DE102005042954A1

DE102005042954A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen in beliebig gerichteten Strömungen

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Publication number: DE102005042954A1
Application number: DE200510042954
Authority: DE
Inventors: Jürgen Czarske; Lars Büttner
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-06
Also published as: DE102005042954B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von beliebig gerichteten Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie mit zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die physikalisch unterscheidbar sind, wobei einer Sendeoptik linear beabstandet auf ihrer optischen Achse ein aus zwei überlagerten Interferenzstreifensystemen bestehendes Messvolumen zugeordnet ist. DOLLAR A Die Aufgabe besteht darin, dass das Geschwindigkeitsprofil in Form eines flächenhaften und dreigeschwindigkeitskomponentigen Bildes der vorhandenen Strömung ausreichend präzis und umfassend ohne mechanische Justierung angegeben werden kann. DOLLAR A Die Lösung besteht darin, dass zwei Sendeoptiken (91, 92) vorgesehen sind, die bezüglich ihrer optischen Achsen (22, 25) geneigt zueinander angeordnet sind, wobei die beiden Messvolumen (6, 7) zu einem Schnittmessbereich (8) in einem vorgegebenen XYZ-Koordinatensystem überlagert sind, wobei die Empfangsoptik (4) im Raum um den Schnittmessbereich (8) angeordnet ist, der die den Sendeoptiken (91, 92) zugeordnete Demultiplexingeinheit (32) nachgeordnet ist, und wobei die Auswerteeinheit (5) mit zwei der Demultiplexingeinheit (32) nachgeordneten Signalverarbeitungseinheiten (51, 52) derart ausgebildet ist, dass zumindest sowohl ein zweidimensionaler XY-Ort (X¶0¶, Y¶0¶) in der im Schnittmessbereich (8) aufgespannten XY-Ebene als auch alle drei Geschwindigkeitskomponenten v¶X¶, v¶Y¶, v¶Z¶ für ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von beliebig gerichteten Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie mit zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die physikalisch unterscheidbar sind, wobei einer Sendeoptik linear beabstandet auf ihrer optischen Achse ein aus zwei überlagerten Interferenzstreifensystemen bestehendes Messvolumen zugeordnet ist, in dem über eine Empfangsoptik und einer nachgeschalteten Demultiplexingeinheit aus dem Streulicht der Teilchen mittels einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung von Burstsignalpaaren eine Achsenposition und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente des Teilchens ermittelbar sind.
Die herkömmliche Geschwindigkeitsmessung nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) basiert auf Lichtstreuung von in einer Strömung mitgeführten Teilchen an einem Interferenzstreifensystem, das sich im Schnittvolumen zweier sich kreuzender, kohärenter Laserstrahlen mit möglichst parallelen Interferenzstreifen, d.h. mit möglichst konstantem Streifenabstand ausbildet. Dabei wird im einfachsten Fall zweier sich kreuzender Laserstrahlen nur eine Lateralkomponente v_x der Geschwindigkeit in x-Richtung eines vorgegebenen xyz-Koordinatensystems mit einem Sensorkopf registriert, wobei die Lateralkomponente v_x senkrecht zur optischen Achse, die die vorgegebene z-Achse darstellt, d.h. der Winkelhalbierenden der beiden Laserstrahlen, liegt. Dabei ist die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) auf eindimensionale Strömungen, d.h. laminare Strömungen oder schwach turbulente Strömungen mit einer Hauptströmungsrichtung beschränkt.
Ein Problem besteht darin, dass komplizierte Strömungsfelder mit dieser herkömmlichen Geschwindigkeitsmessung nur mit einem hohen Aufwand ermittelt werden können. Dabei erfolgt eine quasi-punktförmige Messung, wobei eine mechanische Traversierung erforderlich ist, um Geschwindigkeitsprofile zu bestimmen.

Um das Geschwindigkeitsprofil komplizierter Strömungsfelder mit schrägen Teilchentrajektorien zu ermitteln, ist die Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten eines Teilchens in der Druckschrift:

1) A miniature laser-Doppler velocimeter for simultaneous three-velocity component measurements, Meas. Sci. Technol. 15, S. 2075-2082, 2004 beschrieben, wobei die Messung der Axialgeschwindigkeitskomponente v_z durch Überlagerung eines dritten Interferenzstreifensystems durchgeführt wird, wobei dessen optische Achse einen großen Winkel mit den anderen optischen Achsen bilden soll. Dieses erfordert jedoch einen weiteren optischen Zugang zur Messstelle sowie, falls ein Winkel von kleiner als 90° eingestellt gewählt wird, eine entsprechende Koordinatentransformation, was einen hohen Auswerteaufwand darstellt. In den Auswerteeinheiten der meisten herkömmlichen LDR-Sensoren werden Koordinatentransformationen eingesetzt.

Ein Problem besteht darin, dass für die Bestimmung der Axialgeschwindigkeitskomponente ein zweiter optischer Zugang für die Sendeoptik erforderlich ist.

In den Druckschriften:

2) Measurement of the velocity of blood flow in vivo using a fiber optic catheter and optical mixing spectroscopy, Appl. Opt. 14, S. 189-196, 1975:
3) Optical-fiber laser Doppler velocimeter for highresolution measurement of pulsatile blood flows, Appl. Opt. 21, S. 1785-1790, 1982 und
4) Self-mixing laser-Doppler velocimetry of liquid flow and blood perfusion in tissue, Appl. Opt. 31, S. 5844, 1992 sind alternativ einsetzbare interferometrische Verfahren, wie Referenz-Laser-Doppler-Anemometrie oder Selfmixing-Effekt-Verfahren beschrieben, bei denen das dopplerverschobene Streulicht eines Teilchens in axialer Richtung meistens mit einer optischen Faser detektiert und mit einem Anteil nicht-dopplerverschobenen Lichts, das direkt von der Strahlungsquelle abgekoppelt wird, überlagert wird.

Ein Problem der genannten Verfahren besteht darin, dass sie mit einem hohen Bauelemente- und Kostenaufwand verbunden sind. Weil auch hier nur eine punktförmige Messung vorgesehen ist, ist eine mechanische Traversierung notwendig.

Ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor zur Messung einer ersten Lateralgeschwindigkeitskomponente v_x und der Axialposition z, d.h. zur Linienmessung von v_x(z), ist in den Druckschriften:

5) Monochromatic heterodyne fiber-optic profile sensor for spatially resolved velocity measurements with frequency division multiplexing, Applied Optics Vol. 44, No. 13, S. 2501-2510, 2005;
6) Laser Doppler velocity profile sensor with submicrometer spatial resolution that employs fiber-optics and a diffractive lens, Applied Optics Vol. 44, No. 12, S. 2274-2280, 2005;
7) Fiber-optic distributed velocity sensor for precision measurements in microscopic and macroscopic flows, Proc. 8^th International Symposium on Laser Metrology, Beitrag 030, Merida/Mexiko, 14.-18. Feb. 2005;
8) Highly Spatial Resolved Measurements of Turbulent Boundary Layers by a Laser Doppler Velocity Profile Sensor, 12^th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid mechanics, paper 22.4, 12.-15. Juli 2004, Lissabon/Portugal;
9) Ortsaufgelöste Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilmessung von Grenzschichtströmungen, Technisches Messen Vol. 70, Issue 02, S. 59, 2003 und
10) Boundary layer velocity measurements by a laser Doppler profile sensor with micrometre spatial resolution, Meas. Sci. Technol. 13, S. 1979-1989, 2002 beschrieben, bei denen zwei Interferenzstreifensysteme, eins mit konvergenten und eins mit divergenten fächerförmigen Interferenzstreifen, zu einem Messvolumen überlagert werden. Die Trajektorien der Teilchen sollen senkrecht zur optischen Achse der Sendeoptik des Liniensensors verlaufen, d.h. die Strömung verläuft senkrecht zur optischen Achse, so dass die Axialgeschwindigkeitskomponente gleich Null ist. Durch Auswertung der Dopplerfrequenzen und ihres Verhältnisses lässt sich aus von der Empfangsoptik weitergeleiteten Impulssignalen (engl. burstsignals) nicht nur die erste Lateralgeschwindigkeitskomponente v_x des Teilchens, sondern zusätzlich die axiale lineare, eindimensionale Position z innerhalb des Messvolumens bestimmen. Der Geschwindigkeitsprofilsensor stellt damit definitionsgemäß einen Liniensensor dar, weil mit ihm die auf der optischen Achse eindimensionale Position eines die optische Achse senkrecht querenden Teilchens ermittelbar ist.

Ein Problem besteht darin, dass die Auswerteeinheit derart aufgebaut ist, dass nur Geschwindigkeitsprofile erhalten werden können, wenn die Trajektorien der Teilchen senkrecht zur optischen Achse des Liniensensors gerichtet sind. Eine mehrdimensionale Bestimmung erfordert Umbauten, einen hohen Justageaufwand und einen weiteren (senkrechten) optischen Zugang.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von Teilchen in beliebig gerichteten Strömungen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass das Geschwindigkeitsprofil in Form eines flächenhaften und dreigeschwindigkeitskomponentigen Bildes der vorhandenen Strömung ausreichend präzis und umfassend ohne mechanische Ju stierung angegeben werden kann. Außerdem soll die Auswertung einfach und kostengünstig durchgeführt werden. Von den sich in der Strömung bewegenden Teilchen soll auch die Richtung ihrer Bewegung festgestellt werden können.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst.

In der Vorrichtung zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von beliebig gerichteten Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie mit zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die physikalisch unterscheidbar sind, wobei einer Sendeoptik linear beabstandet auf ihrer optischen Achse ein aus zwei überlagerten Interferenzstreifensystemen bestehendes Messvolumen zugeordnet ist, in dem über eine Empfangsoptik und einer nachgeschalteten Demultiplexingeinheit aus dem Streulicht der Teilchen mittels einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung von Burstsignalpaaren eine Achsenposition und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente des Teilchens ermittelbar sind,
sind gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1

– zwei Sendeoptiken vorgesehen, die bezüglich ihrer optischen Achsen geneigt zueinander angeordnet sind, wobei die beiden Messvolumen zu einem Schnittmessbereich in einem vorgegebenen XYZ-Koordinatensystem überlagert sind,
– wobei die Empfangsoptik im Raum um den Schnittmessbereich angeordnet ist, der die den Sendeoptiken zugeordnete Demultiplexingeinheit nachgeordnet ist, und
– wobei die Auswerteeinheit mit zwei der Demultiplexingeinheit nachgeordneten Signalverarbeitungseinheiten derart ausgebildet ist, dass zumindest sowohl ein zweidimensionaler XY-Ort X₀, Y₀ in der im Schnittmessbe reich aufgespannten XY-Ebene als auch alle drei Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z für die Teilchen (23) zu zugehörigen Geschwindigkeitsprofilen bestimmbar sind.

Die beiden Sendeoptiken können bezüglich ihrer optischen Achsen orthogonal zueinander gerichtet angeordnet sein.

Bei schrägen Teilchentrajektorien, d.h. mit nichtverschwindenden Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y weisen die Burstsignalpaare eine Frequenzänderung mit der Zeit (eng. Chirp) auf, wobei die Periodendaueränderung mit der Zeit direkt proportional zu den Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y ist und für ein einzelnes Teilchen

– die Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z der Geschwindigkeit v,
– die Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y der Geschwindigkeit v und
– der Durchtrittsort X₀, Y₀ des Teilchens durch die optische Achsen, bestimmt werden,
– wobei die Bestimmung der Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y richtungssinnerkennend ist.

Eine Sendeoptik kann

– zwei Laserdioden unterschiedlicher Wellenlängen λ₁ ≠ λ₂ oder λ₃ ≠ λ₄, wobei λ₁ ≠ λ₂ ≠ λ₃ ≠ λ₄ sind,
– jeweils eine Konvexlinse,
– einen dichroitischen Spiegel,
– eine Konvexlinse,
– ein Transmissions-Beugungsgitter,
– zwei achromatische Linsen, die in ihrer Anordnung ein Kepler-Teleskop bilden,
– wahlweise Blenden, die nur die +1. und –1. Beugungsordnungen durchlassen und alle anderen Beugungsordnungen blockieren, enthalten.

Die Empfangsoptik kann eine Konvexlinse oder ein Konvexlinsensystem enthalten, von der aus wahlweise eine Multimodefaser an die Demultiplexingeinheit geführt ist.

Der Empfangsoptik für die beiden Sendeoptiken kann eine Demultiplexingeinheit nachgeordnet sein, die folgende Bestandteile aufweist:

– wahlweise einen Eingang für die Multimodefaser,
– eine eingangsseitige Kollimatorlinse,
– drei dichroitische Spiegel,
– jeweils vier ausgangsseitige Kollimationslinsen und
– vier Photodetektoren zur Signalweiterleitung an die Auswerteeinheit.

Dabei sind in jedem Fall vier Eingangskanäle für vier Interferenzstreifensysteme mit jeweils zwei pro Sendeoptik vorgesehen.

Die Auswerteeinheit enthält zwei Signalverarbeitungseinheiten für die beiden Sendeoptiken, wobei jede Signalverarbeitungseinheit aus mehreren Funktionseinheiten besteht, in denen der angegebene Verlauf der Detektion der Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz und der Auswertung, die vorzugsweise mit programmtechnischen Mitteln, z.B. in der graphischen Programmiersprache LabVIEW realisiert wird, erfolgt.

Jede Signalverarbeitungseinheit besitzt eingangsseitig zwei Eingangskanäle, die mit der Demultiplexingeinheit über weitere Baugruppen in Verbindung stehen können.

Eine Signalverarbeitungseinheit der Auswerteeinheit kann im Wesentlichen aus folgenden Funktionseinheiten bestehen:

– einem Analog-Digital-Wandler,
– einem nachgeschalteten Bandpass, wobei die von den Photodetektoren weitergeleiteten Signale zunächst nach Durchgang durch den Analog-Digital-Wandler mit dem Bandpass gefiltert werden, um den Gleichanteil und hochfrequentes Rauschen zu entfernen,
– einer Hilbert-Transformations-Einheit, in der die Signaleinhüllenden bestimmt werden,
– einer Amplituden-Normierungseinheit, in der die Signale normiert werden,
– einer Gaußfitting-Einheit, in der die Einhüllenden mit Gaußfunktionen gefittet werden, um dadurch die Anfangs- und Endzeiten (definiert über die 1/e²-Schwelle) sowie den Zeitpunkt der maximalen Amplitude t_Max zu bestimmen, wobei die Anfangs- und Endzeiten ein Zeitfenster definieren,
– einer der Amplituden-Normierungseinheit nachgeschalteten FFT-Einheit, in der das Zeitfenster für die Kurzzeit-Fast-Fourier-Transformation (FFT) genutzt wird, wobei zur Berechnung der Periodendauer-Zeit-Funktionen die Kurzzeit-FFT eingesetzt wird, die ein Auswertefenster über die Zeitsignale schiebt,
– einer Regressions-Einheit, in der an die Periodendauer-Zeit-Funktionen Regressionsgeraden gefitted werden,
– einer Berechnungseinheit, in der aus den Regressionsgeraden die Messparameter bestimmt werden.

Ausgangsseitig weist die Auswerteeinheit eine Funktionseinheit zur Koordinatentransformation der berechneten Geschwindigkeitskomponenten am Durchtrittsort X₀, Y₀ auf, wobei die Funktionseinheit mit einer Anzeige- und/oder Ausgabeeinheit in Verbindung steht, in der wahlweise die Trajektorienwinkel zur Z-Achse als Richtungsangabe der Trajektorie des Teilchens angebbar sind.

Die Funktionseinheit zur Koordinatentransformation, in der auch eine Mittelung der beiden Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z erfolgt, ist derart ausgebildet, dass sie den Durchtrittsort X₀, Y₀ bestimmt und die Geschwindigkeitskomponenten über den Durchtrittsort X₀, Y₀ und die dortigen lokalen Streifenabstände d₁, d₂ für die erste Sendeoptik und die lokalen Streifenabstände d₃, d₄ für die zweite Sendeoptik berechnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von beliebig gerichteten Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie mit zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die physikalisch unterscheidbar sind, wobei der Sendeoptik linear beabstandet auf ihrer optischen Achse ein den Interferenzstreifensystemen zugehöriges Messvolumen zugeordnet ist, in dem über eine Empfangsoptik und einer nachgeschalteten Demultiplexingeinheit aus dem Streulicht der Teilchen mittels einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung eine Achsenposition und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente des Teilchens ermittelt werden, weist im Kennzeichenteil gemäß Patentanspruch 13 folgende Schritte auf:

– Überlagerung von zwei zueinander geneigt angeordneten, jeweils zwei fächerförmigen Interferenzstreifensystemen zweier Sendeoptiken, wobei die fächerförmigen Interferenzstreifensysteme durch Multiplexverfahren physikalisch unterscheidbar und die optischen Achsen geneigt zueinander angeordnet sind,
– Auswertung der von beiden geneigt zueinander gerichteten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen erhaltenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂; f₃, f₄ für eine eindimensionale Positionsbestimmung des Teilchens innerhalb eines Messvolumens aus zwei fächerförmigen Interferenzstreifensystemen,
– kombinierte Auswertung der von den beiden verschiedenen zueinander geneigten Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare für eine zweidimensionale Ortsbestimmung X, Y in einem Schnittmessbereich der Messvolumen der beiden verschiedenen, zueinander geneigten Interferenzstreifensysteme mittels der Auswerteeinheit und
– Frequenz-Zeit-Analyse der von den zueinander geneigten Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare zur Bestimmung der beiden in der von den beiden Interferenzstreifensystemen aufgespannten XY-Ebene liegenden Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y in der Auswerteeinheit.

Bei orthogonaler Anordnung der beiden Interferenzstreifensysteme kann die in der XY-Ebene liegenden Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y ohne zusätzliche Transformationensberechnungen ermittelt werden.

Mittels einer Sendeoptik werden

– zwei überlagerte fächerförmige Interferenzstreifensysteme derart ausgebildet, dass durch Auswertung der von beiden Interferenzstreifensystemen erhaltenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂; f₃, f₄ eine Positionsbestimmung innerhalb des Interferenzstreifensystems für eine Ortsbestimmung X, Y der Teilchen durchgeführt wird, wobei
– durch eine Frequenz-Zeit-Analyse der von beiden Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare in der Auswerteeinheit eine Bestimmung der jeweils zugehörigen Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z und
– eine richtungssinnempfindliche Messung der Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y durchgeführt werden.

Die Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y können direkt über die zeitliche Änderung der Periodendauer-Zeitfunktion T(t) bestimmt werden, wobei die Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz f₁, f₂; f₃, f₄ ein Maß für das Verhältnis zwischen jeweils einer Axialgeschwindigkeitskomponente v_X, v_Y und der Lateralgeschwindigkeitskomponente v_z ist, wobei das Verhältnis durch den jeweiligen Winkel α als Ausdruck der schrägen Trajektorie des Teilchens vorgegeben wird.

Die Dopplerfrequenzen f₁, f₂, f₃, f₄ können sowohl ansteigen als auch abfallen, so dass zwischen einer positiven und einer negativen Geschwindigkeitskomponente unterschieden werden kann und die Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y somit richtungssinnerkennend bestimmt werden.

Eine genügend große Anzahl von Teilchen kann ausgewertet werden, um das im Schnittmessvolumen vorherrschende Geschwindigkeitsprofil zu bestimmen.

Die Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils im Bereich der Auswerteeinheit kann mit anderen Transformationen, z.B. der Wigner-Ville-Transformation, der Wavelet-Transformation durchgeführt werden.

Neben dem Verfahren des Wellenlängenmultiplexing können auch andere Multiplexverfahren wie Frequenz- und Zeitmultiplexing oder in Kombination von diesen eingesetzt werden.

Weiterbildungen und spezielle Ausbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von Teilchen in Strömungen mit der orthogonalen Überlagerung zweier Sendeoptiken, wobei jede Sendeoptik eine Ortskoordinate liefert, so dass in dem resultierenden gemeinsamen Schnittmessbereich der Ort eines Teilchens in einer zweidimensionalen Ebene bestimmt werden kann,
2 eine schematische Darstellung eines Liniensensors – eines eine Ortskoordinate messenden Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensors – (Stand der Technik),
3 eine Darstellung der Erzeugung eines konvergierenden (unten) Interferenzsteifensystems und eines überlagerten divergierenden (oben) Interferenz streifensystems im Kreuzungsbereich der Laserstrahlen gemäß der Laser-Doppler-Anemometrie (Stand der Technik),
4 eine Darstellung des Grundprinzips eines Liniensensors mit Streifenabständen d₁, d₂ gemäß 3 und mit Trajektorien von Teilchen, die sich senkrecht zur z-Achse bewegen (Stand der Technik),
5 eine Darstellung der linearen Streifenabstandsfunktionen d₁(z),d₂(z) – (Stand der Technik),
6 eine Kalibrationskurve q(z) = d₁(z)/d₂(z) für die Bestimmung der z-Position (Stand der Technik),
7 eine Darstellung der Kenngrößen der Teilchenbewegung (Stand der Technik),
8 eine Darstellung der Erfassung des Strömungsprofils durch den Liniensensor entlang einer Linie, die innerhalb eines Messvolumens an einer laminaren Plattengrenzschicht liegt (Stand der Technik),
9 eine schematische Darstellung einer Empfangsoptik und Demultiplexingeinheit für den Fall, dass für die Erzeugung der vier Interferenzstreifensysteme vier verschiedene Laserwellenlängen eingesetzt werden,
10 eine schematische Darstellung der Auswerteeinheit mit Signalverarbeitungseinheiten, die an die Demultiplexingeinheit nach 9 angeschlossen ist, und
11 ein Schaltungsblockschema einer Signalverarbeitungseinheit in Verbindung mit einer Anzeige der von den Photodetektoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung übermittelten Signale.
In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils eines Teilchens 23 in Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie mit jeweils zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die physikalisch unterscheidbar sind, wobei jeweils einer Sendeoptik linear beabstandet auf seiner optischen Achse ein aus zwei überlagerten Interferenzstreifensystemen bestehendes Messvolumen zugeordnet ist, in dem über eine Empfangsoptik aus dem Streulicht der Teilchen mittels einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung eine Achsenposition und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente des jeweiligen Teilchens ermittelbar sind, dargestellt.
Erfindungsgemäß sind zwei

– Sendeoptiken 91, 92 vorgesehen, die bezüglich ihrer optischen Achsen 22, 25 geneigt zueinander, hier orthogonal in einem vorgegebenen XYZ-Koordinatensystem angeordnet sind, wobei die beiden Messvolumen 6, 7 zu einem Schnittmessbereich 8 überlagert sind, wobei die strömenden Teilchen 23 den Schnittmessbereich 8 beliebig gerichtet durchqueren,
– wobei die Empfangsoptik 4 beliebig im Raum um den Schnittmessbereich 8 angeordnet ist, der die den Sendeoptiken 91, 92 zugeordnete Demultiplexingeinheit 32 nachgeordnet ist, und
– wobei die Auswerteeinheit 5 mit zwei der Demultiplexingeinheit 32 nachgeordneten Signalverarbeitungseinheiten 51, 52 derart ausgebildet ist, dass sowohl ein zweidimensionaler XY-Ort X₀, Y₀ in der im Schnittmessbereich 8 aufgespannten XY-Ebene als auch alle drei Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z für die Teilchen 23 zu zugehörigen Geschwindigkeitsprofilen bestimmbar sind.

Das Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von Teilchen 23 in Strömungen mit zwei Sendeoptiken 91, 92, die nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie ausgelegt sind, weist folgende Schritte auf:

– Überlagerung von zwei zueinander geneigt angeordneten, jeweils zwei fächerförmigen Interferenzstreifensystemen aufweisenden Sendeoptiken 91, 92, wobei die fächerförmigen Interferenzstreifensysteme durch Multiplexverfahren physikalisch unterscheidbar und die optischen Achsen 22, 25 zueinander geneigt angeordnet sind,
– Auswertung der von beiden geneigt zueinander gerichteten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen erhaltenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ bzw. f₃, f₄ für eine eindimensionale Positionsbestimmung des Teilchens 23 innerhalb eines Messvolumens 6; 7 aus zwei fächerförmigen Interferenzstreifensystemen,
– kombinierte Auswertung der von den beiden verschiedenen zueinander geneigten Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare für eine zweidimensionale Ortsbestimmung X₀, Y₀ in einem Schnittmessbereich 8 aus den Messvolumen 6, 7 der beiden verschiedenen orthogonalen Interferenzstreifensysteme mittels der Auswerteeinheit 5 und
– Frequenz-Zeit-Analyse der von den zueinander geneigten Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare zur Bestimmung der in der XY-Ebene liegenden Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z in der Auswerteeinheit 5.

Dabei werden

– die zwei überlagerten fächerförmigen Interferenzstreifensysteme derart ausgebildet, dass durch Auswertung der von beiden Interferenzstreifensystemen erhaltenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ bzw. f₃, f₄ eine Positionsbestimmung innerhalb des Interferenzstreifensystems ermöglicht wird,
– durch eine Frequenz-Zeit-Analyse der von beiden Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignale eine Bestimmung der jeweiligen Lateralgeschwindigkeitskomponente und
– eine richtungssinnempfindliche Messung der Axialgeschwindigkeitskomponente durchgeführt.

In 2 ist der Aufbau eines Liniensensors 2, auch als Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor bezeichnet, dargestellt. Der Liniensensor 2 besteht nach dem Stand der Technik gemäß der Druckschrift 9) aus einer Sendeoptik 9, die enthält:

– zwei Laserdioden 10a, 10b unterschiedlicher Wellenlängen λ₁ ≠ λ₂
– jeweils eine Konvexlinse 11a, 11b,
– einen dichroitischen Spiegel 12,
– eine Konvexlinse 13,
- ein Transmissions-Beugungsgitter 14,
– zwei achromatische Linsen 15a, 15b, die in ihrer Anordnung ein Kepler-Teleskop bilden,
– wahlweise Blenden 16, die nur die +1. und –1. Beugungsordnungen durchlassen und alle anderen Beugungsordnungen blockieren, und einer Empfangsoptik 4, der eine Demultiplexingeinheit 31 zugeordnet ist und die folgende Bestandteile aufweist:
– eine Konvexlinse 17,
– wahlweise eine Multimodefaser 20.

Die Demultiplexingeinheit 31 enthält

– einen dichroitischen Spiegel 18,
– Kollimationslinsen 19 und
– Photodetektoren 21a, 21b.

Die optische Achse 22 stellt in 1 die Y-Achse des XYZ-Koordinatensystems und zugleich die z-Richtung eines zweiten vorgegebenen xyz-Koordinatensystems dar, wobei im Bereich der optischen Achse 22 sich das Messvolumen 6 befindet.
Im Folgenden wird die Funktionsweise innerhalb des Liniensensors 2 nach dem Stand der Technik nach der Druckschrift 9) mit Bezug auf das xyz-Koordinatensystem näher erläutert: Die Strahlen der beiden Laserdioden 10a, 10b werden mit jeweils einer Konvexlinse 11a, 11b kollimiert. Mit dem dichroitischen Spiegel 12, der eine Wellenlänge reflektiert, die andere transmittiert, werden beide Strahlen kollinear überlagert. Die Konvexlinse 13 fokussiert die beiden Strahlen auf das Transmissions-Beugungsgitter 14. Von den entstehenden Beugungsordnungen werden die +1. und –1. Beu gungsordnung als die Teilstrahlen für die Laser-Doppler-Anemometrie ausgewählt. Die Beugungsordnungen werden mit zwei achromatischen Linsen 15a, 15b, die in ihrer Anordnung ein Kepler-Teleskop bilden, parallelisiert und zur Überschneidung gebracht. Die Blenden 16 innerhalb des Teleskops stellen sicher, dass nur die +1. und –1. Beugungsordnungen durchgelassen und alle anderen Beugungsordnungen blockiert werden. Im Überschneidungsbereich der Teilstrahlen bildet sich das bichromatische Interferenzstreifensystem aus, das das eigentliche Messvolumen 6 darstellt. Die Strömung bzw. die Teilchen-Richtung bilden nun einen Winkel α mit der zur optischen Achse 22 der Sendeoptik 9 gehörenden Normalenrichtung. Das von den strömenden Teilchen 23 gestreute Licht wird durch die Konvexlinse 17 in die Multimodefaser 20 eingekoppelt, welche das Licht zur Empfangsoptik 4 mit der nachgeordneten Demultiplexingeinheit 31 führt. In der Demultiplexingeinheit 31 wird das aus der Multimodefaser 20 austretende bichromatische Streulicht 26 zunächst mit der Kollimatorlinse 19 kollimiert und dann auf den dichroitischen Spiegel 18 geleitet, an dem eine Wellenlänge transmittiert, die andere reflektiert wird. Die beiden Streulichtanteile 28a, 28b werden mit jeweils einer Kollimatorlinse 19 auf die Photodetektoren 21a, 21b fokussiert. Die Photodetektoren 21a, 21b leiten die detektierten Signale als ein Burstsignalpaar an die Auswerteeinheit 5 weiter.
Das Sensorprinzip beruht, wie in 3 gezeigt ist, auf zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen 61, 62, die das eigentliche Messvolumen 6 bilden. Das Interferenzstreifensystem 61 der einen Wellenlänge λ₁ weist konvergierende, das der anderen Wellenlänge λ₂ divergierende Interferenzstreifen 62 auf. Die fächerförmigen Interfe renzstreifensysteme 61, 62 werden dadurch erzeugt, dass die Strahltaille der verwendeten Gaußschen Strahlen vor oder hinter die Kreuzungsebene gelegt wird. Die axiale Justage der Strahltaillen geschieht durch individuelle Verschiebung der Laserdioden 10a, 10b bezüglich ihrer Kollimationslinsen 11a, 11b.
Das Streulicht 26 wird dabei wellenlängenselektiv detektiert, wobei jede Wellenlänge λ₁, λ₂ einen Kanal bildet. Es werden folglich von einem Teilchen 23 zwei zeitgleiche Burstsignale – ein Burstsignalpaar – von den beiden Interferenzstreifensystemen 61,62 erhalten, die unterschiedliche Dopplerfrequenzen f_1,2 aufweisen.
Da die Interferenzstreifensabstände d₁(z), d₂(z), wie in 4 gezeigt ist, entlang der optischen Achse 22 nicht mehr konstant sind (wie bei der herkömmlichen Laser-Doppler-Anemometrie), hängen die Dopplerfrequenzen f_1,2 = f_1,2(z) der beiden Burstsignale ebenfalls von der Position z entlang der optischen Achse 22 ab.
Durch die Zweifachmessung an beiden Interferenzstreifensystemen 61, 62 kann das ausgenutzt werden, um zusätzlich die z-Position eines Teilchens 23 zu bestimmen. Das geschieht anhand einer Kalibrationsfunktion q(z), die aus den Quotienten der beiden Streifenabstände d₁(z), d₂(z) gebildet wird:
Das ist möglich, da der Quotient, wie gezeigt, nicht mehr von der Geschwindigkeit abhängt, sondern nur noch von der z-Position. In den 5, 6 sind beispielsweise die zwei ge messenen Funktionen der Interferenzstreifenabstände d₁(z), d₂(z) sowie die daraus gebildete Kalibrationsfunktion q(z) = d₁(z)/d₂(z) gezeigt. Die Funktionen können je nach Justierung variieren. Während einer Messung werden dann die beiden Dopplerfrequenzen f₁(z), f₂(z) bestimmt und aus deren Verhältnis über die Umkehrfunktion z = z(q) die z-Position bestimmt. Mit der ermittelten z-Position können für die Berechnung der Geschwindigkeit die lokalen Streifenabstände d₁(z), d₂(z), die vordem durch eine Kalibration bestimmt werden, herangezogen werden. Damit ergibt sich für die erste Lateralgeschwindigkeitskomponente v_x: vx(z) = f1(vx, z)d1(z) = f2(vx, z)d2(z) (II)
Im Folgenden wird der verallgemeinerte Fall betrachtet, dass zusätzlich eine signifikante Axialgeschwindigkeitskomponente v_z der Geschwindigkeit auftritt. Die Geschwindigkeitskomponenten sind dann mit dem Betrag des Geschwindigkeitsvektors v = |v →| und dem Winkel α der Trajektorie zur optischen Achse 22 folgendermaßen verknüpft:
Die Kenngrößen der Gleichungen III, IV, V werden in 7 als Darstellung im xyz-Koordinatensystem unterstützt.
Da sich die Streifenabstände d₁(z), d₂(z) mit dem Ort ändern, wie in 7 gezeigt ist, ergeben sich folgende Gleichungen: d1(z) = d01 + c1·z d2(z) = d02 + c2·z (VI, VII) mit c_1,2 und d_01,02 als konstanten Parametern. Während in 4 das Teilchen 23 sich senkrecht zur optischen Achse bewegt, verläuft davon abweichend gemäß 7 die Bewegung des Teilchens 23 in der xz-Ebene des vorgegebenen xyz-Koordinatensystems ohne die signifikante zweite Lateralgeschwindigkeitskomponente v_y. Dann wird die Trajektorie r(t) = [x(t), z(t)]^T bei gleichförmiger Bewegung folgendermaßen beschrieben: x(t) = vx·t z(t) = vz·t + z0 (VIII, IX)wobei der Koordinatenpunkt z₀ die z-Position zur Zeit t = 0 angibt, die im folgenden als Ausgangs-Position z₀ bezeichnet wird. Als ein markanter, ausgezeichneter Zeitpunkt kann der Durchtritt durch die optische Achse 22 gewählt werden, da zu diesem Zeitpunkt die höchste Streulichtintensität, d.h. die größte Signalamplitude auftritt. Die Ausgangs-Position z₀ wird daher im Folgenden als die Position festgelegt, bei der das Teilchen 23 die optische Achse 22 quert.
Wird die Gleichung (IX) in die Gleichungen (VI, VII) eingesetzt und wird f = v_x/d berücksichtigt, so werden für die Dopplerfrequenzen f₁(v_x, v_z, z₀, t), f₂(v_x, v_z, z₀, t) folgende Gleichung erhalten:
Die Dopplerfrequenzen f₁(v_x, v_z, z₀, t), f₂(v_x, v_z, z₀, t) werden damit zeitabhängig, sobald die Axialgeschwindigkeitskomponente v_z auftritt. Die damit vorhandene Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz bildet die Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz (engl. Chirp) lässt sich auswerten, indem die nach der Zeit abgeleitete Periodendauer T = 1/f betrachtet wird:
Die Gleichung (XI) ist zeitlich konstant und direkt proportional zur Axialgeschwindigkeitskomponente v_z, weshalb sie zu deren Bestimmung herangezogen werden kann.
Aus der Gleichung (XI) können folgende Eigenschaften entnommen werden:

• Die Axialgeschwindigkeitskomponente v_z kann direkt über die zeitliche Änderung der Periodendauer-Zeitfunktion T(t) bestimmt werden. Dabei ist der Chirp – die Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz – ein Maß für das Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeitskomponente v_z und der ersten Lateralgeschwindigkeitskomponente v_x, wobei das Verhältnis durch den Winkel α als Ausdruck der schrägen Trajektorie der Teilchen 23 vorgegeben ist.
• Da die Dopplerfrequenz f_1,2(v_x, v_z, z₀, t) sowohl ansteigen als auch abfallen kann, kann zwischen einer positiven und einer negativen Geschwindigkeitskomponente unterschieden werden. Die Bestimmung der Axialgeschwindigkeitskomponente v_z ist somit richtungssinnerkennend.
• Von einem einzelnen Teilchen 23 können daher folgende Bahngrößen bestimmt werden:
– die erste Lateralgeschwindigkeitskomponente |v_x|,
– die Axialgeschwindigkeitskomponente v_z einschließlich des Vorzeichens und
– die Durchtrittsposition z₀ durch die optische Achse 22.

Mit dem Liniensensor 2 werden also die Geschwindigkeitskomponenten v_x und v_z in Abhängigkeit von der z-Position gemessen. Da die Teilchen 23 statistisch in der Strömung verteilt sind, braucht nur eine genügend große Anzahl von Teilchen 23 ausgewertet zu werden, um das im Messvolumen 6 vorherrschende Geschwindigkeitsprofil zu vermessen.
In 8 wird das Geschwindigkeitsprofil v_x(z) nach einer Vermessung einer laminaren Plattengrenzschicht 24 gezeigt. Da der Sensor 2 das Geschwindigkeitsprofil v_x(z) entlang einer Linie z vermisst, wird er als Liniensensor bezeichnet.
In der Vorrichtung 1 sind in 1 die beiden Sendeoptiken 91, 92 bezüglich ihrer optischen Achsen 22, 25 orthogonal zueinander gerichtet angeordnet. Sie können aber auch zueinander geneigt bzw. schräg zueinander angeordnet sein.
Bei schrägen Teilchentrajektorien, d.h. mit nichtverschwindenden Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y weisen die Hurstsignalpaare eine Frequenzänderung mit der Zeit auf, wobei die Frequenzänderung mit der Zeit direkt proportional zu den Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y ist und für ein einzelnes Teilchen 23

– die Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z der Geschwindigkeit v,
– die Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y der Geschwindigkeit v und
– der Durchtrittsort X₀, Y₀ des Teilchens 23 durch die optische Achsen 22, 25, bestimmt werden,
– wobei die Bestimmung der Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y die Strömungsrichtung der Teilchen 23 angibt.

Die Sendeoptiken 91, 92 in Vorrichtung 1 sind gleichartig aufgebaut und können jeweils

– zwei Laserdioden 10a, 10b unterschiedlicher Wellenlängen λ₁ ≠ λ₂, λ₃ ≠ λ₄, wobei λ₁ ≠ λ₂ ≠ λ₃ ≠ λ₄ ist,
– jeweils eine Konvexlinse 11a, 11b,
– einen dichroitischen Spiegel 12,
– eine Konvexlinse 13,
– ein Transmissions-Beugungsgitter 14,
– zwei achromatische Linsen 15a, 15b, die in ihrer Anordnung ein Kepler-Teleskop bilden,
– wahlweise Blenden 16, die nur die +1. und –1. Beugungsordnungen durchlassen und alle anderen Beugungsordnungen blockieren, enthalten.

Die Empfangsoptik 4 kann, wie in 9 gezeigt ist, eine Konvexlinse oder ein Konvexlinsensystem 17 enthalten, von der wahlweise eine Multimodefaser 20 an die Demultiplexingeinheit 32 geführt ist.
Der Empfangsoptik 4 für die beiden Sendeoptiken 91, 92 ist die Demultiplexingeinheit 32 nachgeordnet ist, die folgende Bestandteile aufweist:

– wahlweise einen Eingang für die Multimodefaser 20,
– eine eingangsseitige Kollimatorlinse 19,
– drei dichroitische Spiegel 18,
– jeweils vier ausgangsseitige Kollimationslinsen 19 und
– vier Photodetektoren 21a, 21b, 21c, 21d zur Signalweiterleitung an die Auswerteeinheit 5.

Es sind in jedem Fall vier Eingangskanäle 53, 54, 55, 56 für vier Interferenzstreifensysteme mit jeweils zwei pro Sendeoptik 91, 92 vorgesehen.
Die Auswerteeinheit 5 in 10 enthält zwei Signalverarbeitungseinheiten 51, 52 für die beiden Sendeoptiken 91, 92, wobei jede Signalverarbeitungseinheit 51, 52 aus mehreren Funktionseinheiten besteht, in denen der angegebene Verlauf der Detektion der Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz und der Auswertung, die vorzugsweise mit programmtechnischen Mitteln, z.B. in der graphischen Programmiersprache LabVIEW realisiert wird, erfolgt.
Jede der in 10 dargestellten Signalverarbeitungseinheiten 51, 52 besitzt eingangsseitig zwei Eingangskanäle 53, 54; 55, 56, die mit den Photodetektoren 21a, 21b; 21c, 21d der Demultiplexingeinheit 32 oder bei Einsatz anderer Auswerteverfahren zwischengeschaltete Baugruppen zur Ausbildung von jeweils zwei Eingangskanälen in Verbindung stehen.
Eine Signalverarbeitungseinheit 51, 52 der Auswerteeinheit 5 besteht, wie in 11 gezeigt ist, im Wesentlichen aus folgenden Funktionseinheiten:

– einem Analog-Digital-Wandler 59,
– einem nachgeschalteten Bandpass 60, wobei die von den Photodetektoren 21a, 21b; 21c, 21d weitergeleiteten Signale zunächst nach Durchgang durch den Analog-Digital-Wandler 59 mit dem Bandpass 60 gefiltert werden, um den Gleichanteil und hochfrequentes Rauschen zu entfernen,
– einer Hilbert-Transformations-Einheit 63, in der die Signaleinhüllenden bestimmt werden,
– einer Amplituden-Normierungseinheit 65, in der die Signale normiert werden,
– einer Gaußfitting-Einheit 64, in der die Einhüllenden mit Gaußfunktionen gefittet werden, um dadurch die Anfangs- und Endzeiten (definiert über die 1/e²-Schwelle) sowie den Zeitpunkt der maximalen Amplitude t_Max zu bestimmen, wobei die Anfangs- und Endzeiten ein Zeitfenster definieren,
– einer der Amplituden-Normierungseinheit 65 nachgeschalteten FFT-Einheit 66, in der das Zeitfenster für die Kurzzeit-Fast-Fourier-Transformation (FFT) genutzt wird, wobei zur Berechnung der Periodendauer-Zeit-Funktionen die Kurzzeit-FFT eingesetzt wird, die ein Auswertefenster über die Zeitsignale schiebt,
– einer Regressions-Einheit 67, in der an die Periodendauer-Zeit-Funktionen Regressionsgeraden gefitted werden,
– einer Berechnungseinheit 68, in der aus den Regressionsgeraden die Messparameter bestimmt werden.

Ausgangsseitig weist die Auswerteeinheit 5 eine Funktionseinheit 57 zur Koordinatentransformation der berechneten Geschwindigkeitskomponenten am Durchtrittsort X₀, Y₀ auf, wobei die Funktionseinheit 57 mit einer Anzeige- und/oder Ausgabeeinheit 58 in Verbindung steht, in der wahlweise die Trajektorienwinkel zur Z-Achse als Richtungsangabe der Trajektorie der Teilchen 23 angebbar sind.
Die Funktionseinheit 57 zur Koordinatentransformation, in der auch eine Mittelung der beiden Lateralgeschwindigkeits komponente v_z erfolgt, derart ausgebildet ist, dass sie den Durchtrittsort X₀, Y₀ bestimmt und die Geschwindigkeitskomponenten über den Durchtrittsort X₀, Y₀ und die dortigen lokalen Streifenabstände d₁, d₂ für die erste Sendeoptik 91 und die lokalen Streifenabstände d₃, d₄ für die zweite Sendeoptik 92 berechnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bestimmt gemäß 1 das flächenhafte und dreikomponentige Geschwindigkeitsprofil. Dabei ist das in 1 dargestellte XYZ-Koordinatensystem ein gegenüber dem xyz-Koordinatensystem des Standes der Technik gedrehtes Koordinatensystem, wobei die z-Achse und die xy-Ebene jeweils zur Z-Achse und zur XY-Ebene gedreht sind.
Da sich die Vorrichtung 1 gemäß 1 aus zwei orthogonal angeordneten Sendeoptiken 91, 92 zusammensetzt, die auch auf dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) basieren, werden in jeder Sendeoptik 91, 92 zwei überlagerte, fächerförmige Interferenzstreifensysteme 61, 62, die physikalisch unterscheidbar sein müssen, eingesetzt. Aus dem Streulicht eines von einer Strömung mitgeführten Teilchens 23 lassen sich die jeweilige laterale und die axiale Geschwindigkeitskomponente sowie die axiale Position des Teilchens 23 im Meßvolumen 6, 7 bestimmen. Durch Kombination der beiden Sendeoptiken 91, 92 mit zueinander orthogonalen Achsen 22, 25 lassen sich sowohl die zweidimensionale X,Y-Position in der aufgespannten XY-Ebene als auch alle drei Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z für ein einzelnes Teilchen 23 bestimmen. Durch Vermessung vieler Teilchen Σ23 wird ein zweidimensionales, flächenhaftes und dreikomponentiges Bild der Strömungsgeschwindigkeit als Geschwindigkeitsprofil erhalten.
Deshalb werden die Messvolumen 6, 7 überlagert. Die optische Achsen 22, 25 der beiden Sendeoptiken 91, 92 stehen orthogonal aufeinander. In 1 sind die Anordnung der Sendeoptiken 91, 92 sowie das vorgegebene XYZ-Koordinatensystem gezeigt. Die Empfangsoptik 4 kann beliebig im Raum platziert werden und besteht wie beim in 2 gezeigten Liniensensor 2 nur aus einer Konvexlinse 17, die das Streulicht 26 in die Multimodefaser 20 einkoppelt und den Photodetektoren 21a, 21b zuleitet.
Die folgende Tabelle 1 zeigt auf, wie die einzelnen Größen von den beiden Sendeoptiken 91, 92 erhalten werden, wobei die Achsenbezeichnungen gemäß 1 zu verstehen sind. Da zu jeder Sendeoptik 91, 92 nur eine Ortskoordinate Y oder X gemessen wird und beide optische Achsen 22, 25 orthogonal zueinander angeordnet sind, wird eine zweidimensionale Koordinate des Ortes X₀, Y₀ bei t = 0 erhalten. Der Messbereich ist durch den Schnittmessbereich 8 der einzelnen Messvolumen 6, 7 gegeben. Ähnliches gilt für die Geschwindigkeitskomponenten:
Mit jeder Sendeoptik 91, 92 werden zwei Geschwindigkeitskomponenten erfasst. Durch die orthogonale Anordnung werden folglich alle drei Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z erfasst, wobei für die Z-Richtung eine Redundanz besteht. Die Redundanz kann zur Verringerung der Messunsicherheit durch Mittelung genutzt werden.
Tabelle 1
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Geschwindigkeitsvektor mit den drei Komponenten v_X, v_Y, v_Z in einem zweidimensionalen XY-Messbereich erfasst werden kann:
Für die Vorrichtung 1 werden folglich vier Messkanäle für vier Interferenzstreifensysteme mit jeweils zwei pro Sendeoptik 91, 92, wie in 9, 10 gezeigt ist, benötigt. Die Auswertung der Burstsignalpaare und die Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils erfolgt in der in 10 gezeigten Auswerteeinheit 5.
Die Auswerteeinheit 5 enthält zwei Signalverarbeitungseinheiten 51, 52 für die beiden Sendeoptiken 91, 92, wobei in 11 die Signalverarbeitungseinheit 51 für die Sendeoptik 91, stellvertretend auch für die Sendeoptik 92, dargestellt ist. Jede Signalverarbeitungseinheit 51 oder 52 besteht aus mehreren Funktionseinheiten, in der jeweils der in 10, 11 in einem Schaltungsblockschema angegebene Verlauf der Detektion der Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz und der Auswertung, die vorzugsweise mit programm technischen Mitteln, z.B. in der graphischen Programmiersprache LabVIEW realisiert wird, erfolgen kann. Jede Signalverarbeitungseinheit 51, 52 besitzt eingangsseitig zwei Eingangskanäle 53, 54 bzw. 55, 56, die mit den Photodetektoren 21a, 21b sowie 21c, 21d der Demultiplexingeinheit 32 in Verbindung stehen, wie in 9 gezeigt ist. Ausgangsseitig weist die Auswerteeinheit 5 eine Funktionseinheit 57 zur Koordinatentransformation der berechneten Geschwindigkeitskomponenten am Durchtrittsort X₀, Y₀ auf, wobei die Funktionseinheit 57 mit einer Anzeige- und/oder Ausgabeeinheit 58 in Verbindung steht. Ebenso können die Trajektorienwinkel zur Z-Achse als Richtungsangabe der Teilchenbahn angegeben werden.
Im Folgenden wird die in 11 dargestellte Signalverarbeitungseinheit 51, stellvertretend auch für die analog aufgebaute Signalverarbeitungseinheit 52 mit ihrer Funktionsweise näher erläutert.
In der Signalverarbeitungseinheit 51 sind die beiden Eingangskanäle 53,54 vorhanden, denen die beiden Photodetektoren 21a, 21b zugeordnet sind. Die von den Photodetektoren 21a, 21b weitergeleiteten Signale werden zunächst nach Durchgang durch einen Analog-Digital-Wandler 59 mit einem Bandpass 60 gefiltert, um den Gleichanteil und hochfrequentes Rauschen zu entfernen. Danach werden mittels einer Hilbert-Transformations-Einheit 63 die Signaleinhüllenden bestimmt und die Signale in einer Amplituden-Normierungseinheit 65 normiert. Die Einhüllenden werden in einer Gaußfitting-Einheit 64 mit Gaußfunktionen gefittet, um dadurch die Anfangs- und Endzeiten (definiert über die 1/e²-Schwelle) sowie den Zeitpunkt der maximalen Amplitude t_Max zu bestimmen. Die Anfangs- und Endzeiten definieren ein Zeitfenster, welches in einer der Amplituden- Normierungseinheit 65 nachgeschalteten FFT-Einheit 66 für die Kurzzeit-Fast-Fourier-Transformation (FFT) genutzt wird. Der Zeitpunkt der maximalen Amplitude t_Max definiert den Durchtritt durch die optische Achsen 22, wobei mit den momentanen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ zum Zeitpunkt t_Max später die Ausgangs-Position Y₀ berechnet wird. Zur Berechnung der Periodendauer-Zeit-Funktionen wird die Kurzzeit-FFT eingesetzt, die ein Auswertefenster über die Zeitsignale schiebt. An die Periodendauer-Zeit-Funktionen werden in der Regressions-Einheit 67 Regressionsgeraden gefitted, aus denen in einer Berechnungseinheit 68 die eigentlichen Messparameter bestimmt werden:
Die momentanen Dopplerfrequenzen f₁, f₂ zu dem Zeitpunkt t_Max werden genutzt, um über die Kalibrationsfunktion in Gleichung (I), wie in 6 gezeigt, die Durchtrittsposition Y₀ durch den Schnittpunkt der optischen Achse 22 zu ermitteln. Mit den lokalen Streifenabständen d₁(Y₀), d₂(Y₀) an der Durchtrittsposition Y₀ wird anhand der Gleichung (II) die Lateralgeschwindigkeitskomponente v_z berechnet. Schließlich wird anhand der Gleichung (XI) über die Steigungen der Regressionsgeraden der Periodendauer-Zeit-Funktion T(t) die Axialgeschwindigkeitskomponente v_Y ermittelt. Damit werden alle Bahngrößen der Trajektorie 27 des Teilchens 23 bestimmt. Anhand der Gleichung (V) kann zusätzlich der jeweiligen Winkel α der Normalen (Z-Achse) zu der optischen Achse 22 berechnet werden.
Da für die zweite Sendeoptik 92 die gleichen Ergebnisse mit der Signalverarbeitungseinheit 52 in Bezug auf die Durchtrittsposition X₀, die Lateralgeschwindigkeitskomponente v_z und die Axialgeschwindigkeitskomponente v_X erhalten werden, wird in der Funktionseinheit 57 zur Koordinatentransformation, in der auch eine Mittelung der beiden Lateralge schwindigkeitskomponente v_Z erfolgen kann, der Durchtrittsort X₀, Y₀ erhalten. Im Prinzip werden darin die Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z über den Durchtrittsort X₀, Y₀ und die dortigen lokalen Streifenabstände d₁, d₂ für die erste Sendeoptik 91 und die lokalen Streifenabstände d₃, d₄ für die zweiten Sendeoptik 92 berechnet.
Das angegebene Verfahren zur Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils im Bereich der Auswerteeinheit 5, in der die zeitaufgelöste Frequenzmessung dargestellt ist, kann auch mit anderen Transformationen, z.B. der Wigner-Ville-Transformation, der Wavelet-Transformation durchgeführt werden.
Wesentlich ist es, dass alle Interferenzstreifensysteme dahingehend ausgebildet werden, dass sie physikalisch unterscheidbar sind. Neben dem vorhergehend vorgestellten Verfahren des Wellenlängenmultiplexing können auch andere Multiplexverfahren wie Frequenz- und Zeitmultiplexing oder in Kombination von diesen etc. eingesetzt werden.
Bezüglich der Unterscheidbarkeit der vier Interferenzstreifensysteme durch Multiplexing ergeben sich, wie in den 9, 10 gezeigt, vier Messkanäle für die beiden Sendeoptiken 91, 92. Alle Multiplextechniken und diese auch untereinander können miteinander kombiniert werden.
In Tabelle 2 ist eine Übersicht über die benötigten Komponenten gezeigt, wenn verschiedene Kombinationen von Wellenlängen- und Frequenzmultiplexing eingesetzt werden.
Tabelle 2:
Bei Einsatz von vier unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ – reines Wellenlängenmultiplexing – ergibt sich die 9. Für jedes der in Tabelle 2 genannte Multiplexverfahren sind für die Signalweiterleitung aus der Demultiplexingeinheit immer vier Eingangskanäle zur Auswerteeinheit ausgebildet.
Im Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 1 auf eine Anordnung der beiden Sendeoptiken 91, 92 bezogen, deren optischen Achsen 22, 25 orthogonal zueinander angeordnet sind. Die Vorrichtung funktioniert ähnlich, wenn die optischen Achsen z.B. bei einem Winkel von 80° oder einen Winkel darunter geneigt oder schräg zueinander angeordnet sind. Dann ist eine zusätzliche entsprechende Koordinatentransformation vorgesehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vor allem eine hohe Präzisionsausbildung, wobei die Messunsicherheit der Positionsbestimmung im Mikrometerbereich liegt und die relative Messunsicherheit der Geschwindigkeit kleiner als 5·10^–9 sein kann.
Bemerkenswert ist auch, dass im Verfahren zur Rekonstruktion des Geschwindigkeitsprofils keine Kamera, sondern eine einfach ausgebildete Empfangsoptik, die mit großem Arbeits abstand beliebig im Raum platziert werden kann, eingesetzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als 2D3C-Sensor oder auch als Feldsensor bezeichnet werden, da mit der Vorrichtung eine flächenhafte und dreikomponentige Messung der Geschwindigkeit zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsprofils von beliebig gerichteten Strömungen durchgeführt werden kann.

1: Vorrichtung
2: Liniensensor
31: Erste Demultiplexingeinheit
32: zweite Demultiplexingeinheit
4: Empfangsoptik
5: Auswerteeinheit
6: erstes Messvolumen
7: zweites Messvolumen
8: Schnittmessbereich
9: Sendeoptik
10a: erste Laserdiode mit Wellenlänge λ₁
10b: zweite Laserdiode mit Wellenlänge λ₂
11a: erste Kollimatorlinse
11b: zweite Kollimatorlinse
12: dichroitischer Spiegel
13: Fokussierlinse
14: Transmissions-Beugungsgitter
15a: erste achromatische Linse
15b: zweite achromatische Linse
16: Blende
17: Konvexlinse
18: zweiter dichroitischer Spiegel
19: Kollimatorlinse
20: Multimodefaser
21a: erster Photodetektor
21b: zweiter Photodetektor
21c: dritter Photodetektor
21d: vierter Photodetektor
22: optische Achse
23: Teilchen
24: Plattengrenzschicht
25: optische Achse der zweiten Sendeoptik
26: Streulicht
27: Trajektorie eines Teilchens
28a: erster Streulichtanteil mit Wellenlänge λ₁
28b: zweiter Streulichtanteil mit Wellenlänge λ₂
51: erste Signalverarbeitungseinheit
52: zweite Signalverarbeitungseinheit
53: erster Kanal
54: zweiter Kanal
55: dritter Kanal
56: vierter Kanal
57: Funktionseinheit zur Koordinatentransformation
58: Anzeige- und/oder Ausgabeeinheit
59: Analog-Digital-Wandler
60: Bandpass
61: erstes fächerförmiges Interferenzstreifensystem
62: zweites fächerförmiges Interferenzstreifensystem
63: Hilbert-Transformations-Einheit
64: Gaußfitting-Einheit
65: Amplituden-Normierungseinheit
66: FFT-Einheit
67: Regressions-Einheit
68: Berechnungseinheit
z₀: Durchtrittsposition für einen Liniensensor
X₀, Y₀: Durchtrittsort
α: Winkel der Strömungsrichtung der Teilchen zur
: Normalen der Sendeoptikachse
λ₁: erste Wellenlänge
λ₂: zweite Wellenlänge
λ₃: dritte Wellenlänge
λ₄: vierte Wellenlänge
f₁(t): erste Dopplerfrequenz
f₂(t): zweite Dopplerfrequenz
f₃(t): dritte Dopplerfrequenz
f₄(t): vierte Dopplerfrequenz
q(z): Kalibrationsfunktion
d₁(z): erster Streifenabstand
d₂(z): zweiter Streifenabstand
d₃(z): zweiter Streifenabstand
d₄(z): zweiter Streifenabstand
v_X: erste Lateralgeschwindigkeitskomponente
v_Y: zweite Lateralgeschwindigkeitskomponente
v_Z: Axialgeschwindigkeitskomponente
r(t): Trajektorie des Teilchens xyz-Koordinatensystem eines Liniensensors XYZ-Koordinatensystem der Vorrichtung

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von beliebig gerichteten Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie mit zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die physikalisch unterscheidbar sind, wobei einer Sendeoptik linear beabstandet auf ihrer optischen Achse ein aus zwei überlagerten Interferenzstreifensystemen bestehendes Messvolumen zugeordnet ist, in dem über eine Empfangsoptik und einer nachgeschalteten Demultiplexingeinheit aus dem Streulicht der Teilchen mittels einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung von Burstsignalpaaren eine Achsenposition und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente des Teilchens ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – zwei Sendeoptiken (91, 92) vorgesehen sind, die bezüglich ihrer optischen Achsen (22, 25) geneigt zueinander angeordnet sind, wobei die beiden Messvolumen (6, 7) zu einem Schnittmessbereich (8) in einem vorgegebenen XYZ-Koordinatensystem überlagert sind, – wobei die Empfangsoptik (4) im Raum um den Schnittmessbereich (8) angeordnet ist, der die den Sendeoptiken (91, 92) zugeordnete Demultiplexingeinheit (32) nachgeordnet ist, und – wobei die Auswerteeinheit (5) mit zwei der Demultiplexingeinheit (32) nachgeordneten Signalverarbeitungseinheiten (51, 52) derart ausgebildet ist, dass sowohl ein zweidimensionaler XY-Ort (X₀, Y₀) in der im Schnittmessbereich (8) aufgespannten XY-Ebene als auch alle drei Geschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y, v_Z für die Teilchen (23) zu zugehörigen Geschwindigkeitsprofilen bestimmbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sendeoptiken (91, 92) bezüglich ihrer optischen Achsen (22, 25) orthogonal zueinander gerichtet angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei schrägen Teilchentrajektorien, d.h. mit nichtverschwindenden Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y die Burstsignalpaare eine Frequenzänderung mit der Zeit aufweisen, wobei die Periodendaueränderung mit der Zeit direkt proportional zu den Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y ist und für ein einzelnes Teilchen (23) – die Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z der Geschwindigkeit v, – die Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y der Geschwindigkeit v und – der Durchtrittsort X₀, Y₀ des Teilchens (23) durch die optische Achsen (22, 25), bestimmt werden, – wobei die Bestimmung der Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y richtungssinnerkennend ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik (91, 92) – zwei Laserdioden (10a, 10b) unterschiedlicher Wellenlängen λ₁ ≠ λ₂, λ₃ ≠ λ₄ – jeweils eine Konvexlinse (11a, 11b), – einen dichroitischen Spiegel (12), – eine Konvexlinse (13), – ein Transmissions-Beugungsgitter (14), – zwei achromatische Linsen (15a, 15b), die in ihrer Anordnung ein Kepler-Teleskop bilden, – wahlweise Blenden (16), die nur die +1. und –1. Beugungsordnungen durchlassen und alle anderen Beugungsordnungen blockieren, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (4) eine Konvexlinsensystem (17) enthält, von der aus wahlweise eine Multimodefaser (29) an die Demultiplexingeinheit (32) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – der Empfangsoptik (4) für die beiden Sendeoptiken (91, 92) eine Demultiplexingeinheit (32) nachgeordnet ist, die folgende Bestandteile aufweist: – wahlweise einen Eingang für die Multimodefaser (20), – eine eingangsseitige Kollimatorlinse (19), – drei dichroitische Spiegel (18), – jeweils vier ausgangsseitige Kollimationslinsen (19) und – vier Photodetektoren (21a, 21b, 21c, 21d) zur Signalweiterleitung an die Auswerteeinheit (5).
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vier Eingangskanäle (53, 54, 55, 56) für vier Interferenzstreifensysteme mit jeweils zwei pro Sendeoptik (91, 92) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) zwei Signalverarbeitungseinheiten (51, 52) für die beiden Sendeoptiken (91, 92) enthält, wobei jede Signalverarbeitungseinheit (51, 52) aus mehreren Funktionseinheiten besteht, in denen der angegebene Verlauf der Detektion der Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz und der Auswertung, die vorzugsweise mit programmtechnischen Mitteln, z.B. in der graphischen Programmiersprache LabVIEW realisiert wird, erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Signalverarbeitungseinheit (51, 52) eingangsseitig zwei Eingangskanäle (53, 54; 55, 56) besitzt, die mit den Photodetektoren (21a, 21b; 21c, 21d) der Demultiplexingeinheit (32) in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverarbeitungseinheit (51, 52) der Auswerteeinheit (5) im Wesentlichen aus folgenden Funktionseinheiten besteht: – einem Analog-Digital-Wandler (59), – einem nachgeschalteten Bandpass (60), wobei die von den Photodetektoren (21a, 21b; 21c, 21d) weitergeleiteten Signale zunächst nach Durchgang durch den Analog-Digital-Wandler (59) mit dem Bandpass (60) gefiltert werden, um den Gleichanteil und hochfrequentes Rauschen zu entfernen, – einer Hilbert-Transformations-Einheit (63), in der die Signaleinhüllenden bestimmt werden, – einer Amplituden-Normierungseinheit (65), in der die Signale normiert werden, – einer Gaußfitting-Einheit (64), in der die Einhüllenden mit Gaußfunktionen gefittet werden, um dadurch die Anfangs- und Endzeiten (definiert über die 1/e²-Schwelle) sowie den Zeitpunkt der maximalen Amplitude t_Max zu bestimmen, wobei die Anfangs- und Endzeiten ein Zeitfenster definieren, – einer der Amplituden-Normierungseinheit (65) nachgeschalteten FFT-Einheit (66), in der das Zeitfenster für die Kurzzeit-Fast-Fourier-Transformation (FFT) genutzt wird, wobei zur Berechnung der Periodendauer-Zeit-Funktionen die Kurzzeit-FFT eingesetzt wird, die ein Auswertefenster über die Zeitsignale schiebt, – einer Regressions-Einheit (67), in der an die Periodendauer-Zeit-Funktionen Regressionsgeraden gefitted werden, – einer Berechnungseinheit (68), in der aus den Regressionsgeraden die Messparameter bestimmt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig die Auswerteeinheit (5) eine Funktionseinheit (57) zur Koordinatentransformation der berechneten Geschwindigkeitskomponenten am Durchtrittsort X₀, Y₀ aufweist, wobei die Funktionseinheit (57) mit einer Anzeige- und/oder Ausgabeeinheit (58) in Verbindung steht, in der wahlweise die Trajektorienwinkel zur Z- Achse als Richtungsangabe der Trajektorie der Teilchen (23) angebbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (57) zur Koordinatentransformation, in der auch eine Mittelung der beiden Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z erfolgt, derart ausgebildet ist, dass sie den Durchtrittsort X₀, Y₀ bestimmt und die Geschwindigkeitskomponenten über den Durchtrittsort X₀, Y₀ und die dortigen lokalen Streifenabstände d₁, d₂ für die erste Sendeoptik (91) und die lokalen Streifenabstände d₃, d₄ für die zweite Sendeoptik (92) berechnet.
Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen von Teilchen in beliebig gerichteten Strömungen nach dem Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie mit zwei überlagerten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, die physikalisch unterscheidbar sind, wobei der Sendeoptik linear beabstandet auf ihrer optischen Achse ein den Interferenzstreifensystemen zugehöriges Messvolumen zugeordnet ist, in dem über eine Empfangsoptik und einer nachgeschalteten Demultiplexingeinheit aus dem Streulicht der Teilchen mittels einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung eine Achsenposition und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente des Teilchens ermittelt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Überlagerung von zwei zueinander geneigt angeordneten, jeweils zwei fächerförmigen Interferenzstreifensystemen zweier Sendeoptiken (91, 92), wobei die fächerförmigen Interferenzstreifensysteme durch Multiplexver fahren physikalisch unterscheidbar und die optischen Achsen (22, 25) geneigt zueinander angeordnet sind, – Auswertung der von beiden geneigt zueinander gerichteten, fächerförmigen Interferenzstreifensystemen erhaltenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂; f₃, f₄ für eine eindimensionale Positionsbestimmung des Teilchens (23) innerhalb eines Messvolumens (6; 7) aus zwei fächerförmigen Interferenzstreifensystemen, – kombinierte Auswertung der von den beiden verschiedenen zueinander geneigten Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare für eine zweidimensionale Ortsbestimmung X, Y in einem Schnittmessbereich (8) der Messvolumen (6, 7) der beiden verschiedenen, zueinander geneigten Interferenzstreifensysteme mittels der Auswerteeinheit (5) und – Frequenz-Zeit-Analyse der von den zueinander geneigten Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare zur Bestimmung der beiden in der von den beiden Interferenzstreifensystemen aufgespannten XY-Ebene liegenden Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y in der Auswerteeinheit (5).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei orthogonaler Anordnung der beiden Interferenzstreifensysteme die in der XY-Ebene liegenden Geschwindigkeitskomppnenten v_X, v_Y ohne zusätzliche Transformationensberechnungen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 und/oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sendeoptik (91, 92) – zwei überlagerte fächerförmige Interferenzstreifensysteme derart ausgebildet werden, dass durch Auswertung der von beiden Interferenzstreifensystemen erhaltenen Dopplerfrequenzen f₁, f₂; f₃, f₄ eine Positionsbestimmung innerhalb des Interferenzstreifensystems für eine Ortsbestimmung X, Y der Teilchen (23) durchgeführt wird, – durch eine Frequenz-Zeit-Analyse der von beiden Interferenzstreifensystemen erhaltenen Burstsignalpaare in der Auswerteeinheit (5) eine Bestimmung der jeweils zugehörigen Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z und – eine richtungssinnempfindliche Messung der Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y durchgeführt werden.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y direkt über die zeitliche Änderung der Periodendauer-Zeitfunktion T(t) bestimmt werden, wobei die Zeitabhängigkeit der Dopplerfrequenz f₁, f₂; f₃, f₄ ein Maß für das Verhältnis zwischen jeweils einer Axialgeschwindigkeitskomponente v_X, v_Y und der Lateralgeschwindigkeitskomponente v_Z ist, wobei das Verhältnis durch den jeweiligen Winkel α als Ausdruck der schrägen Trajektorie des Teilchens (23) vorgegeben wird.
Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dopplerfrequenz f₁, f₂, f₃, f₄ sowohl ansteigen als auch abfallen kann, so dass zwischen einer positiven und einer negativen Geschwindigkeitskomponente un terschieden wird und die Axialgeschwindigkeitskomponenten v_X, v_Y somit richtungssinnerkennend bestimmt wird.
Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine genügend große Anzahl von Teilchen (23) ausgewertet wird, um das im Schnittmessbereich (8) vorherrschende Geschwindigkeitsprofil zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils im Bereich der Auswerteeinheit (5) mit anderen Transformationen, z.B. der Wigner-Ville-Transformation, der Wavelet-Transformation durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Verfahren des Wellenlängenmultiplexing auch andere Multiplexverfahren wie Frequenz- und Zeitmultiplexing oder in Kombination von diesen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es mittels der Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.