同軸直接檢測lidar系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于測量遠程固體或擴散對象的速度的LIDAR系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及同軸直接檢測LIDAR系統(tǒng)。對于諸如空氣傳播的顆粒的擴散對象，LIDAR也可以用于測量溫度和顆粒密度。
【背景技術(shù)】
[0002]在文獻中已知基于多普勒頻移來測量風速的LIDAR系統(tǒng)。通常，這樣的系統(tǒng)利用相干檢測(外差或零差檢測)，以便通過將背反射信號與參考或本地振蕩信號混合并且檢測混合的信號來檢測與背反射到系統(tǒng)的檢測器的弱信號和多普勒頻移關(guān)聯(lián)的小波長偏移。
[0003]在馬里諾夫(Marinov)等公開了的用于相干多普勒LIDAR的發(fā)射機的示例“使用TEAC02激光脈沖的光譜不對稱性以確定具有低頻率穩(wěn)定性的相干激光定位器的多普勒步頁移” (“Using the spectral asymmetry of TEA C021aser pulses to determine theDoppler-shift sign in coherent lidars with low frequency stability”)應(yīng)用光學，38(12)，1999ο
[0004]為了使用相干檢測，所使用的激光資源的相干長度必須至少等于從源到探針體并且回到檢測器系統(tǒng)的往返距離，經(jīng)常近似幾百米。這是非常嚴格的要求，其典型地只由昂貴并且復(fù)雜的激光源實現(xiàn)。
[0005]在相干檢測中，將要檢測的弱信號與相對強的參考或本地振蕩信號混合，例如近似lmW。當這提供了將要被檢測的信號的放大時，其也引起組成檢測信號的顯著散粒噪聲。該散粒噪聲典型地是如此系統(tǒng)中的主要噪聲，并且由此限制可獲取的信噪比(SNR)。
[0006]通過相感應(yīng)強度噪聲(PIIN)施加相干檢測的另一個限制，也被知曉為拍頻噪聲或者干涉噪聲，通過對來自具有本地振蕩信號的LIDAR系統(tǒng)的不期望的內(nèi)部反射拍頻而引發(fā)該噪聲。
[0007]在相干檢測中，除非使用了附加裝置(例如使用聲光調(diào)變器)否則無法確定多普勒頻移的標志，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
[0008]由此，改善的LIDAR系統(tǒng)會有優(yōu)勢，并且尤其是具有改善的信噪比(SNR)以及容易獲取多普勒頻移的符號的能力的LIDAR系統(tǒng)會有優(yōu)勢。
[0009]本發(fā)明的目標
[0010]本發(fā)明的另外的目標是提供一種現(xiàn)有技術(shù)的替代方式。
[0011]特別地，可以將提供解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題并且放松了激光源的先前的嚴格要求的LIDAR系統(tǒng)作為本發(fā)明的一個目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在本發(fā)明的第一方面通過提供用于測量速度、溫度和/或顆粒密度的同軸直接檢測LIDAR系統(tǒng)期望實現(xiàn)上述目的和若干其他目的。該系統(tǒng)包括激光源，用于沿著散發(fā)路徑發(fā)出具有激光中心頻率的激光光束。該系統(tǒng)還包括光學傳遞系統(tǒng)，被布置在激光源的散發(fā)路徑中，所述光學傳遞系統(tǒng)被布置用于在測量方向中傳遞激光光束，所述光學傳遞系統(tǒng)還被配置用于收集沿著測量方向背向散射的返回信號。最后，該系統(tǒng)包括檢測器系統(tǒng)，被布置為接收來自光學傳遞系統(tǒng)的返回信號，所述檢測器系統(tǒng)包括窄帶光濾波器和檢測器，所述窄帶光濾波器具有通帶的濾波器中心頻率，其中，能夠掃描中心激光頻率和/或中心濾波器頻率。以這種方式，可以實現(xiàn)特別簡單和緊密的LIDAR系統(tǒng)用于測量多普勒頻移以及由此的速度、溫度和/或顆粒密度。另外，由于使用相干檢測的系統(tǒng)中所觀察的光學散粒噪聲的有害效果被實質(zhì)上消除，所以可以實現(xiàn)改善的信噪比(SNR)。在本發(fā)明的LIDAR系統(tǒng)中放松了應(yīng)用相干檢測系統(tǒng)的激光源的相干長度的要求。因此，在此系統(tǒng)中相干長度的要求依賴于所使用的檢測器系統(tǒng)的配置。如果例如利用一個或更多的法布里-珀羅干涉儀(FPI)，相干長度應(yīng)該充分長以跨越FPI的多個往返程，典型地大略幾米或幾十米。這典型地顯著短于從源到探針體并且回到檢測器的距離，作為例如相干檢測中所需的。因為直接檢測多普勒頻移信號的波長，所以使用直接檢測的另外的優(yōu)點是容易獲取速度的標識，并且標識結(jié)果是多普勒頻移信號在波長上相較于發(fā)射激光波長較長或較短。
[0013]在本專利申請的上下文中，要將“同軸” LIDAR系統(tǒng)理解為在其中激光源的散發(fā)路徑符合通過至少一部分LIDAR系統(tǒng)的背向散射光的路徑的LIDAR系統(tǒng)。換言之，用于發(fā)射激光的光學傳遞系統(tǒng)也用于收集背向散射光。有時也將同軸LIDAR系統(tǒng)稱為“單站(monostatic)”。與雙軸/雙站相比使用同軸配置的重要優(yōu)點包括:用于背向散射信號的高接收器效率；更少的光學組件(發(fā)射機也是接收機或光收發(fā)機)；不需要復(fù)雜和冗長的校準。在雙軸/雙站配置中，最優(yōu)化校準需要接收機光學件以對到檢測器的傳輸光束的焦點成像。
[0014]相比而言，上面引用的馬里諾夫的參考文獻僅在附圖中表示發(fā)射機部件，并且因此沒有公開同軸LIDAR系統(tǒng)。
[0015]另外，參考文獻考慮相干LIDARS，并且因此沒有公開直接檢測LIDAR。
[0016]使用此處描述的創(chuàng)新LIDAR系統(tǒng)導(dǎo)致與例如由于目標和系統(tǒng)之間相對速度的差異得到的多普勒頻移相關(guān)聯(lián)的頻率偏移的直接測量。如果相比于參考信號峰值的光譜寬度偏移小，則在參考信號峰值和背向散射信號峰值之間可能有光譜重疊。在此情況下，可以預(yù)想的是通過利用參考峰值將會實質(zhì)上具有洛倫茲線型的知識經(jīng)由來自組合信號的數(shù)字處理來扣減由參考信號引起的響應(yīng)。
[0017]創(chuàng)新LIDAR系統(tǒng)的實施例也可以測量與來自于空氣或液體介質(zhì)的探針體中的分子的瑞利背向散射關(guān)聯(lián)的多普勒頻移光譜(典型地，千兆赫寬)的線型。與瑞利背向散射關(guān)聯(lián)的光譜的寬度隨著溫度升高并且由此可以用于以遠程方式確定探針體的溫度。另外，顆粒的濃度或密度，或者探針體中的分子到氣霧背向散射率也可以由寬(千兆赫寬)分子信號與窄(兆赫寬)氣霧信號的相對強度推導(dǎo)出來。相比于相干檢測LIDAR創(chuàng)新系統(tǒng)的優(yōu)點是測量千兆赫寬光譜而無需具有若干千兆赫帶寬的高速檢測器。
[0018]在說明書的文本中，術(shù)語“窄帶”應(yīng)被理解為具有存在相對于中心頻率/波長的窄頻率/光譜寬度的通帶的濾波器。
[0019]在本發(fā)明的實施例中，通帶的頻率寬度到中心頻率的比例小于大約10 5，諸如小于大約10 6，或甚至小于大約10 7。
[0020]在本發(fā)明的實施例中，通帶的頻率寬度在0.1MHz-lOOMHz的范圍，諸如在0.4MHz-50MHz的范圍，或者甚至在0.8MHz_10MHz的范圍。
[0021]在本發(fā)明的實施例中，選擇通帶的頻率Af用于給定的激光中心波長λ，從而推導(dǎo)視線速度分辨率，通過如下公式計算:Δ ν-1/2 λ Δ f，在0.l-10m/s的范圍，諸如0.5_8m/s的范圍，或者甚至在0.7-5m/s的范圍。
[0022]在本發(fā)明的實施例中，光窄帶濾波器包括掃描法布里-珀羅干涉儀。
[0023]在本發(fā)明的實施例中，掃描法布里-珀羅干涉儀是光纖掃描法布里-珀羅干涉儀。
[0024]適合的光纖掃描法布里-泊羅干涉儀的一個示例可以從微光光學(http://www.micronoptics.com/)在型號名稱 FFP-SI 下獲取。
[0025]在本發(fā)明的實施例中，檢測器系統(tǒng)還包括光學小信號預(yù)放大器。以這種方式，最小化了激光功率的需要，同時保持了期望的SNR。減少需要的激光強度具有若干優(yōu)點，例如減少功率消耗，可用激光源的寬選擇，放松的眼安全需求以及總體上改善的激光源的可靠性。
[0026]在一個實施例中，實質(zhì)上使用帶通濾波器對來自光學小信號預(yù)放大器的放大信號濾波。以這種方式，可以在信號通過檢測器檢測之前，抑制寬帶放大自發(fā)射(ASE)噪聲。可以通過可選靜態(tài)FPI (例如標準器)以及最終掃描FPI (如果激光頻率是可調(diào)諧的則靜態(tài)FPI用于替代掃描FPI)來實現(xiàn)另外的噪聲抑制。
[0027]在本發(fā)明的實施例中，檢測器是光子計數(shù)設(shè)備或者包括光子計數(shù)設(shè)備。以這種方式，甚至可以進一步改善SNR，由此允許檢測更小的信號。
[0028]在本發(fā)明的實施例中，激光源是可調(diào)諧的并且窄帶光濾波器是靜態(tài)的。以這種方式，替代機械掃描FPI，當調(diào)諧激光中心頻率時，通過靜態(tài)FPI相同的多普勒測量準則是可行的。這避免了或者緩和了機械穩(wěn)定性，