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Vorrichtung zur Messung der Eigenbewegung von Systemen
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mit Hilfe des optischen Dopplereffektes.
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Die nachfolgend beschriebene Meßvorrichtung ist geeignet, innerhalb
eines geschlossenen Systems dessen relative Eigenbewegung bezüglich eines außerhalb
befindlichen Bezugs systems zu messen. Eine Kontaktnahme mit dem Bezugsystem ist
dabei nur erforderlich, um den Ausgangszustand der Relativbewegung beider Systeme
zueinander als Ausgangspunkt für die Messung zu definieren. Die Messung erstreckt
sich dabei auf die Größen Geschwindigkeit, Weg und Beschleunigung des Systems sowie
auf weitere daraus ableitbare Zeitabhängigkeiten.
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Eine derartige Meßvorrichtung, deren einkomponentige Grundanordnung
nachfolgend zu beschreiben ist, kann sowohl in der Luft-und Raumfahrt als auch in
allen anderen Fahrzeugen und bewegten Objekten verwendet werden. Die weitgehende
Unabhängigkeit der Messung von Umgebungseinflüssen und die damit verbundene große
Meßgenauigkeit stellen hierbei besondere-Vorteile dar.
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Die nachfolgende Beschreibung der Erfindung erfolgt an der Grundanordnung
für die Messung einer Bewegungskomponente. Ferner konzentriert sie sich auf das
Ziel der Geschwindigkeitsmessung.
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Der komplette Bewegungsvektor ist durch Kombination mehrerer derartiger
Einkomponentensysteme und die Größen Weg und Zeit durch Integration bzw. Differentiation
der Geschwindigkeitsinformation im Zeitbereich bestimmbar. Außer mit optischem Licht
läßt sich die Messung auch mit anderen Arten elektromagnetischer Strahlung realisieren,
jedoch stellt die mögliche enge Richtcharakteristik der optischen Strahlung demgegenüber
einen besonderen Vorteil dar.
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Der Stand der Technik ist durch eine Meßvorrichtung gegeben, wie sie
von G. Smeets und A. George angegeben wird EISL-Bericht R 124/78, Deutsch-Französisches
Forschungsinstitut Saint Louis7.
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In ihr wird die durch den Dopplereffekt entstehende Frequenzänderung
und die damit gekoppelte Wellenlängenänderung von optisch gestreutem kohärentem
Licht ausgenutzt, das von einem mit Laserlicht angestrahlten Objekt erzeugt wird,
welches sich relativ zu der Meßvorrichtung bewegt und dessen Geschwindigkeit zu
messen ist.
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Innerhalb der Meßvorrichtung wird dieses Streulicht dann in zwei Teilbündel
etwa gleicher Intensität aufgespalten, welche über zwei unterschiedlich lange optische
Wege geführt und anschließend durch überlagerung wieder zur Interferenz gebracht
werden. Der optische Gangunterschied wird mittels Vielfach-Reflexion eines dieser
Lichtbündel innerhalb eines Glasblockes zusätzlich vergrößert. Er bewirkt eine resultierende
Phasendifferenz beider im Bereich der Überlagerung interferierenden Teillichtbündel,
welche zu entsprechenden Intensitätsänderungen in Folge der Interferenz führt. Diese
Intensitätsänderungen werden als Maß für die Relativgeschwindigkeit des optisch
streuenden Objektes gemessen und ausgewertet, da sie von der Wellenlänge des Streulichtes
und somit über den Dopplereffekt von der Objektgeschwindigkeit abhängen.
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Die Erfindung benutzt dagegen das direkt aus der Lichtquelle austretende
kohärente Licht, beispielsweise Laserlicht, also im Unterschied zum Stand der Technik
kein an einem in Relativbewegung zur Lichtquelle und zur Meßvorrichtung befindlichen
Objekt optisch gestreutes Licht. Dieses Laserlichtbündel wird ebenfalls aufgespalten
in zwei Teillichtbündel, welche über unterschiedlich lange optische Weglängen geführt
werden. ffiAudh hier wird nach dem Stand der Technik die optische Weglängendifferenz
ds durch Vielfachreflexion an den hochspiegelnden Außenflächen eines durchsichtigen
optischen Blockes auch durch den zusätzlichen Einfluß seines Brechungsindex n extrem
ver -größert. Nach Durchlaufen ihrer optischen Wege werden die Teillichtbündel
wieder
zur Interferenz überlagert. Im Interferenzbereich befindet sich ein intensitätsempfindlicher
Detektor optischen oder optoelektronischen Prinzips.
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Sämtliche optischenTeilkomponenten wie Lichtquelle, optischer Block,
Umlenkspiegel bzw. -prismen und Detektor sind in einer mechanischen Einheit starr
zusammengefaßt und mit dem System fest verbunden, dessen Bewegungszustand zu messen
ist. Das zur Messung verwendete Licht verläßt diese Einheit bzw. das System entlang
seiner optischen Wege nicht, trifft also auch nicht auf ein zu diesem System relativ
bewegtes Objekt zwecks Erzeugung von Streulicht, wie es im Stand der Technik geschieht.
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Bewegt sich die so aufgebaute starre Meßvorrichtung mit seinem System
mit einer Geschwindigkeitskomponente u in Richtung des aus der Lichtquelle austretenden
Lichtbündels, so ändert sich die Lichtfrequenz f0 bei u 0 O nach den Gesetzen des
nicht relativistischen Dopplereffektes an elektromagnetischer Strahlung um Af u
(1) ° Ao Diese Frequenzänderung f ist mit einer Wellenlängenänderung 0 tiO verbunden,
welche sich durch Differentiation aus der bekannten Beziehung für die Lichtgeschwindigkeit
c ergibt zu c = au fo (2)
Durch N - fache Reflexion zwischen den hochreflektierenden Spiegelflächen mit dem
Abstand d innerhalb des optischen Blockes ändert sich die ursprüngliche Wellenlängenänderung
n des Lichtes in der Summe nicht.
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Diesen Weg durch den optischen Block nimmt eines der aus dem
ursprünglichen
Lichtbündel gebildeten Teillichtbündel, während das zweite durch teildurchlässige
Spiegel oder Prismen abgespalten und auf möglichst kurzem optischen Weg in Richtung
auf den optischen Detektor geleitet wird. Ersterem wird, nach seinem zusätzlichen
optischen Weg s = N d (Brechungsindex vernachlässigt) durch den optischen Block,
dasandere Teillichtbündel zwecks Interferenz wieder überlagert. Die Richtung der
wieder überlagerten Teillichtbündel sollte wiederum parallel zur Austrittsrichtung
des Lichtes aus der Lichtquelle sein.
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Diese Bedingung ist nicht zwingend, bedeutet jedoch maximale Empfindlichkeit
des Meßvorganges.
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In dem durch optische überlagerung gekennzeichneten Interferenzbereich
entsteht eine resultierende Phasendifferenz AÄ zwischen den Wellenzügen der beiden
Teillichtbündel, die sich durch Aufaddieren aller Wellenlängenänderungen AiO längs
des 0 zusätzlichen optischen Weges #s des ersten Teillichtbündels ergibt: ## = z.##o
(4) mit #s z = (5) #o - ##o Aus den Beziehungen (1) bis (5) ergibt sich ## = ns
1 + c/u u - c (6) 1 + N.d/ Die Geschwindigkeitskomponente u des Systems ergibt sich
also mit tA, da alle übrigen Größen der Gl. (6) bekannt oder meßbar sind.
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Die Phasendifferenz aA führt im Interferenzbereich und durch den optischen
Detektor registrierbar zur Intensität null bei = = A0 r/2 und zu maximaler Intensität
bei ##= #o r mit r als ganzer Zahl.
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Eine Änderung von u, soweit sie genügend groß ist, erzeugt somit den
Durchgang durch eine mit dem Detektor registrierbare Anzahl von Intensitätsperioden.
Diese können gezählt und daraus kann u bestimmt werden, wenn von einem definierten
Ausgangszustand ausgegangen wird. Weg und Beschleunigung des Systems ergeben sich
durch Integration und Differentiationdes meßbaren Zeitverhaltens von u. Für Feinauflösung
der Geschwindigkeit u können die gemessenen Intensitätsperioden elektronisch geteilt
werden oder die Intensitätsflanken herangezogen werden.
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Als ein realistisches Beispiel sei folgende Abschätzung der Auflösung
der Meßvorrichtung angegeben (hier wird wieder der Brechungsindex des optischen
Blockes vernachlässigt, da er die Größenordnung des Ergebnisses nicht verändert):
resultierende Phasendifferenz (halbe Wellenlänge des He-Ne Laserlichtes) aR = 0.3
10 m Spiegelflächenabstand d = 0.1 m Lichgeschwindigkeit c = 0.3 108 m/s Anzahl
der Reflexionen im Block N = 3000 Bei einem Reflexionsfaktor R = 99.9% der Spiegelflächen
treten nach N Reflexionen RN = 3ooo = .999 .05 also noch etwa 5% der eingestrahlten
Lichtleistung aus dem Block wieder aus.
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Mit diesen Annahmen ergibt sich aus der Beziehung (6): u = 0.3 m/s
Die angenommene resultierende Phasendifferenz als halbe Wellenlänge des He-Ne-Laserlichtes
bedeutet für die Verwendung dieses Lichtes Auslöschung der Intensität bei etwa a
u = .3 m/s, die Intensitätsperiode entspricht also einer Geschwindigkeitsänderung
von etwa Au .6 m/s.
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Die gemäß ds = N.d = 300 m notwendige große Kohärenzlänge des Lichtes
steht durch leistungsarme hochstabilisierte Gaslaser zur Verfügung.
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Vorwärts - Rückwärts-Zählungen der Intensitätspe:rioden sind mit bekannten
optischen und elektronischen Mitteln realisierbar, das
Vorzeichen
der Geschwindigkeit u kann mit Mitteln der Frequenzverschiebung erfaßt werden, wie
sie auf dem Gebiet der Laser-Doppler-Anemometrie bekannt sind.
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Das Wesen der Erfindung soll nun an Hand der Figur 1 erläutert werden:
Fig. 1 Die optische Meßvorrichtung ist als kompakte Einheit innerhalb des Systems
1 mit diesem mechanisch fest verbunden, dessen Geschwindigkeitskomponente u zu messen
ist. Ein kohärentes Teillichtbündel 4 ( z.B. Laserlicht) eines Lichtbündels 3 aus
der Lichtquelle 2 wird in einen optisch durchsichtigen Block 6 ( z.B. Glasblock
) mit den hochreflektierenden Spiegelflächen 7 und 7' ( z.B. Totalreflexion ) so
eingestrahlt, daß es nach N - facher Hin- und Herreflexion als Lichtbündel 4' den
Block 6 beispielsweise an einer Stelle geringer Reflexion wieder verläßt. Außerhalb
des Blockes 6 wird es im Bereich 9 mit dem Teillichtbündel 5 überlagert, welches
über die teildurchlässigen Spiegel 8 und 8' aus dem ursprünglichen Lichtbündel 3
ausgeblendet und in den Interferenzbereich 9 gelenkt wird. Der Polarisationszustand
des Lichtes soll linear sein und zum Zwecke der Interferenz in den Lichtbündeln
erhalten bleiben.
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Im Interferetbereich 9 steht ein optisch intensitätsempfindlicher
Detektor pbeispielsweise eine Fotodiode oder ein Fotoelektronenvervielfacher.
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Alle optischen Elemente einschließlich Lichtquelle 2 und Detektor
10 sind mechanisch starr und möglichst temperaturunempfindlich zusammengefaßt.
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Setzt sich das System 1 mit der Geschwindigkeit u in Richtung des
Lichtbündels 3 (kleine Richtungsabweichungen, auch durch Reflexionsversatz,sind
ggf. notwendig und zulässig, sie können rechnerisch berücksichtigt werden) in Bewegung,
so erfährt das Licht der ursprünglichen Wellenlänge Ao eine geringfügige Wellenlängenänderung
aiO durch den Dopplereffekt.
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0 Die sich im Bereich 9 überlagernden und miteinander interferierenden
Teillichtbündel 4' und 5 durchlaufen verschieden
lange optische
Wege. Bei ihrer Interferenz im Bereich 9 weisen sie deshalb eine resultierende Phasendifferenz
AA auf, die durch die Interferenz zu teilweiser oder gar völliger Auslöschung der
Lichtintensität führt, was mit dem Detektor 10 registriert wird.
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Die Phasendifferenz tRist dabei proportional zur Geschwindigkeitskomponente
u des Systems, die vom Detektor 10 registrierte Intensität hängt demzufolge so mit
u zusammen, daß beim Durchfahren eines genügend großen Bereichs von u das Intensitätssignal
periodisch zwischen zwei Extremwerten schwankt.
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Somit ist die Anzahl der von u = O an mit Variation von u durchlaufenen
Intensitätsperioden am Detektor 10 ein Maß für die Momentangeschwindigkeit u des
Systems. Für eine Feinauflösung der Geschwindigkeit können diese Perioden zusatzlich
elektronisch geteilt oder der Verlauf der Intensitätsflanken genutzt werden.