频率梳生成方法、相关的生成模块、远程光谱方法和相关的光谱装置与流程

本发明涉及一种生成频率梳的方法和相关的生成模块。

本发明还涉及一种远程光谱方法和相关的光谱装置。

背景技术

在现有技术中，已知存在各种远程光谱方法。特别是，在申请fr3039331中，对其中一种光谱方法的例子进行了描述。

这种光谱方法被称为“lidar”，意指其是由一种称为“lidar”的遥感和光学测量装置实现的。术语“lidar”是“光探测和测距”的首字母缩写词。

特别是，利用该方法可以通过在给定的频率向与lidar相隔一段距离的目标物质发射光波，然后接收从该物质反射的光波，来研究该目标物质的组成。

因此，例如，通过将反射的光波与初始波或参考信号进行对比，就可以确定该物质的吸收系数，这样通常可以确定该物质的精确组成。

该光波是由lidar以频率梳的形式发出的，其中频率梳通常由多条光线组成。这些光线是由一个或多个具有预定频率的调制器使用本身已知的生成方法从激光信号生成的。该频率的选择特别根据所期望的取样细度来决定。

频率梳的所有光线被同时发送到目标物质，接着被该物质反射，然后被lidar接收。将其与参考信号混合，通过接收的光波可以获得目标物质的干涉图。然后，其傅里叶变换提供该目标物质的光谱，即获得该物质的精确组成。

因此，取样的质量很大程度上取决于发送到目标物质的频率梳的质量。

特别是，为了保证良好的取样质量，这些频率梳的光线必须完全受控且稳定。

此外，为了获得目标物质的更完全分解，这些频率梳必须包含大量的光线，这样便能够覆盖目标物质的大范围频谱。

然而，通过应用现有的相位调制梳生成方法，通常很难在保证频率梳稳定性的前提下，将频率梳中的光线数量增加到九条以上。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种生成方法，通过该方法可以获得光线数大于九并且优选地等于十三的特别稳定的频率梳。

为此，本发明目的在于涉及一种生成由预定数量的光线所组成的频率梳的方法，其中该方法包括通过第一频率值的第一射频信号、第二频率值的第二射频信号和第三频率值的第三射频信号来调制激光源生成的主光线；其中，第二频率值等于第一频率值的两倍；以及，其中第三频率值等于第一频率值的三倍。

根据本发明的其它有利方面，该生成方法包括一个或多个下述单独采取或在任何技术上是可行的组合方式采取的特性：

-该频率梳由彼此之间以第一频率值均匀地间隔并且彼此之间能量大致相等的十三条光线组成；

-通过第一射频信号进行的调制以大致等于1.6418弧度的调制幅度和大致等于21.8°的相对相移来实现；

-通过第二射频信号进行的调制以大致等于1.3549弧度的调制幅度和大致等于43.6°的相对相移来实现；

-通过第三射频信号进行的调制以大致等于2.2829弧度的调制幅度和大致等于245.4°的相对相移来实现；

-该方法包括下述步骤：

οa)用激光源生成主光线；

οb)通过用所述射频信号中的一个来调制主光线来生成第一复数条光线；

οc)用除步骤b)中使用的射频信号之外的所述射频信号中的一个，调制第一复数条光线中的每条光线来生成第二复数条光线；

οd)用除步骤b)和步骤c)中使用的射频信号之外的所述射频信号中的一个，调制第二复数条光线中的每条光线来生成第三复数条光线；

οe)由第三复数条光线形成频率梳；

-其中，该方法包括下述步骤：

οa')用激光源生成主光线；

οb')生成与所述射频信号之和相对应的复信号；

οc')用所述复信号调制主光线来生成主要复数条光线；

οd')由主复数条光线形成频率梳，

-其中，该方法还包括以大于第三频率值的附加频率值调制频率梳的光线的步骤；以及

-该附加频率值在20到40ghz之间。

本发明还涉及一种由多个预定数量光线组成的频率梳生成模块，包括配制成实现如上所定义的生成方法的手段。

本发明的目的在于涉及一种用于目标物质的lidar型远程光谱的方法，包括下述步骤：

-生成包括至少一个如前文所述生成的频率梳的传输信号；

-将传输信号传输到目标物质；

-接收与目标物质反射的传输信号相对应的响应信号；以及

-分析响应信号。

根据本发明的其他有利方面，给远程广谱方法包括下述特性：

-第一频率值根据目标物质的物理特性来选择。

本发明还涉及一种用于实现如上所定义的光谱方法的lidar型远程光谱装置。

附图说明

通过阅读仅作为非限制性例子给出的以下描述并参考下述附图，本发明的这些特点和优点将变得显而易见：

图1示出了根据本发明的远程光谱装置的示意图，其中该装置特别包括频率梳生成模块；

图2示出了根据第一实施例实现的图1所示的生成模块的示意图；

图3示出了根据本发明的远程光谱方法的流程图，其中，该远程光谱方法由图1所示的远程光谱装置实现，并且特别包括生成频率梳的方法；

图4示出了根据第一实施例实现的图3所示的频率梳生成方法的流程图；

图5示出了实现图3的频率梳生成方法后得到的频率梳的示意图；

图6示出了根据第二实施例实现的图1的生成模块的示意图；及

图7示出了根据第二实施例实现的图3的频率梳生成方法的流程图。

具体实施方式

在本说明书的其余部分中，“大致等于”的表述理解为意指等于±10％的关系。

例如，图1中的光谱装置10嵌入位于地球轨道上的一颗卫星中，并对地球或其他行星，特别是厚度等于例如15公里的大气层进行观测。

利用光谱装置10可以研究该大气层中的目标物质。例如，目标物质是由co2、h2o或ch4等若干元素气体组成的气体。

每种元素气体都能吸收具有已知吸收系数的确定频率的光波。

因此，通过向目标气体发射光信号并且分析由该气体反射的信号，或被其吸收且由后面表面反射的信号，例如，利用光谱装置10可以确定目标气体中包含的元素气体的密度。

根据可选的实施例，光谱装置10处于另一空间或地面车辆或飞机上。

根据又一不同实施例，例如，光谱装置10可以固定地设置在地球表面上。

在上述至少一些实施例中，光谱装置10可以进一步研究放置在除大气层之外的任何介质中的目标物质，例如在水下或地下环境中。

参考图1，光谱装置10包括频率梳生成模块12、传输模块14、接收模块15、后处理模块16和控制模块18。

生成模块12能够形成分别用于传输模块14和后处理模块16的传输信号和参考信号。每一个信号都包括至少一个如下文所述生成的频率梳。

传输模块14是一种本身已知的传输望远镜，它可以接收来自生成模块12的传输信号，并将它们发送到目标物质。

接收模块15也是一种本身已知的接收望远镜，它可以接收与传输模块14发出的并由目标物质或另一种物质反射的传输信号相对应的响应信号。

根据可选的实施例，传输模块14和接收模块15的望远镜可以是单个部件的形式。

后处理模块16可以接收生成模块12生成的参考信号和接收模块15接收的响应信号。

特别是，后处理模块16可以将参考信号和响应信号转换成数字信号，对其的分析可以得出目标物质的精确组成。该分析是根据本身已知的分析方法进行的。

控制模块18可以控制光谱装置10的所有模块的操作。

控制模块18，例如，连接到对其进行控制的卫星的中央计算机(未示出)。

现在将参考图2阐述根据第一实施例所述的生成模块12。

因此，如图2所示，生成模块12包括激光源20、通过光学引导手段连接到该激光源20的两个光通道21、22以及用于管理这些光通道21、22的电子装置24。

激光源20能够在例如大致等于200thz的生成频率发射激光信号。该激光信号特别包括激光线，以下称为主光线。

光通道21、22能够接收激光源20发射的激光信号，以便由该信号分别形成传输信号和参考信号。

光通道21、22彼此相似，特别是它们大致包括相同的部件。

与光通道21不同的是，光通道22还包括用于区分参考信号和传输信号的手段。

这些区分手段根据为了确定目标物质的组成而选择的构造方法来配置。在描述的实施例中，这些手段特别包括相对传输信号延迟参考信号的传输，以便使该参考信号与对应的响应信号同步的手段。这些延迟手段本身是已知的，这里不再详细说明。

下面将仅对光通道21进行详细说明。

因此，如图2所示，光通道包括三个调制器，即第一调制器31、第二调制器32和第三调制器33，它们与激光源20串联。

例如，每个调制器31-33都有一个本身已知的电光调制器。

因此，每个调制器31-33可以根据控制该调制器31-33的操作的射频信号，通过相位调制由穿过光通道21的每条光线生成多条光线。

为此，电子管理装置24包括三个管理单元，即与第一调制器31相关联的第一管理单元41、与第二调制器32相关联的第二管理单元42以及与第三调制器33相关联的第三管理单元43。

每个管理单元41-43可以通过生成具有给定调制幅度、给定相对相移和给定频率值的正弦射频信号来驱动与其相关联的调制器31-33。

现在将参考图3说明光谱装置10实现的远程光谱方法，其中，图3示出了该方法的步骤的流程图。

首先，识别目标物质，传输模块14和接收模块15分别被配置为向该物质发送传输信号，并接收由该物质反射的响应信号。

在步骤110中，控制模块18控制由生成模块12进行的传输信号的生成。

然后，在下一个步骤120中，生成模块12生成用于传输模块14的传输信号和用于后处理模块16的参考信号。

传输信号包含由光通道21生成的频率梳；而参考信号包含由光通道22生成的频率梳，并且其可能比该传输信号中包含的频率梳延迟。

每个频率梳都是根据由每个光通道21、22实现的频率梳生成方法而生成的。通过光通道21实现该方法将在下面详细说明。

在下一个步骤130中，传输模块14将生成模块12生成的传输信号发送到目标物质。

在下一个步骤140中，接收模块15接收与目标物质反射的传输信号相对应的响应信号。

在下一个步骤150中，后处理模块16分析接收到的响应信号，并且特别是，通过将该响应信号与对应的参考信号进行对比来确定目标物质的组成。

现在将参考图4和图5说明光通道21生成频率梳的方法的实现，其中图4示出的是该方法的步骤的流程图，图5示出的是这些步骤的实现。

在第一步a)中，激光源20生成包含主光线的激光信号。该主光线在

图5中标记为50。

在接下来的步骤b)中，第一调制器31通过第一频率值f的第一射频信号调制主光线来生成第一复数条光线51。

第一射频信号是由第一管理单元41生成的，并且被定义为具有大致等于1.6418弧度的调制幅度和大致等于21.8°的相对相移。

第一频率值f根据目标物质的物理特性来选择，例如具有最佳地再现这些特性的分析结果。

例如，第一频率值f等于1ghz。

该步骤中实现的调制生成能量彼此相等的三条光线，以及具有较小的能量并且之后将被忽略的复数条光线。

因此，第一复数条光线51由三条光线组成，其中一条对应主光线，另外两条位于主光线的两侧并且以第一频率值f与主光线间隔开。

在接下来的步骤c)中，第二调制器31通过第二频率值2f的第二射频信号调制第一复数条光线51的每一条光线来生成第二复数条光线52。

第二射频信号是由第二管理单元42生成的，并且被定义为具有大致等于1.3549弧度的调制幅度和大致等于43.6°的相对相移。

第二频率值2f等于第一频率值f的两倍。

该步骤中实现的调制由第一复数条光线51的每条光线生成能量彼此相等的三条光线，以及具有较小的能量并且之后将被忽略的复数条光线。

因此，考虑到如图5所示的至少一些光线的重叠，第二复数条光线52由彼此以第一频率值f间隔的七条能量相等的光线组成。

在接下来的步骤d)中，第三调制器33通过第三频率值3f的第三射频信号调制第二复数条光线52的每一条光线来生成第三复数条光线53。

第三射频信号是由第三管理单元43生成的，并且被定义为具有大致等于2.2829弧度的调制幅度和大致等于245.4°的相对相移。

第三频率值3f等于第一频率值f的三倍。

该步骤中实现的调制由第二复数条光线52的每条光线生成能量彼此相等的三条光线，以及具有较小的能量并且之后将被忽略的复数条光线。

因此，考虑到如图5所示的至少一些光线的重叠，第三复数条光线53由彼此以第一频率值f间隔的十三条能量相等的光线组成。

最后，在接下来的步骤e)中，由第三复数条光线53形成一个频率梳。

因此，该频率梳包括彼此以第一频率值f间隔的十三条光线。

类似地利用光通道22生成频率梳的方法，其中选择的第一个频率值f与针对光通道21选择的频率值略有不同。例如，与不同光路21、22对应的前两个频率值f之间的差值等于100khz。

根据生成装置12的可选实施例，调制器31-33按与图3不同的顺序串联设置。

实际上，这些调制器31-33的设置顺序对最终频率梳的形状没有影响，该频率梳始终具有以第一频率值f间隔的十三条光线。

因此，例如，在步骤b)中，当第三调制器33置于第一调制器31的位置并且第一调制器31置于第三调制器的位置时，第三调制器33由主光线生成第一复数条光线。这些第一复数条光线以第三频率值3f间隔。

然后，与前述情况一样，在步骤c)中，第二调制器32生成第二复数条光线，其中光线以第一频率值f或第二频率值2f间隔。

最后，在步骤d)中，第一调制器31生成第三复数条光线，其中光线以第一频率值f间隔。

根据与前面描述的变体之一兼容的另一个实施例，光通道21进一步包括一个附加的调制器，该调制器位于上述调制器31-33的下游。

此类调制器由一个附加的控制单元控制，从而将穿过该调制器的每条光线调制到大于第三频率值3f的附加频率值fa。

例如，附加频率值fa在20到40ghz之间。

在这种情况下，上述生成方法还包括在步骤e)之后执行的步骤f)，在该步骤中，步骤e)中形成的频率梳的所有光线都经由附加调制器进行调制。

这具有使初始频率梳增加到三倍的作用，即在初始频率梳的两侧生成两个频率梳。

应当了解，本发明具有许多优点。

实际上，根据本发明所述的生成方法获得的每一个频率梳都正好包括十三条以给定的频率值彼此间隔的光线。这些光线稳定并且完全受控。

这样可以提高相应目标物质的分析结果的质量。

通过在高频率下增加更多调制以使初始梳增加到三倍，可以进一步提高质量。

因此，用这三个频率梳形成的传输信号可以覆盖更大的波长范围。

图6中示出了根据本发明的第二实施例的频率梳生成模块112。

因此，参考图6，与前述情况一样，生成模块112包括激光源120、通过光学引导手段连接到该激光源120的两个光通道121、122以及用于管理光通道121、122的电子装置124。

激光源120与上面描述的激光源20相类似。

与前述情况一样，该电子管理装置124包括三个管理单元，即第一管理单元141，其与第一管理单元41类似并生成第一射频信号；第二管理单元142，其与第二管理单元42类似并生成第二射频信号；以及第三管理单元143，其与第三管理单元43类似并生成第三射频信号。

与电子管理装置24不同的是，该管理装置124还包括生成单元145，其生成与第一射频信号、第二射频信号和第三射频信号之和相对应的复信号。

而且，与前述情况一样，光通道121、122分别传递传输信号和参考信号，唯一的不同之处是光通道122中存在用于以上面描述的类似方式区分参考信号和传输信号的手段。

因此，下面将仅对光通道121进行详细描述。

与光通道21不同的是，光通道121包括一个被称为主调制器的单个调制器150，其与上面描述的调制器31-33中的一个类似。

主调制器150由生成单元145传递的复信号驱动。因此，利用该复信号，调制器150可以分别通过第一射频信号、第二射频信号和第三射频信号来调制穿过光通道121的主光线。

现在将参考图7说明由根据第二实施例的频率梳生成模块112实现的、用于光通道121的频率梳生成方法，其中图7示出了其步骤的流程图。

在与上述步骤a)类似的步骤a')中，激光源120生成包括主光线的激光信号。

在接下来的步骤b')中，生成单元145生成与所述射频信号之和对应的复信号。这些射频信号由与前述情况相同的频率值、相同的调制幅度和相同的相对相移来定义。

在接下来的步骤c')中，调制器150通过由复信号调制主光线来生成主复数条光线。

与前述情况一样，由此生成的复数条光线包括十三条以第一频率值f相互间隔的光线。

最后，在接下来的步骤d')中，由主复数条光线形成频率梳。

与前述情况一样，根据可选实施例，与上面描述的附加调制器类似的附加调制器可以放置在主调制器150的下游。

在这种情况下，根据本发明第二实施例的生成方法进一步包括步骤e')，在该步骤中，附加调制器将使步骤d')中生成的频率梳增加到三倍。

根据本发明第二实施例的频率梳生成装置的优点在于，可以减少使用的光学部件的数量。特别是，可以降低与安装有关的成本。