同轴直接检测LIDAR系统

摘要

本发明涉及一种同轴直接检测LIDAR系统，用于测量速度、温度和/或颗粒密度。该系统包括激光源，用于沿着散发路径发出具有激光中心频率的激光光束。该系统还包括光学传递系统，被布置在激光源的散发路径中，所述光学传递系统被布置用于在测量方向中传递激光光束，所述光学传递系统还被配置用于收集沿着测量方向背向散射的返回信号。最后，该系统包括检测器系统，被布置为接收来自光学传递系统的返回信号，所述检测器系统包括窄带光滤波器和检测器，所述窄带光滤波器具有通带的滤波器中心频率，其中，能够扫描中心激光频率和/或中心滤波器频率。本发明还涉及包括LIDAR系统的飞行器空速测量设备和风力涡轮机空速测量设备。

权利要求

1.一种同轴直接检测LIDAR系统，其用于测量速度、温度和/或颗粒密度，所述系统包括：-激光源，用于沿着散发路径发出具有激光中心频率的激光光束，-光学传递系统，被布置在激光源的散发路径中，所述光学传递系统被布置用于在测量方向中传递激光光束，所述光学传递系统还被配置用于收集沿着测量方向背向散射的返回信号，以及-检测器系统，被布置为接收来自光学传递系统的返回信号，所述检测器系统包括窄带带通光滤波器和检测器，所述窄带带通光滤波器具有通带的滤波器中心频率，其中，能够扫描激光中心频率或滤波器中心频率，直接检测是非相干检测。

2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中窄带带通光滤波器包括扫描法布里-珀罗干涉仪。

3.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中检测器系统还包括光小信号预放大器。

4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中检测器是光子计数设备或者包含光子计数设备。

5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光源是可调谐的并且窄带带通光滤波器是静态的。

6.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光源适于发射具有1.3μm到1.8μm的波长的红外光。

7.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光源适于发射具有300nm到1500nm的波长的光。

8.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光源是被配置为直接发射激光光束的激光二极管或者包含被配置为直接发射激光光束的激光二极管。

9.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光源适于生成具有1mW到500mW的光功率的激光。

10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光源是脉冲的。

11.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中激光源是持续波。

12.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中法布里-珀罗干涉仪具有从0.5GHz到

10.0GHz的范围的自由光谱范围FSR。

13.根据权利要求2所述的LIDAR系统，其中法布里-珀罗干涉仪具有从50到5000的范围的精度F。

14.一种飞行器空速测量设备，所述设备包括根据前述权利要求1-13中的任一项所述的LIDAR系统。

15.一种风力涡轮机空速测量设备，所述设备包括根据权利要求1-13中的任一项所述的LIDAR系统。

说明书

同轴直接检测LIDAR系统

技术领域

[0001] 本发明涉及用于测量远程固体或扩散对象的速度的LIDAR系统。更具体地，本发明涉及同轴直接检测LIDAR系统。对于诸如空气传播的颗粒的扩散对象，LIDAR也可以用于测量温度和颗粒密度。

背景技术

[0002] 在文献中已知基于多普勒频移来测量风速的LIDAR系统。通常，这样的系统利用相干检测(外差或零差检测)，以便通过将背反射信号与参考或本地振荡信号混合并且检测混合的信号来检测与背反射到系统的检测器的弱信号和多普勒频移关联的小波长偏移。

[0003] 在马里诺夫(Marinov)等公开了的用于相干多普勒LIDAR的发射机的示例“使用TEACO2激光脉冲的光谱不对称性以确定具有低频率稳定性的相干激光定位器的多普勒频移”(“Using the spectral asymmetry of TEA CO2laser pulses to determine the Doppler-shift sign in coherent lidars with low frequency stability”)应用光学，38(12)，1999。

[0004] 为了使用相干检测，所使用的激光资源的相干长度必须至少等于从源到探针体并且回到检测器系统的往返距离，经常近似几百米。这是非常严格的要求，其典型地只由昂贵并且复杂的激光源实现。

[0005] 在相干检测中，将要检测的弱信号与相对强的参考或本地振荡信号混合，例如近似1mW。当这提供了将要被检测的信号的放大时，其也引起组成检测信号的显著散粒噪声。该散粒噪声典型地是如此系统中的主要噪声，并且由此限制可获取的信噪比(SNR)。

[0006] 通过相感应强度噪声(PIIN)施加相干检测的另一个限制，也被知晓为拍频噪声或者干涉噪声，通过对来自具有本地振荡信号的LIDAR系统的不期望的内部反射拍频而引发该噪声。

[0007] 在相干检测中，除非使用了附加装置(例如使用声光调变器)否则无法确定多普勒频移的标志，这增加了系统的复杂性和成本。

[0008] 由此，改善的LIDAR系统会有优势，并且尤其是具有改善的信噪比(SNR)以及容易获取多普勒频移的符号的能力的LIDAR系统会有优势。

[0009] 本发明的目标

[0010] 本发明的另外的目标是提供一种现有技术的替代方式。

[0011] 特别地，可以将提供解决现有技术的上述问题并且放松了激光源的先前的严格要求的LIDAR系统作为本发明的一个目标。

发明内容

[0012] 在本发明的第一方面通过提供用于测量速度、温度和/或颗粒密度的同轴直接检测LIDAR系统期望实现上述目的和若干其他目的。该系统包括激光源，用于沿着散发路径发出具有激光中心频率的激光光束。该系统还包括光学传递系统，被布置在激光源的散发路径中，所述光学传递系统被布置用于在测量方向中传递激光光束，所述光学传递系统还被配置用于收集沿着测量方向背向散射的返回信号。最后，该系统包括检测器系统，被布置为接收来自光学传递系统的返回信号，所述检测器系统包括窄带光滤波器和检测器，所述窄带光滤波器具有通带的滤波器中心频率，其中，能够扫描中心激光频率和/或中心滤波器频率。以这种方式，可以实现特别简单和紧密的LIDAR系统用于测量多普勒频移以及由此的速度、温度和/或颗粒密度。另外，由于使用相干检测的系统中所观察的光学散粒噪声的有害效果被实质上消除，所以可以实现改善的信噪比(SNR)。在本发明的LIDAR系统中放松了应用相干检测系统的激光源的相干长度的要求。因此，在此系统中相干长度的要求依赖于所使用的检测器系统的配置。如果例如利用一个或更多的法布里-珀罗干涉仪(FPI)，相干长度应该充分长以跨越FPI的多个往返程，典型地大略几米或几十米。这典型地显著短于从源到探针体并且回到检测器的距离，作为例如相干检测中所需的。因为直接检测多普勒频移信号的波长，所以使用直接检测的另外的优点是容易获取速度的标识，并且标识结果是多普勒频移信号在波长上相较于发射激光波长较长或较短。

[0013] 在本专利申请的上下文中，要将“同轴”LIDAR系统理解为在其中激光源的散发路径符合通过至少一部分LIDAR系统的背向散射光的路径的LIDAR系统。换言之，用于发射激光的光学传递系统也用于收集背向散射光。有时也将同轴LIDAR系统称为“单站(monostatic)”。与双轴/双站相比使用同轴配置的重要优点包括：用于背向散射信号的高接收器效率；更少的光学组件(发射机也是接收机或光收发机)；不需要复杂和冗长的校准。在双轴/双站配置中，最优化校准需要接收机光学件以对到检测器的传输光束的焦点成像。

[0014] 相比而言，上面引用的马里诺夫的参考文献仅在附图中表示发射机部件，并且因此没有公开同轴LIDAR系统。

[0015] 另外，参考文献考虑相干LIDARS，并且因此没有公开直接检测LIDAR。

[0016] 使用此处描述的创新LIDAR系统导致与例如由于目标和系统之间相对速度的差异得到的多普勒频移相关联的频率偏移的直接测量。如果相比于参考信号峰值的光谱宽度偏移小，则在参考信号峰值和背向散射信号峰值之间可能有光谱重叠。在此情况下，可以预想的是通过利用参考峰值将会实质上具有洛伦兹线型的知识经由来自组合信号的数字处理来扣减由参考信号引起的响应。

[0017] 创新LIDAR系统的实施例也可以测量与来自于空气或液体介质的探针体中的分子的瑞利背向散射关联的多普勒频移光谱(典型地，千兆赫宽)的线型。与瑞利背向散射关联的光谱的宽度随着温度升高并且由此可以用于以远程方式确定探针体的温度。另外，颗粒的浓度或密度，或者探针体中的分子到气雾背向散射率也可以由宽(千兆赫宽)分子信号与窄(兆赫宽)气雾信号的相对强度推导出来。相比于相干检测LIDAR创新系统的优点是测量千兆赫宽光谱而无需具有若干千兆赫带宽的高速检测器。

[0018] 在说明书的文本中，术语“窄带”应被理解为具有存在相对于中心频率/波长的窄频率/光谱宽度的通带的滤波器。

[0019] 在本发明的实施例中，通带的频率宽度到中心频率的比例小于大约10-5，诸如小于-6 -7大约10 ，或甚至小于大约10 。

[0020] 在本发明的实施例中，通带的频率宽度在0.1MHz-100MHz的范围，诸如在0.4MHz-50MHz的范围，或者甚至在0.8MHz-10MHz的范围。

[0021] 在本发明的实施例中，选择通带的频率Δf用于给定的激光中心波长λ，从而推导视线速度分辨率，通过如下公式计算：Δv-1/2λΔf，在0.1-10m/s的范围，诸如0.5-8m/s的范围，或者甚至在0.7-5m/s的范围。

[0022] 在本发明的实施例中，光窄带滤波器包括扫描法布里-珀罗干涉仪。

[0023] 在本发明的实施例中，扫描法布里-珀罗干涉仪是光纤扫描法布里-珀罗干涉仪。

[0024] 适合的光纤扫描法布里-珀罗干涉仪的一个示例可以从微光光学(http://www.micronoptics.com/)在型号名称FFP-SI下获取。

[0025] 在本发明的实施例中，检测器系统还包括光学小信号预放大器。以这种方式，最小化了激光功率的需要，同时保持了期望的SNR。减少需要的激光强度具有若干优点，例如减少功率消耗，可用激光源的宽选择，放松的眼安全需求以及总体上改善的激光源的可靠性。

[0026] 在一个实施例中，实质上使用带通滤波器对来自光学小信号预放大器的放大信号滤波。以这种方式，可以在信号通过检测器检测之前，抑制宽带放大自发射(ASE)噪声。可以通过可选静态FPI(例如标准器)以及最终扫描FPI(如果激光频率是可调谐的则静态FPI用于替代扫描FPI)来实现另外的噪声抑制。

[0027] 在本发明的实施例中，检测器是光子计数设备或者包括光子计数设备。以这种方式，甚至可以进一步改善SNR，由此允许检测更小的信号。

[0028] 在本发明的实施例中，激光源是可调谐的并且窄带光滤波器是静态的。以这种方式，替代机械扫描FPI，当调谐激光中心频率时，通过静态FPI相同的多普勒测量准则是可行的。这避免了或者缓和了机械稳定性，以及与使用扫描FPI关联的磨损问题。可调激光容易商业上可用。可调激光的频率调整比FPI的共通压电扫描快。

[0029] 在本发明的实施例中，激光源适于发射具有大约1.3μm到大约1.8μm的波长的红外光，诸如大约1.4μm到大约1.7μm，或者甚至诸如大约1.5μm到大约1.6μm。由于远程通信的广泛使用，在此范围中的激光光源是容易可用的。另外，在这些波长范围中的激光通常被认为“眼安全”，其中如此波长在角膜和眼睛的晶体中被强烈地吸收，并且从而实现破坏视网膜的大扩展的防范。为此目的，处理、操作以及安装以这些波长运行的LIDAR系统需要更少的严格的安全的措施。

[0030] 在本发明的实施例中，激光源适于发射具有大约300nm到大约1500nm的波长的光，诸如大约350nm到大约1200nm，或者甚至诸如大约400nm到大约900nm。已经惊奇地发现创新LIDAR系统促进降低发射的激光功率同时保持适合的SNR。因此，可以使用一般部分为“眼安全”的激光波长而没有危险。

[0031] 在本发明的另一个实施例中，激光源适于发射具有大约2μm到大约10μm波长的光。以这种方式，当与以更短的波长运行相比，可以以改善的进入雾或雨的光穿透来实现LIDAR系统。可以选择波长从而对应于对象分子的分子共振，以便使能特定气体组分的测量。

[0032] 在本发明的实施例中，激光源是被配置为直接照射激光光束的激光二极管或者包括被配置为直接照射激光光束的激光二极管。由于其在远程通信领域中的广泛使用所以可以容易地得到用于在红外范围中操作的如此的激光二极管并且其作为用于工业产品的经济激光源是有吸引力的。然而，对于在现有技术的LIDAR系统中使用如此激光二极管的光束质量通常不是充分高。然而惊奇地本发明发明人已经通过实施直接检测即非相干检测实现了激光二极管可以通过合适的SNR反而对于测量风速是充足的。因此，这些激光源以相对低的成本提供了充足的性能。另外，已经优化如此的激光源从而收益长寿命周期，抗机械振动并且保持自由。

[0033] 在本发明的实施例中，激光源适于生成具有大约1mW到大约500mW的光功率的激光，诸如大约5mW到大约100mW，或者甚至诸如大约8mW到大约20mW。由于使用了高敏感检测器系统，需要惊奇地低的激光功率以取得合适的SNR。这具有一些优点，诸如低功率消耗，潜在长寿命周期，改善的眼安全等。

[0034] 在本发明的实施例中，激光源是脉冲的。以这种方式，可以抑制来自光学传递系统的不期望的反射的损害作用，即通过确保时序脉冲长度小于从源头到探针体并且返回检测器的脉冲的传输时间。以这种方式，在返回信号重新进入LIDAR系统之前来自出射脉冲的内部反射将消失，以便不影响检测器。另一方面，脉冲应该足够长以构建来自法布里-珀罗干涉仪的多个往返程的干涉信号。

[0035] 在本发明的一个实施例中，激光源被配置为发射具有从大约0.1μs到大约5μs的时序脉冲长度，诸如从大约0.3μs到大约3μm，或者甚至从大约0.5μs到大约1.5μm。

[0036] 在本发明的实施例中，激光源是持续波，CW。因此，由于CW激光源的通常的低成本以及关联于其中的更少的复杂电子和信号处理，所以可以使用特别简单的激光源。

[0037] 在本发明的实施例中，法布里-珀罗干涉仪具有从大约0.5GHz到大约10.0GHz的范围的自由光谱范围FSR，诸如从大约0.8GHz到大约6.0GHz，或者甚至从大约1.0GHz到大约4.0GHz。

[0038] 在本发明的实施例中，法布里-珀罗干涉仪具有从大约50到大约5000的范围的精度(finesse)F，诸如从大约100到大约1000，或者甚至从大约200到大约600。直接通过法布里-珀罗干涉仪的分辨率给出风速的测量分辨率，例如如同通过在频域中所测量的共振峰值的全宽度半峰值(FWHM)。再将FWHM确定作为FSR的比率以及干涉仪的精度。通过配置法布里-珀罗干涉仪以具有上述范围中的精度，法布里-珀罗干涉仪的分辨率可以被制作为充分高以给出对于大多数应用的适合的风速测量精度。

[0039] 根据第二方面，本发明特别地但是非排他地有利于获取包括根据上述实施例的任一项的LIDAR系统的飞行器空速测量设备。以这种方式，可以用根据本发明的设备替代和/或补充到目前为止所使用的皮托管。皮托管倾向于被堵塞或冻结，由此导致错误的测量。这与若干安全事故或者甚至导致丧失生命的飞行器坠毁有联系。当与提供特殊鲁棒系统的其他LIDAR系统相比，用于这种使用的创新LIDAR系统的应用具有如下益处：有提高的振动容限和保持的低需求，同时包括相对少的组件。低成本激光二极管源的低组件数和应用型具有提供有吸引力成本的LIDAR系统的潜力。由于如上说明的由大量减少散粒噪声导致的非常高的敏感度，所以创新LIDAR系统特别有利于飞行器空速测量。这是由于在典型的飞行器巡航高度中气雾的浓度的数量级小于在地球表面附近的浓度的事实。通过气雾引起的背反射是运行于表面附近的LIDAR系统总接收信号的重要因素。

[0040] 另外，根据第三方面，本发明特别但不排他地有利于获取包括根据任一项上述实施例的LIDAR系统的风力涡轮机空速测量设备。对于容易增长尺寸的风力涡轮机，接近风场的可靠风速测量变得更加重要。传统上，基于来自位于涡轮机的转子平面后的(即作为无功控制)，或者可选地来自位于向涡轮机场提供数据的风速计的中心的转杯风速计的风力数据来操作风力涡轮机。然而，如此的系统不能响应于在涡轮机前的风力场中的位置变化来控制个体风力涡轮机。涉及飞行器空速测量设备的上述优点也应用于风力涡轮机空速测量设备，即不需人为干预或者需要很少人为干预的鲁棒、低成本系统。

[0041] 本发明的第一、第二和第三方面每个可以组合任意其他方面。参考其后描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得显而易见并且被阐明。

附图说明

[0042] 将针对附图更具体地描述根据本发明的LIDAR系统。附图表示一种实施本发明的方式并且不应被理解为限制落入所附的权利要求集的范围的其他可能实施例。

[0043] 图1示出了创新系统的实施例，

[0044] 图2表示来自创新系统的实验性数据，以及

[0045] 图3示出了创新系统的另一个实施例。

具体实施方式

[0046] 图1示出了根据本发明的LIDAR系统100的一个实施例。诸如激光二极管的激光器102生成出射激光束104，其沿着散发路径106被发射。激光束104流经偏振光束分光器108、四分之一波片110和用于提供参考光束的半透反射镜112。随后通过光学传递系统聚焦光束，此处表示为进入测量体(附图外)的望远镜机构114。沿着散发路径散射光束，例如通过气雾的米氏散射或大气气体颗粒的瑞利散射。在测量体内沿着散发路径返回的散射光被随后通过望远镜114收集，并且在通过检测器118被检测之前以扫描法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(FPI)的形式被窄带光学过滤器分析。背向散射光束的返回路径120倾向于符合散发路径，直到分光器108。因此，LIDAR系统100是同轴的。在LIDAR系统内反射出射激光束104的小部分向后沿返回路径120作为参考光束，以便提供测量的简单校准。在附图中，通过专用的、半透反射镜112提供参考光束的背反射。然而，在一些实施例中，如果系统中的其他光学元件(例如四分之一波片110或望远镜114的透镜)提供充足的大反射以形成参考光束，则可以移除半透反射镜112。扫描FPI 116包括具有在其中明确定义的调整的距离的两个反射表面。此处提供为两个平面反射器，但是也可以提供于其他配置中，即诸如共焦距FPI或基于光纤的FPI。使用扫描FPI116直接测量背向散射信号的多普勒频移，即通过扫描两个反射器之间的距离并且因此扫描FPI的共振条件。可以将视线速度计算为v＝1/2λfD，其中λ是激光中心波长，对应于激光中心频率，并且fD是作为测量的多普勒频移。

[0047] 在相干检测LIDAR系统中，增加出口望远镜晶片114的尺寸(保持焦距和入射光束大致恒定)试图增加背向散射的收集效率并没有改善SNR。这可以通过只有“有用”的背向散射区域空间地与组成相干检测SNR的光学本地振荡器模式匹配的事实来说明这一点。然而在使用直接检测的创新系统中，不需要空间模式匹配。因此，配合镜片直径的增加的背向散射光的收集强度的增加改善了SNR(参见例如“由于大气乱流的减少效率的望远镜孔径的外差式多普勒1-μm激光雷达测量”，应用光学30(18)，pp.2617-2627，1991)。

[0048] 示例1：

[0049] 在涉及图1所示的实施例的示例中，扫描FPI 116具有1GHz的自由光谱范围(FSR)和大约500的精度。FPI峰值的全宽度半峰值(FWHM)是大约2MHz。在波长1575nm的FPI的峰值透过率是大约14％。激光以波长1575nm发射，并且毫微微瓦特光接收器被用作为检测器。

[0050] 图2表示用示例1的系统获取的实验扫描200。在纵轴标示的电压对应于通过检测器118所测量的光密度，并且在横轴上标示的时间对应于扫描FPI 116的峰值频率。绘图表示两种扫描，分别生成峰值202a/204a和峰值202b/204b两组。最大的峰值202a和202b表示参考信号，即指示没有多普勒频移。较小的峰值204a和204b表示背向散射信号。所使用的对象是转盘，导致大约10MHz的多普勒频移，对应于径向速度7.9m/s。可以看到参考信号202的包含内容允许频率偏移轴的便利校准，以及由此允许简单的数据处理。

[0051] 图3示出了根据本发明的LIDAR系统的另一个实施例。该实施例与图1所示的实施例相关，其中相同的参考标记指的是相同或相似的部分。因此，此处仅讨论在两个实施例之间的差异。这一实施例仅在检测部不同，而非在散发路径中。在这一实施例中，返回部120也包括光学小信号预放大器122。以这种方式，在检测前可以显著地改善所接收信号的SNR，而不危及LIDAR系统的眼安全操作。由于预放大器122将引入组成不同于返回信号的其他波长的噪声，此处使用滤光器124和静态FPI(例如标准器)126对放大的信号带通过滤。可以预期滤光器124的宽选择，诸如体布拉格光栅、或者衍射光栅和空间滤波器(例如单模光纤)的组合。滤光器124用作为抑制多数宽带“日光/周边”背景和/或来自放大器122的ASE噪声。没有预放大器122的LIDAR系统的另外的实施例(诸如图1的实施例)可以受益于包括滤光器124以阻挡背景日光。返回信号可以流经另外的光学组件，例如偏光器(未示出)。在滤光之后，使用扫描FPI 116和检测器118分析信号，如用于图1的实施例所讨论的。滤光器124、固态FPI 126和扫描FPI一起形成窄带滤光器128，其在此实施例中是可调谐的。

[0052] 示例2：

[0053] 在涉及图3所示的实施例的示例中，滤光器124是具有0.2nm的波长分辨率的光学反射光栅。固态FPI 126是具有100的精度的2mm标准器。组合的可调带通滤波器128具有大约2MHz的分辨率。

[0054] 示例3：

[0055] 在涉及图3所示的实施例的示例中，窄带光滤波器128通过三阶段中的带通滤波来抑制甚宽频带背景光(以及可能的ASE)；第一滤光器124将频带限制为大约0.2nm或25GHz频带。静态FPI 126还将频带减少到例如100MHz(足以覆盖从-40到+40m/s的速度)。通过最终FPI(如果激光频率是可调谐的则扫描或静态)来完成另外的噪声过滤。

[0056] 虽然结合特定实施例已经描述了本发明，但其不应被理解为以任何方式限制所提出的示例。例如，通过使用扫描法布里-珀罗干涉仪实施的实施例已经示出了本发明。然而，也可以使用静态光滤波器(诸如法布里-珀罗标准器)连同波长可扫频激光源实施本发明的实施例。通过例出的所附权利要求集来确定本发明的范围。在权利要求的文本中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元素或步骤。而且，提到的参考例如“一”或“一个”不应被理解为排除多个。针对附图中指示的元素使用权利要求中的参考标记不应被理解为限制本发明的范围。另外，在不同权利要求中提到的个体特征可以被有利地组合，并且在不同权利要求中提到的这些特征不会排除特征的组合是不可能和有利的。