DE3440376C2

DE3440376C2 - Verfahren zum Bestimmen von Vorzeichen und Betrag einer Frequenzverschiebung

Info

Publication number: DE3440376C2
Application number: DE3440376A
Authority: DE
Inventors: Eugen 8031 Wörthsee Biselli
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1984-11-05
Filing date: 1984-11-05
Publication date: 1987-05-14
Also published as: IT8567922A1; FR2572806A1; GB2167263A; IT8567922A0; DE3440376A1; IT1182648B; GB8526807D0; GB2167263B

Abstract

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen von Vorzeichen und Betrag einer Frequenzverschiebung mittels eines Heterodynempfängers geschaffen. Hierbei entsteht durch kohärente Überlagerung zweier Moden eines Resonators eine Differenzfrequenz, um deren Betrag das Spektrum einer homodynempfangenen, dopplerverschobenen Geschwindigkeitsverteilung in Richtung der positiven Achse verschoben wird. Mit Hilfe dieser Anordnung kann daher nicht nur der Betrag, sondern auch das Vorzeichen der Dopplerfrequenzverschiebung bestimmt und angegeben werden. lls einstückig verbunden ausgebildet sind und ferner ein in den Bohrungen gefüh

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Vorzeichen und Betrag einer Frequenzverschiebung, mittels eines Heterodynempfängers.
Mit Hilfe eines optischen Überlagerungsempfangs, d. h. einem Mischen einer Signalwelle mit einer Trägerfrequenzwelle, die im folgenden als Lokaloszillatorwelle bezeichnet wird, ist es möglich, durch Mischen zweier hochfrequenter Lichtwellen die Differenzfrequenz nachzuweisen und elektronisch aufzuarbeiten; eine dabei ebenfalls auftretende Summenfrequenz kann nicht registriert werden, da ihr Betrag immer wesentlich größer ist als die Bandbreite des Detektors.
Die gemessene Differenzfrequenz ist immer positiv, d. h., es ist nicht möglich zu unterscheiden, ob die Frequenz der Signalwelle größer oder kleiner ist als die Frequenz der Lokaloszillatorwelle. Dies wird als Homodyntechnik bezeichnet.
Um eine Information über das Vorzeichen der Differenzfrequenz zu erhalten, muß das gesamte Frequenzspektrum in Richtung der positiven Achse verschoben werden, was als Heterodyntechnik bezeichnet wird. Die bei einer solchen Verschiebung entstehende Zwischenfrequenz wird im folgenden Offsetfrequenz f _OF bezeichnet.
Der optische Überlagerungsempfang wird beispielsweise bei der Messung von Geschwindigkeiten unter Ausnutzung des Dopplereffekts und bei Verwendung nur eines Lasers, d. h. bei einer sogenannten Laser-Doppler-Messung von Geschwindigkeiten, angewendet. Hierbei wird eine diskrete und hinreichend stabile Laserfrequenz f&sub0; einem bewegten Objekt, beispielsweise einem Teilchen aufgrund des Dopplereffekts verschoben, d. h. die Laserfrequenz f&sub0; wird durch das bewegte Objekt dopplerverschoben. Für diese Frequenzverschiebung Δ f _D, welche direkt proportional der Geschwindigkeit v eines Teilchens ist, gilt dann die Gleichung (1):
Δ f _D=(2 f&sub0;/c) · v (1)
wobei mit c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet ist.
Wird die dopplerverschobene Frequenz (f&sub0;±Δ f _D) der so entstandenen Signalwelle mit der Lokaloszillator-Frequenz f _LO=f&sub0; gemischt, gelten für das Spektrum, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, folgende Gleichungen (2)
(f&sub0;±Δ f _D)+f _LO=2 f&sub0;±Δ f _D (2)
(f&sub0;±Δ f _D)-f _LO=Δ f _D=f _hom
wobei f _hom die sich bei dem Homodynempfang ergebende Frequenz ist. Durch die Frequenz 2 f&sub0;±Δ f _D könnte zwar eine eindeutige Auskunft über das Vorzeichen der Geschwindigkeit erhalten werden; dies läßt sich aber wegen der Größe der Frequenz, d. h. wegen deren Höhe nicht nachweisen. Die Frequenz f _hom gibt daher keine Auskunft über die Richtung der Geschwindigkeit.
Wird dagegen die dopplerverschobene Frequenz (f&sub0;±Δ f _D) der Signalwelle mit der Frequenz (f _LO+f _OF) eines frequenzverschobenen Lokaloszillators gemischt, läßt sich das entstehende Spektrum, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, durch die folgenden Gleichungen (3) wiedergeben:
(f&sub0;±Δ f _D)-f _LO=Δ f _D=f _hom
(f _LO+f _OF)-f _LO=f _OF (3)
(f&sub0;±Δ f _D)-f _LO+f _OF)=f _OF±Δ f _D,
-
bzw. die Frequenz (f _OF±Δ f _D) enthält eine Information über den Betrag der Geschwindigkeit der Bewegung und über deren Richtung.
Bei einer ungenügenden Überlagerung, beispielsweise aufgrund einer schlechten Justierung, entsteht zusätzlich folgendes Spektrum:
(f&sub0;±Δ f _D+f _OF)-f _LO=f _OF±Δ f _D
- (4)
(f&sub0;±Δ f _D+f _OF)-(f _LO+f _OF)=Δ f _D-
Durch die Frequenz (f _OF±Δ f _D) geht in diesem Fall die Information über das Vorzeichen der Geschwindigkeit wieder teilweise verloren. Die Frequenzen (f _OF&mnplus;Δ f _D) und (f _OF±Δ f _D) enthalten jede für sich die Information über das Vorzeichen der Geschwindigkeit solange nur eine der beiden Frequenzen eine größere Amplitude besitzt. Treten beide Frequenzen mit gleicher Amplitude auf, enthält das Spektrum die gleiche Information wie beim Homodynempfang.
Beim Hetereodynempfang muß daher auf eine gute Kohärenz zwischen Sender und Lokaloszillator und auf eine sorgfältige Justierung geachtet werden. Die Eindeutigkeit des Vorzeichens des zu messenden Geschwindigkeitsvektors kann beispielsweise dadurch überprüft werden, daß ein Referenzsignal, beispielsweise mit Hilfe einer in bekannter Richtung rotierenden Scheibe, erzeugt wird.
Das Vorzeichen einer Frequenzverschiebung wird dadurch ermittelt, daß das entstandene Spektrum auf die in ihm enthaltenen Frequenzen untersucht wird, und zwar insbesondere daraufhin, ob die Frequenz (f _OF-Δ f _D) oder die Frequenz (f _OF+Δ f _D) austritt. Hierbei ist die Frequenzverschiebung beispielsweise dann positiv, wenn die Frequenz (f _OF-Δ f _D) auftritt und eine Kalibrierung mit Hilfe einer - vom Sender aus gesehen - im positiven Uhrzeigersinn rotierenden Scheibe ebenfalls eine Zwischenfrequenz zur Folge hat, welche kleiner als f _OF ist.
Die Offsetfrequenz (f _OF) kann nun auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden. Im folgenden wird grundsätzlich zwischen zwei Verfahren unterschieden, je nachdem, ob für die Erzeugung und Stabilisierung der Offsetfrequenz (f _OF) andere als optische Bauteile benötigt werden, wie beispielsweise in einem Hybrid-System, oder nicht, wie beispielsweise in einem intrinsischen System.

Bei Hybridsystemen sind im wesentlichen zwei Verfahren bekannt. Bei dem ersten Verfahren wird eine zweite kohärente Lichtquelle mittels einer elektronischen Diskriminatorschaltung an die Frequenz der ersten Lichtquelle im Abstand der Offsetfrequenz f _OF gekoppelt, was beispielsweise in Appl. Opt. Vol. 20, 4, Seite 579 (1981) von R. L. Schwiesow, und R. E. Cupp und in der US-PS 41 68 906 beschrieben ist. Um mit diesem Verfahren einen ausreichenden Wirkungsgrad zum Nachweis sehr schwacher Signale zu erhalten, muß jedoch ein nicht unerheblicher, elektronischer und optischer Aufwand betrieben werden. Die Elektronik muß nämlich eine den optischen Eigenschaften der ersten Lichtquelle angepaßten Rückkopplungscharakteristik (d. h. schnelle Anstiegszeiten, verzögerungsfreie Stellglieder usw.) aufweisen. Die optischen Eigenschaften der beiden Lichtquellen müssen aus Gründen der Kohärenz (d. h. beispielsweise bezüglich Divergenz, Polarisation, Phasenlage, usw.) übereinstimmen.

Bei dem zweiten bekannten Verfahren wird ein Teil der Lichtleistung der Quelle mit Hilfe eines akustooptischen Modulators frequenzverschoben, wie beispielsweise in J. Phys. E 13, Seite 982 (1980) vonW. R. M. Pomeroy et al. beschrieben ist. Dieses Verfahren erfordert zum einen einen beträchtlichen Justieraufwand, da beispielsweise die Einfalls- und die Ausfallwinkel des Modulators exakt eingehalten werden müssen, und zum anderen werden durch die optische Länge und den schlechten Wirkungsgrad des aktiven Teils der Elektronik die Wellenfronten der Lichtquelle stark verzerrt. Außerdem ist der Betrag der Offsetfrequenz f _OF bei diesem Verfahren bauartbedingt festgelegt. Um andere für die Anwendung gegebenenfalls günstigere Werte zu erhalten, muß die Offsetfrequenz f _OF zusätzlich beispielsweise elektronisch heruntergemischt werden.

Bei einem dritten Verfahren wird durch eine mechanische Vorrichtung, beispielsweise durch ein sich schnell drehendes Rad, mit Hilfe des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung erhalten. Die Anwendungen sind jedoch im wesentlichen durch die Größe der damit möglichen Offsetfrequenz f _OF und aufgrund der Beschränkungen im mechanischen Aufbau begrenzt, wodurch wiederum die Güte der Überlagerung beeinflußt wird.

Intrinsische Systeme, also Verfahren, welche ohne eine externe Steuerung auskommen, sind in diesem Zusammenhang bisher noch nicht bekannt geworden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile herkömmlicher Verfahren und Einrichtungen möglichst weitgehend zu überwinden und ein Verfahren zu schaffen, mit welchem das Vorzeichen und der Betrag einer Frequenzverschiebung mittels einer verhältnismäßig einfachen und leicht zu justierenden Anordnung in Form eines Heterodynempfängers bestimmt werden kann. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, daß sich in einem Resonator verschiedene, diskrete Eigenschwingungen bilden können, wobei jedoch nur solche Eigenschwingungen möglich sind, deren Frequenz innerhalb der Bandbreite des Resonators liegt. Diese sogenannten Resonatormoden sind für die meisten Anwendungen störend und werden daher bei verschiedenen Verfahren durch entsprechende Vorrichtungen, wie Etalons und Blenden, unterdrückt.

Bei einem Laserresonator werden nur solche Moden verstärkt, die innerhalb dessen Linienbreite liegen, welche beispielsweise bei einem CO&sub2;-Laser üblicherweise 200 bis 500 MHz beträgt. Der Frequenzabstand Δ f _ax zweier axialer Resonatormoden ist in erster Näherung durch die folgende Gleichung (5) gegeben:
Δ f _ax=c/2 L (5)
in welcher mit c die Lichtgeschwindigkeit im Medium und mit L die Resonatorlänge bezeichnet sind. Der Frequenzabstand Δ f _tr zweier transversaler Moden ist wesentlich kleiner und beträgt zwischen einem TEM _nm-Mode und dem Grundmode bei Vernachlässigung von Beugungsverlusten: &udf53;np30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei mit X _nm die m-te Nullstelle der Bessel-Funktion n-ter Ordnung, mit n der Brechungsindex des verstärkenden Mediums und mit d der freie Durchmesser der Resonatoroptik bezeichnet sind.

Damit ist bei einer Linienbreite von beispielsweise 300 MHz durch die Überlagerung von zwei verschiedenen Moden eine Offsetfrequenz f _OF von 1 bis 250 MHz möglich, wobei in diesem Fall die Resonatorlänge 1 m, der freie Durchmesser der Resonatoroptik d = 2,54 cm, der Brechungsindex n =1 und die Laserwellenlänge 10,6 µm sind. Die Größe der Offsetfrequenz f _OF kann durch Ändern der Resonatorgeometrie, beispielsweise durch Ändern der Resonatorlänge, durch Ändern des freien Durchmessers usw. bzw. auch durch Variieren des Druckes eines Füllgases beeinflußt werden, wodurch beispielsweise der Brechungsindex des Mediums geändert wird. Am einfachsten geschieht dies dadurch, daß die optische Achse des Resonators gegenüber dessen mechanischer Achse gekippt wird; hierdurch kann dann eine Änderung des Modenvolumens auf sehr einfache Weise erreicht werden.

Die Vorteile dieser Ausführung gegenüber den eingangs beschriebenen ersten beiden Verfahren sind folgende. Da zur Ausbildung der Offsetfrequenz f _OF nur eine atomare Quelle benötigt wird, stimmen die optischen Eigenschaften beider Moden und damit die Eigenschaften des Senders und des Lokaloszillators weitgehend überein beispielsweise hinsichtlich ihrer Polarisation, ihrer Divergenz usw. bzw. stehen in einem festen Zusammenhang, beispielsweise bezüglicher ihrer Phasenlage. Gegenüber dem eingangs beschriebenen, zweiten Verfahren ist der Aufwand bei der Justierung des Gesamtsystems erheblich geringer, und es ergibt sich im allgemeinen auch eine geringere Verzerrung der Wellenfronten; dies führt dann zu einem insgesamt besseren Heterodyn- Wirkungsgrad und damit auch zu einem besseren Signal-Rausch- Verhältnis.

Weiterhin stellt die Verwendung nur eine Quelle eine erhebliche Kostenersparnis dar, und durch das Wegfallen von mechanischen, elektrischen und optischen Bauteilen ergibt sich ein geringerer elektrischer Leistungsbedarf bei dem gesamten System. Darüber hinaus kann eine solche Anordnung insgesamt erheblich kompakter ausgeführt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Frequenzspektrum eines Homodynempfangs sowohl bei einer positiven als auch bei einer negtiven Komponente der Geschwindigkeit der Bewegung,
Fig. 2 ein Frequenzspektrum eines Heterodynempfangs bei einer positiven und einer negativen Komponente der Geschwindigkeit der Bewegung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Heterodynempfang und
Fig. 4 eine schematische Darstlelung eines abgewandelten Aufbaus zur Durchführung des Verfahrens für einen Heterodynempfang.
Zur Überprüfung und Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine bestehende Homodyn-Anordnung für das vorstehend beschriebene, intrinsische Heterodynverfahren geringfügig abgeändert. In Fig. 3 ist schematisch der dabei verwendete Aufbau dargestellt. Als Quelle 1 dient ein frequenzstabilisierter CO&sub2;-Laser, der bei einer Wellenlänge von 10,59 µm (der P-20-Linie) eine Dauerstrich- oder cw-Leistung von 3 W emittiert. Ein Teil der vom Laser abgegebenen Leistung der etwa in der Größenordnung von 5 mW liegt, wird über einen teilweise reflektierenden Spiegel 2 direkt auf einen PbSnTe-Detektor 3 geleitet und in diesem mit einer Signalwelle gemischt. Zur Veranschaulichung ist in den Fig. 3 und 4 der Weg der Lokaloszillatorwelle gestrichelt eingezeichnet, während der Weg der Signalwelle strichpunktiert eingezeichnet ist.
Die Signalwelle entsteht dabei dadurch, daß der Teil der vom Laser 1 abgeleiteten Strahlung, welche vom Spiegel 2 durchgelassen worden ist, über ein Teleskop 4 auf einer sich bewegenden, vorzugsweise rotierenden Streueinrichtung 5 fokussiert wird. Der von der Streueinrichtung 5 in Richtung des Teleskops 4 gestreute Anteil wird von diesem (4) wieder gesammelt und passiert den teilweise durchlässigen Spiegel 2 jetzt in der umgekehrten Richtung. Die Signalwelle wird nun teils an einem nicht näher dargestellten Auskoppelspiegel des Lasers 1 in sich selbst reflektiert und teils im Laser 1 parametrisch verstärkt; schließlich folgt die Signalwelle dem Weg der Lokaloszillatorwelle, wo sie an dem Detektor 3 mit der Lokaloszillatorwelle kohärent zur Überlagerung gebracht wird. Das Signal vom Detektor 3 wird, obwohl es in Fig. 3 im einzelnen nicht näher dargestellt ist, elektronisch verstärkt, und anschließend kann dann das Frequenzspektrum analysiert werden.
Durch diese einfache Anordnung ist ein guter Heterodynwirkungsgrad erreicht. Da der Weg der Lokaloszillatorwelle und der Signalweg übereinstimmen und da somit das sonst übliche Interferometer entfällt, ist der Justieraufwand auf ein Minimum herabgesetzt. Es ist nur noch notwendig, über den teildurchlässigen Spiegel 2 die Strahlung vom Lokaloszillator auf dem Detektor 3 abzubilden, was in der Praxis dem Fachmann keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Diese besondere für Homodynanordnungen geeignete Ausführung der Überlagerungsgeometrie kann, da der Winkel zwischen der Lokaloszillatorwelle und der Signalwelle immer und an jeder Stelle null ist, für einen Heterodynempfang nachteilig sein, und zwar insbesondere dann, wenn beispielsweise durch atmosphärische Turbulenzen die Phasenbeziehung zwischen der Lokaloszillatorwelle und der Signalwelle geändert wird.
Entgegen einer Meinung, welche von O. E. DeLange in IEEE spectrum, Seite 77 (1968) zum Ausdruck gebracht worden ist, ist in der Praxis eine Überlagerung zweier verschiedenen Moden auch dann immer noch möglich; allerdings sollte in diesem Fall eine Interferometeranordnung mit wenigstens zwei zusätzlichen Freiheitsgraden verwendet werden, wie sie im einzelnen in Fig. 4 dargestellt ist.
Bei der Anordnung der Fig. 4 passiert die parallel polarisierte Laserstrahlung von der Laserquelle 1 ungehindert ein sogenanntes Brewsterfenster 6 und trifft dann auf ein Viertelwellen-Plättchen 7 auf, welches in zwei Achsen justiert werden kann. Beide Flächen des Viertelwellenplättchens 7 sind entspiegelt, und besitzen jedoch ein Restreflexionsvermögen R von etwa 0,5%. Die transmittierte Laserleistung wird, wie bereits bei der Anordnung der Fig. 3, über ein Teleskop 4 auf eine rotierende Streueinrichtung 5 fokussiert.
Der in Richtung des Teleskops 4 gestreute Anteil wird von diesem gesammelt und passiert das Viertelwellen-Plättchen 7 ein zweites Mal. Die Signalwelle ist dadurch jetzt senkrecht polarisiert und wird an der Brewsterplatte 6 zu etwa 80% reflektiert.
Der an der zweiten Fläche des Viertelwellenplättchens 7 reflektierte Anteil der ursprünglichen Laserstrahlung ist ebenfalls senkrecht polarisiert, wird durch Kippen des Plättchens 7 mit der Signalwelle kohärent zur Überlagerung gebracht und wird mit der Signalwelle auf dem Detektor 3 abgebildet.
Durch Drehen des Viertelwellen-Plättchens 7 um seine optische Achse und durch ein Kippen gegenüber der Achse des Signalwegs ist es immer möglich, einen Zustand einzustellen, bei welchem der an der zweiten Fläche des Plättchens 7 reflektierte Anteil der Laserleistung als Lokaloszillator mit der Signalwelle phasenrichtig überlagert werden kann. Damit ist die vorstehend angeführte, mögliche Zweideutigkeit bei Heterodyn-Signalen ausgeräumt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einer einfach zu erstellenden Heterodyn-Anordnung eine eindeutige Bestimmung von Betrag und Richtung einer Vektorkomponente und durch Bestimmen von mindestens drei Komponenten eine Festlegung des Vektors der Geschwindigkeit einer Bewegung möglich. Ferner kann bei Kenntnis dieses Vektors angegeben werden, ob die Frequenz f _LO der Lokaloszillatorwelle größer oder kleiner ist als die Frequenz f&sub0; der Senderwelle.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen von Vorzeichen und Betrag einer Frequenzverschiebung, mittels eines Heterodynempfängers, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich bewegendes Objekt mit zwei Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz bestrahlt wird, die dadurch in ihrer Frequenz dopplerverschobenen Lichtwellen mit einem Teil einer der beiden Lichtwellen gemischt werden, und das entstandene Spektrum ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz in einem einzigen Resonator dadurch erzeugt werden, daß zwei Resonator-Eigenschwingungen (Resonatormoden) erzwungen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei transversale Resonatormoden dadurch erzwungen werden, daß ein oder mehrere fadenförmige Bereiche im Resonator ausgeblendet werden, wobei die fadenförmigen Bereiche senkrecht zueinander und senkrecht zur Resonatorachse stehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere fadenförmige Bereiche eines teildurchlässigen Resonatorspiegels (2) verspiegelt sind oder daß ein oder mehrere fadenförmige Bereiche eines Resonatorspiegels (2) entspiegelt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei transversale Resonatormoden dadurch erzwungen werden, daß ein oder mehrere ringförmige Bereiche im Resonator ausgeblendet sind, wobei diese ringförmigen Bereiche konzentrisch zueinander liegen und ihre Symmetrieachse mit der Resonatorachse zusammenfällt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere ringförmige Bereiche eines teildurchlässigen Resonatorspiegels (2) verspiegelt sind oder daß ein oder mehrere ringförmige Bereiche eines Resonatorspiegels (2) entspiegelt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil einer der beiden Lichtwellen dadurch erzeugt wird, daß die zweite Fläche eines Viertelwellenplättchens (7) teilweise verspiegelt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil einer der beiden Lichtwellen dadurch erzeugt wird, daß nach dem Viertelwellenplättchen (7) eine teilweise verspiegelte Fläche angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Frequenz dopplerverschobenen Lichtwellen mit einem Teil einer der ursprünglichen Wellen dadurch gemischt werden, daß die in der Frequenz verschobenen Lichtwellen teilweise an der zweiten Fläche eines Auskoppelspiegels des Resonators reflektiert werden und teilweise in den Resonator zurückgelangen.