应的速度信号的信号处理器。
[0025]目标可以是任意能与入射光相互作用以致从目标发射光的物体。在测量体积中的目标可以例如是浮质(例如，水滴、灰尘等)、颗粒、分子、原子等，其中物体的表面大于测量体积的宽度。
[0026]在整体的本公开中，术语“颗粒”包括浮质、分子和原子等。
[0027]信号处理器可以被配置为用于确定测量体积中的温度。例如，信号处理器可以被配置为用于基于检测器信号产生与测量体积中的温度相对应的温度信号。
[0028]可以替代地或组合地基于检测器信号来产生与目标速度相对应的速度信号，信号处理器被配置用于基于检测器信号来产生与测量体积中的颗粒浓度相对应的浓度信号。
[0029]在本发明的实施例中，信号处理器可以被配置用于确定测量体积中的颗粒浓度。
[0030]使用测量体积的背散射信号的多普勒频移的测量来确定颗粒的速度。背散射的多普勒频移信号的振幅可以用于确定测量体积中的颗粒浓度。因此，本发明可以用于测量颗粒(例如，灰尘)的浓度。所述系统(例如，信号处理器)可以被配置成发送诸如警报、高水平、中水平、低水平等的指示状态的状态信号。
[0031]如果缺乏颗粒流动，S卩，速度为零或非常低，则多普勒频移信号将会为零并且由于来自检测过程的其他DC信号，将会难于提取振幅。解决这个问题的一个方法是在系统中包括用于频移测量光束和/或基准光束的频移元件，例如声光调制器。因此，将与被频移元件引起的频移相对应的频偏添加到接收到的信号中。在低速或无颗粒流动的特殊情况下，零多普勒频移信号的振幅现在可以被显示为频移元件给定的频率分量的振幅。
[0032]根据本发明的第三个方面，通过基于由颗粒散射的光来确定颗粒浓度的方法，实现上面提及的和其他目标，所述方法包括如下步骤:
[0033]发射电磁辐射的测量光束，并将所述光束导向测量体积，以照射所述测量体积中的颗粒，
[0034]产生基准光束，
[0035]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颗粒发射的光进行混合，用于产生与颗粒浓度相对应的浓度信号，
[0036]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。
[0037]由检测器输出的检测器信号包括基准光束和从目标发射的光的不同频率，这与由测量体积中的目标移动产生的多普勒频移相对应。因此，检测器信号的功率频谱的峰提供目标沿着激光雷达系统的视线方向的平均速度的信息，而频谱分布的宽度(FWHM)提供关于速度分布的信息。就测量风速(例如，基于空气中悬浮的浮质及之后的风移动)的情况而目，由此可以提取祸流?目息。
[0038]就驻留在测量体积中的介质是气体的情况而言，可以探测瑞利散射。瑞利散射源自于激励光束和气体分子之间弹性地相互作用。在这种情况下，多普勒光谱的宽度对应于气体温度。因此，可以远距离测量气体的温度。应该注意的是，与来自浮质的背散射信号相比，瑞利散射信号通常是振幅量级较小，并且强烈依赖于特定的气体成分和激励波长(瑞利散射随着波长的一 4次方指数而变化)。关注的特殊的气体成分可以是氧、氮、二氧化碳、和NOx气体。
[0039]半导体激光器可以是用于发射高功率光束的垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。在VECSEL中，与二极管的结和芯片表面相垂直地发射电磁辐射。半导体芯片或器件(也表示增益芯片)可以包括单个半导体布拉格镜和通常具有几个量子阱(QW)的有源区(增益区)。所述器件总的厚度仅几微米。用外反射镜完成激光共振器。
[0040]VECSEL的大横向面积有利于基本模式操作并且导致高的光束质量。光束的横向直径大约为400微米。另外，输出光束可以是圆形对称的，具有小量象散，导致简化成像特性。
[0041]电磁腔内的激光材料可以被光泵浦。光泵浦有利于均匀泵浦大的有源区。光泵浦源可以例如是高亮度的边发射的大面积二极管或二极管激光器条(bar)。当使用二极管条泵浦时，可以获得数十瓦特的输出功率。利用外部共振器可以有利于提供衍射受限的输出。
[0042]在本发明的实施例中，半导体激光器是锥形半导体激光器。由于其锥形的结构，锥形半导体激光器在其大面积的输出面(例如，具有大约250 μ m的宽度)提供具有高光束质量的高输出功率，这是因为锥形激光器的窄端(例如，具有大约3μπι的宽度)的脊形波导形成单模空间滤波器。
[0043]相干激光雷达系统可以进一步包括半导体锥形功率放大器，用于放大由半导体激光器发射的光束，例如，半导体激光器和放大器都为半导体MOPA类型。
[0044]根据本发明，例如，基于锥形的二极管激光器几何形状，实现了全部使用半导体激光组件的成本低、体积小并且坚固的相干激光雷达系统。
[0045]在本发明的一个实施例中，MOPA组件具有半导体主控振荡器，后接半导体锥形功率放大器，二者于同一基板上实现，构成了便宜、坚固的解决方案，理想地可用于低功率的工业应用。
[0046]在本发明的一个实施例中，即使在1.5 μπι的波长，也已通过锥形半导体组件提供了大致I瓦特的输出功率，所述的1.5 μ??的波长与800nm的范围相比较，电子到光子的转换效率低。1.5 μπι或更大的波长对于实际的激光雷达的使用是很重要的，这是因为1.5 μπι在光学频谱的视力安全范围内。当在视觉安全波长内操作时，更容易满足激光器操作过程中的安全需求。
[0047]另外，锥形半导体激光组件的时间相干性(即，相干长度)足够满足相干激光雷达应用。这种精密特征对用于提取多普勒频移背散射信号的零差检测技术是必要的。
[0048]进一步地，即使与衍射受限的高斯光束相比时，锥形半导体器件的空间相干性并不完美，但是激光组件辐射的质量足够被用于激光雷达系统。对基准光束的空间滤波可以去除或减少基准光束的非高斯空间分量，这些分量会以其他方式导致检测器信号的信噪比减小。在一个实施例中，空间滤波在傅立叶平面内执行，其中，高斯部分很容易被空间隔离。
[0049]在本发明的另一实施例中，当操作激光雷达系统时，直接从检测器提供到激光器组件的反馈信号。当激光器组件不工作在单频状态时，相干长度将会急剧变化。结果，激光雷达多普勒信号将会不参与。通过调节例如激光组件的温度或电流，通过最大化测量到的多普勒信号能够重建并且还能优化单频率操作。应该注意的是，激光组件的相干长度即使对设置中很小的变化也是很敏感的。在不同的实施例中，来自检测器的噪声信号被用于检测激光器的性能。可以观察到，当激光雷达信号减弱时，来自检测器的噪声信号大大增加。相信，通过激光组件的多模模式操作会导致激光雷达信号的减少。通过细微地调节例如电流和温度的激光器参数，可以增加或重新优化激光雷达信号。也可以将DC检测器信号用于控制的目的，这是因为从优选的单频状态到多模操作的变化会跟随激光器组件的DC电源电平的变化。因此，通过检测来自检测器的DC信号，可以提取控制信号。在又一个实施例中，激光器组件被主动地或被动地锁定到外腔用于稳定激光频率。
[0050]根据本发明，可以实现许多不同的相干激光雷达系统，例如，相干收发分置激光雷达。
【附图说明】
[0051]通过下面参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，对于本领域的技术人员，本发明的上述和其他特征和优点将会变得容易理解，其中:
[0052]图1示意性地示出本发明的一个实施例；
[0053]图2示意性地示出半导体外腔二极管激光器；
[0054]图3示意性地示出本发明的另一实施例；
[0055]图4示意性地示出包括针孔的本发明的实施例；
[0056]图5示意性地示出包括反馈系统的本发明的实施例；
[0057]图6示意性地示出本发明的又一个实施例；
[0058]图7示意性地示出增加了楔形反馈元件的图6的实施例；
[0059]图8示意性地示出本发明的又一个实施例；
[0060]图9是半导体MOPA的功率频谱的图；以及
[0061 ]图10是测量到的图6的实施例的多普勒频谱的图。
[0062]这些图都是示意性的并且是为了清晰起见被简化，并且它们仅仅示出理解发明的必不可少的细节，而其他细节没有示出。在所有的图中，相同的附图标记用于相同的或相应的部