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Die Erfindung bezieht sich auf die
Messung von Teilchengeschwindigkeiten mit Hilfe von Doppler-Verfahren.
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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").
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise ist die Strahlführungseinrichtung
eine optische Faser. Die optische Faser kann eine optische Einzelmoden-Faser
sein.
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Außerdem wird die Strahlung vorzugsweise durch
optische Fasern zwischen den optischen Komponenten der Vorrichtung
geführt.
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Darüber hinaus ist die Quelle vorzugsweise ein
Halbleiterlaser. Der Halbleiterlaser kann eine Halbleiterlaserdiode
mit externem Resonator sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Empfangseinrichtung kann erste
und zweite Empfangseingänge
umfassen, die jeweils verschiedene reflektierte Strahlung von dem
Raumpunkt empfangen.
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Das Ausrichten der Sendeeinrichtung
und der Empfangseinrichtung kann den Einsatz eines Strahlformers
oder alternativ von Aperturen und/oder Fluoreszenzkarten beinhalten.
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Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist besonders geeignet als Doppler- Dauerstrich-Windsensor.
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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.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
eines Beispiels mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
schematisch eine Doppler-Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
schematisch eine Konfiguration der Vorrichtung nach 1 bei der Ausrichtung beim Aufbauen der
Vorrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.