DE2221894C2 - Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung aufgrund der Dopplerfrequenzverschiebung einer Meßstrahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Einrichtungen zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mittels des optischen Dopplereffektes bekannt, bei denen die Dopplerverschiebung einer optischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, die an kleinen, von der Strömung mitgeführten Teilchen gestreut wurde, gemessen wird.

Es gibt im wesentlichen zwei Typen von optischen Dopplerverfahren der hier interessierenden Art, nämlich das Kreuzstrahlverfahren und das Vergleichsstrahlverfahren. Beim Kreuzstrahlverfahren wird das Meßobjekt durch zwei sich im Meßbereich kreuzende Beleuchtungsstrahlen beleuchtet und die vom Meßobjekt gestreute Strahlung enthält eine Dopplerfrequenzkomponente, die der in der Ebene der beiden Beleuchtungsstrahlen liegenden und senkrecht zur Winkelhalbierenden zwischen den Achsen der fokussierten Beleuchtungsstrahlen verlaufenden Komponente der Geschwindigkeit des Meßobjekts, also z. B. eines von einer Strömung mitgeführten streuenden Staubteilchens entspricht B. Koch »Laser Probing for Aerodynamic Flow Field Analysis« Karman Institute for Fluid Dynamics, Lecture Series 39 (June 1971)).

Beim Vergleichsstrahlverfahren werden zwei Strahlungsbündel überlagert, von denen mindestens eines durch Streuung am bewegten Meßobjekt eine Dopplerfrequenzverschiebung erfahren hat. Dabei werden entweder ein vom Meßobjekt gestreutes Strahlungsbündel und ein vom beleuchtenden Strahlungsbündel abgetrenntes, keine Dopplerfrequenzverschiebung aufweisendes Referenzbündel einander überlagert (siehe z.B. H. H. Bossel und K. L. Orloff »Practical Laser Doppler Anemometer« University of California, Santa Barbara, Calif. 93106, Mechnical Engineering Dept, Rept DCSB-ME-81-3 (March 1971)) oder es werden zwei vom Meßobjekt in zwei verschiedene Richtungen gestreute und unterschiedliche Dopplerfrequenzverschiebungen aufweisende Meßstrahlungsbündel aufge-

fangen und einander überlagert (N. J. Rudd »The Laser Anemometer-A Review« Opt. Laser Technol. Band 3, No. 4, S. 200-207). Das als letztes erwähnte Verfahren wird auch als »Streulichtverfahren« bezeichnet.

Bei den bekannten Einrichtungen, die nach den oben erwähnten Dopplerverfahren arbeiten, erscheint am Ausgang der photoelektrischen Empfangsvorrichtung außer der gesuchten Dopplerfrequenzkomponente auch noch eine unregelmäßige Leuchtstromkomponente, die der schwankenden Strahlungsintensität am Meßort entspricht und der die das Nutzsignal darstellende Dopplerfrequenzkomponente aufmoduliert ist. Unerwünschte Frequenzkomponenten liefern außerdem die Amplitudenmodulation der Dopplerfrequenz, die beim

Durchfliegen des beleuchtenden Strahlungsbündels durch das Meßobjekt entsteht und bei Verwendung eines Laserstrahlungsbündels etwa der Gauß'schen Helligkeitsverteilung im Laserstrahlungsbündel entspricht. Die nicht modulierten Signale zwischen dem Durchgang zweier von der Strömung mitgeführter Teilchen tragen ebenfalls zum Störsignal bei. Ein weiterer Nachteil vieler bekannter Dopplerfrequenz-Meßeinrichtungen ist außerdem der komplizierte Aufbau und die kritische Justierung.

Es ist zwar außerdem bekannt, die Doppelfrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Strahlungsempfangsvorrichtung durch elektronische Mittel von den Störsignalen zu trennen. Trotz eines erheblichen apparativen Aufwandes läßt sich hiermit jedoch keine für die Praxis zufriedenstellende Signalauswertung erreichen.

Aus der DE-OS 17 73124 ist schließlich eine Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von optisch streuenden Objekten unter Ausnutzung des Dopplereffektes bekannt, bei der eine zirkulär polarisierte Strahlung über ein Wollaston-Prisma in zwei divergierende, linear polarisierte Strahlen aufgespalten und die Polarisationsrichtung des einen Teilstrahles um 90" gedreht wird. Die beiden Teilstrahlen werden dann am Meßobjekt zur Konvergenz gebracht und die Streulichtkomponenten verschiedener Frequenz der frequenzverschoben gestreuten Primärstrahlen werden einander überlagert, wobei eine Überlagerungsfrequenz entsteht, die zu der mit den beiden Primärstrahlen in einer Ebene liegenden und zur Mittellinie der Einstrahlungsrichtungen senkrechten Komponente der Geschwindigkeit des Meßobjekts proportional ist

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung auf Grund der Dopplerfrequenzverschiebung einer Meßstrahlung anzugeben, die sich durch einen einfachen Aufbau sowie einen kleinen optischen und elektrischen Aufwand auszeichnet und ein durch die Dopplerfrequenzkomponente amplitudenmoduliertes Ausgangssignal liefert, das praktisch frei von Störsignalen ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Die vorliegende Einrichtung liefert also ein Ausgangssignal, das keine wesentlichen Störanteile mehr enthält und sich daher mit einfachen elektronischen Einrichtungen auswerten läßt, vorzugsweise mit einem im Frequenzschlußverfahren arbeitenden Frequenzverfolger (siehe z.B. E. Rolfe u.a. »Laser Doppler Velocitv Instrument« NASA Contractor Report NASA CR-1199, Dezember 1968).

Die Einrichtungen gemäß der Erfindung eignen sich besonders für die Messung der Geschwindigkeit von strömenden Medien, wie Turbulenzmessungen in Luft und Wasser, mit einer Strahlung im optischen Spektralbereich, sie läßt sich jedoch auch für Messungen mit anderer Strahlung anwenden, z.B. mit elektromagnetischer Strahlung im Hoch- und Höchstfrequenzgebiet, die sich quasi-optisch ausbreitet

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips des Kreuzstrahlverfahrens,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer nach dem Kreuzstrahlverfahren arbeitenden Einrichtung zur Geschwindigkeitsmessung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles der Einrichtung gemäß F i g. 2,

Fig.4, 5, 6 und 7 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäß der Erfindung, die nach dem Kreuzstrahlverfahren ίο arbeiten und

Fig.8, 9, 10 und 11 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nach dem Vergleichsstrahl- bzw. Streulichtverfahren arbeiten.

Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeiis spielen liefert die Strahlungsquelle eine Strahlung im optischen Spektralbereich und enthält vorzugsweise einen Laser.

Als erstes soll an Hand von F i g. 1 kurz das Kreuzstrahlverfahren erläutert werden. Beim Kreuzstrahlverfahren wird ein Meßbereich 10 durch zwei sich dort mit ihren Achsen 12a bzw. 14a unter einem Winkel 2ß kreuzende, kohärente Strahlungsbündel 12 und 14 beleuchtet. Da die Bündel 12 und 14 kohärent sind, entsteht im Kreuzungsbereich ein Interferenzstreifenfeld, wie in F i g. 1 durch waagerechte Striche angedeu tet ist. Der Abstand d zweier Interferenzstreifen ist

d -

2 sin/}

wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist.

Ein auf einer Bahn 16 mit der Geschwindigkeit ν durch den den Meßbereich 10 bildenden Kreuzungsbereich der Bündel 12 und 14 fliegendes Teilchen erfährt im Interferenzstreifenfeld eine periodisch wechselnde Bestrahlung und das vom Teilchen gestreute Licht ist dementsprechend mit einer Frequenzkomponente (Dopplerfrequenzkomponente) moduliert die der y-Komponente der Teilchengeschwindigkeit proportional ist Diese Dopplerfrequenzkomponente ist das gesuchte Nutzsignal. Wenn die Teilchengeschwindigkeit sehr klein im Vergleich zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strahlung, also insbesondere klein im Vergleich mit der Lichtgeschwindigkeit ist ist der Ort der Empfangsvorrichtung ohne Belang. Die Empfangsvorrichtung kann beim Kreuzstrahlverfahren daher an beliebiger Stelle aufgestellt werden und einen beliebig großen Öffnungswinkel haben, ohne daß sich eine Änderung der beobachteten Dopplerfrequenzkomponente ergibt Diese Richtungsunabhängigkeit der Empfangsvorrichtung hat große praktische Bedeutung.

Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nach dem Kreuzstrahlverfahren arbeiten, enthält die Strahlungsquelle einen Laser und die beiden, sich kreuzenden kohärenten Strahlungsbündel werden durch ein Wollaston-Prisma als Bündelteiler in Verbindung mit einer Sammellinse erzeugt Ein wesentlicher Vorteil der Bündelteilung durch WoUaston-Prismen bzw. andere symmetrische Bündelteiler besteht darin, daß die Dopplersignale ans Interferenzen niedriger Ordnung entstehen. An die Kohärenzlänge der Strahlung brauchen daher keine besonders hohen Anforderungen gestellt zu werden und der Bereich der für den Betrieb der vorfiegenden Einrichtungen geeigneten Strahlungsquellen, insbesondere Lichtquellen, wird dementsprechend stark erweitert

Der Laser 20 in F i g. 2 liefert ein linear polarisiertes, praktisch paralleles LichtbündeL dessen Polarisations-

ebene einen Winkel von 45° mit der Senkrechten bildet. Die Polarisationsrichtung der jeweiligen Lichtbündel und der in der Einrichtung enthaltenden Polarisatoren ist jeweils durch einen Kreis mit einem die Polarisationsrichtung angebenden Querstrich bezeichnet.

Das Lichtbündel 22 wird mit Hilfe eines Wollaston-Prismas 24 in zwei Teilbündei 26 und 28 aufgespalten, die senkrecht bzw. waagerecht polarisiert sind und durch eine Sammellinse 30 zur Konvergenz gebracht werden, so daß sie sich im Meßbereich 10 kreuzen. Die vom Meßobjekt im Meßbereich gestreute Strahlung wird von einer Empfangsvorrichtung aufgenommen, die eine Sammellinse 32, einen aus einem halbdurchlässigen Spiegel 34 bestehenden Bündelteiler, zwei Polarisationsfilter 36 und 38, die jeweils im Wege eines der vom Bündelteiler 34 erzeugten Teilbündel angeordnet sind, und photoeiektrische Aufnehmer 40,42, z. B. Photodioden, enthält

Bei der Einrichtung gemäß F i g. 2 sind die beiden Teilbündel 26 und 28 senkrecht zueinander linear polarisiert Durch ein in den Beobachtungsstrahlgang eingeschaltetes Polarisationsfilter kann im Kreuzungsbereich eine streifenförmige Interferenzfigur beobachtet werden. Gleiche Beleuchtungsstärke der beiden unter 0° und 90° polarisierten Strahlungsbündel ergibt sich bei Einstellung des Polarisationsfilters auf entweder +45° oder -45°. Es lassen sich somit je nach Einstellung des Polarisationsfilters zwei streifengitterartige Interferenzfiguren beobachten, deren Streifen um den Abstand (y?/4)/2sine = d/4 in der K-Richtung (Fig. 1) verschoben sind. Bei der Einrichtung gemäß F i g. 2 sind dementsprechend zwei Polarisationsfilter 36 und 38 vorgesehen, deren Polarisationsrichtungen mit der Vertikalen Winkel von +45° und -45° bilden, so daß auf die beiden Strahlungsaufnehmer 40 und 42 Licht von zwei um d/2 verschobenen streifengitterartigen Interferenzfiguren fällt Es ergibt sich daher eine Phasendifferenz von π zwischen den beiden beobachteten Helligkeitsmodulationen eines den Meßbereich 10 durchfliegenden Teilchens. Störlicht das nicht den streifengitterartigen Interferenzfiguren entstammt wird, soweit es nicht vorzugsweise in einer der beiden Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter 36 und 38 polarisiert ist von beiden Strahlungsaufnehmern gleichzeitig und mit gleicher Intensität empfangen.

Bildet man nun die Differenz der Ausgangssignale der beiden Strahlungsaufnehmer 40 und 42, so hebt sich der Störlichtanteil vollständig auf, während die beiden phasenverschobenen Modulationen sich zu einer Schwingung gleicher Frequenz aber doppelter Amplitude zusammensetzen, die die gesuchte Dopplerfrequenzkomponente darstellt Da die Diodenspannung in erster

NäncFüfig ucf LiCiiticiätUng pTöpCrtKHiäS Kt kömmt c5

zu einer einfachen Addition der Amplitude.

Dieses »Kreuzstrahl-Differenzverfahren« ermöglicht es, ohne Blenden und Fokussierung der Empfangsvorrichtung auf den Kreuzungsbereich und ohne optische und elektronische Filter zur Ausschaltung und Störsignalen zu arbeiten. Die Empfangsvorrichtung liefert praktisch nur Signale, die von den streifengitterartigen Interferenzfiguren stammen. Die meist vorhandene Laserlichtmodulation hoher Frequenz, Wechselstromspannungen vom elektrischen Raumlicht Helligkeitsschwankungen, verursacht von Teilchen, die nicht durch das Kreuzungsgebiet der Bündel fliegen, und anderes Streulicht werden mit der Differenzanordnung völlig ausgeschaltet Die einzige StörmögEchkeh ist Streulicht, das in der Richtung eines der beiden Meßstrahlengänge bevorzugt polarisiert ist. Der Einfluß dieser Störungsquelle hat sich jedoch in der Praxis als vernachlässigbar erwiesen.

Wird ein teilweise reflektierender Spiegel als Bündelteiler verwendet, wie es bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 der Fall ist, so ist erstens die Polarisation an der Spiegelfläche zu beachten (der Spiegel 34 sollte um 45° um die Beobachtungsebene gedreht sein), zweitens muß berücksichtigt werden, daß

ίο die Bündelteilung im allgemeinen nicht genau im Verhältnis 1 :1 erfolgt. Etwaige Helligkeitsunterschiede der beiden Bündel lassen sich jedoch leicht durch ein in das hellere Bündel eingeschobenes Graufilter ausgleichen.

Ein Nachteil der Ausführungsform gemäß Fig.2 besteht darin, daß in jedem der beiden vom Bündelteiler 34 gelieferten Teilbündei infoige der Polarisationsfilter 36 und 38 ein Lichtleistungsverlust von ^l/2\/T^ auftritt. Dieser Lichtverlust läßt sich vermeiden und der Raumbedarf der Einrichtung läßt sich verkleinern durch die Verwendung eines zweiten Wollaston-Prismas in der Empfangsvorrichtung.

Fig.4 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Einrichtung, bei der die Empfangsvorrich tung ein zweites Wollaston-Prisma 44 in Verbindung mit einer Doppeldiode 46 als Strahlungsaufnehmer enthält. Das zweite Wollaston-Prisma 44 ist bezüglich des ersten in der die beiden beleuchtenden Strahlungsbündel 12 und 14 liefernden Strahlungsquelle angeordneten Wollaston-Prismas 24 um 45° um die Beobachtungsachsc 48 gedreht so daß zwei Strahlungsbündel gleicher Helligkeit aber unterschiedlicher Polarisationsrichtung (+45°, -45°) abgespaltet werden. Jedes dieser Strahlungsbündel trifft auf eine der beiden lichtempfinä liehen Dioden der Doppelphotodiode 46. Durch Differenzbildung - der Ausgangssignale der beiden Dioden werden auch hier alle Störspannungen ausgeschaltet Um zu vermeiden, daß Streulicht das für den einen Teil der Doppeldiode bestimmt ist auf den anderen fällt wird vorzugsweise vor jedem Teil der Doppeldiode 46 ein zusätzliches Polarisationsfilter (nicht dargestellt) angeordnet dessen Polarisationsrichtung mit der von dem betreffenden Diodenteil zu empfangenden Lichtes übereinstimmt

Die nach dem Kreuzstrahl-Differenzverfahren arbeitenden Einrichtungen gemäß der Erfindung haben die vorteilhafte Eigenschaft daß der Kreuzungsbereich nicht auf eine Lochblende abgebildet werden muß, um den Beobachtungsbereich zur Verringerung von Stö rangen auf den Kreuzungsbereich zu beschränken. Besonders wenn die Beleuchtungsachse 50 (Fi g. 5) mit der Beobachtungsachse 48 zusammenfällt läßt sich der Kreüzungsbcrcich daher in weiten Grenzen axial verschieben, ohne daß die Beleuchtungsoptik nachge stellt werden muß. Es empfiehlt sich dann allerdings statt der Doppelphotodiode zwei relativ großflächige Einfachphotodioden als Strahlungsaufnehmer zu benutzen, die die sich bei axialer Verschiebung des Kreuzungsbereiches aufweitenden Beobachtungsbün-

eo del 52,54 voll aufnehmen können.

Bei dem in Fig.5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Laser 20 und die ähnlich wie bei Fig.2 ausgebildete Empfangsvorrichtung 32 bis 42 zu beiden Seiten der MeßsteDe fest aufgebaut Der Meßbereich 10 kann durch gleichzeitiges Verschieben des ersten WoHastonprismas 24 und der linse 30 längs der Achse 50 verschoben werden. Das nicht gestreute Licht von der Strahlungsquelle wird durch eine vor der linse 32

angeordnete scheibenförmige Zentralblende 56 am Durchtritt durch die Linse 32 gehindert.

Durch einfaches Drehen der Einrichtung einschließlich des Lasers bzw. seiner Polarisationsebene um die Achse 50 läßt sich die y-Achse (F i g. 1) des gerätefesten Koordinatensystems bezüglich eines raumfesten Koordinatensystems und damit die Richtung der gemessenen Geschwindigkeitskomponente in der yz-Ebene (Fig. 1; die z-Achse verläuft senkrecht zur Zeichenebene) verstellen.

In vielen Fällen ist ein Geräteaufbau auf beiden Seiten der Meßstelle unerwünscht oder unmöglich. Dann kann das in Fig.6 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden, das im Prinzip dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 entspricht Zwischen dem Wollastonprisma 24 und der Linse 30 der Strahlungsquelle ist hier jedoch ein Spiegel 58 angeordnet, durch den die optische Achse 50 der Strahlungsquelle um 90⁰C geknickt wird. Die umgelenkten Teilbündel 26 und 28 werden wieder durch die Linse 30 im Meßbereich 10 zum Kreuzen gebracht. Wenn die Anordnung mit Vorwärtsstreuung arbeiten soll, was hinsichtlich der höheren Intensität meist wünschenswert • ist, wird hinter dem Meßbereich eine spiegelnde, ebene Fläche 60 (oder ein die Funktion der Linse 32 übernehmender Hohlspiegel) angeordnet, der das vorwärts gestreute Licht zur Empfangsvorrichtung reflektiert, die wie bei Fig.5 aus der Linse 32, dem Bündelteiler 34, den beiden Polarisationsfiltern 36 und 38 und den beiden Strahlungsaufnehmern 40 und 42 besteht Der Spiegel 38 übt bei der Einrichtung gemäß F i g. 6 gleichzeitig die Funktion der Zentralblende 56 (Fig.5) aus. Wenn mit Rückwärtsstreuung gearbeitet wird, kann die spiegelnde Fläche 60 entfallen. Durch Drehung der Anordnung läßt sich auch hier die Richtung der gemessenen Geschwindigkeitskomponente in der zur Achse 48 senkrechten Ebene nach Wunsch einstellen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, um mit den Einrichtungen gemäß der Erfindung gleichzeitig zwei oder alle drei (senkrecht aufeinander stehenden) Komponenten der Geschwindigkeit des Meßobjekts zu bestimmen.

So kann man z. B. mit Strahlenpaaren verschiedener Farbe arbeiten und das Streulicht mit einer entsprechenden Anzahl von Empfangsvorrichtungen empfangen, die jeweils entsprechende Farbfilter enthalten; jede Empfangsvorrichtung »sieht« dann nur das Streulicht, das von der der betreffenden Geschwindigkeitskomponente zugeordneten Farbe herrührt

Durch Modulation der Beleuchtungsstrahlen mit verschiedenen Modulationsfrequenzen durch Kerr-Gdcr Sragg-Zcäcn !asser, sich die sonst auftretender; unerwünschten Übcrlagerungsfrequenzen zwischen den verschiedenen Geschwindigkeitskomponenten in bekannte Bereiche verschieben, so daß die Dopplersignale der verschiedenen Komponenten leichter identifizierbar werden.

Die einfachen Kreuzstrahlverfahren von Natur aus anhaftende Unbestimmtheit der Richtung der gemesse- eo nen Geschwindigkeitskomponente laßt sich durch Modulation eines der beiden sich kreuzenden Strahlungsbündel beseitigen. Das Dopplersignal ist dann um die Modulationsfrequenz verschoben. Negative Geschwindigkeiten führen dann zu einer Signalfrequenz, es die niedriger ist als die Modulationsfrequenz, positive zu einer höheren.

Die Aufspaltung des Laserstrahles durch das Wolla

stonprisma 24 hat, wie erwähnt, den Vorzug, daß die beiden Teilbündel von vornherein ohne Lichtverlust senkrecht zueinander polarisiert sind und ohne umständliche Justierung mit einer Linse zum Kreuzen gebracht werden können. Jedoch bedingt die durch das Wollastonprisma verursachte Verkippung der beiden Teilbündel, daß auf der Bildseite der Linse 30 die Punkte engsten Querschnitts 62, 64 (F i g. 3) nicht im Volumen des Meßbereiches 10 liegen. Wenn das verwendete Wollastonprisma einen nur verhältnismäßig kleinen Aufspaltungswinkel, z. B. 16' hat, und die Linse 30 in relativ großem Abstand vom Wollastonprisma 24 angeordnet ist, spielt dieser Effekt jedoch praktisch keine Rolle. Der Winkel β ist nämlich bei gegebenem Durchmesser und gegebener Brennweite der Linse am größten, wenn die Strahlenbündel 12 und 14 um den Linsendurchmesser (2. B. ca. 25 mm) divergiert sind. Bei einem Aufspaltungswinkel von 16' beträgt der Abstand zwischen dem Prisma 24 und der Linse 30 dann etwa 4 m und der engste Querschnitt der konvergierenden Meßstrahlungsbündel ist dann vergleichbar mit der Querausdehnung des Meßvolumens. Durch Abbilden der Lichtquelle auf das Wollastonprisma 24 können außerdem eventuelle Störungen ausgeschaltet werden, die ihre Ursache darin haben, daß die Lichtintensität in den Brennpunkten 62,64 größer ist als im Kreuzungsbereich 10.

Das in F i g. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich durch eine besonders große Aufspaltung des Laserstrahlungsbündels 22 und eine besonders kurze Baulänge der beiden sich kreuzenden Bündel 26 und 28 liefernden Beleuchtungsapparatur aus. Das Laserstrahlungsbündel 22 wird durch einen Umlenkspiegel 58 auf das Wollastonprisma 24 geworfen, hinter dem ein ebener Spiegel 70 angeordnet ist oder das eine verspiegelte Rückseite hat, so daß es das Wollastonprisma zweimal durchsetzt und auf etwa den doppelten Winkel gegenüber einem einfachen Durchtritt aufgespalten wird. Die beiden durch die Aufspaltung erzeugten Teilbündel werden wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen durch die Linse 30 im Meßbereich 10 zum Kreuzen gebracht Gewünschtenfalls kann die eigentliche Strahlungsquelle 20 durch eine in der dargestellten Weise angeordnete Linse 71 auf das Wollastonprisma 24 abgebildet werden. Dadurch wird der an Hand von F i g. 3 erläuterte Effekt daß der engste Querschnitt der Bündel 62,64 nicht mit dem Kreuzungs- oder Meßbereich 10 zusammenfällt, vermieden. Bei Verwendung einer wenig kohärenten oder nicht polarisiertes Licht liefernden Lichtquelle wird das Lichtbündel 22 durch ein Polarisationsfilter 72 polarisiert

Wenn mit der Rückwärtsstreuung gearbeitet werden soll, kann das vom Meßbereich 10 nach rückwärts gestreute Licht durch die Linse 30 und den dann auch auf der Rückseite verspiegelten Spiegel 58 einer Empfangsvorrichtung zugeführt werden, die wie die Empfangsvorrichtung in Fig.4 ausgebildet und eine linse 32, zwei Wollastonprismen 44 und zwei Photodioden 46 enthalten kann und gegenphasige Dopplersignale erzeugt

Wenn bei einer Einrichtung gemäß F i g. 7 Polarisationsdrehungen stören, die durch den Spiegel 58 im Beobachtungsstrahlengang hervorgerufen werden, so kann am Ort der Emptangsvorrichtung 32, 44 und 46 eine die beiden aufgespaltenen Bündel liefernde Anordnung, z. B. entsprechend der Anordnung 20,24 in Fig.2 angeordnet werden, die Empfangsvorrichtung

32, 44 und 46 tritt dann an die Stelle der Aufspaltungsvorrichtung 24,70 und der Spiegel 58 wird entsprechend vergrößert sowie mit einem zum Durchtritt des Streulichtkegels dienenden Loch versehen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 8 arbeitet nach dem Vergleichsstrahlverfahren. Die Einrichtung enthält wieder eine Anordnung 20,24 (gegebenenfalls' mit einer Abbildungslinse 71), die die beiden verschieden polarisierten Bündel 26, 28 liefert, welche durch die Linse 30 zum Kreuzen im Meßbereich 10 gebracht werden. Hier dient jedoch das eine Teilbündel als Veigleichsbündel, es wird durch ein Neutralfilter 70 oder eine Lochblende abgeschwächt und mit einem Streulichtbündel, das durch das andere Teilbündel 28 vom Meßobjekt im Meßbereich erzeugt wird, überlagert In Abweichung von den bekannten Einrichtungen dieses Typs werden das Vergleichsbündel 26 und das Streulichtbündel durch die Linse 32 nicht auf einen einzigen Photoempfänger geworfen sondern mittels des Wollastonprismas 44 auf zwei photoempfindliche Aufnehmer 46 mit unterschiedlich orientierten Polarisationsfiltern 36 und 38 aufgeteilt, wie sie z. B. bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 vorhanden sind. Wegen der unterschiedlichen Polarisation von Vergleichsstrahlungsbündel und Streulichtbündel werden die Lichtvektoren vor dem einen photoelektrischen Aufnehmer addiert und vor dem anderen subtrahiert, so daß nach Mischung an den Aufnehmern gegenphasige elektrische Dopplersignale entstehen, die durch Differenzbildung aus den Störsignalen herausgehoben werden können. Das Wollastonprisma 44 dient hier sowohl zur Bündelteilung als auch zur Polarisation der beiden Teilbündel, die beiden Polarisationsfilter 36 und 38 sind also im Prinzip nicht erforderlich, sondern dienen nur zur Ausschaltung störender Fremdstrahlung.

F i g. 9a zeigt ein nach dem Vergleichsstrahlverfahren arbeitendes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Messung von zwei Komponenten der Geschwindigkeit eines den Meßbereich 10 durchfliegenden Teilchens od. dgl. Der Meßbereich 10 wird mit dem Strahlungsbündel 22 beleuchtet Die vom Meßbereich 24 unter den Winkeln ß\ und -fr ausgehenden Streulichtbündel werden mit dem sich längs der Strahlachse ausbreitenden und durch das Neutralfilter 70 abgeschwächten Vergleichsbündel überlagert Die Empfangsvorrichtung enthält wieder ein Wollastonprisma 44', vor dem hier eine Lochblende 73 angeordnet und eine Doppelphotodiode 46, vor der sich ein Polarisationsfilter 74 befindet

Die an den beiden Dioden der Doppeldiode 46 erhaltenen Dopplersignale entsprechen den Geschwindigkeitskomponenten in den Richtungen in\ bzw. Jn₂ in F i g. 9b. $ ist der Vektor der Teilchengeschwindigkeit und y\ bzw. y, sind die Winkel zwischen P und rn\ bzw.

F i g. 10 zeigt eine Einrichtung zur Messung von drei Geschwindigkeitskomponenten. Durch ein weiteres Wollastonprisma 78, welches hinsichtlich seiner Aufspaltungsrichtung bezüglich des Wollastonprismas 44' gedreht ist, wird das Vergleichsstrahlungsbündel 80 in vier Teilbündel zerlegt und mit vier Streulichtbündeln 82 bis 88 überlagert Diese Bündel werden durch eine hinter der Linse 32 angeordnete Lochblende 75 definiert, die eine Mehrfachüberdeckung der Bündel an einer Lochblende 77 vor den vier Photodioden enthaltenden Strahlungsaufnehmer 46 verhindert Wie es bei Fig.9a werden die für die Interferenz erforderlichen gleich polarisierten Komponenten der Streulichtbündel und des Vergleichsstrahlungsbündels durch ein vor der Strahlungsaufnehmeranordnung 46' angeordnetes Polarisationsfilter 74 ausgefiltert

Um bei der Einrichtung gemäß Fig.9a und Fig. 10 mit dem störungsvermindernden »Differenzverfahren« arbeiten zu können, werden an Stelle des Polarisationsfilters 74 und der einzelnen photoempfindlichen Aufnehmer (Photodioden) für jede Komponente eine Anordnung aus Wollastonprisma 44 und Doppelaufnehmer, z. B. Doppelphotodiode 46, verwendet, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten nach dem Streulichtverfahren ist in F i g. 11 dargestellt. Diese Einrichtung hat gegenüber bekannten Einrichtungen dieses Typs den Vorteil, daß Streulichtbündel großen Öffnungswinkels ohne besonders gestaltete Aperturblenden verwendet werden können.

Die Einrichtung zur Beleuchtung des Meßbereichs 10 mit vorzugsweise polarisiertem Licht kann im Prinzip wie bei der Einrichtung gemäß F i g. 10 ausgebildet sein. Das vom Meßbereich ausgehende Streulichtbündel wird durch die Linse 32 gesammelt und dann durch ein Wollastonprisma 90 in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbundel aufgespalten. Mittels weiterer Wollastonprismen 92 und 94, die jeweils im Wege eines der Teilbündel angeordnet sind und unter Umständen durch ein einziges, doppelt durchstrahltes Wollastonprisma ersetzt werden können, werden in Bildebenen auf Lochblenden 104 bzw. 106 gegeneinander verkippte Bilder des Meßobjektes im Meßbereich 10 erzeugt so daß je nach Orientierung des Wollastonprismas 92 bzw. 94 waagerechte oder senkrechte Interferenzstreifensysteme in der Bildebene von Doppelempfängern, insbesondere Doppelphotodioden 46a und 466 entstehen und nur dann Licht von den Streuteilchen in einen Empfänger gelangt wenn sich das Teilchen in einem Maximum der Interferenzfigur befindet Im Strahlengang der Teilbundel sind zwischen den hinter den Wollastonpris:nen 92 und 94 angeordneten Abbildungslinsen 96 und 98 noch jeweils weitere Wollastonprismen 100 bzw. 102 angeordnet die in Verbindung mit den Doppelphotodioden 46a und 46fc dazu dienen, an den Doppelphotodiodcn derart gegeneinander verschobene Interferenzstreifensysteme zu erzeugen, daß an den Doppelphotodioden gegenphasige Dopplerfrequenzsignale auftreten.

Abschließend sei noch bemerkt daß gewisse Bauelemente der beschriebenen Einrichtungen, die getrennt dargestellt und als getrennte Bauelemente erwähnt worden sind, unter Umständen auch zu einem einzigen Bauelement vereinigt werden können. Wenn die Strahlungsquelle linear polarisiertes Licht liefert wie es z. B. bei einem Laser im allgemeinen der Fall ist kann ein besonderer Polarisator in der Lichtquelle entfallen. Ähnliches gilt auch für die Strahlungsaufnehmer, wenn diese nur oder bevorzugt auf die Strahlung einer bestimmten Polarisationsrichtung ansprechen, wie es z. B. bei vielen Mikrowellenantennen der Fall ist Der Begriff »Polarisator« braucht also kein getrenntes Bauelement zu bedeuten, sondern seine Funktion kann auch durch ein anderes Bauelement mit entsprechender Eigenschaft übernommen werden.

Bei den an Hand der Fig.2 bis 11 beschriebenen Einrichtungen entstehen die Doppelsignale im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen aus Interferenzen niedriger Ordnung, so daß sich die Anspräche an die Kohärenz der lichtquelle auf eine Kohärenzlänge von ca. 20 Wellenfängen reduzieren. Das bedeutet daß man

diese Einrichtungen sogar mit Glühlicht in Verbindung mit einem Farbfilter betreiben kann.

Bei Benutzung eines Wollasionprismas als Bündelteiler, also z. B. des Wollastonprismas 24 in den Ausführungsbeispieleu gemäß Fig.2 bis 11, kann die Eigenschaft des WoUastonprismas, bei entsprechender Orientierung orthogonal zueinander polarisierte Strahlungsbündel in verschiedene Raumrichtungen abzulenken, dazu benutzt werden, unterschiedlich polarisierte Moden von Lichtquellen (z. B. 2-Moden-Laser) zu trennen. Da diese Moden verschiedene Frequenz haben können, wird dann dem Interferenzstreifenfeld, z. B. im Meßbereich 10 (Fig.3) eine konstante Bewegungsgeschwindigkeit senkrecht zur Streifenrichtung aufgeprägt, so daß zur Dopplerfrequenz eine konstante Frequenz addiert wird. Damit gelingt es auf einfachste Weise die Richtung, d.h. das Vorzeichen der jeweils gemessenen Geschwindigkeitskomponente zu bestimmen. Meßobjekte, die im Meßvolumen ruhen, liefern ein Signal konstanter Frequenz. Meßobjekte, die eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Streifenbewegung haben, liefern kleinere Frequenzen als die konstante Frequenz (solange sie die Streifen nicht überholen), während Teilchen, die sich in der entgegengesetzten Richtung bewegen, höhere Frequenzen ergeben.

Bei der auf dem Prinzip des Vergleichsstrahlverfahrens arbeitenden Einrichtung gemäß Fig. 10, die drei

voneinander unabhängige Geschwindigkeitskomponenten zu bestimmen gestattet, erhält man vier Signale, von denen im Prinzip nur drei benötigt werden. Das vierte Signal kann daher zur Kontrolle der drei anderen Signale auf Widerspruchsfreiheit, also z. B. zur automatischen Fehleranzeige verwendet werden.

Durch die bei den vorliegenden Einrichtungen erfolgende Differenzbildung, die z.B. mittels eines Differenzverstärkers durchgeführt werden kann, läßt sich der Amplitudenverlauf des Nutzsignals, d.h. die Hüllkurve der Dopplerschwingungen, besonders gut messen, so daß das erhaltene Signal auch für die Messung der Teilchengröße und den Durchgang einzelner Teilchen durch ein Meßvolumen verwendet werden kann.

Es sei schließlich noch erwähnt, daß das Wollastonprisma 44 in der Einrichtung gemäß Fig.4 eine dreifache Funktion ausübt, es wirkt sowohl als Bündelteiler, als auch als Einrichtung zur Überlagerung der Teilbündel sowie als Polarisator.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (21)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung mindestens einer Komponente der Geschwindigkeit eines Meßobjek- s tes auf Grund der Dopplerfrequenzverschiebung einer Meßstrahlung, mit einer Strahlungsquelle, die mindestens ein das Meßobjekt in einem Meßbereich beleuchtendes Strahlungsbündel liefert, das mindestens ein vom Meßobjekt im Meßbereich gestreutes to zweites Strahlungsbündel erzeugt, einer Vorrichtung zum Erzeugen eines mit dem ersten Bündel kohärenten dritten Strahlungsbündels, einer ersten Polarisaioranordnung im Strahlengang der die Meßstrahlung erzeugenden Strahlungsbündel und einer Strahlungsempfangsvorrichtung für die Meßstrahlung, die durch Wechselwirkung von zwei der genannten Strahlungsbündel entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Polarisatoranordnung (24, 44, 92, 94) zur unterschiedlichen Polarisierung der beiden die Meflstrahiung erzeugenden Strahlungsbündel dient und daß die Strahiungsempfangsvorrichtung zwei Strahlungsempfänger sowie eine zweite Polarisatoranordnung (36,38; 44; 100, 102), die bezüglich der ersten Polarisatoranordnung so orientiert ist, daß die auf die beiden Strahlungsempfänger fallenden Strahlungsbündel phasenverschobene Dopplerfrequenzkomponenten enthalten, und eine Anordnung zum Erzeugen eines der Differenz der beiden phasenverschobenen Dopplerfrequenzkomponenten entsprechenden Ausgangssignals aufweist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (20) ein linear polarisiertes Lichtbündel (22) liefert 3s

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß als Bündelteiler ein Wollastonprisma (24,44,90,92,94,100,102) verwendet wird

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Linse (71) die die Quelle für das zu teilende Strahlungsbündel in das Wollastonprisma abbildet

5. Einrichtung nach Anspruch 1,2,3 oder 4, bei der die .Strahlungsquelle zwei sich im Meßbereich kreuzende, kohärente Strahlungsbündel liefert und die Strahlungsempfangsvorrichtung auf ein vom Meßobjekt im Meßbereich durch Streuung erzeugtes Strahlungsbündel anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Polarisatoranordnung (24) die beiden sich kreuzenden, kohärenten Strahlungsbündel (26, 28) verschieden polarisiert; daß die Empfangsvorrichtung (32 bis 42 in Fig.2, 5 und 6; 32, 44, 46 in Fig.4 und 7) zwei Strahlungsaufnehmeranordnungen (40, 42; 46) enthält, die auf zwei verschieden polarisierte Anteile der gesteuerten Strahlung, die von zwei um einen vorgegebenen Phasenwinkel phasenverschobenen, durch die beiden Bündel im Meßbereich (10) erzeugten Interferenzfiguren stammen anspricht; und daß die Aufnehmerausgangssignale der beiden Strahlungsaufnehmeranordnungen einer Schaltungsanordnung zugeführt sind, die ein der Differenz der beiden Ausnehmerausgangssignale entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, das im wesentlichen aus der Dopplerfrequenzkomponente besteht

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die erste Polarisatoranordnung (24) die beiden Bündel (26, 27) in aufeinander senkrecht stehenden Richtungen linear polarisiert und daß die Strahlungsaufnehmeranordnungen (36 bis 42 in Fig.2, 5 und 6; 46 in Fig.4 und 7) auf linear polarisierte Anteile der Streusirahlung ansprechen, deren Polarisationsrichtungen Winkel von +45° bzw. —45° mit der Polarisationsrichtung des einen der beiden sich kreuzenden Strahlungsbündel bilden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß im Wege des von der Strahlungsquelle

(29) erzeugten Strahlungsbündels (22) ein sowohl als Bündelteiler als auch Polarisator wirkendes Wollastonprisma (24) angeordnet ist

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Empfangsvorrichtung ein weiteres als Bündelteiler, Polarisator und Einrichtung zur Oberlagerung der Teilbündel dienendes weiteres Wollastonprisma (44) enthält

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß im Wege der von den weiteren Wollastonprismen (44) erzeugten Teilbündeln eine Doppelphotodiode (46) angeordnet ist

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Teil der Doppeldiode ein Polarisationsfilter so angeordnet ist daß es das für den betreffenden Teil der Doppeldiode bestimmte Teilbündel durchläßt

11. Einrichtung nach Anspruch 5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet daß die Empfangsvorrichtung einen teildurchlässigen Spiegel (34) als Bündelteiler enthält und daß im Wege der vom Bündelteiler erzeugten Teilbündel jeweils vor den zugehörigen Strahlungsaufnehmers (40, 42) ein Polarisationsfilter (36, 38) angeordnet ist dessen Polarisationsrichtung einen Winkel von +45° bzw. —45° mit der Polarisationsrichtung des einen der beiden sich kreuzenden Bündel bildet

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Anordnung (24,30) zum Erzeugen der beiden sich kreuzenden kohärenten Strahlungsbündel (26, 28) längs der Winkelhalbierenden der Achsen der beiden sich kreuzenden Bündel verschiebbar gelagert ist und die optische Achse (48) der Empfangsvorrichtung mit der Verschiebungsrichtung fluchtet und daß die Empfangsvorrichtung eine Blende (56) zum Abschirmen nicht gestreuter Strahlung enthält (F i g. 5).

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß im Strahlengang zwischen dem die beiden kohärenten Bündel (26,28) erzeugenden Bündelteiler (24) und einer die Bündel zur Kreuzung im Meßbereich (10) bringenden Linse

(30) ein Spiegel (58) angeordnet ist der die beiden kohärenten Bündel zwischen dem Bündelteiler und der Linse umlenkt daß die optische Achse (48) der Empfangsvorrichtung mit der optischen Achse des umgelenkten Teiles des Strahlenganges wenigstens annähernd fluchtet und daß die Empfangsvorrichtung (32 bis 42) auf der der Linse (30) abgewandten Seite des Umlenkspiegels (58) angeordnet ist (F ig. 6).

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß auf der der Empfangsvorrichtung (36 bis 42) abgewandten Seite des Meßbereiches (10) ein Spiegel (60) angeordnet ist der die vom Meßobjekt nach vorne gestreute Strahlung zur Empfangsvorrichtung reflektiert (F i g. 6).

15. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Anordnung (24, 30 in Fig.7) zum Erzeugen zweier sich im Meßbereich (10) kreuzenden, durch die erste Polarisatoranordnung (24) senkrecht zueinander polarisierten Strahlungsbündeln (26,28) enthält; daß im Wege des einen (26) dieser Strahlungsbündel vor dem MeEiiereicK (10) ein Abschwächer (70) und hinter dem Meßbereich die Empfangsvorrichtung (32,36,38,44,46) angeordnet sind und daß die Empfangsvorrichtung auf dieses eine Strahlungsbündel und einen vom Meßobjekt im Meßbereich in Richtung dieses Bündels (26) gestreuten Teil des anderen Bündels (28) anspricht

16. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsvorrichtung ein Wollastonprisma (44), zwei Strahlungsaufnehmer (46) und zwei vor diesen angeordnete Polarisatoren, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, enthält (F i g. 8).

17. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein längs einer optischen Achse verlaufendes und den Meßbereich (10) beleuchtendes Strahlungsbündel (22) liefert, daß der Empfangsvorrichtung (73, 44', 74, 76) ein abgeschwächter Teil dieses Bündels (22) und mindestens ein vom Meßobjekt im Meßbereich (10) in eine von der Richtung dieses Bündels abweichende Richtung gestreutes Bündel zugeführt sind und daß die Empfangsvorrichtung ein Wollastonprisma (44') zur unterschiedlichen Polarisation des als Vergleichsbündel dienenden abgeschwächten Bündels und des Streustrahlungsbüixiels und zur Überlagerung dieser Bündel enthält (F ig. 9a).

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsvorrichtung aus dem abgeschwächten Strahlungsbündel (22) zwei in verschiedene Richtungen gestreute Strahlungsbündel zugeführt sind und daß die Empfangsvorrichtung ein zur Polarisation und Überlagerung dienendes erstes Wollastonprisma (44') zwei weitere Wollastonprismen zur Erzeugung je zweier phasenverschobener Dopplerfrequenzsignale für zwei verschiedene Geschwindigkeitskomponenten und zwei Doppel-Strahlungsaufnehmer sowie eine diesen zugeordnete Polarisationsfilteranordnung enthält (F ig. 9a).

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (20, 30, 71; Fig. 10) ein dem Meßbereich (10) beleuchtendes Strahlungsbündel liefert; daß das beleuchtende Strahlungsbündel (80) nach dem es den Meßbereich durchsetzt hat und abgeschwächt worden ist, sowie vier vom Meßobjekt im Meßbereich (10) in verschiedene Richtungen gestreute Strahlungsbündel (82, 84, 86, 88) auf ein erstes Wollastonprisma (44') fokussiert, das entsprechende, senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel erzeugt, die durch eine Optik (76) auf *iin weiteres Wollastonprisma (78) fokussiert werden und daß im Wege der aus diesem zweiten Wollastonprisma austretenden Strahlungsbündel vier Vorrichtungen (44, 46) in F i g. 4) zum Erzeugen von vier Paaren phasenverschobener Dopplerfrequenzsignale die drei Komponenten der Geschwindigkeit des Meßobjekts entsprechen, liefern.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Anordnung zur

Erzeugung der vier Paare von phasenverschobenen Dopplerfrequenzsignalen eine Lochblende (77) und ein Polarisationsfilter (74) angeordnet sind.

21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Strahlungsquelle (20, 30, 71) abgewanäten Seite des Meßbereichs (10) eine die Streubündel auf das erste Wollastonprisma (44') fokussierende linse (32) und eine hinter dieser angeordnete, mit öffnungen für die Streulichtbündel versehene Blende (75) angeordnet sind.