Brennpunkt 23 enthält Partikel, beispielsweise
Staub, vulkanische Asche oder Aerosole in Form mikroskopischer Wassertropfen.
Messungen, die in verschiedenen Gegenden der Welt durchgeführt wurden,
zeigen, dass derartige Partikel überall
in der Atmosphäre
mit einer Konzentration vorhanden sind, die ausreicht, um einen
messbaren Betrag einer Rückstreuung
vom Lichtstrahl 18 zu erhalten. So wird ein geringer Anteil des
Lichtes 24, der durch atmosphärische Partikel in der Nähe des Brennpunktes 23 gestreut
wird, in eine Richtung gestreut, die durch das Fenster 22,
die Linsen 20, 21 des Teleskops 19 und
die Viertelwellenplatte 17 zurückkehrt, um einen parallel
gerichteten Signalstrahl 25 zu erzeugen. Wenn das Licht 24 durch
die Viertelwellenplatte 17 hindurchtritt, wird es aus dem
zirkular polarisierten Zustand in einen linear polarisierten Zustand
umgewandelt, jedoch mit einer Polarisationsrichtung, die senkrecht
auf der Polarisationsrichtung des Strahles 16 steht.
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Die
Signalstrahl 25 wird im Wesentlichen durch den polarisierten
Strahlteiler 15 reflektiert und durch die Linse 26 auf
der Oberfläche
eines Photodektors 27 fokussiert.
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Ein
geringer Anteil des Strahls 16 wird von einer der Linse 20 am
Nächsten
liegenden ebenen Fläche 28 der
Viertelwellenplatte 17 reflektiert und kehrt durch die
Platte 17 zurück,
um einen Bezugsstrahl 29 zu erzeugen. Der von der ebenen
Fläche 28 der
Platte 17 reflektierte Anteil des Strahls 16 wird von
linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt
und dann zurück
in linear polarisiertes Licht, aber mit einer Änderung der Polarisationsrichtung
derart, dass diese senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bezugsstrahls 29 steht.
Der Bezugsstrahl 29 wird durch den Strahlteiler 15 reflektiert
und durch die Linse 26 auf den Photodektor 27 fokussiert.
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Die
Orientierung der Viertelwellenplatte 17 wird so eingestellt,
dass der Bezugsstrahl 29 genau parallel und kolinear zu
dem Signalstrahl 25 verläuft. Der Bezugsstrahl 29 und
der Signalstrahl 25 bilden ein Interferenzmuster auf der
Oberfläche
des Photodektors 27, und wenn die Platte 17 genau
ausgerichtet ist, dann ist der Abstand der Interferenzstreifen, der
durch die Strahlen 25, 29 erzeugt wird, beträchtlich
größer als
der Durchmesser von den beiden Strahlen 25, 29,
so dass der Photodektor eine Lichtintensität empfängt, die mit der Differenzfrequenz
zwischen den Strahlen 25, 29 moduliert ist, und
dies ist die Dopplerfrequenz, die der Bewegung der Partikel am Brennpunkt 23 entspricht.
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Der
Photodektor 27 erzeugt einen Ausgangsstrom 30,
der einem Signalanalysator 31 zugeführt wird, der ein schneller
Fourier-Transformations (FFT)-Analysator oder ein Impulspaar-Prozessor sein
kann, der die Dopplerfrequenz identifiziert, die eine Anzeige der
entsprechenden Luftgeschwindigkeit am Brennpunkt 23 liefert.
Die Luftgeschwindigkeit kann auf einem Display 32 angezeigt
werden.
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Das
Doppler-Anemometer, welches unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, ist jedoch nicht
in der Lage, zwischen positiven und negativen Luftströmungsrichtungen
zu unterscheiden, und dies ist insbesondere ein Problem bei Hubschraubern,
die in der Lage sind, sowohl vorwärts als auch rückwärts zu fliegen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit dem Stand der Technik
verknüpften
Probleme zu lösen
oder eine Verbesserung herbeizuführen.
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Gemäß einem
ersten Merkmal schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur Fernmessung der Luftströmungsrichtung
und Luftströmungsgeschwindigkeit
von einem im Flug befindlichen Flugzeug aus, wobei die Vorrichtung
folgende Merkmale aufweist:
einen Sender im Flugzeug, der einen
Primär-Lichtstrahl
fokussiert und auf einen fern vom Flugzeug liegenden Fokalbereich
richtet und der einen Sekundär-Lichtstrahl aus dem
ersten Lichtstrahl erzeugt; einen Empfänger am Flugzeug, der das durch
die Luft im Fokalbereich gestreute zurückkehrende Licht in einen Streulichtstrahl
umwandelt; und einen Detektor zur Bestimmung der Luftströmungsrichtung
und der Luftströmungsgeschwindigkeit
in dem Fokalbereich und mit einem Strahlteiler, dadurch gekennzeichnet, dass
der Strahlteiler den Streulichtstrahl in erste und zweite Signalstrahlen
aufteilt, den Sekundärstrahl
in erste und zweite Bezugsstrahlen aufteilt und die Signalstrahlen
polarisiert, um eine Phasendifferenz von 90° zu erhalten, und
eine
Detektorschaltung zur Erfassung der Interferenz zwischen dem ersten
Signalstrahl und dem ersten Bezugsstrahl zur Erzeugung eines ersten
elektrischen Signals, das eine erste Phase besitzt und zur getrennten
Erfassung der Interferenz zwischen dem zweiten Signalstrahl und
dem zweiten Bezugsstrahl zur Erzeugung eines zweiten elektrischen
Signals, das eine zweite Phase besitzt und zur Kombination von ersten
und zweiten Signalen zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit und
zur Verarbeitung der ersten und zweiten Phasen zwecks Bestimmung
der Luftströmungsrichtung.
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Vorzugsweise
umfasst der Sender eine Laserquelle zur Erzeugung des Primär-Lichtstrahls mit einer
linearen Polarisation in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung des Primärstrahls
und eine erste Viertelwellenplatte zur Umwandlung des Primärstrahls
in eine zirkulare Polarisation.
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Der
Sender kann eine Viertelwellenplatte aufweisen, die betriebsmäßig so angeordnet
ist, dass sie das Bezugslicht aus dem Lichtstrahl teilt. Der Detektor
kann einen Strahlteiler aufweisen, der betriebsmäßig so angeordnet ist, dass
das resultierende Licht und das Bezugslicht kombiniert werden. Ein Strahlteiler
kann betriebsmäßig so angeordnet
werden, dass das resultierende Licht im Wesentlichen gleichförmig zwischen
zwei Arme aufgeteilt wird und jeder Arm betriebsmäßig derart
angeordnet ist, dass er einen Signalstrahl erzeugt, der im Wesentlichen senkrecht
zum Signalstrahl in dem anderen Arm steht und in Phase mit diesem
ist. Jeder Arm des Detektors kann außerdem einen Photodektor aufweisen,
der betriebsmäßig so angeordnet
ist, dass Frequenzverschiebungen zwischen dem jeweiligen Signalstrahl
und dem Bezugsstrahl erfasst werden und ein Photostrom erzeugt wird,
der die Frequenzverschiebungen anzeigt. Der Photostrom von jedem Photodektor
kann betriebsmäßig mit
einem Phasenmesser verbunden sein, der betriebsmäßig so angeordnet ist, dass
er die Strömungsrichtung
der Luft im Brennpunkt in Abhängigkeit
davon anzeigt, auf welchem Arm der Detektor den anderen Arm in Phase überführt. Der
Photostrom von jedem Photodektor kann betriebsmäßig mit einer Kombinationsschaltung verbunden
sein, die ein kombiniertes Signal erzeugt, das einem Frequenzanalysator
zugeführt
wird, der betriebsmäßig so angeordnet
ist, dass er die Luftgeschwindigkeit am Brennpunkt erfasst.
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Sender
und Empfänger
können
ein gemeinsames Teleskop benutzen, das ein Linsenpaar aufweist,
das den Lichtstrahl expandiert und auf einem entfernten Brennpunkt
fokussiert.
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Ein
Scanner kann den Lichtstrahl veranlassen, sich über einen Bogen vor dem Detektor
zu bewegen. Der Scanner kann einen ebenen Spiegel aufweisen, der betriebsmäßig mit
einem Stellglied verbunden ist, das durch das Steuersignal betätigt wird, welches
durch Steuermittel erzeugt wurde. Der Scanner kann eine Linse aufweisen,
durch die das Licht hindurchtreten muss, und die Linse ist derart angeordnet,
dass der Lichtstrahl auf dem entfernt liegenden Brennpunkt fokussiert
wird, und die Linse ist betriebsmäßig mit einem Stellglied verbunden,
das durch ein Antriebssignal betätigt
wird, welches durch die Steuermittel erzeugt wird.
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Der
Detektor kann von einem Flugzeug getragen werden.
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Gemäß einem
zweiten Merkmal der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Fernmessung der
Luftströmungsrichtung
und der Luftströmungsgeschwindigkeit
von einem im Flug befindlichen Flugzeug aus, und das Verfahren umfasst
die folgenden Schritte: es wird ein Primär-Lichtstrahl fokussiert und nach
einem Fokalbereich fern vom Flugzeug gerichtet, und es wird ein
Sekundär-Lichtstrahl
aus dem Primär-Lichtstrahl erzeugt;
es wird das durch die Luft im Fokalbereich gestreute zurückkehrende
Licht in einen Streulichtstrahl umgewandelt; und es werden Luftströmungsrichtung
und Luftströmungsgeschwindigkeit
im Fokalbereich bestimmt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Streustrahl in einen ersten und einen zweiten Signalstrahl
geteilt wird und der Sekundärstrahl
in erste und zweite Bezugsstrahlen geteilt wird, dass die Signalstrahlen
polarisiert werden, um sich in ihrer Phase um 90° zu unterscheiden und dass die
Interferenz zwischen dem ersten Signalstrahl und dem ersten Bezugsstrahl
erfasst wird, um ein erstes elektrisches Signal zu erzeugen, das
eine erste Phase besitzt, dass getrennt die Interferenz zwischen
dem zweiten Signalstrahl und dem zweiten Bezugsstrahl erfasst wird,
um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das eine zweite
Phase besitzt, dass die ersten und zweiten Signale kombiniert werden,
um die Luftströmungsgeschwindigkeit
zu bestimmen und dass die erste und zweite Phase verarbeitet werden,
um die Luftströmungsrichtung
zu bestimmen.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist ein Blockschaltbild
eines Doppler-Anemometers gemäß dem Stande
der Technik;
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2 ist ein Blockschaltbild
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Fernmessung der Luftströmung;
und
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3 zeigt einen Teil der Vorrichtung
zur Bewegung eines Strahls, der von einem Sender über einen
Bereich vor einem Flugzeug abgestrahlt wurde.
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Gemäß 2 weist eine Luftströmungs-Fernmessvorrichtung 40 gemäß der Erfindung
einen Sender 41 und einen Empfänger 42 auf. Der Sender 41 weist
eine Laserquelle 43 auf, die einen elliptischen Konus einer
Laserstrahlung 44 erzeugt, die durch eine Kollimatorlinse 45 zu
einem Parallelstrahl 46 gerichtet wird. Ein Beispiel einer
geeigneten Laserquelle 43 ist eine Einfrequenz-Laserdiode
mit verteilter Rückführung, ein
Einstreifen-Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid-Laser mit einer Ausgangsleistung
von etwa 50 Milliwatt bei einer Wellenlänge von etwa 1550 Nanometer.
Eine Laserquelle 43 dieser Art erzeugt bei dieser Leistung
eine Laserstrahlung 44 mit einer spektralen Gesamtbreite
von etwa 1 Megahertz und daher eine Kohärenzlänge von annähernd 300 Metern. Dies ist
mehr als der maximale Bereich, bei dem der Detektor 40 benutzt
werden soll.
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Die
Laserquelle 43 wird in der Weise orientiert, dass der Parallelstrahl 46 linear
in einer Ebene polarisiert ist, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des
Parallelstrahls 46 verläuft.
Der größte Anteil
der Leistung im Strahl 46 wird durch einen polarisierten Strahlteiler 47 reflektiert,
um einen reflektierten Strahl 48 zu erzeugen, der dann
durch eine Viertelwellenplatte 49 tritt, die den reflektierten
Strahl 48 aus einem linear polarisierten Strahl in einen
zirkular polarisierten Strahl 50 umwandelt.
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Der
zirkular polarisierte Strahl 50 durchläuft dann ein Teleskop 51 mit
Linsen 52 und 53, die betriebsmäßig so angeordnet
sind, dass sie einen expandierten Lichtstrahl 54 bilden
und projizieren, dessen Durchmesser im typischen Fall zwischen 10
und 100 Millimetern liegt. Die Linsen 52, 53 sind
so angeordnet, dass sie den expandierten Strahl 54 an einem entfernten
Brennpunkt 55 in der Atmosphäre 56 in einer Entfernung
zwischen 1 und 150 Metern von der Linse 53 entfernt fokussieren.
Der Lichtstrahl 54 kann so angeordnet werden, dass er eine
Ebene parallel zu dem Glasfenster 57 durchläuft, das
zwischen der Linse 53 des Teleskops 51 und dem
Brennpunkt 55 liegt, damit der Strahl 54 aus der
nicht dargestellten Flugzeugzelle austreten kann.
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Ein
geringer Anteil des resultierenden Lichts 58 wird vom Brennpunkt 55 durch
Partikel oder Erosole in der den Punkt 55 durchströmenden Luft
in einer Richtung zurückgestreut,
in der sie nach dem Empfänger 42 und
weiter nach einem Detektor durch das Fenster 57 hindurch
zurückgelangt.
Das Licht 58 wird durch die Linsen 52, 53 in
einen im Wesentlichen parallelen Strahl 59 fokussiert,
der in Gegenrichtung zu jenem des zirkular polarisierten Strahles 50 läuft. Der
parallele Strahl 59 durchläuft die Viertelwellenplatte 49,
wo er im Wesentlichen aus dem zirkular polarisierten Strahl in einen
linear polarisierten Strahl 60 umgewandelt wird, der im
Wesentlichen ungeschwächt
durch den Polarisations-Strahlteiler 47 hindurchtritt.
Der linear polarisierte Strahl 60 durchläuft die
Viertelwellenplatte 61, die den Strahl 60 in einen zirkular
polarisierten Strahl 62 umwandelt, der dann einen nicht
polarisierten Strahlteiler 63 durchläuft, der eine geringe Reflexionsfähigkeit
von etwa 1 bis 10 % besitzt, um einen Strahl 64 zu erzeugen.
Der Strahl 64 durchläuft
dann einen Polarisations-Strahlteiler 65, der den Strahl 64 in
zwei im Wesentlichen gleiche Signalstrahlen 66 und 67 aufteilt. Der
eine Signalstrahl 66 ist linear polarisiert und durchläuft einen
ersten Arm, und der andere Signalstrahl 67 ist linear polarisiert,
aber in einer Richtung senkrecht zur Polarisierungsrichtung des
Strahls 66, und er durchläuft einen zweiten Arm. Infolge
der zirkularen Polarisation des Strahls 64 haben die beiden Signalstrahlen 66 und 67 etwa
gleiche Amplituden, aber sie unterscheiden sich in der Phase um
90°.
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Ein
kleiner Anteil des Parallelstrahls 46, beispielsweise 2
% der Leistung des Strahls 46, wird über den polarisierten Strahlteiler 47 geschickt,
um einen Strahl 68 zu erzeugen. Der Anteil des parallelen
Strahls 46, der benutzt wird, um den Strahl 68 zu erzeugen,
kann eingestellt werden, indem die Orientierung der Laserquelle 43 gegenüber dem
polarisierten Strahlteiler 47 eingestellt wird. Der Strahl 68 wird durch
ein Prisma 69 reflektiert und durchläuft eine Halbwellenplatte 70.
Er wird durch ein Prisma 71 auf einen nicht polarisierten
Strahlteiler 63 reflektiert, wo er reflektiert wird, um
ein Bezugslicht 72 zu erzeugen. Das Licht 72 wird
parallel und kolinear zu dem Strahl 64 durch Einstellung
der Prismen 69 und 71 gerichtet. Die Halbwellenplatte 70 dreht
die Polarisationsebene des Strahls 68 um 45°, so dass
das Bezugslicht 72 Komponenten mit im Wesentlichen gleicher
Intensität
besitzt, die in der gleichen Richtung wie die Signalstrahlen 66 und 67 polarisiert
sind. Das Licht 72 durchläuft den Polarisations-Strahlteiler 65,
um Bezugsstrahlen 73 und 74 zu erzeugen, die im
Wesentlichen gleiche Intensität
und Phase besitzen.
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Der
Bezugsstrahl 73 überlagert
sich mit dem Signalstrahl 66 und bildet Interferenzstreifen,
die durch die Linse 75 auf den Photodektor 76 fokussiert werden.
In gleicher Weise überlagert
sich der Bezugsstrahl 74 dem Signalstrahl 67 und
bildet Interferenzstreifen, die durch die Linse 77 auf
den Photodektor 78 fokussiert werden. Die Photodektoren 76 und 78 können Indium-Gallium-Arsenid-Photodioden sein,
die auf Laser-Wellenlängen
im Bereich von 1550 Nanometer empfindlich sind. Die Frequenzen der
Signalstrahlen 66 und 67 werden gegenüber ihren
Bezugsstrahlen 73, 74 durch den Dopplereffekt verschoben,
der durch Bewegung der streuenden Partikel in der Atmosphäre 56 am
Brennpunkt 55 verursacht wird, so dass die Photoströme 79, 80,
die durch die Photodektoren 76, 78 erzeugt werden,
mit der Dopplerfrequenz moduliert werden. Infolge der 90°-Phasenverschiebung
zwischen den Signalstrahlen 66, 67 haben die Photoströme 79, 80 eine
Phasendifferenz von 90°.
Die Richtung der zirkularen Polarisation, die durch die Viertelwellenplatte 61 eingeführt wurde
und die Richtung der um 45° gedrehten Polarisation,
die durch die Halbwellenplatte 70 eingeführt wurde,
werden so eingestellt, dass die Phase des wechselnden Photostromes 80 der
Phase des Photostromes 79 vorauseilt, wenn die Geschwindigkeit
der streuenden Partikel positiv bezüglich der Richtung des abgestrahlten
Lichtstrahls 54 ist, und die Phase des wechselnden Photostromes 80 eilt
der Phase nach, wenn die Geschwindigkeit der streuenden Partikel
umgekehrt ist.
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Die
Richtung der Luftströmung
durch den Brennpunkt 55 kann dadurch festgestellt werden,
indem die Photoströme 79, 80 ein
Phasenmessgerät 81 durchlaufen
und von dort nach einem Phasenanzeiger 82 gelangen. Der
Ausgang des Phasenanzeigers 82 von +90° zeigt die Strömung in
der einen Richtung an, während
ein Ausgang von -90° anzeigt, dass
die Strömung
in Gegenrichtung verläuft.
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Die
Größe der Luftgeschwindigkeit
durch den Brennpunkt 55 kann durch Addition der Photoströme 79, 80 in
einer Kombinationsschaltung 83 ermittelt werden, wo ein
kombiniertes Signal 84 erzeugt wird, das einem Frequenzanalysator 85 zugeführt wird.
Der Ausgang vom Frequenzanalysator 85 liefert ein Maß der Dopplerfrequenz
und demgemäß ein Maß der Luftgeschwindigkeit.
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Die
Größe der Signalströme 66, 67 ist
gewöhnlich
sehr klein infolge der geringen atmosphärischen Rückstreuung bei der Wellenlänge von
1550 Nanometer. Es sind daher lange Integrationszeiten in dem Frequenzanalysator 85 erforderlich,
um eine genaue Messung der Luftgeschwindigkeit zu erhalten. Dem
kann Abhilfe dadurch geschaffen werden, dass die Leistung des übertragenen
Lichtstrahls 54 erhöht wird,
indem beispielsweise eine Laserquelle 43 mit einem durch
Erbium dotierten optischen Faserverstärker benutzt wird oder ein
sich verjüngender
Wellenleiter-Halbleiter-Optikverstärker. Es
kann erforderlich sein, den Ausgang eines solchen Verstärkers in einen
zirkularen Strahl umzuwandeln, der geeignet ist zur Kopplung mit
dem optischen System, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird.
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Gemäß 3 kann der Lichtstrahl 54,
der unter Bezugnahme auf 2 beschrieben
wurde, einen Bereich vor dem Flugzeug abtasten. Ein Abtaster 230 besteht
aus einem ebenen Spiegel 231, der gemäß einem Steuersignal 232 geneigt
werden kann, das einem Stellglied 233 zugeführt wird,
welches betriebsmäßig mit
dem Spiegel 231 verbunden ist. Das Steuersignal 232 kann
durch nicht dargestellte Steuermittel erzeugt werden. Das Licht 234,
das aus der Endlinse 235 eines Teleskops (nicht dargestellt)
austritt, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde,
wird durch den Spiegel 231 reflektiert und bildet einen
reflektierten Strahl 236. Der reflektierte Strahl 236 tritt
aus dem nicht dargestellten Flugzeug über ein geeignetes ebenes paralleles
Glasfenster 237 aus und wird an einem fernen Brennpunkt 238 in einem
Abstand fokussiert, der vergleichbar ist mit dem maximalen Abstand,
mit dem Gegenstände
im Flugpfad des Flugzeuges erfasst werden müssen.
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Ein
Gegenstand 239 im Pfad des Strahles 236 streut
einen Anteil des einfallenden Lichtes, das durch das Fenster 237 zurückläuft und
durch den Abtastspiegel 231 reflektiert wird und die Linse 235 durchläuft. Es
wird ein Signalstrahl gemäß den in Verbindung
mit 2 beschriebenen
Verfahren erfasst und liefert die Entfernung und die Geschwindigkeit
des Gegenstandes 239 relativ zu dem den Detektor tragenden
Flugzeug.
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Die
Winkelorientierung des Abtastspiegels 231 wird dann um
einen geringen Betrag verändert, so
dass der reflektierte Strahl 236 in eine neue Richtung
projiziert wird. Die Entfernung irgendeines Gegenstandes im Pfad
des neuen Strahles 236 wird wie oben bestimmt. Der Spiegel 231 wird über eine
Folge diskreter Winkel durch das Signal 232 bewegt, das an
das Stellglied 233 angelegt wird, und die Entfernung von
Gegenständen
im Pfad des Strahles 236 wird in jeder Winkelstellung aufgezeichnet.
Das Signal 232 kann z.B. so programmiert werden, dass der Brennpunkt 238 des
Strahles 236 einen Kreis oder eine Acht beschreibt, wobei
ein Winkel von beispielsweise 6° am
Spiegel 231 gegenüber
einer Zentralachse ausgespannt wird, die auf die Richtung der Vorwärtsbewegung
des Flugzeugs ausgerichtet ist. Die Entfernung von jedem Gegenstand,
beispielsweise einem Pylon, einer Freileitung oder eines Gebäudes im
Pfad des Strahles 236, kann dann festgestellt werden und
es kann ein Warnsignal dem Piloten des Flugzeugs übermittelt
werden.
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Der
Scanner 230 kann in schneller Folge betätigt werden, indem die Linse 235 an
einem Stellglied 240 angeordnet wird, das die Linse 235 schnell in
Achsrichtung um einen bekannten Betrag gemäß einem Treibersignal 241 bewegt,
wodurch der Lichtstrahl in unterschiedlichen Entfernungen von der
Linse 235 fokussiert wird. Die Steuermittel können auch so
ausgebildet sein, dass das Signal 241 so erzeugt wird, dass
die Linse 235 nach einer ersten Position bewegt wird, und
dies kann die Position sein, in der der Brennpunkt 238 des
Strahls 236 sich etwa 20 Meter vom Flugzeug entfernt befindet.
Die Steuermittel können
ein Signal 232 erzeugen, um den Strahl 236 in
einer ersten Richtung zu bewegen. Die Luftgeschwindigkeit am Brennpunkt
kann dann wie oben beschrieben verarbeitet werden, und die Steuermittel erzeugen
dann ein weiteres Signal 232, um den Strahl 236 in
eine zweite Position zu überführen, die von
der ersten Position beträchtlich
unterschieden ist, und es wird wiederum die Luftgeschwindigkeit
berechnet. Die Steuermittel erzeugen dann ein drittes Signal 232,
um den Strahl 236 in einer dritten Richtung zu bewegen,
die sich beträchtlich
von den ersten und zweiten Richtungen unterscheidet, und es wird
eine dritte Messung der Luftgeschwindigkeit berechnet. Die drei
Messungen der Luftgeschwindigkeit in drei bekannten Strahlrichtungen,
die etwa 300 Millisekunden zur Vervollständigung einnehmen, werden durch
einen geeignet angeordneten Prozessor (nicht dargestellt) benutzt,
um die Richtung des Luftgeschwindigkeitsvektors relativ zur Flugzeugachse durch
Anwendung herkömmlicher
Vektortransformationen zu berechnen.
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Die
Steuermittel erzeugen dann ein Signal 241, um die Linse 235 in
eine zweite Stellung zu überführen, in
der der Brennpunkt des Strahles 236 in einer maximalen
Entfernung von Flugzeug entfernt liegt. Die Steuermittel senden
dann ein Signal 232 aus, das den Strahl 236 veranlasst,
sich schnell über eine
Folge von Positionen zu bewegen, die für eine Hinderniswarnung erforderlich
sind, und es wird eine Messung der Entfernung von jedem Hindernis
im Pfad des Strahles 236 in jeder Position vorgenommen.
Jede Entfernungsmessung kann weniger als 1 Millisekunde bis zur
Vollendung einnehmen. Nach einer Zeitdauer von etwa 700 Millisekunden
erzeugen die Steuermittel ein Signal 241, um die Linse 235 in die
erste Stellung zurückzubewegen,
und der Messzyklus wird wiederholt. Auf diese Weise werden wiederholte
Messungen der Luftgeschwindigkeit und der Entfernung und Lage von
Gegenständen
im Pfad des Flugzeugs kontinuierlich verfügbar mit einer Informations-Aktualisierungszeit
von etwa 1 Sekunde.
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Die
Linse 235 kann die Endlinse eines Teleskops sein, das benutzt
wird, um den Strahl zu projizieren, wie dies vorstehend unter Bezugnahme
auf 2 beschrieben wurde,
oder die Linse 235 kann eine getrennte Linse sein, die
in geeigneter Weise hinter dem Teleskop angeordnet ist.