DE60002601T2 - Verfahren zur ausrichtung eines bistatischen dopplersensors - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Messung von Teilchengeschwindigkeiten mit Hilfe von Doppler-Verfahren.
  • Die Bestimmung von Windgeschwindigkeiten ist auf vielen Gebieten notwendig, wie zum Beispiel in der Meteorologie und in der Luftfahrt: Beispielsweise kann es notwendig werden, die wirkliche Geschwindigkeit eines Flugzeugs bzw. seine Luftschraubenstrahlgeschwindigkeit zu ermitteln. Bekannte Verfahren zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit beruhen auf kohärenter Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung im Dauerstrichbetrieb. Es wird angenommen, dass sich Schwebeteilchen mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Luft, in der sie sich befinden, bewegen. Damit kann die Windgeschwindigkeit bestimmt werden, indem die Dopplerverschiebung von Laserlicht gemessen wird, das von den Teilchen reflektiert wird, die ein bestimmtes Luftvolumen durchströmen. Das bestimmte Volumen wird allgemein als Beobachtungsvolumen bezeichnet. Die Dopplerverschiebung wird mit hoher Genauigkeit gemessen, indem das reflektierte Lichtsignal überlagert wird ("Heterodyn-Verfahren").
  • Monostatische Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesssysteme werden so bezeichnet, da sie eine gemeinsame Optik für das Abstrahlen und das Auffangen haben. Ein Laserstrahl wird von dem System in den räumlichen Bereich gesendet, in dem die Windgeschwindigkeit bestimmt werden soll. Das Laserlicht, das von Schwebeteilchen reflektiert wird, gelangt in die gleiche Optik zurück und wird zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit analysiert. Die räumliche Auflösung wird durch Fokussieren des ausgesendeten Strahls in den räumli chen Bereich erreicht. In der Praxis werden die monostatischen Systeme durch Beugung auf Bereiche von einigen hundert Metern beschränkt. Darüber hinaus führt ein langsamer Abfall der Empfindlichkeit mit Abstand vom Fokus zu einem Beobachtungsvolumen, das schlecht definiert ist. Als Konsequenz können Wolken, Rauch oder andere Objekte abseits des Beobachtungsvolumens zur Erzeugung von störenden Reflexionen führen. Damit sind für den Fall, dass eine präzise Lokalisierung der Windgeschwindigkeit erforderlich ist, z. B. bei Untersuchungen im Windkanal, monostatische Systeme nicht sehr geeignet.
  • Bistatische Systeme, deren Name daher rührt, dass sie separate Sende- und Empfangsoptiken haben, sind besser geeignet für lokalisierte Windgeschwindigkeitsmessungen. Der optische Aufbau bei einem bistatischen System bedeutet, dass gesendete und "empfangene" Strahlen, die nicht parallel sind, sich in einem Schnittpunkt treffen können, so dass ein wohldefiniertes Beobachtungsvolumen sichergestellt wird. Die Eingrenzung des Beobachtungsvolumens ist aus den oben genannten Gründen vorteilhaft, obgleich es zu einer Reduzierung der Signalstärke kommen kann: Allgemein ist eine höhere Auflösung verbunden mit einer stärkeren Reduzierung des Träger-/Rauschverhältnisses. Für eine zufriedenstellende Ausrichtung müssen die Foki des gesendeten und des "empfangenen" Strahls am Schnittpunkt zusammenfallen, was unter Umständen schwierig zu erreichen ist.
  • In US-A-5 875 024 wird eine Doppler-Sensorvorrichtung mit separater Sende- und Empfängeroptik beschrieben, bei der zum Ausrich ten von Sende- und Empfängeroptik eine Laserquelle in den Ausgang der Empfängeroptik eingekoppelt wird.
  • Erfindungsgemäß wird eine Doppler-Sensor-Vorrichtung geschaffen mit einer Einrichtung zum Erzeugen kohärenter elektromagnetischer Strahlung, einer Einrichtung für das Senden von Strahlung der Quelle an einen Punkt im Raum, einer Einrichtung zum Empfangen von Strahlung, die von dem Punkt im Raum reflektiert wurde, einer Einrichtung für das Bestimmen einer Doppler-Verschiebung in der reflektierten Strahlung, wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung voneinander getrennt sind, und die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung jeweils so ausgelegt sind, dass sie Strahlungsleiter aufweisen, die an- und abgebaut werden können, wodurch es möglich wird, dass bei der Ausrichtung der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung die Strahlungsleiter zum Leiten von Strahlung von der Quelle zu der Sendeeinrichtung und von der Empfangseinrichtung zu der Bestimmungseinrichtung ausgetauscht werden können mit Strahlungsleitern zum gleichzeitigen Leiten von Strahlung zu der Sendeeinrichtung und zu der Empfangseinrichtung.
  • Die Vorrichtung gemäß der Erfindung sorgt für ein wohldefiniertes Beobachtungsvolumen für Doppleruntersuchungen und effektives Ausblenden von gestreuter Strahlung, die von außerhalb des Volumens in die Nähe des Punktes im Raum gelangt.
  • Auf Grund der abnehmbaren Anbaueinrichtung für die Strahlführung wird der unkomplizierte Austausch von Vorrichtungskomponenten, die die Bestimmung der Doppler-Verschiebung vereinfa chen, und der Komponenten, die die Ausrichtung von Sende- und Empfangseinrichtung vereinfachen, möglich. Damit lässt sich ohne große Schwierigkeiten die Sende- und Empfangseinrichtung zufriedenstellend ausrichten. Außerdem können sich die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung entfernt von der übrigen Vorrichtung befinden, was bei Messungen in schwieriger oder ungünstiger Umgebung hilfreich sein kann. Die empfindlicheren oder aufwändigeren Komponenten können an einem sicheren Ort positioniert werden.
  • Vorzugsweise ist die Strahlführungseinrichtung eine optische Faser. Die optische Faser kann eine optische Einzelmoden-Faser sein.
  • Außerdem wird die Strahlung vorzugsweise durch optische Fasern zwischen den optischen Komponenten der Vorrichtung geführt.
  • Darüber hinaus ist die Quelle vorzugsweise ein Halbleiterlaser. Der Halbleiterlaser kann eine Halbleiterlaserdiode mit externem Resonator sein.
  • Die Vorrichtung kann eine erste Einrichtung zum Aufteilen der Strahlung von der Quelle auf zwei erste Ausgänge umfassen. Für den Fall, dass die Strahlung zwischen den Komponenten mit optischen Fasern geführt wird, kann die erste Einrichtung ein Faserkoppler sein.
  • Die Vorrichtung kann außerdem einen Isolator zum Senden von Strahlung in nur einer Richtung umfassen. Dieser kann eingesetzt werden, um Probleme aufgrund von Rückkopplung in die Quelle zu eliminieren, wodurch der Rauschpegel negativ beeinflusst werden kann. Auf dem Gebiet der Optik sind derartige Isolatoren allgemein als optische Dioden bekannt.
  • Die Vorrichtung kann außerdem einen Verstärker umfassen, um die Leistung der gesendeten Strahlung auf einen Pegel anzuheben, der ausreicht, um die reflektierte Strahlung zuverlässig zu erfassen. Darüber hinaus kann für den Fall, dass die Strahlung zwischen den Komponenten durch optische Fasern übertragen wird, der Verstärker ein Erbium-dotierter Faserverstärker sein.
  • Die Vorrichtung kann außerdem einen Modulator umfassen. Im Bereich der Optik kann ein akusto-optischer Modulator verwendet werden, um die Frequenz der Strahlung, die von der Quelle abgestrahlt wird, zu verschieben, so dass zwischen positiver und negativer Doppler-Verschiebung unterschieden werden kann.
  • Der Strahlungsleiter zum Führen der Strahlung bei Ausrichtung der Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung kann eine zweite Einrichtung zum Aufteilen der Strahlung von einem der ersten Ausgänge auf zwei zweite Ausgänge, sowie Leiter für das Führen von Strahlung von den beiden zweiten Ausgängen zur Sendeeinrichtung und zur Empfangseinrichtung umfassen. Alternativ kann die Strahlung zum Ausrichten der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung von einer separaten Quelle stammen.
  • Die Vorrichtung kann außerdem einen Polarisator zum Abstimmen des Polarisationszustandes der empfangenen Strahlung auf die Referenz- (lokale Oszillator-) Strahlung umfassen. Alternativ kann ein polarisationserhaltender Strahlungsleiter oder eine optische Faser verwendet werden.
  • Die Vorrichtung kann außerdem eine Einrichtung zum Überlagern von Strahlung von dem zweiten der beiden ersten Ausgänge mit Strahlung von der Empfangseinrichtung und für das Aufteilen der überlagerten Strahlung auf zwei dritte Ausgänge umfassen.
  • Die Bestimmungseinrichtung kann eine Überwachungseinrichtung zum Empfangen von Strahlung von einem ersten der dritten Ausgänge und eine Erfassungseinrichtung zum Empfangen von Strahlung von dem zweiten der dritten Ausgänge umfassen.
  • Die Empfangseinrichtung kann erste und zweite Empfangseingänge umfassen, die jeweils verschiedene reflektierte Strahlung von dem Raumpunkt empfangen.
  • Das Ausrichten der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung kann den Einsatz eines Strahlformers oder alternativ von Aperturen und/oder Fluoreszenzkarten beinhalten.
  • Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet als Doppler- Dauerstrich-Windsensor.
  • Erfindungsgemäß wird außerdem eine Doppler-Sensor-Vorrichtung geschaffen mit einer Einrichtung zum Erzeugen kohärenter elektromagnetischer Strahlung, einer Einrichtung für das Senden von Strahlung der Quelle an einen Punkt im Raum, einer Einrichtung zum Empfangen von Strahlung, die von dem Punkt im Raum reflek tiert wurde, einer Einrichtung für das Bestimmen einer Doppler-Verschiebung in der reflektierten Strahlung, wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung voneinander getrennt sind, mit der ein Verfahren zum Ausrichten von Sende- und Empfangseinrichtung durchgeführt wird, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Senden von Strahlung von der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung und Justieren der Position der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung, bis die gesendete Strahlung von jeder sich schneidet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt schematisch eine Doppler-Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch eine Konfiguration der Vorrichtung nach 1 bei der Ausrichtung beim Aufbauen der Vorrichtung.
  • In 1 ist mit 1 allgemein eine bistatische Laser-Doppler- Windgeschwindigkeitsmessvonichtung mit einem Laser als Lichtquelle 2 gezeigt, der einen externen Resonator hat, bei hoher Kohärenz eine Ausgangsleistung von 7 mW abgibt und als Hauptoszillator dient. Durch eine Sendoptik 4 wird Licht von der Quelle 2 auf einen (nicht gezeigten) Punkt im Raum gerichtet, eine Empfängeroptik 6 empfängt das Licht, das von dem Punkt im Raum reflektiert wurde, und eine Bestimmungseinrichtung 8 analysiert das reflektierte Licht durch Vergleich mit dem gesendeten Licht.
  • Es wird angenommen, dass sich Schwebeteilchen mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Luft bewegen, in der sie sich befinden. Daher ist die Geschwindigkeit, mit der Teilchen einen Punkt im Raum durchfliegen, ein Indikator für die Windgeschwindigkeit in diesem Punkt. Das Licht von der Quelle 2 wird über die Sendeoptik 4 auf den Punkt gerichtet, an dem die Windgeschwindigkeit bestimmt werden soll. Teilchen, die diesen Punkt durchfliegen, treffen mit dem gesendeten Licht zusammen, und das Licht wird von den Teilchen in die Empfangsoptik 6 reflektiert. Wenn sich die Teilchen bewegen, erfährt das Licht, das von ihnen reflektiert wird, eine Doppler-Verschiebung, und indem man die Größe der Verschiebung bestimmt, kann man die Komponente der Geschwindigkeit der Teilchen entlang der Achse ermitteln, die als Winkelhalbierende des Winkels definiert ist, der an dem Beobachtungsvolumen aufgespannt wird durch den Pfad, dem das gesendete Licht folgt, und den Pfad, dem das reflektierte Licht folgt. Das Licht von der Quelle 2 wird durch einen 1×2-Koppler 10 geleitet. Das Licht von einem der Ausgänge des 1×2-Kopplers 10 wird weiter übermittelt an einen optischen Faraday-Isolator 12, der eine Rückkopplung in die Quelle 2 unterbindet. Eine derartige Rückkopplung würde die Rauschpegel negativ beeinflussen. Das Licht von dem Isolator 12 wird durch einen akusto-optischen Modulator 14 geleitet, um eine Frequenzverschiebung zu bewirken, die je nach Richtung der Bewegung der Teilchen in Bezug auf die Vorrichtung 1 eine Diskriminierung zwischen positiver und negativer Doppler-Verschiebung ermöglicht. Das Licht wird dann in einem Erbium-dotierten Faserverstärker 16 auf eine Leistung von etwa 1 W verstärkt, was einem Pegel entspricht, bei dem die Erfassung der reflektierten Strahlung sichergestellt werden kann. Von dem Verstärker 16 wird das Licht zu der Sendeoptik 4 für die Abstrahlung an den Punkt im Raum gesendet. Ein solcher Aufbau ist allgemein als Hauptoszillator-Verstärker bekannt, durch den Verluste minimiert werden sollen. Das Licht, das durch die Sendeoptik 4 übertragen wird, hat eine Wellenlänge von 1,55 μm.
  • Das Licht von dem zweiten der Ausgänge des 1×2-Kopplers 10 dient als lokaler Oszillator und wird an einen der Eingänge eines 2×2-Teilers 18 geschickt, und zwar über einen Faserpolarisator 20, der eine Polarisationsanpassung zwischen Quellenausgang und empfangenen Licht bewirkt, wodurch sichergestellt wird, dass die Überlagerung von Licht als heterodyne Erfassung optimiert wird. Der andere Eingang des 2×2-Teilers 18 wird verwendet, um das reflektierte Licht einzukoppeln, das durch die Empfangsoptik 6 aufgefangen wurde. Der 2×2-Teiler 18, ein Monitor 22 und ein InGaAs-Fotodetektor 24 bilden zusammen die Bestimmungseinrichtung B. Das Licht von jedem der Ausgänge des 2×2-Teilers 18 wird zum Monitor 22 bzw. Detektor 24 gesendet, wo die Frequenz- und Doppler-Verschiebung des reflektierten Lichts durch Überlagerung bestimmt wird.
  • Das Licht wird zwischen all den optischen Komponenten in der Vorrichtung 1 durch eine Einzelmoden-Lichtfaser übertragen (wie sie z. B. von Corning Company mit der Bezeichnung SMF-28 vertrieben wird). Insbesondere wird das Licht von dem Verstärker 16 durch die optischen Fasern 26 bzw. 28 zu der Sendeoptik 4 und von der Empfangsoptik 6 zu dem 2×2-Teiler 18 geleitet. Die (nicht gezeigte) Sendeoptik 4 hat eine achromatische Doppellinse und einen optischen Faserverbinder auf einer 3D-Positionierungsbühne. Das Licht kommt aus der Übertragungsfaser 26 und trifft auf eine positive Doppellinse mit 30 mm Durchmesser und 100 mm Brennweite. Die Empfangsoptik 6 hat exakt die gleiche Struktur wie die Sendeoptik 4. Jede der Fasern 26, 28 ist ein abnehmbares Anbauteil mit dem entsprechenden Faserverbinder. Ein Faserverbinder ist auch an dem Verstärker 16 vorgesehen, so dass die Sendefaser 6 dort anund abgebaut werden kann. Die Komponenten werden über FC/PCoder DC/APC-Verbinder miteinander verbunden.
  • In 2 werden zum Ausrichten von Sende- und Empfangsoptik 4, 6 die Fasern 26, 28 von der Sende- und Empfangsoptik 4, 6 und dem Verstärker 16 abgekoppelt. Statt dessen wird dazwischen ein 1×2-Teiler 30 eingebaut, in dessen optischen Fasereingang 32 der Verstärker 14 eingekoppelt wird und dessen optische Faserausgänge 34, 36 jeweils entweder die Sende- oder die Empfangsoptik 4, 6 versorgen. Somit werden bei der Ausrichtung sowohl die Sende- als auch die Empfangsoptik 4, 6 zeitweise zum Senden verwendet. Die Sende- und Empfangsoptik 4, 6 werden fokussiert, bis sich das Licht, das von jeder gesendet wird, in dem Punkt schneidet, in dem die Windgeschwindigkeit bestimmt werden soll. Das Fokussieren beinhaltet das Positionieren eines (nicht dargestellten) Strahlformers in einer Ebene, die den gewünschten Schnittpunkt enthält. Dieses gibt eine quantitative Messung der gesendeten Strahlung für das Ausrichten der Sendeeinrichtung (4) und der Empfangseinrichtung (6) mit einer zweiten Einrichtungen (30) zum Aufteilen der Strahlung von einem der ersten Ausgänge auf zwei zweite Ausgänge und einem Strahlleiter zum Leiten der Strahlung von den beiden zweiten Ausgängen zur Sendeeinrichtung und zu der Empfangseinrichtung, sowie der Breiten und ihrer Positionen in Echtzeit. Die Breiten werden minimiert und dann optimal überlagert. Die 3D-Positionierungsbühnen sowohl der Sende- als auch der Empfangsoptik 4, 6 machen es möglich, dass sie verschoben, gedreht etc. werden können und ihre Positionen veränderbar sind. Zur Erleichterung der Justage wird ein Spiegel 30 verwendet, um die gesendeten Lichtstrahlen auf einen virtuellen Koinzidenzpunkt P in der Nähe der Sende- und Empfangsoptik 4, 6 zu lenken. Sobald die Ausrichtung erfolgt ist, werden die Fasern 26, 28, durch die der Verstärker 16 mit der Sendeoptik 4 und die Empfangsoptik 6 mit dem Teiler 18 verbunden sind, wieder eingesetzt, ohne dass die Position der Sende- und Empfangsoptik 4, 6 gestört wird, und die Messung der Windgeschwindigkeit beginnt. Windgeschwindigkeiten werden typischerweise etwa 100 m entfernt von der Vorrichtung aufgrund des Detektorausgangssignals bestimmt, das durch SAW, DSP oder ähnliche Spektralanalyse verarbeitet wird.
  • Durch Einrichtungen, die es ermöglichen, dass die optischen Fasern 24, 26 an- und abgebaut werden können, kann die Sende- und Empfangsoptik 4, 6 ohne weiteres zwischen den Komponenten, die notwendig sind, um die Messung durchzuführen, und den Komponenten für die Ausrichtung der Sende- und Empfangsoptik 4, 6 ausgetauscht werden.

Claims (14)

  1. Doppler-Sensor-Vorrichtung mit einer Einrichtung (2) zum Erzeugen kohärenter elektromagnetischer Strahlung, einer Einrichtung (4) für das Senden von Strahlung der Quelle (2) an einen Punkt (P) im Raum, einer Einrichtung (6) zum Empfangen von Strahlung, die von dem Punkt (P) im Raum reflektiert wurde, einer Einrichtung (8) für das Bestimmen einer Doppler-Verschiebung in der reflektierten Strahlung, wobei die Sendeeinrichtung (4) und die Empfangseinrichtung (6) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (4) und die Empfangseinrichtung (6) jeweils ausgelegt sind, so dass sie Strahlungsleiter aufweisen, die an- und abgebaut werden können, wodurch es möglich wird, dass bei der Ausrichtung der Sendeeinrichtung (4) und der Empfangseinrichtung (6) die Strahlungsleiter (26, 28) zum Leiten von Strahlung von der Quelle (2) zu der Sendeeinrichtung (4) und von der Empfangseinrichtung (6) zu der Bestimmungseinrichtung (8) ausgetauscht werden können mit Strahlungsleitern zum gleichzeitigen Leiten von Strahlung zu der Sendeeinrichtung (4) und zu der Empfangseinrichtung (6).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strahlungsleiter (26, 28) eine optische Faser ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strahlung zwischen Komponenten der Vorrichtung durch optische Fasern geleitet wird.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Quelle (2) ein Halbleiterlaser ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem eine erste Einrichtung (10) zum Aufteilen der Strahlung von der Quelle (2) auf zwei Ausgänge umfasst.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem einen Isolator (12) umfasst.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem einen Verstärker (16) umfasst.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem einen Modulator (14) umfasst.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Strahlungsleiter zum Leiten der Strahlung bei der Ausrichtung der Sendeeinrichtung (4) und der Empfangseinrichtung (6) eine zweite Einrichtung (30) zum Aufteilen der Strahlung von einem der ersten Ausgänge auf zwei zweite Ausgänge und einen Strahlungsleiter zum Leiten von Strahlung von den beiden zweiten Ausgängen zur Sendeeinrichtung und zur Empfangseinrichtung umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die außerdem einen Polarisator (20) umfasst.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 5, die außerdem eine Einrichtung (18) zum Überlagern von Strahlung von dem zweiten der beiden ersten Ausgänge mit Strahlung von der Empfangseinrichtung (6) und für das Aufteilen der überlagerten Strahlung auf zwei dritte Ausgänge umfasst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, die außerdem eine Überwachungseinrichtung (22) zum Empfangen von Strahlung von einem ersten der dritten Ausgänge und eine Detektoreinrichtung (24) zum Empfangen von Strahlung von dem zweiten der dritten Ausgänge umfasst.
  13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Empfangseinrichtung (6) einen ersten und einen zweiten Empfangseingang aufweist, die jeweils verschiedene reflektierte Strahlung von dem Punkt im Raum aufnehmen.
  14. Doppler-Sensor-Vorrichtung mit einer Einrichtung (2) zum Erzeugen kohärenter elektromagnetischer Strahlung, einer Einrichtung (4) für das Senden von Strahlung der Quelle (2) an einen Punkt (P) im Raum, einer Einrichtung (6) zum Empfangen von Strahlung, die von dem Punkt (P) im Raum reflektiert wurde, einer Einrichtung (8) für das Bestimmen einer Doppler-Verschiebung in der reflektierten Strahlung, wobei die Sendeeinrichtung (4) und die Empfangseinrichtung (6) voneinander getrennt sind, mit der ein Verfahren zum Ausrichten von Sende und Empfangseinrichtung durchgeführt wird, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Senden von Strahlung von der Sendeeinrichtung (4) und der Empfangseinrichtung (6) und Justieren der Position der Sendeeinrichtung (4) und der Empfangseinrichtung (6), bis die gesendete Strahlung von jeder sich schneidet.
DE60002601T 1999-11-10 2000-11-09 Verfahren zur ausrichtung eines bistatischen dopplersensors Expired - Lifetime DE60002601T2 (de)

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