基于半导体激光器和放大器的相干激光雷达系统的制作方法
【专利说明】基于半导体激光器和放大器的相干激光雷达系统
[0001]本申请是申请日为2008年10月8日、申请号为200880110984.1、进入国家阶段日为2010年4月9日、发明名称为“基于半导体激光器和放大器的相干激光雷达系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及体积小、可靠和成本低的相干激光雷达(光探测和测距)系统及其相关方法，该系统用于基于全(all)半导体光源确定远程风速、以及颗粒浓度和/或温度的确定。
【背景技术】
[0003]相干激光雷达系统对于在远处位置确定视线风速来说是具有吸引力的系统。基本的原理涉及多普勒频移，即当浮质被相干激光器的光照射时，产生来自浮质的背散射光。在假设浮质的移动接近地类似于气流的条件下，测量到的多普勒频率可以用于计算与其成比例的风速。
[0004]不仅诸如水滴、灰尘等的浮质能够提供多普勒频移的背散射信号，而且单颗粒也可以提供多普勒频移的背散射信号。
[0005]连续波(CW)相干激光雷达依靠激光的聚焦特性来限制实际的测量体积。测量体积的宽度由聚焦区(即，共焦区)中激光光束的直径来限制。沿着光轴的测量体积的长度近似地由聚焦的激光光束的瑞利(Rayleigh)长度限制。对于在离CW激光雷达系统100米的距离处被聚焦的CW激光雷达，根据波长和聚焦的光学器件(望远镜)，测量体积的宽度通常大约为I厘米并且测量体积的长度大约为10米。对于脉冲系统，测量体积的宽度与CW激光雷达情况相同，但根据发射脉冲的空间长度给出测量体积的长度。
[0006]相干激光雷达的基本原理可追溯到超过35年以前，参考来自1971年7月的《应用光学》的第7期第10卷的CM.Sonnenschein和F.A.Horrigan所著的“从大气中的外差背散射的同轴系统的信噪比关系”，(“Signal-to-Noise Relat1nships forCoaxial Systems that Heterodyne Backscatter from the Atmosphere”，AppliedOptics, Vol.10, N0.7, July 1971, CM.Sonnenschein and F.A.Horrigan) o 传统上，这些应用例如在大气物理领域已经具有科学价值。但是，当前，激光雷达已变得越来越与实际工业应用相关。一个这样的例子用于控制风涡轮机。需要更高的效率迫使风涡轮机工业在过去几十年中持续增加翼展，以提高在每台安装的风涡轮机中获取电能方面的性能。然而，增加的翼展导致由强风和特别是由风涡流施加的相当多的机械负载。体积小、坚固并便宜的用于预测数十米的逆风风速的相干激光雷达装置将可以用于优化和保护风涡轮机。可以用实际风速测量时间和风实际到达风涡轮机的时间之间的时间延迟来保护翼的负荷，例如，通过改变翼的倾斜度(pitch)。另一例子是检测着陆的飞行器产生的涡流。飞行器着陆(或起飞)的频率主要由安全裕度确定，以便确保由前面的飞行器产生的涡流没有危害。使用相干激光雷达来监测涡流使安全期缩短，因此增加运输强度并且由此增加了机场的容量。
[0007]妨碍激光雷达广泛使用的因素是成本、功耗、尺寸及坚固性。当前商用的激光雷达系统成本大致为200，000美元的成本水平，这将许多要利用它的应用排除在外。在离其较远的地方使用激光雷达系统(例如，离岸风涡轮机园区)需要的操作是长期极少维护或者不维护并且功耗较低的操作。
[0008]《应用光学》第6期第40卷由MichealHarris, Guy N.Pearson等人所著的“ 1.55 μ m单颗粒激光多普勒风速和风向测定”(“Single-Particle laser Doppleranemometry at 1.55 μ m”，Applied Optics, Vol.40, N0.6, by Michael Harris, GuyN.Pearson et.al.)中公开了一种用于测量风速的CW激光雷达系统。速度的视线分量由测量到的大气中小颗粒散射的光的频移来确定，前提是假设以与风相同的速度掠过。通常通过外差检测来方便地测量频移，在所述外差检测中，接收到的背散射光与基准本地振荡器光束混合。接着从得到的拍频推论出风速。激光器包含工作于1.55 μ m波长的半导体激光光源，所述激光光源由在主控振荡功率放大器(MOPA)构造中的掺铒光纤功率放大器放大到大约I瓦特。主控振荡器是扩展腔In/P激光器，并且通过延迟的自外差方法测量到其线宽大约为20kHz。
[0009]市场上也存在商用的CW相干激光雷达产品[Quinetic]。这种系统使用二极管泵浦的光纤环振荡器后接二极管泵浦的掺铒光纤放大器在1.55 μ m处获得合适的光束。
[0010]尽管术语“外差检测”经常与光学干涉测量结合使用，但本公开中使用的术语“零差检测”表示从在调制过程(即，被目标散射)之前由与信号光束相同的源获得基准光束(本地振荡器)。
[0011]因此，如上所讨论的，需要成本低并且坚固的相干激光雷达系统打开新的工业应用。
[0012]当前相干激光雷达系统中最贵最复杂的组件是激光器组件。由于浮质的背散射系数非常低(?10_12)，导致需要精确的检测方案，这种方案主要依赖于高质量、高功率的相干光源。来自激光器器件的CW输出功率应该大约为I瓦特，以便获得被检测到的足够的背散射光。零差检测技术首先要求光源的相干长度必需为到测量体积的距离的两倍，例如，对典型的风涡轮机应用而言为200米。这与相对于大约200THZ的中心频率的仅少量10kHz的激光频谱的全宽半高(full width half minimum, FWHM)相对应。其次，激光光束的空间相干性应该接近于理想的高斯光束的空间相干性，以便确保从二次检测器产生最大的拍频信号。拍频信号涉及基准信号与背散射一和多普勒频移一信号之间的频率差。最后，激光的相对强度噪声(RIN)应该低于检测器中的拍频信号。所有这些特征通常只见于昂贵的、体积大的0)2激光器中，例如，在1989年3月第3期第77卷的IEEE会议上由Robert T.Menzies和R.Michael Hardety所著的“用于测量风场的相干多普勒激光雷达”，(“Coherent Doppler Lidar for Measurements of Wind Fields”，Proceedings of theIEEE, Vol.77，N0.3，MARCH1989, Robert T.Menzies and R.Michael Hardety)或见于后接功率放大器的主控振荡器(MOPA)。
[0013]通常，主控振荡器是在外腔安装中的光纤激光器或二极管激光器，并且功率放大器是由大功率二极管泵浦模块泵浦的掺铒光纤。所述MOPA系统非常复杂地使用昂贵的、体积大的、分立的光学器件。
[0014]因此，需要能够基于便宜的、坚固的、一体化的半导体激光器组件的相干激光雷达系统。
【发明内容】
[0015]根据本发明的第一个方面，通过基于目标散射的光的速度确定方法来实现了上面提及的和其他目的，所述方法包括如下步骤:
[0016]发射电磁辐射的测量光束并且将所述光束导向测量体积，以照射测量体积中的目标，
[0017]产生基准光束，
[0018]将基准光束与从由测量光束照射的测量体积中的目标发射的光进行混合，以产生与目标的速度相对应的速度信号，
[0019]其中所述发射测量光束的步骤包括提供用于发射所述测量光束的半导体激光器。
[0020]根据本发明的第二个方面，通过相干激光雷达系统实现上面提及的和其他目的，所述相干激光雷达系统包括:
[0021]半导体激光器，所述半导体激光器用于发射导向测量体积的电磁辐射的测量光束，以照射测量体积中的诸如颗粒的目标，
[0022]基准光束产生器，所述基准光束产生器用于产生基准光束，以及
[0023]检测器，所述检测器通过将所述基准光束与从由所述测量光束照射的测量体积中的目标发射出的光进行混合产生检测器信号。
[0024]优选地，相干激光雷达系统包括信号处理器，例如，基于检测器信号产生与目标速度相对