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Dokumentenidentifikation DE19636922A1 26.03.1998
Titel Verfahren zum Justieren eines Laser-Doppler-Anemometers
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 53175 Bonn, DE
Erfinder Seelhorst, Ulrich, Dipl.-Phys., 37085 Göttingen, DE;
Schmidt, Frank, Dipl.-Ing., 37083 Göttingen, DE;
Bütefisch, Karl-Aloys, Dipl.-Phys. Dr., 37120 Bovenden, DE;
Sauerland, Karl-Heinz, Dipl.-Ing., 37176 Nörten-Hardenberg, DE
Vertreter Rehberg und Kollegen, 37085 Göttingen
DE-Anmeldedatum 11.09.1996
DE-Aktenzeichen 19636922
Offenlegungstag 26.03.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.03.1998
IPC-Hauptklasse G01P 5/00
IPC-Nebenklasse G01M 9/06   
Zusammenfassung Ein Verfahren dient zum Justieren eines Laser-Doppler-Anemometers (1 bis 5) mit einer mindestens zwei Laserstrahlen (7, 8) aussendenden Sendeoptik (3) und einer Empfangsoptik (4) zum Sammeln von an Streuteilchen gestreutem Licht. Dabei wird der Fokuspunkt (12) der Empfangsoptik (4) auf einen Schnittpunkt (11) ausgerichtet, in dem sich die Laserstrahlen (7 und 8) schneiden, und in den Ausgang der Empfangsoptik (4) wird Laserlicht (17) eingekoppelt, um den Fokuspunkt (12) sichtbar zu machen. Die Empfangsoptik (4) mit in ihren Ausgang eingekoppeltem Laserlicht (17) wird so auf eine Oberfläche (13) ausgerichtet, daß der Fokuspunkt (12) der Empfangsoptik (4) auf der Oberfläche (13) liegt, und die Sendeoptik (3) und die Empfangsoptik (4) werden so eingestellt und relativ zueinander verstellt, daß der Schnittpunkt (11) der Laserstrahlen (7, 8) auf der Oberfläche (13) mit dem Fokuspunkt (12) der Empfangsoptik (4) zusammenfällt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Justieren eines Laser-Doppler-Anemometers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte Laser-Doppler-Anemometer weisen als wesentliche Bestandteile eine Sendeoptik, eine Empfangsoptik und eine Auswerteeinrichtung auf. Die Sendeoptik sendet zwei Laserstrahlen aus, die sich in einem Schnittpunkt schneiden. Der Schnittpunkt weist eine gewisse räumliche Ausdehnung auf und definiert ein Meßvolumen. Die Empfangsoptik sammelt das Licht, welches von Streuteilchen gestreut wird, die sich im Meßvolumen befinden. Hierzu ist die Empfangsoptik auf das Meßvolumen zu fokussieren.

Diese Justierung, d. h. das Kreuzen der beiden Laserstrahlen exakt im Fokuspunkt der Empfangsoptik, ist mit großer Genauigkeit durchzuführen, um korrekte Meßergebnisse bei der Geschwindigkeitsmessung mit dem Laser-Doppler-Anemometer zu erhalten. Die Auswerteeinrichtung wertet das von der Empfangsoptik empfangene und von den Streuteilchen stammende Streulicht aus. Bis hierher wurde der Aufbau eines Einkomponenten-Laser- Doppler-Anemometers beschrieben. Bei Mehrkomponenten-Laser- Doppler-Anemometern werden für jede Komponente, in der die Geschwindigkeit der Streuteilchen bestimmt werden soll, zwei in der jeweiligen Richtung der Komponente verlaufende Laserstrahlen in dem Meßvolumen miteinander überlagert.

Die Erfindung bezieht sich auf das Justieren eines Ein-oder Mehrkomponenten-Laser-Doppler-Anemometers.

Ein solches Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist bekannt. Dabei wird durch Einkoppeln von Laserlicht in den Ausgang der Empfangsoptik der Fokuspunkt der Empfangsoptik bestimmt. Dieser Fokuspunkt legt die Position des Meßvolumens auf der optischen Achse der Empfangsoptik fest. Im Meßvolumen wird eine Lochblende mit einem Durchmesser in der Größenordnung des Durchmessers der Strahltaillen der Laserstrahlen aufgestellt. Die Sendeoptik wird nachfolgend so eingestellt, daß die von ihr ausgesandten Laserstrahlen vollständig durch das Loch der Lochblende hindurchtreten. Zur Erhöhung der Genauigkeit können anschließend Lochblenden mit kleineren Lochdurchmessern bei einer Wiederholung der Justierschritte verwendet werden. Außerdem kann das Loch der Lochblende mit einem nachgeordneten Mikroskopobjektiv auf eine Oberfläche projiziert werden, um die Lage der Laserstrahlen im Loch der Lochblende genauer überprüfen zu können. Das bekannte Verfahren hat verschiedene Unzulänglichkeiten. Da die Genauigkeit der Lageübereinstimmung der Laserstrahlen subjektiv beurteilt werden muß, ist die Güte der Justierung stark von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Viele Meßstrecken von Windkanälen, bei denen Laser-Doppler-Anemometer häufig zum Einsatz kommen, sind mit Fenstern abgeschlossen. Beim Durchtritt durch die Fenster werden die Laserstrahlen gebrochen, wodurch sich die Lage des Meßvolumens im Windkanal verschiebt. Die Größe dieser Verschiebung ist von der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts, der Dicke der Fenster und dem Winkel abhängig, in dem die Laserstrahlen auf die Fenster auftreffen. Die Berücksichtigung dieser Brechung bei der Justierung ist problematisch, wenn es nicht möglich ist, die Lochblende und das Mikroskopobjektiv in die Meßstrecke des Windkanals zu bringen. Selbst wenn dies möglich ist, kann es durch Strömungen in der Meßstrecke beim Betrieb des Windkanals zu einer Änderung der optischen Eigenschaften des verwendeten Fluids, insbesondere seines Brechungsindexes kommen. An den Grenzflächen zwischen dem Fluid und den die Meßstrecke begrenzenden Fenstern ändern sich damit Betrag und/oder Richtung der Brechung der einfallenden Laserstrahlen. Dadurch kann es zu einer Relativverschiebung des Schnittpunkts der Laserstrahlen zu dem Fokuspunkt der Empfangsoptik kommen, die dann möglicherweise nicht mehr mit zusammenfallen. Eine Justierung von Laser-Doppler-Anemometern bei laufendem Windkanal ist nach den bekannten Verfahren unmöglich, so daß bei Änderungen der Fluideigenschaften Geschwindigkeitsmessungen nicht durchgeführt werden können. Da die Brechung an Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlicher optischer Eigenschaften von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängt, macht sich eine Änderung des Brechungsindexes des durch einen Windkanal strömenden Fluids besonders stark bei Mehrkomponenten- Laser-Doppler-Anemometern bemerkbar, die typischerweise mit Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen arbeiten. Die Laserstrahlen der unterschiedlichen Wellenlängen werden von den Änderungen des Brechungsindexes unterschiedlich stark beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Justieren eines Laser-Doppler-Anemometers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, das direkt in der Meßstrecke ausgeführt werden kann. Weiterhin soll das neue Verfahren leicht automatisierbar und während des laufenden Windkanalbetriebs problemlos wiederholbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben.

Das neue Verfahren nutzt eine Oberfläche in der Meßstrecke, z. B. die Oberfläche eines in einem Windkanal befindlichen Modells, um Lageveränderungen des Fokuspunkts der Empfangsoptik und der Laserstrahlen der Sendeoptik sichtbar zu machen. Diese Lageveränderungen werden gezielt so lange vorgenommen, bis der Schnittpunkt der Laserstrahlen auf der Oberfläche mit dem Fokuspunkt der Empfangsoptik zusammenfällt. Dabei werden Strahlablenkungen an Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlichen optischer Eigenschaften, wie z. B. an Fenstern, automatisch mitberücksichtigt. Wird die Justierung bei laufendem Windkanal durchgeführt, so finden auch Änderungen in dem Brechungsindex des verwendeten Fluids Berücksichtigung.

Vorzugsweise wird zunächst die Empfangsoptik mit in ihren Ausgang eingekoppeltem Laserlicht auf die Oberfläche ausgerichtet, bis der Fokuspunkt der Empfangsoptik auf die Oberfläche auftrifft. Dann wird die Sendeoptik relativ zu der Empfangsoptik so lange verstellt, bis die Laserstrahlen in diesem Fokuspunkt auf die Oberfläche fallen. Hierbei wird die Einstellung der Empfangsoptik festgehalten. Die Laserstrahlen von der Sendeoptik können einzeln auf den Ort des Fokuspunkt der Empfangsoptik auf der Oberfläche ausgerichtet werden. Es ist aber auch möglich, zunächst eine Einstellung der Sendeoptik aufzusuchen, in der der Schnittpunkt der Laserstrahlen auf die Oberfläche abgebildet wird, und anschließend diesen Schnittpunkt mit dem Fokuspunkt der Empfangsoptik zur Deckung zu bringen.

Vorzugsweise werden die Laserstrahlen nicht auf die Oberfläche gerichtet, wenn der Fokuspunkt der Empfangsoptik auf die Oberfläche ausgerichtet wird. Dadurch wird das Auffinden der gewünschten Einstellung der Empfangsoptik relativ zu der Oberfläche nicht durch die Laserstrahlen beeinträchtigt. Vorzugsweise wird auch kein Laserlicht in den Ausgang der Empfangsoptik eingekoppelt, wenn der Schnittpunkt der Laserstrahlen bzw. die einzelnen Laserstrahlen auf die Oberfläche ausgerichtet werden. Hierbei wird eine Behinderung beim Auffinden der gewünschten Einstellung der Sendeoptik durch Licht von der Empfangsoptik vermieden. Es versteht sich aber, daß der Fokuspunkt der Empfangsoptik vor dem Auskoppeln des Laserlichts aus dem Ausgang der Empfangsoptik festgehalten wird, da anderenfalls keine relative Justierung der Laserstrahlen hierzu möglich ist.

Die Festlegung der Lage des Fokuspunkts bzw. des Schnittpunkts bzw. des jeweiligen Laserstrahls auf der Oberfläche erfolgt vorzugsweise durch den Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche. Somit ist ein objektives Kriterium für die tatsächliche Lage der jeweiligen Lichtpunkte auf der Oberfläche vorgegeben. Dieses Kriterium kann durch optische Einrichtungen objektiv angewandt und nachgeprüft werden.

Vorzugsweise wird die Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche mit einer insbesondere senkrecht zu der Oberfläche ausgerichteten Videokamera aufgenommen. Der Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung kann dann in einfachster Weise aus dem mit der Videokamera aufgenommenen und digitalisierten Bild berechnet werden. Dabei reicht es aus, wenn die Digitalisierung der Lichtintensitätsverteilung in ein Zweipegelbild vorgenommen wird. Hierdurch wird der Rechenaufwand bei der Ermittlung des Schwerpunkts minimiert. Die Digitalisierung der Lichtintensitätsverteilung in ein Zweipegelbild bedeutet keinen nennenswerten Informationsverlust, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren typischerweise nur symmetrische Lichtintensitätsverteilungen auftreten. Die sich durch eine nicht senkrecht zu der Oberfläche ausgerichtete Videokamera ergebenden Verzerrungen bei der Aufnahme der Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche meistens vernachlässigbar, insbesondere, wenn die Oberfläche ihrerseits nicht in etwa senkrecht zu den Laserstrahlen und der optischen Achse der Empfangsoptik ausgerichtet ist. In diesem Fall ist es sogar günstiger, die Videokamera unabhängig von der Oberfläche etwa parallel zu den Laserstrahlen und der optischen Achse der Empfangsoptik auszurichten.

Das neue Verfahren ist automatisierbar, indem in die Sendeoptik und die Empfangsoptik in Abhängigkeit von einem Regelkreis automatisch verstellt werden. Bei dem Regelkreis erfolgt die Rückkopplung über die Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche und die damit auffindbaren Lichtintensitätsschwerpunkte.

Neben dem Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche kann auch deren Streuung um den Schwerpunkt bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, automatisch festzustellen, ob der Fokuspunkt der Empfangsoptik auf die Oberfläche abgebildet wird, weil dann die Streuung minimal ist. Ebenso ist feststellbar, ob sich die beiden Laserstrahlen auf der Oberfläche in einem Punkt schneiden, wenn beide Laserstrahlen gleichzeitig auf die Oberfläche abgebildet werden. Es sollte dann insgesamt die doppelte Lichtintensität festgestellt werden. Bei hoher Auflösung der Lichtintensität kann auch überprüft werden, ob die Laserstrahlen ihrerseits auf die Oberfläche fokussiert sind.

Das gesamte Laser-Doppler-Anemometer kann auch allein durch Anwendung des Kriteriums der minimalen Streuung der Lichtintensität über die Oberfläche bei auf die Oberfläche gerichteten Laserstrahlen und in den Ausgang der Empfangsoptik eingekoppeltem Laserlicht justiert werden.

Das neue Verfahren zum Justieren eines Laser-Doppler-Anemometers kann vollständig automatisch ablaufen. Insbesondere ist es geeignet, automatisch während des Meßbetriebs wiederholt zu werden.

Im folgenden werden konkrete Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 den Aufbau eines Einkomponenten-Laser-Doppler- Anemometers mit Zusatzeinrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens,

Fig. 2 die Abbildung des Fokuspunkts der Empfangsoptik des Laser-Doppler-Anemometers gem. Fig. 1 auf eine Oberfläche,

Fig. 3 eine Lichtintensitätsverteilung auf der Oberfläche vor der Einstellung gem. Fig. 2,

Fig. 4 die Lichtintensitätsverteilung auf der Oberfläche nach der Einstellung gem. Fig. 2,

Fig. 5 die Einstellung eines ersten Laserstrahls der Sendeoptik des Laser-Doppler-Anemometers gem. Fig. 1 auf den Fokuspunkt der Empfangsoptik auf der Oberfläche,

Fig. 6 die Lichtintensitätsverteilung vor und nach der Einstellung gem. Fig. 5,

Fig. 7 die Einstellung eines zweiten Laserstrahls der Sendeoptik des Laser-Doppler-Anemometers gem. Fig. 1 auf den Fokuspunkt der Empfangsoptik auf der Oberfläche,

Fig. 8 die Lichtintensitätsverteilung vor und nach der Einstellung gem. Fig. 7,

Fig. 9 die Lichtintensitätsverteilung vor, während und nach einer Einstellung des Schnittpunkts der Laserstrahlen auf den Fokuspunkt der Empfangsoptik bei einer alternativen Vorgehensweise zu der Einstellung gem. den Fig. 5 und 7,

Fig. 10 ein Blockdiagramm zu der Ausführung des Verfahrens gem. den Fig. 1 bis 8,

Fig. 11 ein Blockdiagramm zu der Ausführungsform des Verfahrens gem. Fig. 9 und

Fig. 12 ein Blockdiagramm zu einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens.

Das in Fig. 1 dargestellte Laser-Doppler-Anemometer weist einen Laser 1, einen Strahlteiler 2, eine Sendeoptik 3, eine Empfangsoptik 4 und eine Auswerteeinrichtung 5 auf. Das von dem Laser 1 kommende Laserlicht 6 wird in dem Strahlteiler 2 in zwei Laserstrahlen 7 und 8 aufgespalten. Die hier zwei getrennte Objektive 9 und 10 aufweisende Sendeoptik 3 fokussiert die beiden Laserstrahlen 7 und 8 in einem gemeinsamen Schnittpunkt 11. Der Schnittpunkt 11 fällt mit dem Fokuspunkt 12 der Empfangsoptik 4 zusammen. Der Überlappungsbereich definiert das Meßvolumen des Laser-Doppler-Anemometers 1 bis 5. In diesem Meßvolumen ist die Geschwindigkeit von hier nicht dargestellten Streuteilchen in Richtung der Laserstrahlen 7 und 8 mit der Auswerteeinrichtung 5 bestimmbar. Zur Einstellung des Laser-Doppler-Anemometers 1 bis 5 werden der Schnittpunkt 11 und der Fokuspunkt 12 auf eine Oberfläche 13 zusammengebracht. Dabei wird die Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche 13 mit einer Videokamera 14 überwacht. Das Signal der Videokamera 14 gelangt zu einer Steuereinrichtung 15. Die Steuereinrichtung 15 steuert einen Laser 16 zum Einkoppeln von Laserlicht 17 in den Ausgang der Empfangsoptik 4. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung 15 Verstelleinrichtungen 18 und 19 für die Sendeoptik 3 bzw. die Empfangsoptik 4.

Zunächst wird gemäß Fig. 2 der Fokuspunkt 12 der Empfangsoptik 4 bei ausgeschaltetem Laser 1 auf die Oberfläche 13 abgebildet. Dazu wird das Laserlicht 17 von dem Laser 16 in den Ausgang der Empfangsoptik 4 eingekoppelt. Die sich bei einer gegenüber der Oberfläche 13 defokussierten Empfangsoptik 4 ergebende Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche 13 ist in Fig. 3 wiedergegeben. Diese Lichtintensitätsverteilung wird mit der Videokamera 14 aufgenommen und von der Steuereinrichtung 15 ausgewertet. Fig. 3a) zeigt die Lichtverteilung in Form von Linien 20 gleicher Lichtintensität um die optische Achse 21 der Empfangsoptik 4. Die Lichtintensitätsverteilung weist im Querschnitt den aus Fig. 3b) hervorgehenden Verlauf auf. Fig. 3c) zeigt die Lichtintensitätsverteilung gem. Fig. 3b) nach Digitalisierung in zwei Pegelwerte 0 und 1. Die Breite der Verteilung in den Fig. 3b) und 3c) läßt erkennen, daß die Empfangsoptik 4 bezüglich des Abstands zu der Oberfläche 13 defokussiert ist.

Fig. 4 zeigt hingegen den Fall nach der korrekten Einstellung der Empfangsoptik 4 gegenüber der Oberfläche 13. In diesem Fall sind die Linien 20 in Fig. 4a) dichter um die optische Achse 21 angeordnet und die Lichtintensitätsverteilung gem. den Fig. 4b) und 4c) ist deutlich schmaler. Über die Streuung der Lichtintensität kann die Steuereinrichtung 15 die gewünschte Stellung der Empfangsoptik 4 gegenüber der Oberfläche 13 auffinden. Der Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung gem. Fig. 4 fällt mit der optischen Achse 21 zusammen. Die Lage des Schwerpunkts ist aus der digitalisierten Lichtintensitätsverteilung einfach ermittelbar. Diese Lage bezüglich der Videokamera 14 kann von der Steuereinrichtung 15 festgehalten werden, auch nachdem der Laser 16 ausgeschaltet ist.

Dies ist bei der Justierung des ersten Laserstrahls 7 gem. Fig. 5 der Fall. Dabei ist der zweite Laserstrahl 8 ausgeblendet bzw. ausgeschaltet. Der Laserstrahl 7 wird durch Verstellen der Sendeoptik 3 auf die Oberfläche 13 fokussiert. Anschließend wird der Abbildungspunkt des Laserstrahls 7 auf der Oberfläche 13 verschoben, bis er auf den Fokuspunkt 12 der Empfangsoptik 4 fällt. In Fig. 6a) ist dargestellt, wie der Laserstrahl 7 zunächst mit Abstand von dem Fokuspunkt 12 auf die Oberfläche 13fällt. In Fig. 6b) sind der Laserstrahl 7 und der Fokuspunkt 12 zur Deckung gebracht. Die Fig. 7 und 8 beziehen sich entsprechend den Fig. 5 und 6 auf die Einstellung des zweiten Laserstrahls 8 durch Verstellen des Objektivs 10. Anschließend ist das Laser-Doppler-Anemometer 1 bis 5 vollständig justiert und die Strömungsgeschwindigkeit von Streuteilchen in dem durch den Schnittpunkt 11 der Laserstrahlen 7 und 8 und den Fokuspunkt 12 definierten Meßvolumen kann vorgenommen werden.

Bei Veränderungen innerhalb der Meßstrecke, die die Oberfläche 13 umgibt, kann die Justierung gem. den Fig. 1 bis 8 wiederholt werden, um damit einhergehende Veränderungen der Betriebsbedingungen des Laser-Doppler-Anemometers 1 bis 5 auszugleichen. Derartige Änderungen betreffen beispielsweise den Brechungsindex des in einem Windkanal strömenden Fluids.

Fig. 9 skizziert die Einstellung der Laserstrahlen 7 und 8 auf den Fokuspunkt 12 der Empfangsoptik bei einem Laser-Doppler- Anemometer, dessen Sendeoptik 3 nur ein gemeinsames Objektiv für beide Laserstrahlen 7 und 8 aufweist. In diesem Fall sind die beiden Laserstrahlen 7 und 8 auf der Oberfläche 13 zur Deckung zu bringen und auf den Fokuspunkt 12 auszurichten. In Fig. 9 ist dargestellt, daß zunächst die Laserstrahlen 7 und 8 in dem Schnittpunkt 11 zur Deckung gebracht werden und anschließend der Schnittpunkt 11 auf den Fokuspunkt 12 ausgerichtet wird. Dies entspricht zunächst einer Verringerung der Streuung der Lichtintensität über der Oberfläche 13, da die Streuung der Lichtintensität minimal ist, wenn die Laserstrahlen 7 und 8 auf die Oberfläche 13 fokussiert sind und dort zusammenfallen. Anschließend wird der Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung auf den Fokuspunkt 12 eingestellt. Auch die umgekehrte Vorgehensweise ist möglich, bei der zunächst der Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung auf den Fokuspunkt 12 eingestellt und danach die Streuung minimiert wird.

Das Blockdiagramm von Fig. 10 entspricht der Justierung des Laser-Doppler-Anemometers 1 bis 5 gem. den Fig. 1 bis 8. Zunächst wird in einem Schritt 21 in den Ausgang der Empfangsoptik 4 das Laserlicht 17 eingekoppelt. Das Laserlicht 16 wird von der Empfangsoptik 4 in dem Fokuspunkt 12 fokussiert. Die Empfangsoptik 4 wird eingestellt, bis der Fokuspunkt 12 auf der Oberfläche 13 liegt. Dieser Vorgang wird mit der Videokamera 14 überwacht und von der Steuereinrichtung 15 gesteuert, die die Streuung der Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche 13 auswertet. Anschließend wird die Lage des Fokuspunkts 12 auf der Oberfläche 13 mit Hilfe der Videokamera 14 durch den Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung von der Steuereinrichtung 15 festgelegt. Dann wird das in die Empfangsoptik 4 eingekoppelte Laserlicht 17 abgeschaltet. Im Schritt 22 wird der Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung des Auftreffpunkts des Laserstrahls 7 auf die Oberfläche 13 aus der von der Videokamera 14 aufgenommenen Lichtintensität bestimmt. Anschließend wird der Laserstrahl 7 durch Verstellen der Sendeoptik 3 solange verschoben, bis sein Schwerpunkt mit der Lage des Fokuspunkts 12 auf der Oberfläche 13 zusammenfällt. Im Schritt 23 wird dies für den Laserstrahl 8 wiederholt. Nach den Schritten 21 bis 23 ist das Laser-Doppler-Anemometer 1 bis 5 justiert.

Die Vorgehensweise gem. Fig. 9 ist in Fig. 11 als Blockdiagramm festgehalten. Auch hier beginnt das Verfahren mit dem Schritt 21. Anschließend wird in einem Schritt 24 die Streuung der Lichtintensitätsverteilung der beiden gleichzeitig auf die Oberfläche 13 auftreffenden Laserstrahlen 7 und 8 solange minimiert, bis die Laserstrahlen 7 und 8 in ihrem Schnittpunkt 11 auf die Oberfläche 13 fallen. Dann wird in dem Schritt 25 der Schnittpunkt 11 auf den Fokuspunkt 12 der Empfangsoptik 4 ausgerichtet. Beide Schritte 24 und 25 werden von der Steuereinrichtung 15 über die Videokamera 14 überwacht. In Fig. 11 ist weiterhin eine Schleife 26 dargestellt, die für die turnusmäßige Wiederholung der Justierschritte 21 bis 25 steht, um das Laser- Doppler-Anemometer auch an sich ändernde Betriebsbedingungen der Meßstrecke anzupassen.

Fig. 12 skizziert die Vorgehensweise bei der Justierung eines Mehrkomponenten-Laser-Doppler-Anemometers. Auch hier beginnt das Verfahren mit dem Schritt 21. Anschließend werden in einem Schritt 27 alle Laserstrahlen für alle Komponenten soweit verstellt, daß sie nicht mehr in das Blickfeld der Videokamera 14 fallen. Die dazu ausgeführten Verstellungen werden in der Steuereinrichtung 15 gespeichert. Im Schritt 28 wird der erste Laserstrahl I./1. einer ersten Komponente I. auf den Fokuspunkt 12 der Empfangsoptik eingestellt. Insofern entspricht Schritt 28 Schritt 22 gemäß Fig. 10. Anschließend wird dieser Laserstrahl wieder kontrolliert aus dem Sichtfeld der Videokamera 14 herausgelenkt. Im Schritt 29 wird die selbe Vorgehensweise für den zweiten Laserstrahl I./2. der ersten Komponenten I. durchgeführt. Im nachfolgenden Schritt 30 wird die Vorgehensweise der Schritte 28 und 29 für den ersten Laserstrahl II./1. einer zweiten Komponente II. durchgeführt, im Schritt 31 für den zweiten Laserstrahl II./2. der zweiten Komponente II. Fig. 12 geht soweit von einem Zweikomponenten-Laser-Doppler-Anemometer aus. Ansonsten wären auch noch die Laserstrahlen der weiteren Komponenten einzustellen und anschließend wieder aus dem Blickfeld der Videokamera 14 herauszulenken. Im Schritt 32 werden dann alle Laserstrahlen in das Blickfeld der Kamera 14 zurückgebracht, indem die vorherige Verstellung rückgängig gemacht wird. Dies kann durch Überprüfen der resultierenden Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche 13 bestätigt werden. Diese Lichtintensitätsverteilung weist trotz der Anzahl der auftreffenden Laserstrahlen eine minimale Streuung auf.

Die Berechnung des Schwerpunkts einer Lichtintensitätsverteilung aus dem digitalisierten Bild einer Videokamera ist ebenso bekannt und geläufig wie die Bestimmung der Streuung der Lichtintensitätsverteilung. Zur Ermittlung des Schwerpunkts bei einem Zweipegelbild, bei dem jeder Bildpunkt einen Zeilen und einen Spaltenwert aufweist, reicht es aus, Summen über alle Zeilenwerte und alle Spaltenwerte der Bildpunkte mit dem Pegelwert 1zu bilden und diese Summen jeweils durch die Anzahl der Bildpunkte mit dem Pegelwert 1 zu dividieren. Das Ergebnis sind der Zeilenwert und der Spaltenwert des Schwerpunkts der Lichtintensitätsverteilung. Von diesem Schwerpunkt kann die Streuung als Summe der linearen oder quadratischen Abweichungen der einzelnen Bildpunkte mit dem Pegelwert 1 berechnet werden. Es sind auch andere Berechnungsweisen für die Ermittlung des Schwerpunkts einer Lichtintensitätsverteilung bekannt. Sie können im Einzelfall die Genauigkeit des neuen Verfahrens steigern, ändern aber nicht das ihm zugrunde liegende Prinzip.

Bezugszeichenliste

1 Laser

2 Strahlteiler

3 Sendeoptik

4 Empfangsoptik

5 Auswerteeinrichtung

6 Laserlicht

7 Laserstrahl

8 Laserstrahl

9 Objektiv

10 Objektiv

11 Schnittpunkt

12 Fokuspunkt

13 Oberfläche

14 Videokamera

15 Steuereinrichtung

16 Laser

17 Laserlicht

18 Verstelleinrichtung

19 Verstelleinrichtung

20 Linie gleicher Lichtintensität

21 Schritt: Einstellen des Fokuspunkts

22 Schritt: Ausrichten des 1. Laserstrahls

23 Schritt: Ausrichten des 2. Laserstrahls

24 Schritt: Einstellen des Schnittpunkts

25 Schritt: Ausrichten des Schnittpunkts

26 Schleife

27 Schritt: Auslenkung aller Laserstrahlen

28 Schritt: Ausrichten des I./1. Laserstrahls

29 Schritt: Ausrichten des I./2. Laserstrahls

30 Schritt: Ausrichten des II./1. Laserstrahls

31 Schritt: Ausrichten des II./2. Laserstrahls

32 Schritt: Rückführung aller Laserstrahlen

33 optische Achse


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Justieren eines Laser-Doppler-Anemometers mit einer mindestens zwei Laserstrahlen aussendenden Sendeoptik und einer Empfangsoptik zum Sammeln von an Streuteilchen gestreutem Licht, wobei der Fokuspunkt der Empfangsoptik auf einen Schnittpunkt ausgerichtet wird, in dem sich die Laserstrahlen schneiden, und wobei in den Ausgang der Empfangsoptik Laserlicht eingekoppelt wird, um den Fokuspunkt sichtbar zu machen, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoptik (4) mit in ihren Ausgang eingekoppeltem Laserlicht (17) so auf eine Oberfläche (13) ausgerichtet wird, daß der Fokuspunkt (12) der Empfangsoptik (4) auf der Oberfläche (13) liegt, und daß die Sendeoptik (3) und die Empfangsoptik (4) so eingestellt und relativ zueinander verstellt werden, daß der Schnittpunkt (11) der Laserstrahlen (7, 8) auf der Oberfläche (13) mit dem Fokuspunkt (12) der Empfangsoptik (4) zusammenfällt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Empfangsoptik (4) mit in ihren Ausgang eingekoppeltem Laserlicht (17) auf die Oberfläche (13) ausgerichtet wird und daß dann die Sendeoptik (3) relativ zu der Empfangsoptik (4) verstellt wird, wobei die Einstellung der Empfangsoptik (4) festgehalten wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen (7, 8) nicht auf die Oberfläche (13) gerichtet werden, wenn der Fokuspunkt (12) der Empfangsoptik (4) auf die Oberfläche (13) ausgerichtet wird und daß kein Laserlicht (17) in den Ausgang der Empfangsoptik (4) eingekoppelt wird, wenn der Schnittpunkt (11) der Laserstrahlen (7, 8) auf die Oberfläche (13) ausgerichtet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlen (7 und 8) getrennt voneinander auf die Oberfläche (13) ausgerichtet werden und daß die Sendeoptik (3) für den jeweiligen Laserstrahl (7 bzw. 8) verstellt wird, um diesen auf einen vorgegebenen Punkt auf der Oberfläche (13) auszurichten.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Fokuspunkts (12) bzw. des Schnittpunkts (11) bzw. des jeweiligen Laserstrahls (7, 8) auf der Oberfläche (13) durch den Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche (13) festgelegt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche (13) mit einer insbesondere senkrecht zu der Oberfläche (13) ausgerichteten Videokamera (14) aufgenommen wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Videokamera (14) aufgenommenen Lichtintensitätsverteilung insbesondere in ein Zweipegelbild digitalisiert wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeoptik (3) und die Empfangsoptik (4) in Abhängigkeit von einem Regelkreis automatisch verstellt werden, bei dem die Rückkopplung über die Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche (13) erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Schwerpunkt der Lichtintensitätsverteilung über die Oberfläche (13) auch deren Streuung um den Schwerpunkt bestimmt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es in vorgegebenen Intervallen automatisch wiederholt wird.






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