DE68902632T2

DE68902632T2 - Mehrrichtungslaseranemometer.

Info

Publication number: DE68902632T2
Application number: DE8989403421T
Authority: DE
Inventors: Hubert Combe; Bertrand Morbieu
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: EP0374027A1; ES2035614T3; DE68902632D1; FR2640755B1; EP0374027B1; US5048951A; FR2640755A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Windmesser zum Messen der Bewegungsgeschwindigkeit einer Menge von in der Luft suspendierten Teilchen, welcher folgendes aufweist:
- einen Laser, der einen auf die Teilchen auftreffenden Strahl aussendet, welche ihn teilweise reflektieren und dadurch einen reflektierten Strahl entstehen lassen,
- Einrichtungen zum Messen des durch die Geschwindigkeit hervorgerufenen Frequenzabstands zwischen dem reflektierten Strahl und dem auftreffenden Strahl, und
- Einrichtungen zur Veränderung der Richtung des auftreffenden Strahls.
Ein solcher Windmesser ermöglicht insbesondere dann, wenn er in einem Flugzeug eingebaut ist, die Fernmessung der Bewegungsgeschwindigkeit ruhiger Luft relativ zum Flugzeug, d. h. die Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs gegenüber der unbewegten Luft. Sein Funktionsprinzip baut auf der unter der Bezeichnung "Dopplereffekt" bekannten Erscheinung auf.
Es sind bereits Windmesser der vorstehend umrissenen Art bekannt, die keine Einrichtungen zur Bewegung des auftreffenden Strahls im Raum bzw. die ein System zur kontinuierlichen kegelförmigen Abtastung aufweisen (EP-A-0 009 553).
Bei einem Windmesser mit feststehendem Strahl handelt es sich bei dem Volumen, in welchem die relative Teilchengeschwindigkeit gemessen wird, um einen langgestreckten Raum, der sich im wesentlichen entlang der Achse des auftreffenden Strahls erstreckt, und es wird dabei tatsächlich die Projektion der relativen Geschwindigkeit auf diese Achse gemessen. Die von einem solchen Windmesser gelieferte Information ist somit nur eine Teilinformation, da sie sich nur auf eine Komponente der zu messenden relativen Geschwindigkeit bezieht.
Um diesen Nachteil zum Teil zu beseitigen, können Einrichtungen vorgesehen sein, welche eine Richtungsänderung des auftreffenden Strahls herbeiführen. Beispielsweise ist die Verwendung eines Prismas bekannt, das den auftreffenden Strahl auffängt und so angeordnet ist, daß es um eine zu seiner Eintrittsfläche senkrechte Achse, die mit der Achse des auftreffenden Strahls zusammenfällt, schwenkbar ist. In der Ruhelage wird der auftreffende Strahl somit vom Prisma abgelenkt. Wird das Prisma in Drehung versetzt, tastet der auftreffende Strahl einen Kegel ab, so daß Messungen in verschiedenen Richtungen durchgeführt werden können. In jedem Fall bleibt der Halbwinkel an der Spitze des Abtastkegels klein. Daraus folgt, daß die Präzision, die bei den Querkomponenten der relativen Geschwindigkeit erzielt wird, gering ist. Darüberhinaus erfolgt die Geschwindigkeitsmessung in einer vorgegebenen Richtung nicht augenblicklich.
Somit ist es notwendig, das Prisma intermittierend anzutreiben, indem man es so lange anhält, wie jede Messung dauert, oder das Prisma kontinuierlich, jedoch mit ausreichend geringer Geschwindigkeit anzutreiben. In diesen beiden Fällen erfordert dies einen Kompromiß zwischen der Schnelligkeit und der Genauigkeit der Messungen. Außerdem läßt sich ein solcher Windmesser insofern nicht sehr einfach in einem Flugzeug einbauen, als in den Fällen, in denen er nicht an der Spitze des Flugzeugbugs eingebaut werden kann, die Anordnung eines für den Laserstrahl durchlässigen Fensters in Form eines vertikalen Kranzes um den Rumpf herum erforderlich ist, durch den der den Kegel mit im wesentlichen horizontaler Achse abtastende Laserstrahl hindurchtreten kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden und einen Windmesser zu schaffen, welcher rasche und präzise Messungen in unterschiedlichen Richtungen gestattet, welche zueinander erhebliche Winkel bilden können, so daß alle Geschwindigkeitskomponenten mit guter Präzision erfaßt werden, wobei dieser Windmesser darüberhinaus leicht in einem Flugzeug einzubauen ist.
Um dies zu erreichen, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Windmesser der vorstehend beschriebenen Art, der sich dadurch auszeichnet, daß:
- die Einrichtungen zum Verändern der Richtung des auftreffenden Strahls teils durchlässige und teils reflektierende Auffangeinrichtungen zum Auffangen des auftreffenden Strahls aufweisen, welche in einer ständigen Bewegung so angetrieben werden, daß sie sich senkrecht zu dem am Erfassungspunkt auftreffenden Strahl in einer festen Ebene bewegen, wobei der auftreffende Strahl somit mindestens zwei aufeinanderfolgende Strahlwege durchläuft, und
- Einrichtungen zum Steuern der Meßeinrichtung und zum Bewegen der Auffangeinrichtungen vorgesehen sind, damit zumindest eine Messung vorgenommen wird, während der auftreffende Strahl die jeweilige Bahn der aufeinanderfolgenden Strahlwege durchläuft.
Mit dem erfindungsgemäßen Windmesser ist es möglich, die Komponenten der Geschwindigkeit in mindestens zwei Richtungen zu messen. Auch wenn die Auffangeinrichtungen dauernd bewegt werden, erfolgen die Änderungen der Strahlrichtung abrupt, während die Richtung des auftreffenden Strahls zwischen zwei Veränderungen gleich bleibt, da die Bewegung immer nur in derselben festen Ebene erfolgt. Da diese Bewegung außerdem senkrecht zum auftreffenden Strahl stattfindet, bewirkt sie keine Störung bei den Messungen. Wäre dies nicht so, hätte also, vom auftreffenden Strahl aus gesehen, die Bewegung der Auffangeinrichtungen eine zur Strahlachse parallele Komponente, so handelte es sich dabei infolge des Dopplereffekts um eine Komponente, die auf eine Störfrequenz aufgrund der Rückstrahlung auf die optischen Einrichtungen zurückzuführen ist, welche die Auffangeinrichtungen bilden. Bei dem erfindungsgemäßen Windmesser durchläuft der auftreffende Strahl somit mehrere aufeinanderfolgende getrennte Strahlwege oder Bahnen mit vorgegebener Richtung. Da die Bewegung der Auffangeinrichtungen so gesteuert wird, daß sie mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, daß die Zeit, in welcher der auftreffende Strahl auf einen der Strahlwege geschickt wird, im wesentlichen gleich der zur Vornahme einer Messung erforderlichen Zeit entspricht, ist es somit möglich, präzise Messungen rasch vorzunehmen, da der Strahl während der Dauer einer Messung stillsteht.
Da die Richtungen der aufeinanderfolgenden Strahlwege oder Bahnen, auf die der auftreffende Strahl geschickt wird, feststehen, vereinfacht sich der Einbau des erfindungsgemäßen Windmessers im Bugteil des Flugzeugs. Es genügt tatsächlich, entsprechend der Anzahl der Richtungen der aufeinanderfolgenden Strahlwege, nämlich zwei oder drei, im Rumpf zwei bzw. drei Fenster auszubilden, durch welche der auftreffende Strahl hindurchtreten kann. Dies ist um vieles realistischer als die Anordnung eines um den Rumpf herumgeführten einzigen Fensters in Form eines Kranzes.
Vorteilhafterweise weisen die Auffangeinrichtungen mindestens eine erste Scheibe auf, deren Achse sich mit der Achse des auftreffenden Strahls schneidet, wobei diese Scheibe laufend um ihre Achse gedreht wird und mindestens einen ersten durchlässigen und mindestens einen ersten reflektierenden Sektor aufweist.
In diesem Fall ist die Ausführungsform besonders einfach, da die Veränderungen des Strahlwegs des auftreffenden Strahls durch Reflexion an reflektierenden Sektoren einer kontinuierlich und laufend gedrehten Scheibe bzw. durch Hindurchtritt durch durchlässige Sektoren der Scheibe bewirkt werden. Besonders erwähnenswert ist das Merkmal, daß die Achse der sich drehenden Scheibe sich mit der Achse des auftreffenden Strahls schneidet. Gerade dank dieses Merkmals erfolgt die Bewegung der Scheibenoberfläche in der Nähe des Punktes, an dem sie den auftreffenden Strahl auffängt, senkrecht zur Achse des auftreffenden Strahls.
Es ist von Vorteil, wenn der erste durchlässige Sektor einen Winkel von 240º einschließt, wobei der erste reflektierende Sektor einen Winkel von 120ºabdeckt, während eine zweite Scheibe mit gleicher Achse wie die erste Scheibe und fest verbunden mit dieser vorgesehen ist, welche den auftreffenden Strahl nach dessen Durchtritt durch den ersten durchlässigen Sektor auffängt und einen zweiten durchlässigen Sektor von 120º und einen zweiten reflektierenden Sektor von 120º aufweist, die dem ersten durchlässigen Sektor gegenüberliegen, so daß der auftreffende Strahl folglich auf drei aufeinanderfolgende Wege geschickt wird.
In diesem Fall benutzt der auftreffende Strahl drei aufeinanderfolgende Strahlwege, und zwar während solcher Zeitabschnitte, die untereinander gleich sind und die einem Drittel der Periode der Drehbewegung der Scheiben entsprechen. Sind reflektierende Spiegel vorgesehen, ist es einfach, diese Strahlen in die Richtungen der drei Achsen eines Bezugssystems zu lenken, in welchem somit nacheinander die drei Komponenten der zu messenden Geschwindigkeit gemessen werden.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei der ersten und zweiten Scheibe jeweils um eine Basis eines Zylinders aus einem Material, das für die Wellenlänge des Lasers durchlässig ist, während der erste und der zweite reflektierende Sektor durch Beschichtungen mit einem reflektierenden Material auf jeder Basis gebildet sind.
Bei einer solchen Ausführungsform ist es möglich, zwischen den beiden Scheiben eine strenge Parallelität auf einfache Weise zu gewährleisten.
Von noch größerem Vorteil ist es, reflektierende Mittel auf jedem der aufeinanderfolgenden Strahlwege des auftreffenden Strahls vorzusehen, um diesen in jeweils paarweise zueinander senkrechte Richtungen zu lenken.
In diesem Fall handelt es sich bei dem Bezugssystem um ein dreifach rechtwinkliges Koordinatenkreuz.
Zum besseren Verständnis wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und einer Variante des erfindungsgemäßen Windmessers unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Windmessers zeigt,
Fig. 2 eine schematisierte Detaildarstellung der Meßvorrichtung des Windmessers gemäß Figur 1 zeigt,
Fig. 3 eine Seitenansicht der bei der Vorrichtung verwendeten umlaufenden Scheiben zur Veränderung der Richtung des auftreffenden Strahls des Windmessers gemäß Figur 1,
Fig. 4 eine Variante der Ausführungsform der umlaufenden Scheiben gemäß Figur 3,
Fig. 5 die Anordnung durchlässiger und reflektierender Sektoren auf den umlaufenden Scheiben gemäß den Figuren 3 und 4 zeigt,
Fig. 6 eine Vorderansicht der Vorrichtung zum Verändern der Richtung des auftreffenden Strahls des Windmessers gemäß Figur 1 ist,
Fig. 7 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Figur 6 ist,
Fig. 8 eine Ansicht von links auf die Vorrichtung gemäß Figur 6 ist, und
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung gemäß Figur 6 zeigt.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird nun ein Laserwindmesser beschrieben. Dieser Windmesser befindet sich an Bord eines Luftfahrzeugs, beispielsweise eines Flugzeugs oder eines Hubschraubers, und dient zur Fernmessung der Bewegungsgeschwindigkeit eines Luftvolumens relativ zum Luftfahrzeug. Ist der Abstand zwischen dem Luftfahrzeug und dieser Luftmasse groß genug, so entspricht diese Geschwindigkeit der Geschwindigkeit des Flugzeugs relativ zu ruhigen Luft, d. h. der durch den Durchflug des Flugzeugs nicht gestörten Luft. Die Kenntnis dieser Geschwindigkeit ist von Nutzen, insbesondere zur Lageregelung des Luftfahrzeugs.
In der Praxis mißt der Windmesser unter Ausnutzung des Dopplereffekts die Geschwindigkeit der Teilchen, die in dem Luftvolumen, deren Geschwindigkeit zu messen ist, suspendiert sind.
Zu diesem Zweck weist der Windmesser einen Laser 2 auf, der einen auftreffenden Strahl 3 aussendet. Bei dem Laser 2 handelt es sich beispielsweise im vorliegenden Fall um einen CO&sub2;-Laser, der eine Strahlung im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 10,6 um aussendet.
Nach dem Durchtritt durch eine Meßvorrichtung 5, die im folgenden noch näher beschrieben wird, tritt der auftreffende Strahl 3 in eine Vorrichtung 9 ein, mit welcher seine Richtung verändert werden kann.
Die Vorrichtung 9 zum Verändern der Richtung des auftreffenden Strahls 3 wird im folgenden noch näher beschrieben. In jedem Fall kann hier bereits festgestellt werden, daß sie als Vorrichtung zur optischen Umschaltung angesehen wird, mit welcher der auftreffende Strahl 3 nacheinander auf mehrere verschiedene Strahlwege gelenkt werden kann. Diese Strahlwege sind im vorliegenden Fall die Wege 3x, 3y und 3z, die parallel zu den drei Achsen eines dreifach rechtwinkligen Achsenkreuzes Ox y z verlaufen. In Figur 1 verläuft die Achse Oz parallel zur Zeichnungsebene, während die Achsen Ox und Oy mit dieser Ebene jeweils einen Winkel von 45º und 135º bilden.
Wenn der auftreffende Strahl 3 beispielsweise auf den Strahlweg 3x gelenkt wird, trifft er auf eine Fokussieroptik 35x, die ihn auf ein Luftvolumen fokussiert, das darin in Suspension befindliche Teilchen 1x enthält. Die Optik 35x weist in bekannter Weise ein Streusystem und ein nachgeschaltetes Sammelsystem auf, die beide so angesteuert werden, daß das Meßvolumen ein in der Verlängerung des Weges 3x liegendes Ellipsoid ausreichender Längenerstreckung bei einem vorgegebenen Abstand von der Optik 35x darstellt.
Die Teilchen 1x reflektieren den einfallenden Strahl 3 zum Teil, so daß ein reflektierter Strahl 4 gebildet wird, der dem gleichen Strahlweg wie der einfallende Strahl 3 folgt, allerdings in umgekehrter Richtung.
Die Frequenz des reflektierten Strahls 4 unterscheidet sich in bekannter Weise infolge des Dopplereffekts vom einfallenden Strahl 3 um einen Betrag bzw. einen Frequenzabstand, der von der Komponente der Bewegungsgeschwindigkeit der Teilchen 1x längs der Achse Ox bestimmt wird. Der Wert dieses Frequenzabstands Δ Fx ist:
Δ Fx = 2 Vx/λ (1),
wobei Vx die Komponente der Geschwindigkeit der Teilchen 1x längs der Achse Ox darstellt, und
λ die Wellenlänge der Strahlung des auftreffenden Strahls ist.
Mit der Meßvorrichtung 5 ist es möglich, den Frequenzabstand Δ Fx zwischen dem reflektierten Strahl 4 und dem auftreffenden Strahl 3 zu messen.
In den Strahlwegen 3y und 3z ist jeweils eine Optik 35y bzw. 35z angeordnet, die auf die jeweiligen Teilchenvolumina 1y bzw. 1z fokussiert ist.
Eine elektronische Schaltung 10 steuert mittels eines Signals C die optische Umlenkvorrichtung so, daß der auftreffende Strahl nacheinander den Strahlwegen 3x, 3y und 3z folgt, usw. Die elektronische Schaltung 10 steuert außerdem die Meßvorrichtung 5 in der Weise, daß eine Messung jedes Frequenzabstands Δ Fx, d Fy und Δ Fz erfolgt, der jeweils dann erhalten wird, wenn der auftreffende Strahl jeweils dem Strahlweg 3x, 3y bzw. 3z folgt.
Somit werden die drei Komponenten Vx, Vy und Vz der zu messenden Geschwindigkeit V nacheinander gemessen. Hierbei liegt die für die Meßvorrichtung erforderliche Zeit zur Durchführung einer Messung Δ Fx in der Größenordnung von 16 ms.
Wie Figur 2 zeigt, umfaßt die Meßvorrichtung 5 in bekannter Weise einen Spiegel 51, einen akusto-optischen Modulator 52, eine halbreflektierende Platte 53, die den auftreffenden Strahl 3 auffängt, sowie eine Abtastschaltung 54, wobei diese Teile in der genannten Reihenfolge senkrecht zum auftreffenden Strahl 3 angeordnet sind.
Die halbreflektierende Platte 53 reflektiert einen Teil 36 des auftreffenden Strahls 3 mit der Frequenz FI zum akustooptischen Modulator 52 und zum Spiegel 51. Der akusto-optische Modulator 52 weist einen mit einer Frequenz FM erregten piezoelektrischen Wandler auf, während der Spiegel 51 so angeordnet ist, daß er den Teil 36 des auftreffenden Strahls nach dessen Durchtritt durch den Modulator 52 auf sich selbst reflektiert. Auf diese Weise enthält der Teil 36 des auftreffenden Strahls 3 nach seinem zweiten Durchtritt durch den Modulator 52 insbesondere die Frequenz FOL :
FOL = FI # 2 FM (2)
Diesen Teil 36 empfängt die Abtastschaltung 54, die außerdem den von der halbreflektierenden Platte 53 zurückkommenden reflektierten Strahl 4 mit der Frequenz :
FR = FI + Δ Fi (3)
empfängt, wobei i = x, y oder z ist.
Die Abtastschaltung 54 weist in bekannter Weise eine im Infrarotbereich ansprechende Photodiode auf, der Filter- und Verarbeitungsschaltungen zum Messen der Differenz nachgeschaltet sind:
FOL - FR = 2 FM - Δ Fi
Dabei ist in bekannter Weise festzustellen, daß der akusto- optische Modulator 42 ausgehend vom Term 2 FM die Bestimmung des Vorzeichens des Frequenzabstands Δ Fi gestattet. Die Schaltung 54 liefert ein Signal, das den Abstand Δ Fi repräsentiert und damit die Komponente Vi.
Es wird nun auf Figur 3 zur Beschreibung des beweglichen Teils der optischen Umlenkvorrichtung Bezug genommen. Diese weist im vorliegenden Fall hauptsächlich einen Kreiszylinder 95 aus einem für die Wellenlänge des Strahls 3 durchlässigen Material auf, beispielsweise Germanium oder Zinkselenid. Der Zylinder 95 ist um seine Achse drehbar angeordnet und wird von einem über das Signal C gesteuerten Motor 93 mittels einer Rolle 96 in Drehung versetzt. Die Achse des Zylinders 95 schneidet sich mit der Achse des auftreffenden Strahls an einem Punkt I, der im vorliegenden Fall hinter dem Punkt liegt, an dem der Zylinder den auftreffenden Strahl 3 auffängt. Die beiden Achsen bilden hier einen Winkel α, der etwa gleich 30º ist.
Die beiden Basen 91 und 92 des Zylinders 95 weisen, wie Figur 5 zeigt, jeweils einen reflektierenden Sektor 911 bzw. 921 sowie jeweils einen durchlässigen Sektor 910 bzw. 920 auf. Die reflektierenden Sektoren 911 und 921, jeweils mit einem Winkelbereich von 120º, werden durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus reflektierendem Material auf die jeweilige Basis 91 bzw. 92 hergestellt. Die durchlässigen Sektoren 910 und 920, jeweils mit einem Winkelbereich von 240º bzw. 120º, wurden entspiegelt.
Es läßt sich feststellen, daß die Flächen 91 und 92 des Zylinders zwei gleichachsige Scheiben bilden, die fest miteinander verbunden sind. Die Scheibe 91 erhält dabei als erste den auftreffenden Strahl 3, während die Scheibe 92 den auftreffenden Strahl 3 erst nach dessen Durchtritt durch den durchlässigen Sektor 910 in der Scheibe 91 auffängt. Der durchlässige Sektor 920 und der reflektierende Sektor 921 der Scheibe 92 sind so angeordnet, daß sie dem durchlässigen Sektor 910 der Scheibe 91 gegenüberliegen. Die Art des Sektors 922 von 120º, der gegenüber dem Sektor 911 liegt, ist dabei indifferent.
Aus den vorstehenden Erläuterungen folgt, daß während eines ersten Drittels der Umdrehung des Zylinders 95, wobei der reflektierende Sektor 911 den auftreffenden Strahl 3 erhält, dieser reflektiert wird und einem ersten Strahlweg 3y folgt. Anschließend dringt der auftreffende Strahl 3 während der beiden anderen Drittel der Umdrehung des Zylinders 95, bei denen der reflektierende Sektor 910 den Strahl durchtreten läßt, in den Zylinder 95 ein und wird von der Scheibe 92 aufgefangen.
Während des zweiten Drittels der Umdrehung wird unter Berücksichtigung des Drehsinns, der hier durch die Pfeile 97 angegeben ist, der Strahl 3 vom reflektierenden Sektor 921 aufgefangen und tritt schließlich entlang des Weges 3x parallel zum Strahlweg 3y, jedoch getrennt von diesem, über die Fläche 91 aus dem Zylinder 95 aus, da die Achse des auftreffenden Strahls 3 relativ zu der Achse des Zylinders 95 geneigt ist.
Während des dritten Drittels der Umdrehung läßt der durchlässige Sektor 920 den Strahl 3 durchtreten, der nun über die Fläche 92 aus dem Zylinder 95 austritt und somit dem Strahlweg 3z folgt.
Der auftreffende Strahl 3 folgt somit nacheinander den drei getrennten Strahlwegen 3y, 3x und 3z, und zwar im vorliegenden Fall in dieser Reihenfolge. Der Zylinder 95 wird mit einer Drehzahl von 20 Umdrehungen pro Sekunde angetrieben. Auf diese Weise folgt der Strahl jedem Strahlweg über eine Dauer von 16 ms, die zur Messung erforderlich sind.
In der Form, wie sie in Figur 3 erscheinen, verlaufen die Strahlwege 3x, 3y und 3z, wenn sie getrennt sind, nicht in den Richtungen, die unbedingt in dieser Form zur Messung mehrerer Komponenten der Geschwindigkeit geeignet sind, da die Strahlwege 3x und 3y parallel verlaufen und mit dem Strahlweg 3z einen Winkel von im wesentlichen 120º bilden. Unter Bezugnahme auf die Figuren 6, 7, 8 und 9 wird nun ein Antrieb für die Spiegel 31x, 32x, 31y, 32y, 31z und 32z beschrieben, mit welchem die drei Strahlwege 3x, 3y und 3z jeweils in die Richtungen Ox, Oy und Oz gelenkt werden können, die hier jeweils paarweise orthogonal zueinander stehen, so daß die Messung der drei Geschwindigkeitskomponenten in einem dreifach rechtwinkligen Bezugssystem möglich wird.
Figur 6 zeigt in Vorderansicht die Umlenkvorrichtung 9 für den auftreffenden Strahl, wobei diese insgesamt dargestellt ist. In Figur 6 verläuft die Achse Oz in vertikaler Richtung in der Zeichnungsebene und nach oben; die Achse Ox ist horizontal, bildet mit der Zeichnungsebene Winkel von 45º und 135º und ist nach rechts aus der Zeichnungsebene gerichtet; die Achse Oy schließlich verläuft horizontal, bildet mit der Zeichnungsebene Winkel von 135º und 45º und führt nach links aus der Zeichnungsebene heraus.
In Figuren 7 und 8 ist die Vorrichtung aus Figur 6 jeweils in Draufsicht und in einer Ansicht von links dargestellt, während sie in Figur 9 perspektivisch von einem Blickpunkt "auf der linken Seite" und von einem "obenliegenden" Blickpunkt aus dargestellt ist, wobei diese Begriffe die gleiche Bedeutung wie in Figuren 7 und 8 haben.
In Figur 8 sind der auftreffende Strahl 3 und der Zylinder 95 in ihrer jeweiligen Position gemäß Figur 3 dargestellt, wobei die Strahlwege 3x und 3y beim Verlassen des Zylinders 95 horizontal und parallel zur Zeichnungsebene verlaufen.
Der Strahlweg 3x wird zunächst durch einen Spiegel 31x in die Richtung Oy und dann von einem Spiegel 32x in die Richtung Ox gelenkt, wie Figur 7 zeigt. Er tritt anschließend in die Fokussieroptik 35x ein, die bereits vom Prinzip her erläutert wurde.
Der Strahlweg 3y, der parallel zum Strahlweg 3x verläuft, hier allerdings gemäß Figur 8 beim Austritt aus dem Zylinder 95 nach unten verschoben ist, wird zunächst von einem Spiegel 31y in die Richtung Ox und anschließend von einem Spiegel 32y in die Richtung Oy gerichtet, wie Figur 7 zeigt. Anschließend tritt er in die Fokussieroptik 35y ein.
Beim Verlassen des Zylinders 95 verläuft der Strahlweg 3z parallel zur Zeichnungsebene von Figur 8 und ist gegenüber der Horizontalen um einen Winkel von im wesentlichen gleich 120º geneigt; in Figur 8 ist er nach oben gerichtet.
Anschließend wird er von einem horizontalen Spiegel 31z nach unten gerichtet, wie Figur 8 zeigt. Danach wird er von einem Spiegel 32z in die Richtung Oz gelenkt, wie in Figur 6 und außerdem in Figur 9 dargestellt ist. Anschließend tritt er in die Fokussieroptik 35z ein.
Figur 9 ermöglicht eine Gesamtansicht der verschiedenen Strahlwege 3x, 3y und 3z, denen der auftreffende Strahl 3 folgen kann.
In Figur 4 ist eine Variante der Vorrichtung aus Figur 3 dargestellt, bei welcher die Scheiben 91 und 92 nicht mehr die Basis eines einzigen Zylinders 95 darstellen, sondern selbsttragend sind. Diese Ausführungsform ist von der Mechanik her etwas empfindlicher, da die reflektierenden Sektoren während ihrer Rotation strikt in derselben Ebene bleiben müssen. Jedenfalls bietet sie den Vorteil einer besseren Trennung der Strahlwege 3x und 3y in dem Sinne, daß diese einen größeren Abstand als bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 haben, wobei die Strahlenbrechung im Inneren des Zylinders die Tendenz hat, daß sich die Strahlwege 3x und 3y einander nähern.
Aus den gleichen Gründen ist es in dem in Figur 3 gezeigten Fall vorzuziehen, als Material für den Zylinder 95 Zinkselenid mit einem Brechungsindex von 2,4 zu verwenden, der geringer ist als der von Germanium (Index 4).
Wird der erfindungsgemäße Windmesser in der Ausführungsform eingesetzt, die vorstehend mit drei Meßrichtungen beschrieben wurde, in der er sich als besonders praktisch erweist, so ist es in bestimmten Anwendungsbereichen natürlich möglich, daß auch eine zweidimensionale Ausführung ausreicht. In diesem Fall ist es für den Fachmann mit seinem Wissen offensichtlich, den vorstehend beschriebenen Windmesser in dieser Hinsicht zu modifizieren. Beispielsweise genügt es, auf der Scheibe 91 Sektoren 910 und 911 von jeweils 180º vorzusehen, eine Basis 92 des Zylinders 95 vollständig durchlässig zu gestalten, sowie die Spiegel 31x und 32x sowie die Optik 35x wegzulassen, so daß man einen Windmesser mit zwei Meßrichtungen 3y und 3z erhält.
Ebenso ist es nicht unbedingt erforderlich, zum Auffangen des auftreffenden Strahls 3 laufend in Drehung versetzte Scheiben mit durchlässigen und reflektierenden Sektoren, beispielsweise die Scheiben 91 und 92, zu verwenden. So könnte man auch jede andere Auffangvorrichtung ebenso verwenden, beispielsweise Klappen, die teils durchlässig und teils reflektierend sind, die innerhalb einer festen Ebene ständig mit einer oszillierenden Bewegung beaufschlagt werden, so daß sie abwechselnd den Strahl reflektieren und durchtreten lassen, natürlich unter der Voraussetzung, daß diese Bewegung senkrecht zum Strahl an dem Punkt erfolgen muß, an dem der Strahl erfaßt wird.
Während der Zylinder 95 mit 20 Umdrehungen pro Sekunde angetrieben wird, erhält man natürlich alle 1/20-tel Sekunden die Gesamtheit der drei Geschwindigkeitskomponenten. Wenn es nicht erforderlich ist, die Geschwindigkeitsänderungen in einem so schnellen Rhythmus zu erfassen, kann der Zylinder 95 auch mit einer geringeren Geschwindigkeit angetrieben werden.

Claims

1. Windmesser zum Messen der Bewegungsgeschwindigkeit einer Menge von in der Luft suspendierten Teilchen, welcher folgendes aufweist:

- einen Laser (2), der einen auf die Teilchen (1x, 1y, 1z) auftreffenden Strahl (3) aussendet, welche ihn teilweise reflektieren und dadurch einen reflektierten Strahl (4) entstehen lassen,

- Einrichtungen (5) zum Messen des durch die Geschwindigkeit hervorgerufenen Frequenzabstands (Δ Fi) zwischen dem reflektierten Strahl (4) und dem auftreffenden Strahl (3), und

- Einrichtungen (9) zur Veränderung der Richtung des auftreffenden Strahls (3),

dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Einrichtungen (9) zum Verändern der Richtung des auftreffenden Strahls teils durchlässige (910, 920) und teils reflektierende (911, 921) Auffangeinrichtungen (91, 92) zum Auffangen des auftreffenden Strahls aufweist, welche in einer ständigen Bewegung so angetrieben werden, daß sie sich senkrecht zu dem am Erfassungspunkt auftreffenden Strahl (3) in einer festen Ebene bewegen, wobei der auftreffende Strahl (3) somit mindestens zwei aufeinanderfolgende Strahlwege (3z, 3y) durchläuft, und

- Einrichtungen (10) zum Steuern der Meßeinrichtungen (5) und zum Bewegen der Auffangeinrichtungen (91, 92) vorgesehen sind, damit zumindest eine Messung vorgenommen wird, während der auftreffende Strahl die jeweilige Bahn der aufeinanderfolgenden Strahlwege (3z, 3y) durchläuft.

2. Windmesser nach Anspruch 1, bei welchem die Auffangeinrichtungen mindestens eine erste Scheibe (91) mit einer Achse aufweisen, die sich mit der Achse des auftreffenden Strahls (3) schneidet, wobei die Scheibe (91) ständig zur Drehung um ihre Achse angetrieben wird und mindestens einen durchlässigen ersten Sektor (910) sowie mindestens einen ersten reflektierenden Sektor (911) aufweist.

3. Windmesser nach Anspruch 2, bei welchem der erste durchlässige Sektor (910) einen Winkel von 240º abdeckt, der erste reflektierende Sektor (911) sich über einen Winkel von 120º erstreckt, und bei welchem eine zweite Scheibe (92) mit der gleichen Achse wie die erste Scheibe (91) und fest mit dieser verbunden vorgesehen ist, die den auftreffenden Strahl (3) nach dem Durchtritt durch den ersten durchlässigen Sektor (910) auffängt, und einen zweiten durchlässigen Sektor (920) mit einem Winkel von 120º und einen zweiten reflektierenden Sektor (921) mit einem Winkel von 120º aufweist, welche dem ersten durchlässigen Sektor (910) gegenüberliegend angeordnet sind, so daß der auftreffende Strahl somit auf drei aufeinanderfolgende Strahlwege (3z,3x, 3y) geschickt wird.

4. Windmesser nach Anspruch 3, bei welchem die erste (91) und die zweite Scheibe (92) die beiden Basen eines Zylinders (95) aus einem für die Wellenlänge des Lasers (2) durchlässigen Material bilden, wobei der erste (911) und der zweite (921) reflektierende Sektor durch Aufbringen einer Schicht aus reflektierendem Material auf die Basen hergestellt sind.

5. Windmesser nach Anspruch 4, bei welchem der erste (910) und der zweite (920) durchlässige Sektor jeweils einer Entspiegelungsbehandlung unterworfen worden sind.

6. Windmesser nach Anspruch 4, bei welchem der Laser (2) ein Infrarotlaser ist und das Material des Zylinders (95) Germanium oder Zinkselenid ist.

7. Windmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem reflektierende Einrichtungen (31x, 32x, 31y, 32y, 31z, 32z) auf jedem der aufeinanderfolgenden Strahlwege (3x, 3y, 3z) des auftreffenden Strahls (3) vorgesehen sind, um diesen in jeweils paarweise zueinander orthogonale Richtungen zu lenken.