DE2221475A1

DE2221475A1 - PROCEDURE AND DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION OF VELOCITY IN LASER DOPPLER ANEMOMETERS

Info

Publication number: DE2221475A1
Application number: DE19722221475
Authority: DE
Inventors: Rene Dipl-Phys Dr P Daendliker
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1972-04-14
Filing date: 1972-05-02
Publication date: 1973-10-31
Also published as: CH543745A

Description

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeitsrichtung bei Laser-Doppler-Anemometern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeitsrichtung bei Laser-Doppler-Anemometern, bei welchen der Messort mittels mindestens eines Lichtbündels beleuchtet wird und aus dem den Messort verlassenden Licht, gegebenenfalls unter Einbeziehung eines Referenzbündels eine der Geschwindigkeitsrichtung entsprechende Messgrösse abgeleitet wird.Method and device for determining the direction of speed in laser Doppler anemometers The invention relates to a method for determination the direction of speed for laser Doppler anemometers, for which the measurement location is illuminated by means of at least one light beam and from the one leaving the measuring location Light, possibly with the inclusion of a reference bundle of one of the speed directions corresponding measured variable is derived.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung.The invention also relates to one for performing this Procedure suitable facility.

Bei bekannten Verfahren zur Bestimmung des Vorzeichens der Strömungsgeschwindigkeit bei Laser-Doppler-Anemometern wird eine optische Frequenzverschiebung zwischen den beiden Beleuchtungslichtbündeln bzw. zwischen Beleuchtungs- und Rererenzlichtbündel benutzt (Appl. Phys. Letters, 16, 462 (1970)). Diese Frequenzverschiebung wird erzeugt durch mechanisch rotierende Beugungsgitter für kleine Frequenzen oder durch akustische oder elektrooptische Modulatoren (z.B Bragg-Zellen) für grosse Frequenzen. Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren, dass ßie Frequenzverschiebung grösser sein muss als die maximal aurtretende Dopplerverschiebung.In known methods for determining the sign of the flow velocity with laser Doppler anemometers becomes an optical frequency shift between the two illuminating light bundles or between the illuminating and secondary light bundles (Appl. Phys. Letters, 16, 462 (1970)). This frequency shift is generated by mechanically rotating diffraction gratings for small frequencies or by acoustic ones or electro-optical modulators (e.g. Bragg cells) for high frequencies. Disadvantageous is with these known methods that ßie frequency shift must be greater than the maximum occurring Doppler shift.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeitsrichtang bei Laser-Doppler-Anemometern anzugeben, das die Nachteile bekannter Verfahren nicht aufweist und bei dem insbesondere keine optische Frequenzverschiebung vorgenommen werden muss.It is the object of the invention to provide a method for determining the speed direction specify for laser Doppler anemometers that do not have the disadvantages of known methods and in which, in particular, no optical frequency shift is carried out must become.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Einrichtung zu schaffen, welche sich durch einfachen und wirtschaftlichen Aufbau bei grösstmöglicher Dynamik auszeichnet.It is also an object of the invention to provide a for implementing the Procedure to create particularly suitable device, which is easy and economic development with the greatest possible dynamism.

Der erste Teil der vorgenannten Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch ~gelöst,-dassr'bei dem Verfahren der eingangs aufgeführten Art der Messort mit Lichtbündeln unterschiedlicher Polarisation bzw. mit einLiehtbündel, das sich von dem Referenzbündel hinsichtlich seiner Polarisation unterscheidet, beleuchtet wird.The first part of the aforementioned object is thereby achieved according to the invention ~ solved, -that in the process of the above listed Art the measuring location with light bundles of different polarization or with one light bundle, which differs from the reference beam in terms of its polarization, is illuminated.

Die zweite Aufgabe wird durch eine- Einrichtung gelöst, die erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Laserlichtquelle, Mittel zur Aufteilung des Laserlichtes in mindestens zwei unterschiedlich polarisierte Lichtbündel, ein Abbildungssystem zur Beleuchtung des Messortes, Mittel zur Trennung des unterschiedlich polarisierten Lichtes nach Verlassendes Messort bzw. nach der Ueberlagerung des Referenzbündels mit dem den Messort verlassenden Lichtnd Mittel~zur Bestimmung der Phasenverschiebung vorgesehen sind.The second object is achieved by a device according to the invention is characterized in that a laser light source, means for dividing the Laser light in at least two differently polarized light bundles, an imaging system for illuminating the measuring location, means for separating the differently polarized Light after leaving the measuring location or after superimposing the reference bundle with the light and means leaving the measuring location for determining the phase shift are provided.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei in der Zeichnung dargestellter Ausrührungsbeispiele näher erläutert.The invention is illustrated below with reference to two in the drawing Ausrührungsbeispiele explained in more detail.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeisplel einer derartigen Einrichtung.In the drawing, FIG. 1 shows a graphic representation for explanation of the invention, Fig. 2 shows a first embodiment of a device for implementation of the method according to the invention, FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a such facility.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden aus dem linear polarisierten Licht eines Lasers 1 mittels eines polarisierenden Strahlteilers 2 und eines Umlenkprismas 3 zwei parallele Strahlenbündel LA und i mit orthogonaler Linearpolarisation erzeugt.In the embodiment shown in Fig. 2 are from the linearly polarized light from a laser 1 by means of a polarizing beam splitter 2 and a deflecting prism 3 two parallel beams LA and i with orthogonal Linear polarization generated.

Diese beleuchten durch eine Linse 4 den Messort, z.B.These illuminate the measurement location through a lens 4, e.g.

ein Streuvoulumen M. Das den Messort verlassende Licht wird durch eine weitere Linse 5 gesammelt und durch einen polarisationsunabhängigen Strahlteiler 6 in zwei Lichtbündel f' und"L' aufgeteilt. LA gelangt ~ 13 nach Durchtritt durch einen 450-Linearpolarisator 7 in einen Photodetektor 8. LB tritt durch eine Platte 9 und einen 450-Linearpolarisator 10 hindurch und gelangt in einen Photodetektor 11. Beide Lichtbündel werden in den Photodetektoren 8 bzw. 11 in elektrische Signale 1A bzw. IB umgewandelt. Die relative Phase dieser Signale IA und 1B wird in einer Phasenvergleichseinrichtung 12 bestimmt.a scattering voulumen M. The light leaving the measurement location is transmitted through another lens 5 collected and through a polarization-independent beam splitter 6 divided into two light bundles f 'and "L'. LA passes ~ 13 after passing through a 450 linear polarizer 7 into a photodetector 8. LB passes through a plate 9 and a 450 linear polarizer 10 and enters a photodetector 11. Both light bundles are converted into electrical signals in photodetectors 8 and 11, respectively 1A or IB converted. The relative phase of these signals IA and 1B is in a Phase comparison device 12 is determined.

Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung wird nun unter Zuhilfenahme der graphischen Darstellung in Fig. 1 erläutert.The operation of the device shown in Fig. 2 will now explained with the aid of the graphic representation in FIG. 1.

Die beiden Beleuchtungsstrahlenbündel LA und i der Frequenz # sind senkrecht zueinander polarisiert. Durch die Dopplerverschiebung bei der Streuung an einem bewegten Teilchen erhält man zwei orthogonal polarisierte Wellen und mit einer Frequenzdifferenz entsprechend der Dopplerverschiebung. Das Vorzeichen von D#D ist gleich dem Vorzelchen der Strömungsgeschwindigkeit. Die Amplituden a und b sind im allgmeinen ebenfalls zeitabhängig.The two illuminating beams LA and i of frequency # are polarized perpendicular to one another. The Doppler shift in the scattering of a moving particle results in two orthogonally polarized waves and with a frequency difference corresponding to the Doppler shift. The sign of D # D is equal to the sign of the flow velocity. The amplitudes a and b are generally also time-dependent.

Da beide Wellen orthogonal polarisiert sind, können sie durch optische Polarisatoren getrennt und verschieden verarbeitet werden. Insbesondere können, z.B durch doppelbrechende Elemente, optische Phasendifferenzen zwischen den beiden Wellen, bzw. Polarisationen erzeugt werden. Auf diese Weise können Schwebungssignale erzeugt werden, deren relative Phase durch die optische Phasendifrerenz bestimmt ist.Since both waves are orthogonally polarized, they can be through optical Polarizers are processed separately and differently. In particular, e.g. due to birefringent elements, optical phase differences between the two Waves or polarizations are generated. This way you can use beat signals are generated whose relative phase is determined by the optical phase difference is.

In der graphischen Darstellung der Fig. 1 ist das Prinzip zur Bestimmung des Vorzeichens von ##D schematisch dargesteilt.In the graph of FIG. 1, the principle for determination is the sign of ## D is shown schematically.

die In Fig. la sind beiden oben in (1) und (2) definierten senkrecht zueinander linear polarisierten, das Streuvolumen M verlassenden Beleuchtungsstrahlenbündel VA und VB eingetragen. Ein Teil des Signals geht durch einen 450-Linearpolarisator (Fig. Ib) und liefert dort die zeitabhängige Intensität 1A = |A|2 (Fig. lc): Ein anderer Teil des Signals geht zuerst durch eine optische # /4Platte, die eine relative Phasendifferenz von + = /2 erzeugt (Fig. ld), und dann ebenfalls durch einen 45°-Linearpolarisator (Fig. le). Die entsprechende zeitabhängige Intensität 1B = $12 2(Fig. lf) wird dann zu Ein Vergleich der Phasen des Dopplersignals in (3) und (4) liefert womit die Geschwindigkeitsrichtung-bestimmt ist.The two illuminating beams VA and VB which are linearly polarized perpendicular to one another and which are defined above in (1) and (2) and leave the scattering volume M are entered in FIG. A part of the signal goes through a 450 linear polarizer (Fig. Ib) and there delivers the time-dependent intensity 1A = | A | 2 (Fig. 1c): Another part of the signal first goes through a # / 4 optical plate, which produces a relative phase difference of + = / 2 (Fig. 1d), and then also through a 45 ° linear polarizer (Fig. 1e). The corresponding time-dependent intensity 1B = $ 12 2 (Fig. 1f) then becomes A comparison of the phases of the Doppler signal in (3) and (4) provides with which the direction of speed is determined.

Als Pbasenvergleichseinrichtung 12 kann ein Phasenmesser verwendet werden, wie er z.B. in dem Buch "Taschenbuch der Elektrotechnik", Bd.I, VEB Verlag Technik, Berlin 1968, 2.Auflage, S.622, Bild 5.126, beschrieben ist. Alle anderen Komponenten, welche zur Realisierung der vorgeschlagenen Einrichtung benötigt werden sind bekannt.A phase meter can be used as the base comparison device 12 as it is e.g. in the book "Taschenbuch der Elektrotechnik", Bd.I, VEB Verlag Technik, Berlin 1968, 2nd edition, p.622, figure 5.126. All other components required to implement the proposed device are known.

Das in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel.The second embodiment shown in FIG.

unterscheidet sich von dem der Fig. 2 im wesentlichen durch die Erzeugung der beiden verschiedenartig polarisierten Beleuchtungsstrahlenbündel LA und LB. Gleiche Teile sind in beiden Darstellungen mit denselben Bezugsziffern versehen.differs from that of FIG. 2 essentially in the generation of the two differently polarized illuminating beams LA and LB. The same parts are provided with the same reference numbers in both illustrations.

In Fig. 3 werden durch eine A /4 Platte 13 zwei parallele entgegengesetzt (orthogonale) zirkular polarisierte Strahlenbündel LA und i erzeugt. Für die Erzeugung der beiden phasenverschobenen elektrischen Dopplersignale IA und 1B genügen dann zwei Linearpolarisatoren 14 bzw.In Fig. 3, two parallel plates are opposed by an A / 4 plate 13 (Orthogonal) circularly polarized beams LA and i are generated. For the generation the two phase-shifted electrical Doppler signals IA and 1B then suffice two linear polarizers 14 resp.

15. Die Phasenverschiebung + ist - im Gegensatz zu der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung - gleich dem doppelten Winkel zwischen den Polarisationsrichtungen von 14 und 15.15. The phase shift + is - in contrast to that shown in FIG Facility - equal to twice the angle between the directions of polarization of 14 and 15.

In den Ausführungsbeispielen von Einrichtungen zur Bestimmung der Geschwindigkeitsrichtung nach den Figuren 2 und 3 sind die Anordnungen zur Beleuchtung des Streuvolumens und zum Sammeln des Streulichtes lediglich beispielhaft gewählt. Selbstverständlich beschränkt. sich die Erfindung nicht-auf die dort dargestellten Anordnungen. Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich ebenso bei Laser-Doppler-Anemometern mit Rückwärtsstreuung oder bei solchen einsetzen, bei denen der Referenzstrahl LR nicht durch das zu messende Strömungsfeld hindurchgeleitet wird, bei solchen Einrichtungen also, bei denen ein mit streuenden Teilchen des Strömungsfeldes in Wechselwirkung getretenes Lichtbündel mit dem Referenzstrahl überlagert wird. Auch bei solchen systemen kann durch unterschiedliche Polarisation von Beleuchtungs- u;ici'Referenzstrahl die Geschwindigkeitsrichtung ermittelt werden.In the exemplary embodiments of devices for determining the The direction of speed according to FIGS. 2 and 3 are the arrangements for lighting of the scattered volume and for collecting the scattered light is only chosen as an example. Limited, of course. themselves the invention not-on the arrangements shown there. The method according to the invention can also be used use with laser Doppler anemometers with backward scattering or with such, in which the reference beam LR is not passed through the flow field to be measured is, in such devices, in which a with scattering particles of the The light bundle interacting with the reference beam is superimposed. Such systems can also be due to different polarization the direction of speed can be determined by the illumination and reference beam.

Claims

P a t e n t a rl r u c h e

.5 procedures for determining the direction of speed of laser Doppler anemometers; in which the measurement location is illuminated by means of at least one lightbinding and from the light leaving the measurement location, possibly including a Reference bundle derived a measured variable corresponding to the direction of speed is, characterized in that the measuring location (M) with light bundles (LA, LB) different Polarization or with a light beam that differs from the reference beam (LR) with regard to its polarization is different, is illuminated.

2. The method according to claim 1, characterized in that different linearly polarized light is used to illuminate the measurement location (M).

3. The method according to claim 2, characterized in that iinear orthogonally polarized light is used.

4. The method according to claim 1, characterized in that differently, preferably oppositely circularly polarized light for illuminating the measurement location (M) is used,

5. Facility for carrying out the procedure according to claim 1, characterized in that a laser light source (1), means (2,3,13) to split the laser light into at least two differently polarized Light bundle (LA, LB; LR, LB), an imaging system (4) for illuminating the measurement location (M), means (6,7,8,9,14, 15) for separating the differently polarized light after leaving the measuring location (M) or after superimposing the reference bundle with the light leaving the measurement location and means (10, 11, 12) for determining the phase shift are provided.

6. Device according to claim 5, characterized in that for division of the laser light a polarizing beam splitter (2) with a downstream deflecting prism (3) is provided.

7. Device according to claims 5 or 6, characterized in that that to separate the differently polarized light a polarization-independent one Beam splitter (6), which has a first linear polarizer (7) and an I / II plate (8) respectively.

a second linear polarizer (9) are connected downstream are.

8. Device according to claim 6, characterized in that for division of the laser light a polarizing beam splitter (2) with a downstream deflecting prism (3) and a 2/4 plate (13) is provided.

9. Device according to claim 6, 7 or 8, characterized in that that to separate the differently polarized light a polarization-independent one Beam splitter (6) followed by a first and a second linear polarizer (14, 15) are provided.

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that that to compare the phase shift between those leaving the measurement location Beams (LA, LB) Each have a photodetector (10 or 11) to which a phase meter (12) is connected downstream, is provided.

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