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Dokumentenidentifikation DE19742608C2 09.09.1999
Titel Verfahren und Anordnung zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen
Anmelder JENOPTIK Aktiengesellschaft, 07743 Jena, DE
Erfinder Dammann, Ehrhard, 07745 Jena, DE;
Bauer, Jürgen, 07745 Jena, DE
DE-Anmeldedatum 26.09.1997
DE-Aktenzeichen 19742608
Offenlegungstag 22.04.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse G01P 5/00
IPC-Nebenklasse G01S 11/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur Auswertung von Laser- Doppler-Signalen, insbesondere in Laser-Doppler-Anemometern (LDA's) oder Vibrometern.

Gegenwärtig werden auf dem Markt Laser-Doppler-Geräte zur Messung von Geschwindigkeiten und daraus abgeleiteten Größen, wie Länge und Beschleunigung, angeboten. Sie unterscheiden sich durch den optischen Aufbau und die elektronische Ansteuerung und Auswertung für spezielle Meßaufgaben. Typische bekannte optische Anordnungen stellen die LDA's nach dem Kreuzstrahlprinzip oder dem Referenzstrahlprinzip dar, die in Laser und Optoelektronik 20 (3), 1988, S. 73-83, ausführlich beschrieben sind. In der gleichen Quelle findet man auch die Unterscheidung nach dem Prinzip der Ansteuerung und Auswertung erläutert, die durch die Einteilung in Homodyn- und Heterodynverfahren erfolgt. Bei den Auswerteverfahren haben sich wegen der Möglichkeit der Realzeitdemodulation des Dopplersignals, die zu jeder Zeit ein Analogsignal mit geschwindigkeitsproportionaler Spannung liefert, die Trackerverfahren gegenüber Frequenzanalyse- und Computerverfahren durchgesetzt.

Das technische Problem liegt prinzipiell darin, daß der auszuwertende Frequenzbereich immer die gesamte Breite der möglichen Dopplerfrequenz enthalten muß (oftmals mehrere MHz). Andererseits ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) umgekehrt proportional zur Filterbandbreite. Deshalb muß die Filterbandbreite möglichst gering gehalten werden. Bei heterodynen Laser-Doppler- Geräten läßt sich das einfach auf Grund des Frequenzoffsets über die z. B. von DURST et al. (in: Theorie und Praxis der Laser-Doppler-Anemometrie, G. Braun Verlag, Karlsruhe, 1987, S. 284-290) beschriebene Frequenznachlaufdemodulation realisieren. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei ein sogenanntes Offset- Heterodyn-Tracker-Verfahren (a.a.O., S. 285).

Eine derartige Frequenznachlaufdemodulation besteht prinzipiell aus Frequenzmischer, einem Bandpaßfilter (ZF-Filter), einem Frequenzdiskriminator oder Phasendiskriminator, einem Integrator und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der auf den Frequenzmischer zurückgekoppelt ist.

Das Dopplersignal wird dabei mit dem Ausgangssignal des VCO gemischt, und das resultierende Mischsignal mit zwei Seitenbändern wird auf der Zwischenfrequenz schmalbandig gefiltert. Änderungen der Dopplerfrequenz werden in dem oben skizzierten Regelkreis durch Änderung der VCO-Frequenz kompensiert. Der Integrator regelt dabei das Einschwingverhalten und die Stabilität des Regelkreises.

Bei den Heterodyn-LDA's wird für die Frequenznachlaufdemodulation der Frequenzoffset ausgenutzt, der in der Regel sehr konstant ist, und ein Bandpaßfilter mit der Offsetfrequenz als Mittenfrequenz eingesetzt. Die Frequenz des VCO ist zur Kompensation einer Dopplerverschiebung durch einen Diskriminator variabel einstellbar. Man unterscheidet Frequenz- und Phasendiskriminatoren.

Beim Frequenzdiskriminator erzeugt jede Änderung der Dopplerfrequenz eine dazu proportionale Fehlerspannung, da die Zwischenfrequenz genau um den Betrag der Dopplerverschiebung geändert wird. Mit der Fehlerspannung am Ausgang des Diskriminators regelt der VCO seine Frequenz nach, bis die Zwischenfrequenz wieder mit der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters übereinstimmt.

Der Nachteil des Frequenzdiskriminators liegt darin, daß der lineare Bereich der Spannungsfrequenzcharakteristik relativ eng begrenzt ist, so daß große Änderungen der Dopplerfrequenz nicht ausreichend durch den VCO kompensiert werden.

Signalauswertesysteme, die mit Phasendifferenzen arbeiten, verwenden Phasendiskriminatoren. Dabei wird das Ausgangssignal des Bandpaßfilters zunächst in einem Amplitudenbegrenzer nahezu in ein Rechtecksignal gewandelt. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators ist das Produkt zweier Rechtecksignale. Es entspricht der doppelten Mittenfrequenz (Resonanzfrequenz), wenn die Zwischenfrequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters ist. Weicht die Zwischenfrequenz ab, erzeugt der Integrator eine Fehlerspannung, die den VCO nach regelt. Der Nachteil der Phasendiskriminatoren liegt in der Anfälligkeit gegenüber kleinen Phasenschwankungen, die durch die endliche Durchgangszeit von Streupartikeln im Meßvolumen verursacht werden. Dadurch wird bei Ensembles von Streupartikeln, die mit unterschiedlicher Phasenlage das Meßvolumen durchqueren, auch bei konstanter Geschwindigkeit der Ensembles eine variierende Dopplerverschiebung registriert.

Weiterhin ist ein Trackerverfahren auch für homodyne LDA's entwickelt worden. Wilmshurst und Rizzo [J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 7 (1974), S. 924-930] beschreiben ein sogenanntes autodynes Auswerteverfahren, bei dem das Empfangssignal, das die Dopplerfrequenz trägt, separat mit zwei Komponenten eines VCO-Signals, die um 90° phasenverschoben sind, gemischt wird. Mit jeweils einem Tiefpaß wird der Hochfrequenzanteil der Mischsignale eliminiert, bevor jedes der Mischsignale jeweils mit dem anderen, über ein Differenzierglied geführten Signal gemischt und die Multiplikationsergebnisse über einen Summationsverstärker gemittelt werden. Nachteilig an diesem Trackerverfahren ist neben einem niedrigeren Signal/Rausch-Verhältnis gegenüber Heterodyn-Trackern vor allem, daß es für kleinere Dopplerfrequenzen nicht eingesetzt werden kann, da die Ausfilterung des störenden Seitenbandes dann nicht mehr möglich ist, ohne das Dopplersignal zu beschneiden. Genaue Ergebnisse werden dabei ohnehin nur erreicht, wenn der Bereich der zu erwarteten Dopplerverschiebung vorab bekannt ist, sich nicht sprunghaft ändert und keine kurzzeitigen Ausfälle des Dopplersignals zu erwarten sind. Die letztgenannten Signalausfälle bei diskontinuierlichen Strömungen oder Teilchenbewegungen sind der generelle Mangel der bekannten Verfahren der Frequenznachlaufdemodulation, der die Genauigkeit bzw. die Stabilität der Dopplerfrequenz entscheidend beeinträchtigt.

Des weiteren gehören Lösungen für phasenmodulierte LDA's zum Stand der Technik, von denen die DE 195 37 647 C1 beispielhaft erwähnt sein soll, weil dort eine optische Doppelmodulation mit zwei phasen- und frequenzstarr gekoppelten Modulationsfrequenzen von ganzzahligem Frequenzverhältnis und eine Auswertung eines Seitenbandes erfolgt, wobei für die Bandbreite des auf ein gemeinsames Vielfaches der Modulationsfrequenzen festgelegten Bandpasses die voraussichtliche, maximale Dopplerverschiebung zu berücksichtigen ist. Dadurch verschlechtert sich zwangsläufig das Signal-Rausch-Verhältnis.

Erwähnt seien an dieser Stelle auch sogenannte Laser-Luftwerte-Sensoren, wie sie in der DE 28 41 499 C2 für Flugzeuge beschrieben werden. Dieser Laser-Doppler- Sensor verwendet einen hochfrequent modulierten Laserstrahl, der in Flugrichtung ausgesendet und an Luftteilchen oder Erosolen gestreut wird, und wertet die Dopplerverschiebung der Strahlmodulation vorzugsweise als Heterodynempfänger aus. Hiermit können jedoch nur Relativgeschwindigkeiten zwischen Sender und streuenden Teilchen ermittelt werden.

In der EP 0 355 300 A1 werden Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung einer Teilchenströmung beschrieben. Hierbei wird auf Grundlage eines Referenzstrahl-LDA in heterodyner Arbeitsweise der Laserstrahlung zusätzlich eine zeitlich veränderliche Frequenzverschiebung aufgeprägt, die stets kleiner als die erwartete Dopplerverschiebung ist. Mit der Messung der Frequenzunterschiede zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten kann daraus die Richtung der Teilchenströmung bestimmt werden. Nachteilig sind hierbei die notwendige mechanische Verschiebung eines Retroreflektors zur Erzeugung der zusätzlichen Frequenzverschiebung sowie die notwendige Mehrfachmessung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen zu finden, die die Vorzüge der herkömmlichen Frequenznachlaufdemodulation bei behält und die zuverlässige aktuelle Messungen von Geschwindigkeiten und abgeleiteten Bewegungsgrößen auch für extrem kleine Geschwindigkeiten und diskontinuierliche Teilchenströme gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Auswertung von Laser- Doppler-Signalen unter Verwendung eines Laser-Doppler-Anemometers (LDA) mit Bandpaßfilterung und Frequenznachlaufdemodulation zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz bezüglich der Bandpaßfilterung dadurch gelöst, daß mindestens ein orthogonales Frequenzsystem erzeugt wird, das aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz entsteht, in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt und durch additive Überlagerung in eine mit 2π wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen überführt wird, wobei den Zustandsintervallen Intervallgrenzen in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von π/2 zugeordnet werden, daß ein die Dopplerfrequenz enthaltendes Detektorsignal nach der Bandpaßfilterung bezüglich seiner Phase mit den Zustandsintervallen des orthogonalen Frequenzsystems verglichen wird, wobei eine Änderung der Phasenlage gegenüber dem orthogonalen Frequenzsystem, die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang zu einem anderen Zustandsintervall beinhaltet, die besagte Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch Erzeugung einer geregelten Mischfrequenz, die im LDA eingekoppelt wird, auslöst, und die geregelte Mischfrequenz ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem abgetastet und verglichen wird, wobei die Mischfrequenz selbst als Äquivalent der Dopplerfrequenz erfaßt und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge der Zustandsintervalle richtungsbezeichnet ausgewertet wird.

Vorteilhaft wird das orthogonale Frequenzsystem für die eindeutige Richtungserkennung der Änderung der Dopplerfrequenz aus zwei Rechteckfunktionen mit unterschiedlicher Amplitude zusammengesetzt, wobei eine vorzugsweise mit der doppelten Amplitude der anderen Rechteckfunktion bewertet wird und sich durch die Sprünge der Rechteckfunktionen eine periodische Folge von Zustandsintervallen als Superposition von Rechteckfunktionen ergibt, so daß sich die Werte der Zustandsintervalle im Abstand von π/2 unterschiedlich ändern und erst nach 2π in gleicher Folge wiederholen.

Dabei erweist es sich als zweckmäßig, daß das orthogonale Frequenzsystem durch Frequenzteilung aus einem Oszillator erzeugt wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn zur Abtastung des Detektorsignals für die Regelung der Mischfrequenz und zur Abtastung der geregelten Mischfrequenz für die Ermittlung der aktuellen Dopplerfrequenz ein und dasselbe orthogonale Frequenzsystem verwendet wird.

Bei einem homodynen LDA werden vorteilhaft nach einer Hochpaßfilterung der Detektorsignale die Dopplerfrequenz mit der geregelten Mischfrequenz sowie eine um π/2 phasenverschobene Dopplerfrequenz mit einer um π/2 phasenverschobenen geregelten Mischfrequenz elektronisch gemischt, wobei zwei Signalkanäle, die zwei Seitenbänder der Dopplerfrequenz enthalten, erzeugt werden, die beiden Signalkanäle durch anschließende Addition oder Subtraktion wieder vereinigt werden, wobei eines der Seitenbänder eliminiert wird, das verbleibende Seitenband mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Regelung der Mischfrequenz verglichen und die geregelte Mischfrequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz abgetastet wird.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind bei heterodynen LDA's auf verschiedene Weise möglich.

Zum einen wird die geregelte Mischfrequenz vorzugsweise direkt vor dem Bandpaßfilter elektronisch zugemischt.

Als zweite Möglichkeit wird bei einem Heterodyn-LDA mit Frequenzoffset zweckmäßig die Mischfrequenz direkt zur Regelung des Frequenzoffsets verwendet und die geregelte Offsetfrequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz verglichen.

Die dritte Variante findet bei einem Heterodyn-LDA mit elektrooptischer Phasenmodulation zur Erzeugung der Sendestrahlen des LDA Anwendung, bei dem mindestens ein Sendestrahl sinusförmig mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz ist, moduliert wird, eine Bandpaßfilterung bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen erfolgt und an den zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird. In diesem Fall wird die geregelte Mischfrequenz vorteilhaft zur Steuerung der Phasenmodulationsfrequenzen verwendet und gleichzeitig als eine der gekoppelten Phasenmodulationsfrequenzen mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz verglichen.

Bei der Weiterbildung der Erfindung im heterodynen LDA mit Frequenzoffset kann die Steuerung der Offsetfrequenz vorteilhaft elektrooptisch oder akustooptisch erfolgen, um durch eine Basisbandverschiebung die Änderung der Dopplerfrequenz zu kompensieren.

Zwei weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen von Heterodyn-LDA's ergeben sich für Referenzstrahl-LDA's.

In einem Referenzstrahl-LDA, bei dem in mindestens einem Strahlengang von Meß- und Referenzstrahl ein Frequenzoffset erzeugt wird, wobei der Referenzstrahl direkt auf den Detektor des LDA abgebildet, der Meßstrahl auf ein Meßobjekt gerichtet und an Meßobjektteilchen gestreutes Licht des Meßstrahls auf denselben Detektor mit dem Referenzstrahl überlagert wird, und ein Überlagerungssignal aus Licht von Referenz- und Meßstrahl bezüglich einer Dopplerverschiebung der Frequenz ausgewertet wird, verwendet man vorzugsweise die vom spannungsgesteuerten Oszillator geregelte Mischfrequenz zur Regelung des Frequenzoffsets des LDA, wobei die Offsetfrequenz zur Kompensation der Dopplerfrequenzänderung angepaßt wird, und die geregelte Offsetfrequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz verglichen wird.

In einem Referenzstrahl-LDA, bei dem in mindestens einem Strahlengang von Meß- und Referenzstrahl eine Phasenmodulation erfolgt, wobei der Referenzstrahl direkt auf den Detektor des LDA abgebildet, der Meßstrahl auf ein Meßobjekt gerichtet, das an Meßobjektteilchen gestreute Licht auf denselben Detektor mit dem Referenzstrahl überlagert wird, und ein Überlagerungssignal aus Licht von Referenz- und Meßstrahl bezüglich der Dopplerverschiebung ausgewertet wird, führt man zweckmäßig eine optische Phasenmodulation durch mit zwei unterschiedlichen sinusförmigen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz ist, filtert mit einem Bandpaßfilter bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen, wobei an zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird, verwendet die vom spannungsgesteuerten Oszillator geregelte Mischfrequenz zur Steuerung der Phasenmodulationsfrequenzen und vergleicht diese mit dem orthogonalen Frequenzsystem zur Auswertung der Dopplerfrequenz.

Vorteilhaft werden mit den erfindungsgemäßen Referenzstrahl-LDA's Objektteilchen einer schwingenden Oberfläche beobachtet. Dabei werden zweckmäßig Längeninkremente der Oberflächenschwingungen durch Zählen der überstrichenen Zustandsintervalle der orthogonalen Frequenzsysteme ermittelt, wobei eine Zwischenspeicherung der Zählwerte erfolgt und der Zählerstand mit einer geeigneten Abtastrate erfaßt wird. Aus den Zählwerten der Längeninkremente werden vorzugsweise das Frequenzspektrum der Schwingungen ermittelt und/oder die Schwingungsamplituden oder der gesamte Schwingungsverlauf berechnet.

Die o. g. Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen unter Verwendung eines Laser-Doppler-Gerätes mit einem Bandpaßfilter und einer Regelschleife mit Frequenznachlaufdemodulation zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz bezüglich der Bandpaßfilterung, dadurch gelöst, daß mindestens ein orthogonales Frequenzsystem vorhanden ist, das aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz, die in Form von additiv überlagerten Rechteckfunktionen vorhanden sind, besteht und eine mit 2π wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen aufweist, wobei den Zustandsintervallen Intervallgrenzen in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von π/2 zugeordnet sind, daß ein die Dopplerfrequenz enthaltendes Detektorsignal über das Bandpaßfilter auf einen Komparator zum Vergleich seiner Phase mit den Zustandsintervallen des orthogonalen Frequenzsystems geführt ist, wobei eine Änderung der Phasenlage gegenüber dem orthogonalen Frequenzsystem, die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang zu einem anderen Zustandsintervall aufweist, die besagte Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch eine geregelte Mischfrequenz, die im LDA eingekoppelt ist, auslöst, und daß für die geregelte Mischfrequenz ein weiterer Komparator zum Abtasten und Vergleichen mit einem orthogonalen Frequenzsystem vorhanden ist, wobei die Mischfrequenz selbst als Äquivalent der Dopplerfrequenz erfaßbar und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge der Zustandsintervalle richtungsbezeichnet auswertbar ist.

Vorteilhaft ist das Laser-Doppler-Gerät ein homodynes LDA mit Frequenznachlaufdemodulation, bei dem eine Änderung einer im Detektorsignal enthaltenen Dopplerfrequenz ständig mittels einer Regelschleife kompensiert wird, wobei in der Regelschleife ein π/2-Phasenschieber zur Aufspaltung des Detektorsignals in die zwei Signalwege, der zwei gegeneinander um π/2 phasenverschobene Detektorsignale ausgibt, ein weiterer π/2-Phasenschieber zur Erzeugung zweier phasenverschobener Ausgangssignale eines spannungsgesteuerten Oszillators und in jedem Signalweg des aufgeteilten Detektorsignals ein elektronischer Mischer zur Mischung des aufgeteilten Detektorsignals mit den ebenfalls um π/2 phasenverschobenen Ausgangssignalen des spannungsgesteuerten Oszillators vorhanden sind, die Ausgänge der Mischer auf ein Summationsglied geführt sind, das über ein schmalbandiges Bandpaßfilter mit einem Phasen/Frequenz-Komparator zum Vergleichen des Mischsignals mit dem orthogonalen Frequenzsystem verbunden ist, die Ausgangssignale des Phasen/Frequenz-Komparators auf den spannungsgesteuerten Oszillator gelegt sind, wobei bei jeder Überschreitung einer Zustandsintervallgrenze des orthogonalen Frequenzsystems die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators geändert wird, so daß die entstehende Mischfrequenz eine äquivalente Meßgröße für die Änderung der Dopplerfrequenz ist, und bei dem ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator zur Auswertung der Dopplerfrequenzänderung vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als Meßgröße sowie ebenfalls ein orthogonales Frequenzsystem zugeführt werden zur Auswertung der Änderung der Phasenlage der Mischfrequenz bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems.

Bei einem solchen homodynen LDA wird zweckmäßig vor der Aufspaltung des Detektorsignals ein Hochpaßfilter dem Phasenschieber angeordnet.

In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung wird ein heterodynes LDA mit Frequenznachlaufdemodulation eingesetzt, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, wobei die Regelschleife zwischen einem Detektor und einem Bandpaßfilter einen elektronischen Frequenzmischer zur Beimischung einer geregelten Mischfrequenz sowie ein Phasen/Frequenz-Komparator zum Vergleichen des vom Bandpaßfilter durchgelassenen Mischsignals mit dem orthogonalen Frequenzsystem enthält, die Ausgangssignale des Phasen/Frequenz-Komparators auf den spannungsgesteuerten Oszillator gelegt sind und bei jeder Überschreitung einer Zustandsintervallgrenze des orthogonalen Frequenzsystems die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators geändert wird, so daß die entstehende Mischfrequenz am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators eine äquivalente Meßgröße für die Änderung der Dopplerfrequenz ist und am Eingang des Bandpaßfilters stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus Dopplerfrequenz und geregelter Mischfrequenz eingestellt ist, und ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator zur Auswertung der Dopplerfrequenz vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als äquivalente Meßgröße der Änderung der Dopplerfrequenz zugeführt ist und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage der Meßgröße bezüglich Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems versehen ist.

Als Laser-Doppler-Gerät kann weiterhin ein heterodynes LDA mit Frequenzoffset und Frequenznachlaufdemodulation eingesetzt sein, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, wobei am Eingang eines für die Filterung des Detektorsignals vorgesehenen Bandpaßfilters stets ein Mischsignal mit konstanter Frequenz aus Dopplerfrequenz und einer von einem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten geregelten Mischfrequenz eingestellt ist, das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators direkt einer Frequenzoffset-Einheit zur Steuerung der Offsetfrequenz zugeführt ist, ein Phasen/Frequenz-Komparator zum Vergleichen des vom Bandpaßfilter durchgelassenen Mischsignals mit dem orthogonalen Frequenzsystem vorgesehen ist und ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator zur Auswertung der Dopplerfrequenz vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als äquivalente Meßgröße der Änderung der Dopplerfrequenz zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems versehen ist.

Dabei ist zur Steuerung des Frequenzoffsets vorteilhaft mindestens eine Braggzelle vorhanden, oder es wird zweckmäßig zur Steuerung des Frequenzoffsets mindestens ein elektrooptischer Phasenmodulator eingesetzt.

Die Erfindung läßt sich ebenfalls vorzugsweise als heterodynes LDA mit optischer Phasenmodulation ausführen, bei dem mindestens zwei Teilstrahlen, von denen wenigstens einer einen Phasenmodulator durchläuft, an bewegten Meßobjekten gestreut auf einem Detektor überlagert werden, dem Phasenmodulator zwei sinusförmige Ansteuersignale mit unterschiedlichen Frequenzen zugeführt sind, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und bei denen eine Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der anderen ist, dem Detektor ein Bandpaßfilter mit einer Filterfrequenz aus einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Phasenmodulationsfrequenzen nachgeordnet ist und an dessen Ausgang ein durch Einseitenbandunterdrückung verbleibendes Seitenband als Mischsignal, das die Dopplerfrequenz enthält, ausgewertet wird, eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, die nach dem Bandpaßfilter einen Phasen/Frequenz-Komparator zum Vergleichen des vom Bandpaßfilter durchgelassenen Mischsignals mit dem orthogonalen Frequenzsystem und einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator die Frequenzen der Ansteuersignale am Phasenmodulator beeinflußt, so daß am Eingang des Bandpaßfilters stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz und einer vom spannungsgesteuerten Oszillator geregelten Phasenfrequenz eingestellt wird, und ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator zur Auswertung der Dopplerfrequenz vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators als äquivalente Meßgröße der Änderung der Dopplerfrequenz und ein orthogonales Frequenzsystem als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage der Meßgröße bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems zugeführt ist.

Für alle erfindungsgemäßen LDA's erweist es sich von Vorteil, wenn zur Erzeugung des orthogonalen Frequenzsystems ein Oszillator mit nachfolgen dem Frequenzteiler und π/2-Phasenschieber vorgesehen ist. Dabei ist ein 1 : 4-Quadraturteiler, der dem Oszillator nachgeordnet ist, besonders vorteilhaft.

Zwischen dem Phasen/Frequenz-Komparator und dem spannungsgesteuerten Oszillator ist zweckmäßig ein Integrator vorgesehen.

Weiterhin erweist es sich bei allen erfindungsgemäßen LDA's als zweckmäßig, daß der Phasen/Frequenz-Komparator zur Erzeugung der geregelten Mischfrequenz an seinem Ausgang lediglich ein Richtungssignal aufweist, mit dem am nachfolgenden Integrator ein richtungsabhängiger Folgezustand von äquidistanten Spannungsstufen einstellbar ist, der als aktuelles Steuersignal für den spannungsgesteuerten Oszillator dient.

Für die Auswertung des Dopplersignales ist es vorteilhaft, dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator einen Zähler nachzuordnen, dem zusätzlich zu einem Richtungssignal ein Zählimpuls des weiteren Phasen/Frequenz-Komparators zur Erzeugung der geregelten Mischfrequenz zugeführt ist, wobei am Eingang des Zählers bei jedem Überschreiten einer Intervallgrenze des orthogonalen Frequenzsystems in dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator ein Zählimpuls vorliegt, der ein Inkrement der Änderung der Dopplerfrequenz darstellt.

Bei heterodynen LDA's ist es für bestimmte Anwendungen zweckmäßig, daß das LDA als sogenanntes Referenzstrahl-LDA aufgebaut ist, wobei das Licht eines Lasers in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt ist, der Referenzstrahl direkt auf den Detektor geführt, der Meßstrahl auf ein Meßobjekt abgebildet, an Meßobjektteilchen gestreutes Licht des Meßstrahls auf demselben Detektor mit dem Referenzstrahl überlagert und das Überlagerungssignal bezüglich der Dopplerfrequenz auswertbar ist, wobei die Dopplerfrequenz wiederum als geregeltes Mischsignal am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators der Regelschleife mit dem orthogonalen Frequenzsystem verglichen wird.

Eine vorteilhafte Anwendung der Referenzstrahl-LDA's ergibt sich, wenn das Meßobjekt eine schwingende Oberfläche ist, auf die der Meßstrahl im wesentlichen orthogonal auftrifft und zur Auswertung dem weiteren Phasen/Frequenz- Komparator werden zweckmäßig ein Zähler, ein Zwischenspeicher, ein Abtastoszillator und eine Auswerteeinheit nachgeordnet, wobei am Zählerausgang die Anzahl der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems als richtungsgeordnete Zählwerte vorhanden sind, der Abtastoszillator über eine einstellbare Abtastfrequenz zur Zwischenspeicherung der zeitlich geordneten Zählwerte verfügt und die Auswerteeinheit verschiedene Ausgabemodi für Kenngrößen der gemessenen Schwingungsbewegungen der Oberfläche aufweist.

Die Grundidee der Erfindung fußt auf der Überlegung, die zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses bekannte schmalbandige Filterung des LDA-Empfangssignals, einschließlich der eingeführten Regelschleife (Frequenznachlaufdemodulation) zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz dahingehend zu verbessern, daß kurzzeitige Signalausfälle oder Phasensprünge durch gleichzeitig im Meßvolumen detektierte Teilchen bzw. Teilchenensemble nicht zu einer Verfälschung der gemessenen Dopplerfrequenz führen. Dazu wurde das erfindungsgemäße orthogonale Frequenzsystem als Phasendiskriminator eingeführt, das inhärent eine umkehrbar eindeutige Richtungszuordnung von Dopplerfrequenzänderungen infolge definierter Zustandsintervalle aufweist und sicherstellt, daß ein Steuersignal zur Kompensation einer Dopplerfrequenzänderung nur dann ausgelöst wird, wenn die Phasenlage des die Dopplerfrequenz enthaltenden Mischsignales eine Zustandsintervallgrenze überschreitet. Dadurch können Signalausfälle oder Sprünge der Phasenlage des Mischsignals keine Fehler der Steuerung der Regelschleife verursachen, und das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) kann direkt als Äquivalent der aktuellen Dopplerfrequenz ausgewertet werden.

Für die Auswertung wird vorzugsweise ebenfalls ein orthogonales Frequenzsystem gleicher Eigenschaften eingesetzt, obwohl hierfür auch andere Frequenzanalyseverfahren mit gleichem Ergebnis einsetzbar sind.

Bei der Umsetzung des Verfahrens werden gemäß der Erfindung die Vorzüge des Verfahrens mit Besonderheiten einzelner LDA-Arten kombiniert, indem vorhandene frequenzbeeinflussende Einheiten, wie Frequenzoffset oder Phasenmodulatoren, direkt zur Frequenzsteuerung für eine Basis- oder Seitenbandverschiebung zur Kompensation von Dopplerverschiebungen genutzt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen Umsetzung in unterschiedlichen Arten von LDA's ist es möglich, eine an sich von den sogenannten Trackerverfahren der Frequenznachlaufdemodulation bekannte Regelschleife so abzuändern, daß eine Verschiebung der Dopplerfrequenz stets kompensiert wird und dadurch aktuell und zuverlässig Geschwindigkeiten und abgeleitete Bewegungsgrößen auch für extrem langsame Meßobjekte oder diskontinuierliche Teilchenströme gemessen werden. Die Erfindung ist sowohl auf Homodyn- als auch auf Heterodyn-LDA's anwendbar.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein LDA mit erfindungsgemäßem Regelkreis,

Fig. 2 eine vorteilhafte Art der Erzeugung von Zustandsintervallen des orthogonalen Frequenzsystems,

Fig. 3 eine Variante der Erfindung als homodynes LDA,

Fig. 4 eine Ausführung der Erfindung als heterodynes LDA mit Frequenzoffset,

Fig. 5 eine Ausgestaltung der Erfindung als heterodynes LDA mit doppelter Phasenmodulation,

Fig. 6 eine Ausführungsform der Erfindung als heterodynes Referenzstrahl-LDA (Vibrometer).

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem Grundprinzip eines LDA mit Frequenznachlaufdemodulation auf, bei dem Laser-Doppler-Signale auf herkömmliche Weise mit einem LDA von bewegten streuenden Teilchen oder Oberflächen erzeugt und zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses schmalbandig ausgefiltert werden, wobei zur Anpassung des Detektorsignals an die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters die Dopplerfrequenz mit einer geregelten Mischfrequenz gemischt wird, so daß bei Änderungen der Dopplerfrequenz stets eine Kompensation dieser Änderungen durch Nachregeln der Mischfrequenz erfolgt und das gemischte Detektorsignal auf die Mittenfrequenz zurückgeführt wird.

Erfindungsgemäß wird zum Erkennen der Änderungen der Frequenz des gemischten Detektorsignals und zum Ermitteln der Dopplerfrequenz

  • - mindestens ein orthogonales System erzeugt, dem die folgenden Schritte zugrunde liegen:
    • - Erzeugen einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz,
    • - Überführung in ein System von Rechteckfunktionen und
    • - Überlagerung der Rechteckfunktionen zu einer mit 2π wiederkehrenden Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen, wobei die Intervallgrenzen den Sprüngen der beiden Rechteckfunktionen mit einem Abstand von π/2 zugeordnet werden,
  • - das die Dopplerfrequenz enthaltende Detektorsignal bezüglich seiner Phasenlage mit den Zustandsintervallen des orthogonalen Frequenzsystems verglichen, wobei eine Änderung der Phasenlage, die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang von einem Zustandsintervall zu einem anderen beinhaltet, die erforderliche Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch Erzeugung der geregelten Mischfrequenz auslöst, und
  • - die geregelte Mischfrequenz ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem abgetastet und verglichen, wobei die Mischfrequenz als Äquivalent der Dopplerfrequenz erfaßt und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge von Zustandsintervallen richtungsbezeichnet ausgewertet wird.

Das beschriebene Verfahren wird im folgenden anhand verschiedener LDA- Vorrichtungen im Zusammenhang beschrieben.

Beispiel 1

In Fig. 1 ist ein LDA 1 nach dem häufig verwendeten Kreuzstrahlprinzip dargestellt. Dabei wird vom Laser 11 erzeugtes Licht nach einer Teilstrahlerzeugung in einer Frequenzoffset-Einheit 12 mit einem Frequenzoffset der Teilstrahlen zueinander versehen und mittels einer Optik 14 als Sendestrahlen S1 und S2 auf bewegte lichtstreuende Objektteilchen gerichtet, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll und die in ihrer Gesamtheit im Meßvolumen als Meßobjekt 2 bezeichnet sein sollen.

Das vom Meßobjekt 2 zurückkommende Streulicht wird mit derselben Optik 14 gesammelt und auf den Detektor 15 geführt, wobei nach dem Detektor 15 vor einem Bandpaßfilter 3 ein Frequenzmischer 4 angeordnet ist, so daß das Bandpaßfilter 3 schmalbandig die Zwischenfrequenz aus Offsetfrequenz foffset, einer Mischfrequenz fM und der Dopplerfrequenz fD ausfiltert. Um die Dopplerfrequenz fD mit ihren Änderungen stets nahe der Bandpaßmittenfrequenz (die der Offsetfrequenz foffset entspricht) zu halten, wird die Mischfrequenz fM kompensierend zur Offsetfrequenz foffset in einer Regelschleife 5 geregelt (Frequenznachlaufdemodulation).

Die Regelschleife 5 enthält einen Phasen/Frequenz-Komparator (PFC) 51, der Abweichungen der Phasenlage des vom Bandpaßfilter 3 durchgelassenen Mischsignals gegenüber einem fest vorgegebenen orthogonalen Frequenzsystem 6 detektiert, einen Integrator 52 sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 53. Das orthogonale Frequenzsystem 6 wird zweckmäßig mittels eines Oszillators 61 und eines Phasenschiebers 62 erzeugt, wobei der Oszillator 61 ein Signal So(fo) abgibt, aus dem der Phasenschieber 62 die Signale So(fo) und So(fo+π/2) als Rechteckfunktionen zur Verfügung stellt.

In Fig. 2 ist das orthogonale Frequenzsystem 6, das im wesentlichen aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz erzeugt, in Rechteckfunktionen gewandelt und additiv überlagert wird, in einer zweckmäßigen Variante gezeigt. Durch die unterschiedliche Bewertung der Amplituden der Sinusfunktion mit Asin = 2° (LSB - Low Significant Bit) und der Kosinusfunktion mit Acos = 21 (MSB - Most Significant Bit) ergeben sich Zahlenwerte Z für die Zustandsintervalle 63, die sich innerhalb einer Periode in unterschiedlicher Weise beim Überschreiten einer Intervallgrenze 64 ändern, je nachdem, ob sich die Überschreitung aufwärts (nach rechts) oder abwärts (nach links) vollzieht.

Für den Vergleich im PFC 51 sind demnach bei Betrachtung der Phasenlage einer beispielsweise aufsteigenden Flanke des (notwendigerweise amplitudenbeschnittenen und damit nahezu rechteckförmigen) Dopplersignals die folgenden drei Gruppen von Zustandsübergängen gemäß Fig. 2 möglich:





Wie man aus Zeile 2 und 3 der obigen Tabelle entnehmen kann, ist jeder der Übergänge zwischen den Zustandsintervallen 63 umkehrbar eindeutig der Richtung der Überschreitung der Intervallgrenzen 64 zugeordnet. Weiterhin ist anzumerken, daß bei kleinen Änderungen der Phasenlage des Dopplersignals, die sich innerhalb eines Zustandsintervalls 63 von π/2 des orthogonalen Frequenzsystems 6 bewegen, kein Signal zur Änderung der Mischfrequenz fM erzeugt wird.

Das Ausgangssignal des PFC 51 wird weiter gemäß Fig. 1 über einen Integrator 52, der eine Umwandlung der Steuersignale u/d des PFC 51 in eine stufenweise abgestimmte Ausgangsspannung vornimmt und entsprechend dem Steuersignal u/d an seinem Eingang jeweils eine Spannungsstufe weiter- oder zurückschaltet, zur angepaßten Steuerung des VCO 53 verwendet. Genau genommen, benötigt man an dieser Stelle den Integrator 52 nicht zwingend, sondern lediglich einen Spannungsumschalter mit vorgewählten Spannungsstufen, da der PFC 51 selbst schon in Intervallen von π/2 die Phasenübergänge detektiert.

Mit dem Ausgangssignal des Integrators 52 wird der VCO 53 angesteuert und ändert in bekannter Weise seine Frequenz, die im weiteren als Mischfrequenz fM auf den vor dem Bandpaßfilter 3 angeordneten elektronischen Mischer 4 zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz fD geleitet wird. Damit ist die Regelschleife 5 geschlossen.

Der entscheidende Vorteil des PFC 51 als Diskriminator der Regelschleife 5 kommt im Zusammenwirken mit dem erfindungsgemäßen orthogonalen Frequenzsystem 6 dadurch zustande, daß jede Änderung der Dopplerfrequenz fD nur dann ein Ausgangssignal am PFC 51 erzeugt, wenn beim Phasenvergleich der vom VCO 53gelieferten Mischfrequenz fM gegenüber den Zustandsintervallen 63 des orthogonalen Frequenzsystems 6 eine Intervallgrenze 64 überschritten wird. Das bedeutet zum einen, daß eine Dopplerfrequenzänderung nur dann einen Regelvorgang auslöst, wenn die Änderung groß genug ist, so daß sich das Zustandsintervall 63 ändert, und zum anderen, daß jeder noch so große Phasensprung (z. B. durch diskontinuierliche Teilchenströme ausgelöst) eine fehlerhafte Regelung um maximal eine Regelungsstufe am VCO 53 auslöst, und danach der PFC 51 sofort wieder mit korrekten Richtungssignalen u/d den Regelungsprozeß fortsetzt.

Zur Auswertung wird in einem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (PFC) 7 die vom VCO 53 abgegebene Mischfrequenz fM verwendet. Diese Mischfrequenz fM ist wegen der Bandpaßfilterung bei der Offsetfrequenz foffset und Ausfilterung des Seitenbandes SE(fD+foffset-fM) äquivalent zur aktuellen Dopplerfrequenz fD. Damit ist eine Frequenz vorhanden, die zuverlässig den tatsächlichen Änderungen der Dopplerfrequenz fD folgt.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Mischfrequenz fM ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem 6 abgetastet wird. Zweckmäßig nutzt man dabei - wie Fig. 1 zeigt - denselben Oszillator 61 und den gleichen Phasenschieber 62 wie für den PFC 51. Der weitere PFC 7 gibt bei Phasenverschiebungen, die mindestens eine Intervallgrenze 64 der Zustandsintervalle 63 des orthogonalen Frequenzsystems 6 überschreiten, je Übergang von einem Zustandsintervall 63 zu einem anderen sowohl einen Zählimpuls clk als auch einen Richtungsimpuls u/d ab. Diese zwei Zählimpulse nimmt ein Zähler 8 auf, um sie richtungsabhängig aufzusummieren, so daß eine nachgeordnete Auswerte/Anzeige-Einheit 9 diese Zählwerte zu Geschwindigkeitswerten oder abgeleiteten Bewegungsgrößen verarbeiten und ausgeben kann.

Beispiel 2

Mit Fig. 3 wird eine Vorrichtung beschrieben, die ein homodynes LDA zum Gegenstand hat. In diesem Fall sind weitere Änderungen von bekannten LDA's notwendig, um ausgehend vom Grundprinzip der Frequenznachlaufdemodulation das orthogonale Frequenzsystem 6 zur Phasendetektion anwenden zu können.

Wie Fig. 3 zeigt, weist das LDA 1 lediglich einen Laser 11 und eine Optik 14 und somit keinen Frequenzoffset auf. Die nach Strahlteilung entstehenden Sendestrahlen S1 und S2 sind - wie im ersten Beispiel - in Kreuzstrahlgeometrie auf das Meßobjekt 2 gerichtet, so daß das Streulicht vom Detektor 15 in üblicher Weise aufgenommen und gewandelt wird. Dem Detektor 15 folgend, ist vorzugsweise ein Hochpaßfilter 31 angeordnet, um den Gleichlichtanteil zu eliminieren.

Anstelle des im ersten Beispiel eingesetzten elektronischen Mischers 4 ist in diesem Fall ein größeres Netzwerk erforderlich, bevor ein gemischtes Dopplersignal am Bandpaßfilter 3 gefiltert werden kann. Die Regelschleife 5 gestaltet sich damit wie folgt.

Zunächst schließt sich, wie vom heterodynen LDA aus Beispiel 1 bekannt, dem Bandpaßfilter 3 ein PFC 51 an, der von einem Integrator 52 und dem VCO 53 gefolgt wird und in gleicher Weise von dem orthogonalen Frequenzsystem 6 Gebrauch macht.

Für die multiplikative Mischung wird nun das vom Hochpaßfilter 31 durchgelassene Detektorsignal über einen Phasenschieber 54 in zwei Signalwege aufgespalten, die um π/2 phasenverschoben sind. Ein weiterer Phasenschieber 55 teilt das VCO-Signal in zwei zueinander um π/2 phasenverschobene Signalzweige. In einem Mischer 56 werden jeweils die nicht verschobenen Signale aus VCO 53 und Hochpaßfilter 31 zusammengeführt, und ein Mischer 57 mischt die um π/2 phasenverschobenen Signale aus den Phasenschiebern 54 und 55. Die Ausgänge der beiden Mischer 56 und 57 sind auf ein Additionsglied 58 gelegt, wodurch sich eine Einseitenbandunterdrückung der zwei entstehenden Seitenbänder aus Mischsignalen und Dopplersignal ergibt. Der Vorteil dieser netzwerkverknüpften Regelschleife 5 besteht darin, daß die Seitenbandselektion nicht durch das Bandpaßfilter 3 erfolgt, sondern durch eine Auslöschung infolge unterschiedlicher Phasenlage der Mischsignale aus den Mischern 56 und 57. Durch das Bandpaßfilter 3 wird nur noch das Signal/Rausch-Verhältnis des Seitenbandes SE(fM-fD) verbessert und dem PFC 51 - analog dem ersten Beispiel - zugeführt.

Zur Auswertung gelangt wiederum das VCO-Signal, d. h. die Mischfrequenz fM, in den weiteren PFC 7 und wird mit demselben orthogonalen Frequenzsystem 6 verglichen, das auch im PFC 51 zur Anwendung kommt. Bei Phasenverschiebungen zwischen der Mischfrequenz fM und dem orthogonalen Frequenzsystem 6 erzeugt der PFC 7 jeweils einen Zählimpuls clk je Überschreitung einer Intervallgrenze 64 sowie Richtungsimpulse u/d, die von einem nachfolgenden Zähler 8 richtungsabhängig summiert und von einer Auswerte/Anzeige-Einheit 9 zur Ausgabe von Bewegungsdaten des Meßobjekts 2 verarbeitet werden.

Beispiel 3

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung ist ein heterodynes LDA 1 mit Frequenzoffset, wobei das Laserlicht vom Laser 11 nach der Strahlaufteilung eine Frequenzoffset- Einheit 12 durchläuft, bevor es mittels einer Optik 14 als Sendestrahlen S1 und S2 wiederum in der vorzuziehenden Kreuzstrahlanordnung auf eine Meßstelle gerichtet und vom Meßobjekt 2 als Streulicht zum Detektor 15 geführt wird.

Das gewandelte, vorverstärkte Detektorsignal SD(foffset+fD) wird schmalbandig im Bandpaßfilter 3 gefiltert und in Rechtecksignale überführt. Die Regelschleife 5 verarbeitet das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 3 zunächst wie im ersten Beispiel über einen PFC 51, Integrator 52 und VCO 53. Danach wird das Ausgangssignal des VCO 53 jedoch dazu genutzt, direkt die Frequenzoffset-Einheit 12 zu steuern, wobei der VCO 53 die Offsetfrequenz foffset liefert. Somit erfolgt eine Basisbandverschiebung in Abhängigkeit von der Änderung der Dopplerfrequenz fD, wobei der besondere Vorteil dieser Ausführungsform darin liegt, daß die gesteuerte VCO-Frequenz nie zu null wird, auch wenn die Dopplerfrequenz fD gegen null geht. Somit entfallen die sonst üblichen Probleme bei kleinen Geschwindigkeiten, wobei sogar Geschwindigkeiten, die gegen null gehen oder direkt zum Stillstand führen, zuverlässig detektiert werden.

Die Auswertung erfolgt in gleicher Art und Weise wie in den Beispielen 1 und 2 durch Vergleich der VCO-Frequenz mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6, wobei erwähnt sein sollte, daß die im weiteren PFC 7 verarbeitete VCO-Frequenz identisch ist mit der Offsetfrequenz foffset und deshalb lediglich deren Änderungen zu den Änderungen der Dopplerfrequenz fD äquivalent sind. Das ist jedoch völlig unproblematisch, wenn der Nullpunkt einmal kalibriert ist.

Beispiel 4

Fig. 5 beinhaltet ein heterodynes LDA 1 mit Phasenmodulation, das auf dem aus der DE 195 37 647 C1 bekannten Doppelmodulationsprinzip aufbaut.

Das LDA 1 besteht dabei aus einem Laser 11, dessen Licht in Teilstrahlen aufgeteilt wird, einen optischen Phasenmodulator 13 durchläuft, wobei mindestens ein Teilstrahl mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr miteinander gekoppelt sind und von denen eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Modulationsfrequenz ist, moduliert und anschließend, wie in Kreuzstrahl-Anordnungen üblich, über eine Optik 14 als zwei Sendestrahlen S1 und S2 auf das Meßobjekt 2 gerichtet wird.

Das gestreute Licht der Sendestrahlen S1 und S2 nimmt in bekannter Weise der Detektor 15 auf, dessen Ausgangssignal auf das Bandpaßfilter 3 geführt ist. Die Regelschleife 5 enthält, wie in den vorangegangenen Beispielen, dem Bandpaßfilter 3 nachgeordnet, einen PFC 51, einen Integrator 52 und einen VCO 53, wobei der PFC 51 in gleicher Weise das vom Bandpaßfilter 3 kommende Signal mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6 vergleicht.

Das Ausgangssignal des VCO 53 liefert in dieser Erfindungsvariante eine Frequenz, nachfolgend Phasenmodulationsfrequenz fph genannt, die als Ansteuerfrequenz für den Phasenmodulator 13 dient. Da der Phasenmodulator 13 zwei in der oben beschriebenen Weise starr gekoppelte Modulationsfrequenzen benötigt, wird vorteilhaft ein Frequenzteiler 16 eingesetzt, um aus der vom VCO 53 gelieferten Phasenmodulationsfrequenz fph die zwei abhängigen Modulationsfrequenzen zu erzeugen. Dazu wird am einfachsten die Phasenmodulationsfrequenz fph im Frequenzteiler 16 halbiert, womit die Phasenmodulationsfrequenz fph das Zweifache der Modulationsfrequenz fph/2 ist und damit die Bedingungen für die doppelte Phasenmodulation erfüllt.

Die Modulation des Lichts vom Laser 11 erfolgt vorzugsweise mittels eines elektrooptischen Phasenmodulators 13, der ein integriert-optischer Chip (IOC) ist. Eine andere sinnvolle Variante für den Phasenmodulator 13 ist eine steuerbare Braggzelle, bei der allerdings zusätzlich auftretende Winkeländerungen optisch kompensiert werden müssen. Einsetzbar sind des weiteren akustooptische Phasenmodulatoren.

Als Auswertegröße für die Dopplerfrequenz fD wird wie in allen vorangegangenen Beispielen die Ausgangsfrequenz des VCO 53, in diesem Fall die Phasenmodulationsfrequenz fph, verwendet. Dabei wird vorzugsweise wiederum das oben beschriebene orthogonale Frequenzsystem 6 als Vergleichsbasis in dem weiteren PFC 7 gemäß Beispiel 1 angewendet, die Ausgangssignale u/d und clk im Zähler 8 gezählt und in der Auswerte/Ausgabe-Einheit 9 verarbeitet und zur Anzeige gebracht.

Beispiel 5

In Fig. 6 ist eine Vorrichtung dargestellt, die die Anwendung eines heterodynen LDA 1 als Vibrometer betrifft. Mit einem Vibrometer werden Schwingungsfrequenzen und/oder Schwingungsamplituden von vibrierenden Oberflächen gemessen. Als Ausführungsform für dieses spezielle LDA 1 wird das Referenzstrahlverfahren angewendet.

Das schematisch dargestellte Referenzstrahl-LDA 1 weist neben dem Laser 11 eine Frequenzoffset-Einheit 12 auf, wobei die damit erzeugte Offsetfrequenz foffset notwendige Voraussetzung ist, um Vor- und Rückwärtsbewegungen detektieren zu können. Mittels der Optik 14, die in diesem Fall eine etwas speziellere Form aufweist, um die unterschiedliche Strahlführung von einem Referenzstrahl Sref und einem Meßstrahl Smeß zu ermöglichen, wird der Referenzstrahl Sref direkt auf den Detektor 15 geführt, der Meßstrahl Smeß auf das Meßobjekt 2 gerichtet und das an Meßobjektteilchen gestreute Licht des Meßstrahls Smeß auf denselben Detektor 15 abgebildet und mit dem Referenzstrahl Sref überlagert.

Das Ausgangssignal des Detektors 15 durchläuft das Bandpaßfilter 3 in üblicher Weise und wird wie in allen vorangegangenen Beispielen in die erfindungsgemäße Regelschleife 5, bestehend aus dem PFC 51, der den erfindungsgemäßen Vergleich mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6 ausführt, dem Integrator 52 und dem VCO 53 geführt. Das Ausgangssignal des VCO 53 stellt wie in Beispiel 3 die Offsetfrequenz foffset für die Frequenzoffset-Einheit 12 zur Verfügung, schließt damit die Regelschleife 5 und ist zugleich die zur Änderung der Dopplerfrequenz fD äquivalente Meßgröße, die dem weiteren PFC 7 zum Vergleich mit dem orthogonalen Frequenzsystem 6 zugeleitet wird. Am Komparatorausgang werden Impulssignale clk und Richtungssignale u/d bei jedem Überschreiten einer Intervallgrenze 64 des orthogonalen Frequenzsystems 6 im Vergleich mit dem dopplerfrequenzäquivalenten VCO-Signal erzeugt, wobei die Impulssignale clk in ihrer Aufeinanderfolge die Bedeutung von Längeninkrementen der Bewegung der vibrierenden Oberfläche des Meßobjekts 2 haben, da der Abstand der Intervallgrenzen 64 über die Frequenz fo des orthogonalen Frequenzsystems 6 exakt bekannt und konstant ist. Der Zähler 8 zählt die Längeninkremente in Abhängigkeit vom Wechsel des Richtungssignals u/d. In einem nachgeordneten Zwischenspeicher 81 werden die Längeninkremente regelmäßig mit einer Abtastfrequenz fA, die entsprechend der gewünschten Genauigkeit und in Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz der schwingenden Oberfläche in einem Abtastoszillator 82 einstellbar ist, eingelesen und der Auswerte/Ausgabe-Einheit 9 zur Verfügung gestellt. Dort können verschiedene Darstellungen der gespeicherten Daten erzeugt werden. Vorteilhaft erfolgt eine FFT-(Fast Fourier Transformation)-Operation mit Darstellung des Frequenzspektrums oder eine zeitliche Darstellung des Schwingungsverlaufs mit Berechnung der Schwingungsamplituden. Somit können die verschiedenen aktuellen Bewegungsdaten der vibrierenden Oberfläche nach Bedarf ausgegeben und zur Anzeige gebracht werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen unter Verwendung eines Laser-Doppler-Anemometers (LDA) mit Bandpaßfilterung und Frequenznachlaufdemodulation zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz bezüglich der Bandpaßfilterung, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - mindestens ein orthogonales Frequenzsystem (6) erzeugt wird, das aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion entsteht, in ein System von Rechteckfunktionen gewandelt und in eine mit 2π wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen (63) überführt wird, wobei den Zustandsintervallen (63) Intervallgrenzen (64) in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von π/2 zugeordnet werden,
    2. - ein die Dopplerfrequenz (fD) enthaltendes Detektorsignal nach der Bandpaßfilterung bezüglich seiner Phase mit den Zustandsintervallen (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) verglichen wird, wobei eine Änderung der Phasenlage gegenüber dem orthogonalen Frequenzsystem (6), die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang zu einem anderen Zustandsintervall (63) beinhaltet, die besagte Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch Erzeugung einer geregelten Mischfrequenz (fM), die im LDA (1) eingekoppelt wird, auslöst, und
    3. - die geregelte Mischfrequenz (fM) ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) abgetastet und verglichen wird, wobei die Mischfrequenz selbst als Äquivalent der Dopplerfrequenz (fD) erfaßt und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge der Zustandsintervalle (63) richtungsbezeichnet ausgewertet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das orthogonale Frequenzsystem (6) für die eindeutige Richtungserkennung der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) aus zwei Rechteckfunktionen mit unterschiedlicher Amplitude zusammengesetzt wird, wobei eine der Rechteckfunktionen mit einer höheren, vorzugsweise doppelten Amplitude der anderen Rechteckfunktion bewertet wird und sich durch die Sprünge der zwei Rechteckfunktionen eine periodische Folge von Zustandsintervallen (63) als Superposition der Rechteckfunktionen ergibt, so daß sich die Werte der Zustandsintervalle (63) im Abstand von π/2 unterschiedlich ändern und erst nach 2π in gleicher Folge wiederholen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das orthogonale Frequenzsystem (6) durch Frequenzteilung aus einem Oszillator (61) erzeugt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung des Detektorsignals für die Regelung der Mischfrequenz und zur Abtastung der geregelten Mischfrequenz (fM) für die Ermittlung der Dopplerfrequenz (fD) dasselbe orthogonale Frequenzsystem (6) verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Homodyn-LDA
    1. - nach einer Hochpaßfilterung eine elektronische Mischung der Dopplerfrequenz (fD) mit der Mischfrequenz (fM) sowie einer um π/2 phasenverschobenen Dopplerfrequenz (fD) mit einer um π/2 phasenverschobenen Mischfrequenz (fM) erfolgt, wobei zwei Signalkanäle erzeugt werden, die zwei Seitenbänder der Dopplerfrequenz (fD) enthalten,
    2. - die beiden Signalkanäle durch anschließende Addition oder Subtraktion wieder vereinigt werden, wobei eines der beiden Seitenbänder eliminiert wird,
    3. - das verbleibende Seiten band mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Regelung der Mischfrequenz verglichen und
    4. - die geregelte Mischfrequenz (fM) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) abgetastet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Heterodyn-LDA (1) die geregelte Mischfrequenz (fM) direkt vor dem Bandpaßfilter (3) zugemischt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Heterodyn-LDA mit Frequenzoffset
    1. - die geregelte Mischfrequenz als Offsetfrequenz (foffset) zur Steuerung des Frequenzoffsets des LDA (1) verwendet wird und
    2. - die geregelte Offsetfrequenz (foffset) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) verglichen wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Heterodyn-LDA mit elektrooptischer Phasenmodulation zur Erzeugung der Sendestrahlen des LDA (1),
    1. - mindestens ein Sendestrahl (S1; S2) sinusförmig mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz ist, moduliert wird,
    2. - eine Bandpaßfilterung bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen erfolgt, und an den zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird,
    3. - die geregelte Mischfrequenz als Phasenmodulationsfrequenz (fph) zur Steuerung der doppelten Phasenmodulation bei der Erzeugung der Sendestrahlen (S1, S2) verwendet wird und
    4. - die geregelte Phasenmodulationsfrequenz (fph) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) ausgewertet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Referenzstrahl-LDA,
    1. - in mindestens einem Strahlengang von Meß- und Referenzstrahl (Smeß; Sref) ein Frequenzoffset erzeugt wird, wobei der Referenzstrahl (Sref) direkt auf den Detektor (15) des LDA (1) abgebildet wird,
    2. - der Meßstrahl (Smeß) auf ein Meßobjekt (2) gerichtet und an Meßobjektteilchen gestreutes Licht des Meßstrahls (Smeß) auf denselben Detektor (15) mit dem Referenzstrahl (Sref) überlagert wird,
    3. - das Überlagerungssignal bezüglich einer Verschiebung der Dopplerfrequenz (fD) ausgewertet wird,
    4. - die geregelte Mischfrequenz als Offsetfrequenz (foffset) zur Steuerung des Frequenzoffsets des Referenzstrahl-LDA verwendet wird, wobei die Offsetfrequenz (foffset) Änderungen der Dopplerfrequenz (fo) kompensiert, und
    5. - die geregelte Offsetfrequenz (foffset) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fo) verglichen wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Offsetfrequenz (foffset) akustooptisch erzeugt wird, wobei eine Basisbandverschiebung erfolgt, um die Änderung der Dopplerfrequenz (fD) zu kompensieren.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Offsetfrequenz (foffset) elektrooptisch erzeugt wird, wobei eine Basisbandverschiebung erfolgt, um die Dopplerfrequenzänderung zu kompensieren.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Referenzstrahl-LDA,
    1. - Laserlicht in einen Meß- und einen Referenzstrahl (Smeß, Sref) aufgeteilt wird, wobei der Referenzstrahl (Sref) direkt auf den Detektor (15) des LDA (1) abgebildet wird, der Meßstrahl auf ein Meßobjekt (2) gerichtet und an Meßobjektteilchen gestreutes Licht des Meßstrahls (Smeß) auf demselben Detektor (15) mit dem Referenzstrahl (Sref) überlagert wird, und das Überlagerungssignal bezüglich einer Verschiebung der Dopplerfrequenz (fo) ausgewertet wird,
    2. - in mindestens einem Strahlengang von Meß- und Referenzstrahl (Smeß, Sref) eine optische Phasenmodulation durchgeführt wird, wobei mit zwei unterschiedlichen sinusförmigen Modulationsfrequenzen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und von denen die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Modulationsfrequenz ist, moduliert wird,
    3. - eine Bandpaßfilterung bei einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Modulationsfrequenzen erfolgt, wobei an den zwei infolge der Phasenmodulation entstehenden Seitenbändern eine Einseitenbandunterdrückung durch geeignete Einstellung des Phasenhubs der beiden Modulationsfrequenzen vorgenommen wird,
    4. - die Mischfrequenz zur Steuerung der Phasenmodulation verwendet wird, wobei die Phasenmodulationsfrequenz (fph) zur Kompensation der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) angepaßt wird, und
    5. - die geregelte Phasenmodulationsfrequenz (fph) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) verglichen wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß Objektteilchen einer schwingenden Oberfläche beobachtet werden.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Längeninkremente der Oberflächenschwingungen durch Zählen der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) ermittelt werden, wobei eine Zwischenspeicherung der Zählwerte erfolgt und der Zählerstand mit einer geeigneten Abtastrate erfaßt wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Zählwerten der Längeninkremente das Frequenzspektrum der Schwingungen ermittelt wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Zählwerten der Längeninkremente die Schwingungsamplituden oder der gesamte Schwingungsverlauf berechnet werden.
  17. 17. Vorrichtung zur Auswertung von Laser-Doppler-Signalen unter Verwendung eines Laser-Doppler-Gerätes mit einem Bandpaßfilter und einer Regelschleife mit Frequenznachlaufdemodulation zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz bezüglich der Bandpaßfilterung, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - mindestens ein orthogonales Frequenzsystem (6) vorhanden ist, das aus einer Sinus- und einer Kosinusfunktion gleicher Frequenz, die in Form von additiv überlagerten Rechteckfunktionen vorhanden sind, besteht und eine mit 2π wiederkehrende Folge von vier umkehrbar eindeutig zugeordneten Zustandsintervallen (63) aufweist, wobei den Zustandsintervallen (63) Intervallgrenzen (64) in Form von Sprüngen jeweils einer der beiden additiv überlagerten Rechteckfunktionen mit Abstand von π/2 zugeordnet sind,
    2. - ein die Dopplerfrequenz (fD) enthaltendes Detektorsignal über das Bandpaßfilter (3) auf einen Komparator (51) zum Vergleich seiner Phase mit den Zustandsintervallen (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) geführt ist, wobei eine Änderung der Phasenlage gegenüber dem orthogonalen Frequenzsystem (6), die mindestens einen Sprung und damit einen Übergang zu einem anderen Zustandsintervall (63) aufweist, die besagte Kompensation der Dopplerfrequenzänderung durch eine geregelte Mischfrequenz (fM), die im LDA (1) eingekoppelt ist, auslöst, und
    3. - für die geregelte Mischfrequenz (fM) ein weiterer Komparator (7) zum Abtasten und Vergleichen mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) vorhanden ist, wobei die Mischfrequenz (fM) selbst als Äquivalent der Dopplerfrequenz (fD) erfaßbar und infolge der umkehrbar eindeutigen Folge der Zustandsintervalle (63) richtungsbezeichnet auswertbar ist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-Doppler-Gerät ein homodynes LDA (1) mit Frequenznachlaufdemodulation ist, bei dem eine Änderung einer im Detektorsignal enthaltenen Dopplerfrequenz (fD) ständig mittels einer Regelschleife kompensiert wird, wobei in der Regelschleife
    1. - ein π/2-Phasenschieber (54) zur Aufspaltung des Detektorsignals in die zwei Signalwege vorhanden ist, der zwei gegeneinander um π/2 phasenverschobene Detektorsignale ausgibt,
    2. - ein weiterer π/2-Phasenschieber (55) zur Erzeugung zweier phasenverschobener Ausgangssignale eines spannungsgesteuerten Oszillators (53) vorgesehen ist,
    3. - in jedem Signalweg des aufgeteilten Detektorsignals ein elektronischer Mischer (56; 57) zur Mischung des aufgeteilten Detektorsignals mit den ebenfalls um π/2 phasenverschobenen Ausgangssignalen des spannungsgesteuerten Oszillators (53) angeordnet ist,
    4. - die Ausgänge der Mischer (56; 57) auf ein Summationsglied (58) geführt sind, das über ein schmalbandiges Bandpaßfilter (3) mit einem Phasen/Frequenz- Komparator (51) zum Vergleichen des Mischsignals mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) verbunden ist,
    5. - die Ausgangssignale (u/d) des Phasen/Frequenz-Komparators (51) auf den spannungsgesteuerten Oszillator (53) gelegt sind, wobei bei jeder Überschreitung einer Zustandsintervallgrenze (64) des orthogonalen Frequenzsystems (6) die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (53) geändert wird, so daß die entstehende Mischfrequenz (fM) eine äquivalente Meßgröße für die Änderung der Dopplerfrequenz (fD) ist, und
    6. - ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) zur Auswertung der Dopplerfrequenzänderung vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) als Meßgröße sowie ebenfalls ein orthogonales Frequenzsystem (6) zugeführt werden zur Auswertung der Änderung der Phasenlage der Mischfrequenz (fM) bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6).
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Aufspaltung des Detektorsignals ein Hochpaßfilter (31) dem Phasenschieber (54) vorgeordnet ist.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - das Laser-Doppler-Gerät ein heterodynes LDA (1) mit Frequenznachlaufdemodulation ist, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz (fD) vorhanden ist, wobei die Regelschleife (5) zwischen einem Detektor (15) und einem Bandpaßfilter (3) einen elektronischen Frequenzmischer (4) zur Beimischung einer geregelten Mischfrequenz (fM) sowie ein Phasen/Frequenz-Komparator (51) zum Vergleichen des vom Bandpaßfilter (3) durchgelassenen Mischsignals (SM) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) enthält,
    2. - die Ausgangssignale (u/d) des Phasen/Frequenz-Komparators (51) auf den spannungsgesteuerten Oszillator (53) gelegt sind und bei jeder Überschreitung einer Zustandsintervallgrenze (64) des orthogonalen Frequenzsystems (6) die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (53) geändert wird, so daß die entstehende Mischfrequenz (fM) am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (53) eine äquivalente Meßgröße für die Änderung der Dopplerfrequenz (fD) ist und am Eingang des Bandpaßfilters (3) stets ein Mischsignal (SM) konstanter Frequenz aus Dopplerfrequenz (fD) und geregelter Mischfrequenz (fM) eingestellt ist, und
    3. - ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) als äquivalente Meßgröße der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) zugeführt ist und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage der Meßgröße bezüglich Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) versehen ist.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - als Laser-Doppler-Gerät ein heterodynes LDA (1) mit Frequenzoffset und Frequenznachlaufdemodulation eingesetzt ist, bei dem eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz vorhanden ist, wobei am Eingang eines für die Filterung des Detektorsignals vorgesehenen Bandpaßfilters (3) stets ein Mischsignal mit konstanter Frequenz aus Dopplerfrequenz (fD) und einer von einem spannungsgesteuerten Oszillator (53) erzeugten geregelten Mischfrequenz (fM) eingestellt ist,
    2. - das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) direkt einer Frequenzoffset-Einheit (12) zur Steuerung der Offsetfrequenz (foffset) zugeführt ist, und
    3. - ein Phasen/Frequenz-Komparator (51) zum Vergleichen des vom Bandpaßfilter (3) durchgelassenen Mischsignals (SM) mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6) vorgesehen ist und
    4. - ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) als äquivalente Meßgröße der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) zugeführt wird und der ebenfalls mit einem orthogonalen Frequenzsystem (6) als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) versehen ist.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Frequenzoffsets mindestens eine Braggzelle vorhanden ist.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Frequenzoffsets mindestens ein elektrooptischer Phasenmodulator (13) vorhanden ist.
  24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - das Laser-Doppler-Gerät als heterodynes LDA (1) mit optischer Phasenmodulation ausgebildet ist, bei dem mindestens zwei Teilstrahlen, von denen wenigstens einer einen Phasenmodulator (13) durchläuft, an bewegten Meßobjekten (2) gestreut auf einem Detektor (15) überlagert werden, dem Phasenmodulator (13) zwei sinusförmige Ansteuersignale mit unterschiedlichen Frequenzen zugeführt sind, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind und bei denen eine Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der anderen ist, dem Detektor (15) ein Bandpaßfilter (3) mit einer Filterfrequenz aus einem gemeinsamen Vielfachen der beiden Phasenmodulationsfrequenzen nachgeordnet ist und an dessen Ausgang ein durch Einseitenbandunterdrückung verbleibendes Seiten band (SE) als Mischsignal, das die Dopplerfrequenz (fD) enthält, ausgewertet wird,
    2. - eine Regelschleife zur Kompensation von Änderungen der Dopplerfrequenz (fD) vorhanden ist, die nach dem Bandpaßfilter (3) einen Phasen/Frequenz- Komparator (51) zum Vergleichen des vom Bandpaßfilter (3) durchgelassenen Mischsignals mit dem orthogonalen Frequenzsystem (6), einen Integrator (52) und einen spannungsgesteuerten Oszillator (53) aufweist, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (53) die Frequenzen der Ansteuersignale am Phasenmodulator (13) beeinflußt, so daß am Eingang des Bandpaßfilters (3) stets ein Mischsignal konstanter Frequenz aus der Dopplerfrequenz (fD) und einer vom spannungsgesteuerten Oszillator (53) geregelten Phasenfrequenz (fph) eingestellt wird, und
    3. - ein weiterer Phasen/Frequenz-Komparator (7) zur Auswertung der Dopplerfrequenz (fD) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (53) als äquivalente Meßgröße der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) und ein orthogonales Frequenzsystem (6) als Vergleichsbasis zur Auswertung der Phasenlage der Meßgröße bezüglich der Anzahl und Richtung der überstrichenen Zustandsintervalle (63) des orthogonalen Frequenzsystems (6) zugeführt ist.
  25. 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung im Phasen/Frequenz-Komparators (51) und für die Auswertung im weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (7) nur ein einziges orthogonales Frequenzsystem (6) vorhanden ist.
  26. 26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des orthogonalen Frequenzsystems (6) ein Oszillator (61) mit nachfolgendem Frequenzteiler und π/2-Phasenschieber (62) vorgesehen ist.
  27. 27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des orthogonalen Frequenzsystems (6) dem Oszillator (61) ein 1 : 4-Quadratur-Teiler nachgeordnet ist.
  28. 28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Phasen/Frequenz-Komparator (51) und spannungsgesteuertem Oszillator (53) ein Integrator (52) vorgesehen ist.
  29. 29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der geregelten Mischfrequenz (fph; fM) der Phasen/Frequenz- Komparator (51) an seinem Ausgang lediglich ein Richtungssignal aufweist, mit dem am nachfolgenden Integrator (52) ein richtungsabhängiger Folgezustand von äquidistanten Spannungsstufen einstellbar ist, der als aktuelles Steuersignal für den spannungsgesteuerten Oszillator (53) dient.
  30. 30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (7) ein Zähler (8) nachgeordnet ist, dem zusätzlich zu einem Richtungssignal ein Zählimpuls des weiteren Phasen/Frequenz-Komparators (7) zur Erzeugung der geregelten Mischfrequenz zugeführt ist, wobei am Eingang des Zählers (8) bei jedem Überschreiten einer Intervallgrenze (64) des orthogonalen Frequenzsystems (6) in dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (7) ein Zählimpuls (clk) vorliegt, der ein Inkrement der Änderung der Dopplerfrequenz (fD) darstellt.
  31. 31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das LDA nach einem Referenzstrahlprinzip aufgebaut ist, wobei das Licht eines Lasers in einen Meßstrahl (Smeß) und einen Referenzstrahl (Sref) aufgeteilt ist, der Referenzstrahl (Sref) direkt auf den Detektor (15) geführt, der Meßstrahl (Smeß) auf ein Meßobjekt (2) abgebildet, an Meßobjektteilchen gestreutes Licht des Meßstrahls (Smeß) auf demselben Detektor (15) mit dem Referenzstrahl (Sref) überlagert und das Überlagerungssignal bezüglich der Dopplerfrequenz (fD) auswertbar ist.
  32. 32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (2) eine schwingende Oberfläche ist und dem weiteren Phasen/Frequenz-Komparator (7), ein Zähler (8), ein Zwischenspeicher (81), ein Abtastoszillator (82) und eine Auswerteeinheit (9) nachgeordnet sind, wobei am Zählerausgang die Anzahl der überstrichenen Zustandsintervalle des orthogonalen Frequenzsystems (6) als richtungsgeordnete Zählwerte vorhanden sind, der Abtastoszillator (82) über eine einstellbare Abtastfrequenz (fA) zur Zwischenspeicherung der zeitlich geordneten Zählwerte verfügt und die Auswerteeinheit (9) verschiedene Ausgabemodi für Kenngrößen der gemessenen Schwingungsbewegungen der Oberfläche aufweist.






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