空气压力、温度、和风速的光学外差检测和方法与流程

本申请涉及2017年5月31日提交的美国专利申请15/609,788和2017年1月24日提交的美国临时专利申请62/450,047，并且涉及和要求2017年2月1日提交的美国临时专利申请62/453,468的优先权的权益，这些申请通过引用如同全部阐述并入在此。

技术领域

本公开涉及用于测量空气压力、空气温度和风速的技术。

背景技术：

空气压力、空气温度和风速对于飞行的可靠控制尤为重要。对于空气中的散射光参数的测量是相对新的光学远程感测技术。现有技术中已经使用了不同的高光谱分辨率方法来进行这些测量。下面通过引用并入本文的参考文献[2]描述了使用法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪来进行这些测量。通过比较参考光束和散射光束的条纹参数来计算空气参数。参考文献[2]没有描述关于这些测量或者它们的准确性的技术细节。例如，所教导的是，直接根据与瑞利-布里渊散射(RBS)谱线的光谱宽度相关联的条纹宽度来计算空气温度。由于光谱宽度取决于温度和压力两者，这将引起很大的误差。作为现有技术的参考文献[2]的方法的其他缺点在于其物理尺寸大和法布里-珀罗干涉仪对于机械振动的高度灵敏性。

在下面通过引用并入在此的参考文献[3]中已经描述了使用双条纹成像迈克尔逊干涉仪来进行空气参数测量的类似方法。参考文献[3]方法的主要缺点包括需要高功率脉冲激光器，物理尺寸大，以及单、双迈克尔逊干涉仪对于机械振动的高度灵敏性。该方法使用高斯分布对于RBS线形的近似，这在光谱线已经接近高斯形时即使对于低大气压也会引起温度和压力测量中相当大的误差。

在下面通过引用并入在此的参考文献[4]中已经证明了使用旋转拉曼背散射仪来进行短距离光学空气数据测量。该方法的主要缺点包括需要高功率脉冲激光器，为了准确的数据导出需要大量脉冲(～1000个)，导致测量时间长，并且无法进行风速检测。

外差检测(heterodyne detection)是众所周知的用于高分辨率光谱检测的方法，如下面通过引用并入在此的参考文献[1]所描述。下面通过引用并入在此的参考文献[5]描述了基于外差检测来测量空气参数的方法。然而，参考文献[5]仅描述了通过该技术测量待测风速，其描述了利用来自特殊激光器的辐射而激发的一些空气分子的荧光强度衰减。在参考文献[5]中未描述测量其他参数的技术。

现有技术没有描述利用RBS光谱，通过外差检测根据光谱线形和谱线位置来测量空气压力、空气温度和风速。

窄带激光器的辐射可以被分束并且同时用于空气容积的曝光以生成散射信号和用于数千兆赫兹RBS线的外差检测的参考光束。在此情况下，通过对光电探测器上的辐射进行混合而产生的拍频应当从0Hz偏移数千兆赫兹的频移，从而准确测量RBS线的形状和多普勒频移的符号以明确测量风速。这需要应用高频移频器。现有技术教导了移频器使用声光调制器，声光调制器无法在任何波长提供所需的大幅频移。

提供宽RBS谱线的外差检测的另一方式是使用具有接近频率的两个稳定窄带激光器。然而，每个激光器都具有跳动，并且两个不同激光器的频率跳动引起噪声非常大的信号，结果是测量的准确度低。

参考文献：

以下参考文献通过引用如同全部阐述并入在此。

[1]普伦蒂斯·霍尔(Prentice-Hall)，1998年:“Fiber optic test and measurement(光纤光纤测试与测量)”，D Derickson编辑，5.2.2节。

[2]P.Hays，“Molecular optical air data systems(分子光学空气数据系统)(MOADS)”，US 7106447(2006年)。

[3]N.Cezard等，“Performance evaluation of a dual fringe-imaging Michelson interferometer for air parameter measurements with a 355nm Rayleigh-Mie lidar(双条纹成像迈克尔逊干涉仪用于利用355nm瑞利-米氏雷达进行空气参数测量的性能评价)”，Appl.Opt.(应用光学)，第48卷，第12号，第2321页,(2009年)。

[4]M.Fraczek,A.Behrendt,N.Schmitt,“Short-range optical air data measurements for aircraft control using rotational Raman backscatter(使用旋转拉曼背散射仪进行用于飞行器控制的短距离光学空气数据测量)”，Opt.Express(光学快报)，第21卷，第14号，第16398页(2013年)。

[5]E.A.Dakin,“Optical air data system suite for sensors(传感器的光学空气数据系统套件)”，US 8908160(2014年)。

[6]G.Tenti，C.Boley和R.Desai,“On the kinetic model description of Rayleigh-Brillouin scattering from molecular gases(关于来自分子气体的瑞利-布里渊散射的动态模型描述)”，Can.J.Phys.(加拿大物理学杂志)，第52卷,第285-290页(1974年)。

[7]Witschas B,“Analytical model for Rayleigh-Brillouin line shapes in air(空气中瑞利-布里渊线形的分析模型)”，Appl.Opt.(应用光学)，第50卷，第267-270页(2011年)。

需要的是一种具有低得多的噪声并且更准确地检测RBS谱线的测量方法，从而提供空气压力、空气温度、和风速的测量中的更好的准确性。本公开的实施例满足这些以及其他需要。

技术实现要素：

在此公开的第一实施例中，一种用于测量空气容积的压力、温度、和风速中的至少一个的装置，该装置包括具有第一辐射频率和第二辐射频率的激光器；耦合到激光器的第一波导；第二波导；耦合在第一波导和第二波导之间的窄带滤波器，其中窄带滤波器被配置为将第一频率重定向到第二波导；以及耦合到第二波导的光电探测器，其中第一频率通过第一波导传输到空气容积，其中从空气容积接收散射光，并且其中光电探测器将第二波导上的第一频率与接收到的散射光进行混合。

在此公开的另一实施例中，一种用于测量气压、温度和风速中的至少一个的方法包括：通过第一波导传输来自激光器的第一辐射频率和来自激光器的第二辐射频率，将第一辐射频率重定向到第二波导，将第二辐射频率从第一波导传输到空气容积，接收来自该空气容积的散射光，在光电探测器上将接收到的散射光与第一辐射频率混合，测量来自光电探测器的拍频的光谱，并从接收到的散射光的测量光谱导出空气压力、空气温度和包括风向的风速中的至少一个，其中接收到的散射光包括瑞利-布里渊散射。

在此公开的又一实施例中，一种用于测量空气容积的压力、温度和风速中的至少一个的装置包括：具有第一辐射频率和第二辐射频率的激光器；耦合到激光器的第一波导；第二波导；耦合在第一波导和第二波导之间的窄带滤波器，其中窄带滤波器被配置为将第一频率重定向到第二波导；耦合到第一波导的至少一个准直器，其中第二波导频率通过至少一个准直器传输到空气容积；第一、第二和第三光电探测器；通过第三波导耦合到第一光电探测器的第二准直器；通过第四波导耦合到第二光电探测器的第三准直器；通过第五波导耦合到第三光电探测器的第四准直器，其中第二、第三和第四准直器设置在非共线方向上，其中通过第二、第三和第四准直器接收来自空气容积的散射光，其中第一光电探测器耦合到第二波导并将第一频率与来自第二准直器的接收到的散射光混合，其中第二光电探测器耦合到第二波导并将第一频率与来自第三准直器的接收到的散射光混合，并且其中第三光电探测器耦合到第二波导并且将第一频率与来自第四准直器的接收到的散射光混合。

根据随后的详细说明和附图，这些及其他特征和优点将变得更加清楚。在附图和说明书中，附图标记表示各种特征，贯穿附图和说明书相同的附图标记指代相同的特征。

附图说明

图1示出了不同大气条件下405nm波长的激光辐射的瑞利-布里渊散射(RBS)光谱；

图2示出了根据本公开的用于测量大气压力、温度、和风速中的至少一个的装置的实施例；

图3示出了根据本公开的用于测量大气压力、温度、和风速中的至少一个的装置的另一实施例；以及

图4示出了根据本公开的用于测量沿非共线方向的三个风速分量的装置的又一实施例。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述许多具体细节来清楚地描述在此公开的各种具体实施例。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在无需以下讨论的所有具体细节的情况下实践当前要求保护的发明。在其他示例中，没有描述公知的特征从而不会模糊本发明。

如上所述，空气对激光的自发的瑞利-布里渊散射(RBS)在大气远程感测中能够用于通过比较测量到的RBS光谱与适当的线形模型，来导出空气的压力、温度、和整体速度(bulk velocity)。本公开描述了用于远程测量RBS线形及其频移以计算空气压力、空气温度、和风速的装置和方法。风速包括风的速率及其方向。

在本公开中，使用双频激光器。激光器的一个频率用作参考光束，激光器的另一频率作为信号光束传输到确定的空气容积并从该空气容积进行散射和反射。参考光束和接收到的散射信号光束在光电探测器(PD)上混合，用于拍频特征的光谱测量。

本公开的方法和装置提供了通过检测RBS谱线形状和中心频率的频移来远程测量空气压力、空气温度、和风速。飞行应用需要空气数据采集系统来提供位于不同海拔的空气的参数。在现有技术中，使用单独的设备来收集上述信息：皮托管和热敏电阻对应地用于外部压力和温度测量。在现有技术中，无法获得飞行海拔的风速有关的准确数据。

当前公开的方法的主要优点由用于外差检测的双频激光器的辐射的应用而产生。该方法提供了外差拍频从0Hz的大光谱偏移，这是RBS谱的宽带谱线的准确测量所需要的。该光谱偏移不需要电子或光电调制器。本方法的另一重要优点在于，利用来自同一激光器的两个频率用于外差检测，提供了风速方向的明确测量。

总之，当前公开的装置和方法(1)在光电探测器(PD)上提供了拍频的大光谱位移，(2)能够明确测量风速及其方向，(3)极大减少了参考频率与信号频率之间的频率跳动，以及(4)不需要使用附加的电子或光电调制器。因此，能够对于宽RBS谱线及其频移进行准确测量，从而可靠地提取包括定向风速的空气数据，而不需要任何用于外差检测的有源装置。本公开的一个附加优点是，过去十年间半导体激光器的进展允许装置具有非常小的尺寸和重量。

估计RBS谱线参数从而理解RBS谱线的光谱测量所需的系统的要求是重要的。当前，如通过引用并入在此的参考文献[6]所述，Tenti S6模型被认为是描述不同大气条件下的RBS谱线的最佳数学模型。然而，Tenti S6模型的数学复杂性使其难以应用。近年来，Witschas已经提出了针对空气中的RBS线形的另一分析模型，即G3模型，在通过引用并入在此的参考文献[7]中描述了该模型。G3模型能够用于空气压力高达2atm的情况下以远低于1％的准确度，从测量到的RBS光谱非常快速地提取空气数据。空气压力的单位(atm)可以定义为1.01325*10⁵N/m²，还可以表述为1.01325巴(bar)或者101325帕斯卡(Pa)。基于G3模型，图1示出了对于不同大气压力下的RBS线形的模拟。图1中的曲线10示出压力为1.0bar、温度T＝293°K、波长为405nm的激光辐射的RBS光谱。图1中的曲线12示出压力为0.1bar、温度T＝293°K、波长为405nm的激光辐射的RBS光谱。

RBS光谱的振幅、宽度、和形状取决于空气压力和空气温度两者，并且能够在数学上描述该关系(见参考文献[7])。因此，为了从测量结果准确导出空气数据，不仅应当测量RBS光谱的振幅和谱宽，而且应当对整个RBS光谱形状进行拟合。对于405nm波长激光辐射，飞行速度的多普勒频移接近2GHz，这意味为了可靠的外差检测，RBS谱线从0Hz的总偏移值应当多于6GHz。

现在参考图2，频率为ν1 22和ν2 24的激光器20的辐射被耦合到波导W1 26。接着，频率ν1 22的辐射通过作为窄带通滤波器的光学微谐振器28耦合并且重定向到波导W2 30中。频率ν2 24的辐射被传输经过滤波器28，通过准直器C1 32从波导W1 26向外耦合并分束到确定的空气容积V空气34。空气容积34对该光束进行散射和反射。具有多普勒频移+νD或-νD36的中心频率为ν2的RBS的宽带谱线通过准直器C2 38被接收并耦合到波导W2 30中。该谱线在不发生耦合的情况下被传输经过滤波器28，并且在光电探测器(PD)42上与参考频率ν122混合，产生拍频(ν1-ν2)±νD 40。图2的装置不但提供了拍频从0Hz的大幅偏移，而且允许测量多普勒频移的符号，这给出了风速方向的明确测量。拍频从0Hz的频移的取决于激光器20的腔的设计，如下面进一步讨论的。

光电探测器42的输出可以连接到处理器100从而导出包括方向的风速，并且导出空气温度和空气压力。

已知任意两个相邻激光模式的频率间隔等于c/(2nL)，其中c是光速，n是腔材料的折射率，L是腔长度。因此，例如腔的光学长度nL＞5mm的任何激光器将根据要求提供30GHz或更少的频移Δν。考虑飞行器速度和空气速度，这样的频移对于包括多普勒频移的RBS谱线从0Hz的完整光谱频移是足够的。重要的是，所讨论的频移是通过使用双频激光器20而产生的单边频移，这实现了风速的方向性测量。

该单边频移能够在数学上被证明。参考辐射的频率可以表示为νLO＝ν122，RBS辐射的频率表示为νRB＝ν2 24，由于风速的多普勒频率表示为νD。接着，我们可以考虑入射到光电探测器42的两个光场：

其中，和是光功率，和是辐射相位。光电探测器42处的总场等于ELO+ERB。

因此，具有响应率的光电探测器所产生的光电流i(t)为：

其中

Δν＝νRB-νLO

对于如图2所示的双频激光器20，Δν＝ν1-ν2的值是两个纵模之间的频率间隔。如上所述，该值可以非常大，并且如上面的公式(2)所示提供了多普勒频率或风速方向的明确测量。

当然，RBS光谱宽度和多普勒频移取决于辐射波长，并且对于较长的波长，这两个值都非常小。然而，RBS的强度与波长的四次方成反比，并且这是对于RBS测量优选使用短波长激光器的原因。

能够开发出图2中所示的装置的不同实施例。例如，接收到的散射辐射36可以耦合到图3所示的单独的波导W3 52中，从而减少接收到的RBS信号36经过图2的实施例中的带通滤波器28时的任何可能损失。在图3的实施例中，频率ν1 22的辐射通过作为窄带通滤波器的光学微谐振器28耦合并且重定向到波导W2 50中。接着，接收到的RBS信号36和参考ν1 22在光电探测器42进行耦合。

图3中光电探测器42的输出可以连接到处理器100从而导出包括方向的风速，并且导出空气温度和空气压力。

图2和图3示出的示意图仅允许测量风速的一个分量，该风速分量是总风速在RBS光束检测方向上的投影。为了得到关于风速的更完整的数据，需要沿着非共线方向测量风速的至少三个分量。

图4示出了用于沿着非共线的方向测量风速的至少三个分量的一个可能实施例。具有频率ν1 22和ν2 24的激光器20的辐射被耦合到波导26。接着，频率ν1 22的辐射通过作为窄带通滤波器的光学微谐振器28耦合并且重定向到波导72、82和92中。频率ν2 24的辐射被传输经过微谐振器28，并且通过至少一个准直器60从波导26向外耦合。来自至少一个准直器60的频率ν2 24的辐射被分束到空气容积V空气34。接着，中心频率ν2的来自空气容积34的RBS宽带谱线由设置或布置在非共线方向上的准直器66、76、和86进行接收。接收到的RBS宽带谱线分别具有多普勒频移+νD1或-νD1 68、+νD2或-νD2 78、和+νD3或-νD3 88，并且分别耦合到波导70、80、90。接着，具有多普勒频移+νD1或-νD1 68、+νD2或-νD2 78、和+νD3或-νD3 88的中心频率ν2的RBS宽带谱线与参考频率ν1 22分别在光电探测器74、84和94上进行混合，产生拍频(ν1-ν2)±νD1、(ν1-ν2)±νD2、(ν1-ν2)±νD3。通过测量沿非共线方向的速度的至少三个分量，来更完整地测量风速的方向。光电探测器74、84和94中的每个光电探测器的输出可以连接到处理器100，从而导出风速和风速的方向，并且还导出空气温度和空气压力。

图2、图3和图4所示的实施例中的微谐振器28可以是光学谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或多个耦合的微谐振器。

可以使用具有适当的腔设计的任何激光器20，其中适当的腔设计导致所需的纵模间隔。激光器20可以是半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。在过去十年，半导体激光器的进展已经导致能够直接用于集成光学电路的小尺寸高功率激光器的发展。因此，半导体激光器的应用是优选的。

没有必要使用仅有两个频率或两个模式的激光器。也可以使用具有两个或更多个纵模的激光器。而且，具有一个强纵模和几个弱模的激光器的使用是优选的。最强的模式能够用于空气暴露，并且具有低10倍或者甚至低100倍强度的任何相邻弱模能够用作参考辐射。激光二极管、量子级联激光器和光纤激光器能够应用公知的技术来开发，通过在激光器的有源区域上方适当设计诸如分布反馈布拉格(DFB)光栅的周期结构或者分布布拉格反射器(DBR)作为多个激光器反射镜中的一个反射镜。能够用作任何激光器的光谱设计的反射镜的另一窄带反射器是体布拉格光栅(VBG)。

现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足他们的特定要求或条件。这样的改变和修改可以在不脱离在此公开的本发明的范围和精神的情况下做出。

出于根据法律要求而进行说明和公开的目的，给出了示例性和优选实施例的前述详细描述。并非旨在穷举也不旨在将本发明限制于所描述的精确形式，而是仅使本领域其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定用途或实施方式。对于本领域技术人员来说，修改和变化的可能性是显而易见的。对于示例性实施例的描述不旨在限制，这些示例性实施例可以包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规范等，并且可以在实施方式之间或者随着现有技术的改变而变化，并且不应该从中暗示限制。申请人已经就本领域的现有技术做出了本公开，但也考虑了进步以及未来可能考虑那些进步的适应，即根据当时的现有技术水平。本发明的范围旨在由权利要求书面和适用的等同物限定。除非明确说明，否则以单数形式提及权利要求要素并不旨在表示“一个且仅一个”。此外，无论要素、组件或步骤是否在权利要求中明确地陈述，本公开中的任何要素、组件、方法或工艺步骤都不旨在专用于公众。除非使用短语“用于......的装置”明确叙述要素，否则本文中的任何权利要求要素都不应根据美国法典第35卷第112节第六段的规定来解释，并且除非使用短语“包括......的步骤”明确地叙述一个或多个步骤，否则本文中的任何方法或过程步骤都不应根据那些规定来解释。

优选地包括在此描述的所有要素、部件和步骤。应当理解，这些要素、部件和步骤中的任何一个可以由其他要素、部件和步骤代替，或者完全删除，这对于本领域技术人员来说是清楚的。

概括地说，本文至少公开了以下内容：一种用于测量空气容积的压力、温度、和风速中的至少一个的装置，该装置包括：具有第一辐射频率和第二辐射频率的激光器；耦合到激光器的第一波导；第二波导；耦合在第一波导和第二波导之间的窄带滤波器，其中窄带滤波器被配置为将第一频率重定向到第二波导；以及耦合到第二波导的光电探测器，其中第一频率通过第一波导传输到空气容积，从空气容积接收散射光，并且光电探测器将第二波导上的第一频率与接收到的散射光进行混合。

概念

至少已经公开了以下概念。

概念1.一种用于测量空气容积的压力、温度、和风速中的至少一个的装置，所述装置包括：

具有第一辐射频率和第二辐射频率的激光器；

耦合到所述激光器的第一波导；

第二波导；

耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的窄带滤波器，其中所述窄带滤波器被配置为将第一频率重定向到所述第二波导；以及

耦合到所述第二波导的光电探测器；

其中所述第一频率通过所述第一波导传输到所述空气容积；

其中从所述空气容积接收散射光；并且

其中所述光电探测器将所述第二波导上的第一频率与接收到的散射光进行混合。

概念2.根据概念1所述的装置，其中：

所述第二波导将所述散射光传输到所述光电探测器。

概念3.根据概念1或2所述的装置，还包括：

耦合到所述光电探测器的第三波导；

其中所述第三波导将所述散射光传输到所述光电探测器。

概念4.根据概念2或3所述的装置，还包括：

耦合到所述第一波导的第一准直器；以及

耦合到所述第二波导的第二准直器。

概念5.根据概念1所述的装置，其中：

所述激光器具有至少两个纵模。

概念6.根据概念1或5所述的装置，其中：

所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。

概念7.根据概念1、2、3或4所述的装置：

其中接收到的散射光包括瑞利-布里渊散射。

概念8.根据概念1、2、3或4所述的装置：

其中接收到的散射光包括由于风速的多普勒频移。

概念9.根据概念1所述的装置：

其中所述第一频率为ν1m；

其中所述第二频率为ν2m；并且

其中Δν＝ν1m-ν2m等于c/(2nL)，其中c是光速，n是激光器的腔的材料的折射率，并且L是激光器的腔长度。

概念10.根据概念9所述的装置：

其中腔的光学长度nL大于5mm，使得Δν＝ν1m-ν2m等于或小于30GHz。

概念11.根据概念1所述的装置，其中：

所述窄带滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。

概念12.根据概念1所述的装置，还包括：

耦合到所述光电探测器的处理器，所述处理器用于从接收到的散射光的测量光谱导出空气压力、空气温度和包括风向的风速中的至少一个。

概念13.一种用于测量空气压力、温度和风速中的至少一个的方法，所述方法包括：

通过第一波导传输来自激光器的第一辐射频率和来自激光器的第二辐射频率；

将第一辐射频率重定向到第二波导中；

将第二辐射频率从所述第一波导传输到空气容积；

接收来自所述空气容积的散射光；

在光电探测器上将接收到的散射光与所述第一辐射频率进行混合；

测量来自所述光电探测器的拍频光谱；以及

从接收到的散射光的测量光谱导出空气压力、空气温度、和包括风向的风速的至少一个；

其中接收到的散射光包括瑞利-布里渊散射。

概念14.根据概念13所述的方法，其中：

所述第二波导将散射光传输到所述光电探测器。

概念15.根据概念13或14所述的方法，还包括：

其中第三波导将散射光传输到所述光电探测器；并且

其中所述第三波导耦合到所述光电探测器。

概念16.根据概念13、14或15所述的方法，其中：

所述激光器具有至少两个纵模。

概念17.根据概念13或16所述的方法，其中：

所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。

概念18.根据概念13、14或15所述的方法：

其中接收到的散射光包括由于风速的多普勒频移。

概念19.根据概念13、14或15所述的方法：

其中所述第一频率为ν1m；

其中所述第二频率为ν2m；并且

其中Δν＝ν1m-ν2m等于c/(2nL)，其中c是光速，n是激光器的腔的材料的折射率，并且L是激光器的腔长度。

概念20.根据概念19所述的方法：

其中腔的光学长度nL大于5mm，使得Δν＝ν1m-ν2m等于或小于30GHz。

概念21.根据概念13所述的方法，其中接收来自所述空气容积的散射光包括：

从至少三个非共线方向接收来自所述空气容积的散射光。

概念22.一种用于测量空气容积的压力、温度和风速中的至少一个的装置，所述装置包括：

具有第一辐射频率和第二辐射频率的激光器；

耦合到所述激光器的第一波导；

第二波导；

耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的窄带滤波器，其中所述窄带滤波器被配置为将第一频率重定向到所述第二波导；

耦合到所述第一波导的至少一个准直器，其中第二频率通过所述至少一个准直器传输到所述空气容积；

第一、第二、和第三光电探测器；

通过第三波导耦合到第一光电探测器的第二准直器；

通过第四波导耦合到第二光电探测器的第三准直器；

通过第五波导耦合到第三光电探测器的第四准直器；

其中，第二、第三和第四准直器设置在非共线方向上；

其中来自所述空气容积的散射光由第二、第三和第四准直器接收；

其中第一光电探测器耦合到第二波导并且将第一频率与从第二准直器接收到的散射光进行混合；

其中第二光电探测器耦合到第二波导并且将第一频率与从第三准直器接收到的散射光进行混合；并且

其中第三光电探测器耦合到第二波导并且将第一频率与从第四准直器接收到的散射光进行混合。

概念23.根据概念22所述的装置，还包括：

处理器；

其中第一、第二和第三光电探测器耦合到所述处理器，所述处理器用于从接收到的散射光的测量光谱导出空气压力、空气温度、和包括风向的风速中的至少一个。

概念24.根据概念22或23所述的装置：

其中接收到的散射光包括瑞利-布里渊散射。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于测量空气容积的压力、温度、和风速中的至少一个的装置，所述装置包括：

具有第一辐射频率和第二辐射频率的激光器；

耦合到所述激光器的第一波导；

第二波导；

耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的窄带滤波器，其中所述窄带滤波器被配置为将第一频率重定向到所述第二波导；以及

耦合到所述第二波导的光电探测器；

其中所述第一频率通过所述第一波导传输到所述空气容积；

其中在接收波导上从所述空气容积接收散射光并且将散射光耦合到所述光电探测器；

其中所述光电探测器将所述第二波导上的第一频率与在所述接收波导上接收到的散射光进行混合，并且

其中所述第一波导和所述接收波导是不同的波导。。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第二波导是所述接收波导。

3.根据权利要求1所述的装置，

其中所述接收波导是与所述第二波导不同的波导。

4.根据权利要求2所述的装置，还包括：

耦合到所述第一波导的第一准直器；以及

耦合到所述第二波导的第二准直器。

5.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述激光器具有至少两个纵模。

6.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。

7.根据权利要求1所述的装置：

其中接收到的散射光包括瑞利-布里渊散射。

8.根据权利要求1所述的装置：

其中接收到的散射光包括由于风速的多普勒频移。

9.根据权利要求1所述的装置：

其中所述第一频率为ν1m；

其中所述第二频率为ν2m；并且

其中Δν＝ν1m-ν2m等于c/(2nL)，其中c是光速，n是激光器的腔的材料的折射率，并且L是激光器的腔长度。

10.根据权利要求9所述的装置：

其中腔的光学长度nL大于5mm，使得Δν＝ν1m-ν2m等于或小于30GHz。

11.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述窄带滤波器包括光学微谐振器、微环谐振器、多个相互耦合的环谐振器、或者多个耦合微谐振器。

12.根据权利要求1所述的装置，还包括：

耦合到所述光电探测器的处理器，所述处理器用于从接收到的散射光的测量光谱导出空气压力、空气温度和包括风向的风速中的至少一个。

13.一种用于测量空气压力、温度和风速中的至少一个的方法，所述方法包括：

通过第一波导传输来自激光器的第一辐射频率和来自所述激光器的第二辐射频率；

将第一辐射频率重定向到第二波导中；

将第二辐射频率从所述第一波导传输到空气容积；

在接收波导上接收来自所述空气容积的散射光，其中所述接收波导耦合到光电探测器；

在所述光电探测器上将在所述接收波导上接收到的散射光与所述第二波导上的所述第一辐射频率进行混合；

测量来自所述光电探测器的拍频光谱；以及

从接收到的散射光的测量光谱导出空气压力、空气温度、和包括风向的风速的至少一个；

其中接收到的散射光包括瑞利-布里渊散射；并且

其中所述第一波导与所述接收波导是不同的波导。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

所述接收波导是所述第二波导。

15.根据权利要求13所述的方法，

其中所述接收波导是与所述第二波导不同的波导。

16.根据权利要求13所述的方法，其中：

所述激光器具有至少两个纵模。

17.根据权利要求13所述的方法，其中：

所述激光器包括半导体激光器、激光二极管、量子级联激光器、或光纤激光器。

18.根据权利要求13所述的方法：

其中接收到的散射光包括由于风速的多普勒频移。

19.根据权利要求13所述的方法：

其中所述第一频率为ν1m；

其中所述第二频率为ν2m；并且

其中Δν＝ν1m-ν2m等于c/(2nL)，其中c是光速，n是激光器的腔的材料的折射率，并且L是激光器的腔长度。

20.根据权利要求19所述的方法：

其中腔的光学长度nL大于5mm，使得Δν＝ν1m-ν2m等于或小于30GHz。

21.根据权利要求13所述的方法，其中接收来自所述空气容积的散射光包括：

从至少三个非共线方向接收来自所述空气容积的散射光。

22.一种用于测量空气容积的压力、温度和风速中的至少一个的装置，所述装置包括：

具有第一辐射频率和第二辐射频率的激光器；

耦合到所述激光器的第一波导；

第二波导；

耦合在所述第一波导与所述第二波导之间的窄带滤波器，其中所述窄带滤波器被配置为将第一频率重定向到所述第二波导；

耦合到所述第一波导的至少一个准直器，其中第二频率通过所述至少一个准直器传输到所述空气容积；

第一、第二、和第三光电探测器；

通过第三波导耦合到第一光电探测器的第二准直器；

通过第四波导耦合到第二光电探测器的第三准直器；

通过第五波导耦合到第三光电探测器的第四准直器；

其中，第二、第三和第四准直器设置在非共线方向上；

其中来自所述空气容积的散射光由第二、第三和第四准直器接收；

其中第一光电探测器耦合到第二波导并且将所述第二波导上的第一频率与从第二准直器接收到的散射光进行混合；

其中第二光电探测器耦合到第二波导并且将所述第二波导上的第一频率与从第三准直器接收到的散射光进行混合；并且

其中第三光电探测器耦合到第二波导并且将所述第二波导上的第一频率与从第四准直器接收到的散射光进行混合，并且

其中所述第一波导、所述第三波导、所述第四波导和第五波导都是不同的波导。

23.根据权利要求22所述的装置，还包括：

处理器；

其中第一、第二和第三光电探测器耦合到所述处理器，所述处理器用于从接收到的散射光的测量光谱导出空气压力、空气温度、和包括风向的风速中的至少一个。

24.根据权利要求22所述的装置，其中：

其中接收到的散射光包括瑞利-布里渊散射。