DOPPLER VELOCIMETER FOR AIRCRAFT

Abstract: 1. Doppler tachometer for aircraft for measuring aircraft speed by means of diffuse light-scattering object in which an optical beam serves as an information carrier employing a transmitter/detector arrangement for measuring the air current in the direction of flight or transverse thereto by comparing the signals transmitted and beamed back characterized by the fact that the optical beam for obtaining information is high-frequency modulated with the frequency of an oscillator (17), that the detector arrangement (14d, 117a-c) passes the signal beamed back (13) to a mixer (16) which mixes it with the modulation frequency of the oscillator (17) and the differential signal thus obtained serves as the velocity of the aircraft relative to the surrounding air.

Description: Laser-Luftwerte-Sensor Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser-Lurtwerte-Sensor nach dem Dopplerprinzip für tuftfahrzeuge zur Messung der Luft strömung in Flugrichtung und quer dazu. Laser-Luftwerte-Sensoren sind an sich bekannt. So ist beispielsweise aus der Zeitschrift "Z.Blugwiss.Weltraumfor- schung 2(1978), Heft 3?! (Seiten 151 bis 155) eine Anordnung bekanntgeworden, bei der ein gepulster Laser mit hoher Spitzenleistung zur Messung der Luftgeschwindigkeit vom Flugzeug aus verwendet wurde. Hierbei wurden drei Verfahren untersucht. Beim ersten Verfahren erfolgte ein Vergleich durch tberlagerung der ausgesandten Laserlichtfrequenz mit der empfangenen - von relativ grossen Teilchen gestreuten - Lichtfrequenz, die durch den IR-Strahl eines sehr stabilen Lasers hindurchlaufen. Dieses Verfahren benutzt die Rückstreuung von grösseren Aero solen O4-Gesetz) die in grosser Höhe nur in geringer Zahl vorhanden sind, ausserdem kann nur die Geschwindigkeftskom- ponente in Richtung der Ausstrahlung gemessen werden. Beim zweiten Verfahren kam die klassische Laser-Doppler-Differenz- anemometrie unter Verwendung der Riickstreuung mit Hilfe eines relativ leistungsschwachen Lasers zur Anwendung. Hier basiert die Signalverarbeitung auf der Photonenkorrelation des sehr schwachen, von den Teilchen gestreuten, Lichtsignals. Dieses Verfahren ist bei Verwendung in turbulenten Strömungen mit erheblichen Mängeln behaftet. Letztlich wurde die Laser-Dop#ler-Differenzanemometrie unter Verwendung eines Hochleistungslase im Pulsbetrieb vorgeschlagen. Hier zeigte es sich, dass eine generelle Einsatzfähigkeit nicht möglich ist, da zahlreiche, bisher noch ungelöste Probleme die Messgenauigkeit beeinflussen, z .3. durch das Auftreten des thermischen Linseneffektes. Die bisherigen Lösungen mittels Staurohr oder dem sogenannten Pitotrohr haben eine singuläre Stelle bei MACH 1. Hier ist keine Messung mehr möglich. Auch die Bestimmung der Winkel i und i mittels Windf ahnen ist zu ungenau und erfordert einen hohen Aufwand an Einstellarbeit etc. Sowohl die Staurohr- wie auch die Windfahnenverfahren müssen für jede Flugzeugtype genau geeicht werden, sind ausserdem temperatur- und druckabhängig und unterliegen einer starken Vereisungs- und Verschmutzungsgefahr. Abgesehen davon erfordern sie zusätzliche Anbauten#beim Flugzeug. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Luftwerte-Sensor zu schaffen, der die vorgenannten MEn- gel des Standescer Technik nicht mehr aufweist und die 3estimmung der Winkell und (ss, sowie der Geschwindigkeit V als absolute Messgrössen erlaubt und ausserdem die Bestimmung von Böen vor dem Blugzeug gewährleistet, was mit den bisher bekannten Anordnungen nicht möglich war. Diese Aufgaben werden durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Massnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen festgelegt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist beschrieben und in den Zeichnungen dar- stellend erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild für den Aufbau des Laser-Luft werte-Sensors, Fig. 2 eine Anordnung und Ausbildung eines Laser-Luftwerte- Sensors zur Bestimmung von V und den Ansteliwinkeln in schematischer Darstellung. Der in der Fig. 1 dargestellte Aufbau des erfindungsgemassen Laser-Luftwerte-Sensors setzt sich aus dem Laser 10 - beispielsweise einem Farbstoff-Laser - zusammen, dessen gebündelter Ausgangsstrahl mittels eines Modulators 12 hochfrequent mit der Frequenz des Oszillators/170duliert wird. Dieser modulierte Laserlichtstrahl 11 trifft ausserhalb des aerodynamischen Störbereichs - der in einer bestimmten EntSerung vor der Flugzeugspitze beginnt - des Flugkörpers auf die Moleküle eines Luftvolumens 100 oder auf Aerosole. Diese Moleküle etc. rufen eine Rückstrahlung 13 des ausgesandt ten Lichtstrahles hervor, deren Modulation infolge der relativen Bewegung der Luftmoleküle etc. zum Flugkörper frequenzverschoben ist. Diese mit dem Doppler-Fffekt behaftete Rückstrahlung wird von einer Fmpfängeranordnung 14 aufgenommen, die sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Optik 14a, einem Raumfilter 14b, einem Interferenzfilter 14c und der Detektoranordnung 14d zusammensetzt. Der Detektoranordnung ist ein Verstärker 15 nachgeschaltet und gibt das detektierte Rückstrahlsignal 13 an einen Mischer 16, in dem dieses Signal mit der Modulationsfrequenz des Oszillators (Lokaloszillator) 17 (Romod#-Fmpf enger oder mit einer Frequenz,die aus dem Oszillator 17 plus einer Zwischenfrequenz (#eterodyn-Emfpänger) besteht, gemischt und über einen Tiefpassfilter oder 3andpass 18 an den Ausgang 19 gegeben wird. Das erhaltene Differenz-Frequenzsignal ist nun ein Mass für die Relativgeschwindigkeit des Senders 10 zu den Streukör- pern des Luft- bzw. Nessvolumers 100, die in der Auswertein heit 20 wertmässig ermittelt wird. Erwähnt soll noch sein, dass -eine günstige Frequenz des Oszillators 17 für diese Anwendung in einem Bereich von 500 MHB bis 1 GKz liegt. Zur Bestimmung der Anstellwinkel i und # des Flugkörpers und zur Messung vertikaler und horizontaler böden - also der Querströmung - ist der Auswerteinheit 20 eine weitere Auswerteinheit mit Steuereinrichtung 21 nachgeschaltet, die über ein Koppelglied 23 das Messergebnis automatisch an das Flugsteuerungssystem bzw. dessen Computer zum Böenausgleich - beispielsweise durch entsprechende Steuerung von sogenannten Hinn- rudern - weiterleitet. Nun ist es verschiedentlich von Bedeutung, ausser den vorgenannten Messergebnissen, auch noch eine Aussage über die Aerosol- oder Tröpfchengrösse zu erhalten. Hierzu ist dem Romodyn- Empfänger oder Heterodynempfanger im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel, eine gesonderte Auswerteinheit 22 zugeordnet, in der das Messsignal 13 zur Bestimmung der Grössenwerte herangezogen wird. Die Fig. 2 zeigt nun die Ausbildung eines erfindungsgemässen Laser-Luftwerte-Sensors zur gleichzeitigen Bestimmung der Geschwiadigkeit V und der Anstellwinkel a undy unter Verwendung eines an sich bekannten Cassegrain-Systems 114. Dieses Cassegrain-System 114 ist zusammen mit dem Laser 110 und dem Modulator 112 und der Elektronik 116a,116b,116c zu einer Baueinheit integriert und im Cockpit beziehungsweise an einer günstigen Stelle des Flugzeugbugs angeordnet. Den elek tronischen Bausteinen sind Detektoren 117a,117b und 117c zugeordnet, die sich ebenfalls in der Baueinheit befinden. Jede der vorgenannten elektronischen Einheiten ist aus denselben Bausteinen und in derselben Weise zusammengesetzt, wie es bereits zur Elektronik der Fig. 1 beschrieben worden ist, d.h. die dort beschriebene Elektronik (14,15,16,17,18 und 19) wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Teil dreifach verwendet. Die Ausgangssignale S1,S2, S3 werden in der Auswerteinheit 20,21 zu Steuersignalen für das über das oppe7- glied 23 verbundene Flugsteuerungssystem verarbeitet. Hier wird der modulierte Laserlichtstrahl 111 über Strahltei ler 115 in Strahlen mit Winkeln t geteilt oder durch Strahl umlenker nacheinander in verschiedene Richtungen gelenkt. Ebenfalls kann eine Anordnung gewählt werden, bei der der Nass- strahl auf einem Kegelmantel rotiert. Die durch die Böenquerströmung in der Frequenz verschobene Bückstreustrah- lung 113 wird - wie bereits beschrieben - verarbeitet, indem die Dopplerverschiebung der Modulation nach dem Heterodyn- oder dem Romodyii-Verfahren demoduliert und ausgewertet wird. Durch die vorstehend vorgeschlagenen Massnahmen wird die Bereitstellung eines umfangreichen Messvektors für eine hochwertige Flugführung geschaffen, wobei der bisherige Aufwand beispielsweise die bisher erforderliche hohe Anzahl von Mess- sensoren - wesentlich vermindert, ohne dass eine 3eeinträchtigung des Flugfürrungssystems zu befürchten ist. Da zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Messwert ein physikalisch gegebener linearer Zusammenhang besteht, lassen sich die vorgeschlagenen Massnahmen sowohl für die Messung extrem hoher, aber auch extrem niedriger Geschwindigkeiten verwenden und auch bei MACH 1 sind nunmehr Messungen möglich.

Claims: Patentansprüche 1. Laser-LuStwerte-Sensor für Luftfahrzeuge zur Messung der Luft strömung in Flugrichtung und quer dazu, dadurch g e ke n n z e i c h ne t , dass einem oder mehreren Laser lichtsendern(10) ein Modulator (12) vorgeschaltet ist, dessen hochrequent modulierte Strahlen (11,111) in ihrer von Aerosolen oder Luftmolekülen (100) verursachten R¯uck- strahlung (13,113) von einem oder mehreren Photodetekto ren (14d,117a,b,u.c) empfangen nach dem Beterodzn- oder Homodyn-Verfahren eines Empfängers (19) demoduliert und in Auswerteinheiten (20,21,22,23) zur Bestimmung der Flug körpergeschwindigkeit, der Anströmvektoren, sowie horizon taler und vertikaler Böen ausgewertet werden. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass dem modulierten Messstrahl (111) ein Strahltei ler (oder Strahlumlenker) (115) zur dreidimensionalen An strömvektormessung zugeordnnet ist. 3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zur zusätzlichen Messung der Querströmung (3Q) mindestens ein zweiter taser-Luftwerte- Sensor (10 bis 19) angeordnet ist. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zum Böenausgleich die im Homotyn-oder Heterodynempfrnger (19) erhaltenen Messsignale Auswerteinheiten (20,21) zugeführt werden, deren Ausgangs signale (S,S1,S2,S3) über ein Xoppelglied 23 in Steuerbe fehle für das Flugsteuersystem umgesetzt werden. 5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Empfänger(19) eine Auswerteinheit (22) zur BestÇmm¯ng der Aerosol- oder Tröpf chengrösse und Anzahl zugeordnet ist.

Inventors: BOGENBERGER, RICHARD
Applicants: MESSERSCHMITT-BOLKOW-BLOHM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1979
Main classification: G01P5
IPC codes: G01P5, G01S17