DE4130627A1 - Verfahren zur richtungserkennung in der kreuzstrahl-laser-doppler-velocimetrie mittels brillouin-frequenzshift - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vorzeichenrichtigen berührungslosen photoelektrischen Erfassung von Bewegungs­ komponenten lichtstreuender Meßobjekte mit Streuzentren in Form von Oberflächenelementen bei Festkörpern oder Tracer­ partikeln in Fluiden gemäß Anspruch 1.

Laser-Doppler-Velocimeter sind seit den sechziger Jahren bekannt und dienen sowohl der rückwirkungsfreien Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden als auch allgemein der Erfassung von Bewegungskomponenten lichtstreuender Meß­ objekte.

Dabei wird durch den Durchdringungsbereich eines Beleuchtungsstrahlenpaares im Meßvolumen jeweils ein System von Flächen gleicher Phasendifferenzen ("Streifensystem") als Längenmaßverkörperung der Weg-Zeit-Funktion erzeugt, das die Bestimmung einer Bewegungskomponente senkrecht zur Winkel­ halbierenden der Beleuchtungsstrahlen in der von dem Beleuchtungsstrahlenpaar aufgespannten Meßebene erlaubt.

Beim Durchqueren des Streifensystems führen die von beiden Beleuchtungsstrahlen an einem Streuzentrum gestreuten um die Dopplerfrequenz verschobenen Streulichtverteilungen am Ort des Empfängers zu einem in der Intensität modulierten Doppler-Differenz-Signal, dessen Frequenz direkt proportional zur Geschwindigkeit des Streuzentrums ist und sich unmittelbar durch den Quotienten aus dem Streifenabstand im Meßvolumen und der Doppler-Differenz-Signalperiode innerhalb eines Signalbursts ergibt.

Das aus einem zeitlich ortsfesten Streifensystem resultierende Doppler-Differenzsignal gestattet zwar die Bestimmung des Betrages einer jeweiligen Bewegungskomponente, jedoch enthält es keine Information über die Bewegungsrichtung des Streuobjektes.

Zur Gewinnung der Richtungsinformation einer Bewegung nach dem Doppler-Differenz-Verfahren wird üblicherweise eine Lichtfrequenzverschiebung oder im allgemeinen Fall ein zeit­ veränderlicher optischer Gangunterschied zwischen den beiden Strahlen des jeweils eine Meßebene aufspannenden Beleuchtungsstrahlenpaares erzeugt und das aus dem resultierenden, in lateraler Richtung bewegten Streifensystem detektierte Doppler-Differenz-Signal ausgewertet.

Dabei bestimmt die Lichtfrequenzverschiebung als sogenannte Frequenzshift die Trägerfrequenz des auszuwertenden Doppler- Differenz-Signals.

Zur Erzeugung einer Lichtfrequenzverschiebung werden in der Laser-Doppler-Velocimetrie bisher rotierende Beugungsgitter (z. B.: Oldengarm, van Krieken, Raterink: "Development of rotating diffraction gratings and their use in laser anemometrie"; Optics and Laser Technology 9, 69-71, 1976), akustooptische Modulatoren (z. B.: Adrian: "A bipolar, two component laser Doppler velocimeter"; J.o. Physics E8, 1975). mit der Zeit veränderliche Weglängenänderungen in einem der Beleuchtungsstrahlengänge z. B. durch piezoelektrische Glasfaserdehnungen (z. B. : Jones, Chan, Corke, Kersey, Jackson: "Fibre optic laser Doppler velocimetrie"; SPIE Vol. 468 Fibre Optics ′84, 1984, S 232) oder Keilverschiebungen (z. B.: Eÿa, Matusda, Ohtsubo, Honma, Shimizu: "A frequency shifting of LDV for blood velocitiy measurement by a moving wedged glass"; Appl. Opt. 20, 3833, 1981) sowie Techniken, die den Injektionsstrom von Laserdioden modulieren (z. B.: Jones, Corke, Kersey, Jackson: "Miniature solid-state directional laser doppler velocimeter"; Electronics Letters Vol. 18 No. 22, 28th October 1982) bzw. die Schwebungsfrequenz zweier Laserdioden stabilisieren (Dopheide, Faber, Taux, Reim: Laser-Doppler-Anemometer, Patentschrift DE 37 25 978 C1, 05.08.1987) eingesetzt.

Verfahren, die in glasfasergekoppelten LDV-Systemen bei hin­ reichend großen Einkoppel-Leistungen und Faserlängen die ohne zusätzliche Bauelemente stimulierbaren Brillouin-Wellen zur Erzeugung lichtfrequenzverschobener Beleuchtungsstrahlen nutzen, sind bisher noch nicht bekannt geworden.

Lediglich ist bei glasfasergekoppelten LDV-Systemen die Brilluoin-Streuung als nicht zu betrachtender Störeffekt bei den üblicherweise verwendeten Faserlängen glasfaser­ gekoppelter LDV-Systeme erwähnt worden (Jones, Chan, Corke, Kersey, Jackson: "Fibre optic laser Doppler velocimetry"; SPIE Vol. 468 Fibre Optics ′84 (Sira), 1984 S. 231).

Das der Erfindung zugrunde liegende neue Verfahren nutzt die in Glasfasern bei hinreichend großen Faser-Einkoppel- Leistungen und Faserlängen auftretende Brillouin-Streuung zur Erzeugung von Lichtfrequenzverschiebungen zwischen den LDV- Beleuchtungsstrahlen.

Das Verfahren zeigt in der Laser-Doppler-Velocimetrie neue Wege zur Erzeugung und Nutzung von Lichtfrequenzver­ schiebungen infolge der bei kleinen Faserkerndurchmessern und Faserdämpfungen bereits für eingekoppelte Leistungen im mW- Bereich stimulierten, rückgestreuten Brillouin-Welle, die gegenüber der eingekoppelten und transmittierten Pump-Welle um f_B<10 GHz verschoben ist.

Die grundlegenden Untersuchungen zur stimulierten Brillouin- Streuung gehen bereits auf Arbeiten von Stolen und anderen zu Beginn der "siebziger Jahre" zurück (Ippen, Stolen: "Stimulated Brillouin scattering in optical fibers"; Appl. Phys. Lett., Vol. 21, No. 11, 1 December 1972) sowie auf Arbeiten von Smith zur Untersuchung der kritischen Leistung in Abhängigkeit von dem Kerndurchmesser, der Faserdämpfung und dem Brillouin-Verstärkungskoeffizienten im Hinblick auf die Auslegung optischer Kommunikationssysteme mit Fasern geringer Dämpfung (Smith: "Optical power handling capacity of low loss optical fibers as determined by stimulated Raman and Brillouin scattering"; Applied Optics, Vol. 11, No. 11, November 1972).

Für die Erfindung relevante Arbeiten beziehen sich auf die Abhängigkeit der Brillouin-Frequenzshift von der Glasfaser- Dotierung (GeO₂-Konzentration) (Tkach, Chraplyvy, Derosier: "Spontaneous Brillouin Scattering for single mode optical fibre characterisation"; Electronics Letters, Vol. 22 No. 19, 11th Sept. 1986) und die Erzeugung schmalbandiger Radiofrequenzsignale durch die Interferenz der in zwei separaten optischen Fasern von einer Pump-Welle durch stimulierte Brillouin-Streuung rückgestreuten Brillouin- Wellen (Culverhouse, Farahi, Pannell, Lackson: "Stimulated Brillouin Scattering: A means to realize tunable microwave generator or distributed temperatur sensor"; Electronics Letters, Vol. 25 No. 14, 6th July 1989).

Durch die Einkopplung der von einer Pumpwelle in ver­ schiedenen Fasern stimulierten Brillouin-Wellen als Beleuchtungsstrahlen in ein LDV-Objektiv läßt sich die Frequenzdifferenz f_B1-f_B2 zwischen den in unterschiedlichen Fasern stimulierten Brillouin-Wellen als durch die Faser­ parameter frei wählbare Trägerfrequenz <1 GHz für LDV- Anwendungen auf der Basis von Frequenzshift-Techniken nutzen.

Die Erfindung soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Brillouin-Doppler- Velocimeters mit einer durch die Shiftfrequenzdifferenz zweier stimulierter Brillouin-Wellen bestimmten Träger­ frequenz.

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Brillouin-Doppler- Velocimeters mit einer durch die Shiftfrequenzdifferenz zweier stimulierter Brillouin-Wellen bestimmten Träger­ frequenz und einem optisch erzeugten trägerfrequenten Referenzsignal.

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Brillouin-Heterodyn- Velocimeters bei gleichzeitiger Nutzung der durch die Fasern transmittierten Pumpwellen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird Licht einer Laser­ quelle (1) über einen Verzweiger (2) und die beiden Richt­ koppler (3, 4) in zwei Faserstrecken (5, 6) eingekoppelt. Bei Überschreiten der kritischen Leistung werden durch die Pump­ welle über die wirksamen Längen der Faserstrecken in jeder der Fasern rücklaufende Brillouin-Wellen stimuliert, die in ihrer Lichtfrequenzverschiebung gegenüber der Pumpwelle abhängig von der Faserdotierung um bis zu 10% voneinander abweichen. Durch geeignete Dotierung der Fasern (5) und (6) läßt sich die Lichtfrequenzdifferenz der rücklaufenden Brillouin-Wellen in der Größenordnung <1 GHz einstellen und über die somit Shiftfrequenz die Trägerfrequenz des LDV- Systems vorgeben.

Die rücklaufenden Brillouin-Wellen werden aus den Faserenden der Richtkoppler (3) und (4) z. B. über Selfoc-Linsen in der gegenstandsseitigen Ortsfrequenzebene des LDV-Objektivs (7) zur Beleuchtung des Meßvolumens (8) eingekoppelt.

Das im Meßvolumen gestreute Licht wird über die Abbildungs­ optik (7, 9) auf den Photoempfänger (10) abgebildet und das resultierende intensitätsmodulierte trägerfrequente Doppler-Differenz-Signal verstärkt auf die Signalauswerte­ einheit (11) gegeben, die in herkömmlicher Weise das trägerfrequente Doppler-Differenz-Signal zur Bestimmung von Betrag und Vorzeichen der entsprechenden Bewegungskomponente auswertet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden von den aus den Richtkopplern (3) und (4) rücklaufenden Brillouin-Wellen über die Verzweiger (12) und (13) Teilintensitäten abgezweigt, die am Ausgang des Vereinigers (14) in der Photoempfängeranordnung (15) ein trägerfrequentes intensitätsmoduliertes Referenz­ signal erzeugen, das in der Signalauswerteeinheit (16) zur vorzeichenrichtigen Bewegungskomponentenmessung genutzt werden kann. Dabei beinhaltet die Momentanfrequenz des detektierten trägerfrequenten Streulichtsignals die Meß­ information über die Partikelgeschwindigkeit und läßt sich durch Mischtechniken mit dem Referenzsignal im nieder­ frequenten Bereich auswerten.

In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 werden zusätzlich zu den rückgestreuten Brillouin-Wellen zur Erzeugung träger­ frequenter Doppler-Differenz-Signale auch die in den Fasern (5) und (6) transmittierten nicht frequenzverschobenen Pump- Wellen zur Einkopplung in einen LDV-Meßkopf genutzt.

Die in den Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele lassen sich in gleicher Weise auch auf gepulste LDV-Systeme (Dopheide, Strunck, Pfeifer: "Miniaturized multicomponent Laser Doppler anemometers using high-frequency pulsed diode lasers and new electronic signal acquisition systems"; Exper. Fluids 9. 1990, S. 309-316) übertragen, bei denen sich innerhalb der Pulsdauern in den Fasern höhere Leistungs­ dichten als günstige Voraussetzung für die Stimulation von Brillouin-Wellen erzielen lassen.

Die Möglichkeiten der Erzeugung stimulierter Brillouin-Wellen durch Pulsen der Pumpwelle sind in der Literatur bereits ausführlich behandelt worden (z. B.: Corvo, Gavrielides: "Multiple-short-pulse stimulated Brillouin scattering"; J. Appl. Phys. 64 (2). 15 July 1988).

Damit stellt die Nutzung der in gepulsten LDV-Systemen stimulierten Brillouin-Wellen durch die dann möglichen Frequenzshift-Techniken eine interessante Erweiterung solcher Systeme im Hinblick auf eine mögliche Richtungserkennung dar.

Kostengünstige und justagefreundliche Realisierungen der in den Ausführungsbeispielen angegebenen Meßeinrichtungen werden durch die derzeit stürmische Entwicklung im Bereich der Faseroptik und der integrierten Optik, die kostengünstige Verfügbarkeit von Verzweigern, Richtkopplern und Vereinigern sowie die Möglichkeiten einfach handzuhabender justagefreund­ licher Faserverbindungen begünstigt.

Claims (6)

1. Verfahren für die Laser-Doppler-Velocimetrie mit mindestens zwei von wenigstens einer Laserlichtquelle erzeugten in ihrer Lichtfrequenz verschobenen Beleuchtungsstrahlen, die in ihrem Durchdringungsbereich ein Meßvolumen mit einem bewegten Streifensystem als Maßverkörperung bilden, in dem Streu­ zentren einer Partikel enthaltenden Strömung oder licht­ streuenden Oberfläche zu einem trägerfrequenten, infolge der Doppler-Verschiebung in der Momentanfrequenz von der Partikelgeschwindigkeit abhängigen Meßsignal führen, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Überschreiten der für eine Faserstrecke definier­ ten kritischen Leistung in der Faser rückgestreute und gegen­ über der eingekoppelten Lichtwelle in ihrer Frequenz ver­ schobene Brillouin-Welle zur Erzeugung einer Lichtfrequenz­ verschiebung zwischen den Beleuchtungsstrahlen genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei von einer Pump-Welle in verschiedenen Fasern unterschiedlicher Faserparameter stimulierten Brillouin-Wellen genutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die transmittierten Pump-Wellen als auch die rückgestreuten Brillouin-Wellen als Strahlenpaare für die Erzeugung von Streifensystemen mit gleicher oder unterschied­ licher Orientierung am gleichen Ort oder an unterschiedlichen Meßorten verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche Faserdotierungen Beleuchtungs­ strahlen mit paarweise unterschiedlichen Lichtfrequenz­ differenzen (Trägerfrequenzen) erzeugt werden, die durch die Trägerfrequenzen unterscheidbare Meßebenen aufspannen und mehrkomponentige Geschwindigkeitsmessungen erlauben.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei gepulsten Mehrkomponenten-Halbleiter-Laser-Dioden- LDV-Systemen durch trägerfrequente Signalverarbeitung neben dem Betrag auch das Vorzeichen von Geschwindigkeiten erfaßt werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1, . . ., 5 dadurch gekennzeichnet, daß für die trägerfrequente Signalverarbeitung durch Abzweigen von Teilintensitäten aus den Brillouin-Wellen Referenzsignale gewonnen werden, die für die Signalauswertung der Meßsignale (Doppler-Differenz-Signale) z. B. durch Misch­ techniken genutzt werden können.