脉冲式LIDAR系统的制作方法

本说明书涉及脉冲式lidar系统，特定来说涉及适于执行空速测量的此lidar系统。虽然lidar是光检测与测距(light detection and ranging)的首字母缩写，但lidar系统高度适合于实行在一段距离处的速度测量。

背景技术：

1、确定在一段距离处的风速可用于许多领域，特别是航空安全，例如用于检测机场跑道附近的湍流的存在，或检测吹在飞行中的飞行器上的阵风以便补偿阵风对飞行器的结构造成的过早磨损的影响。此知识还有用的其它领域是风力发电厂场所的勘察和管理，或空中的大气流的测量以用于天气预报。

2、以已知方式，脉冲式lidar系统使得有可能测量平行于lidar系统的发射方向的目标的速度分量，以及目标与lidar系统分离的距离。特定来说，被配置成用于空速测量的脉冲式lidar系统使得有可能获得平行于lidar系统的的风速分量的估计，其随着沿着此发射方向测得的分离距离而变。然而，对于此类空速测量，由lidar系统检测到且从其中获得风速的测量结果的信号是通过由悬浮在空气中的颗粒造成的发射脉冲的反向散射产生的。这些检测信号具有极低强度，因此改进与其相关联的信噪比是重要的。

3、还以已知方式，当脉冲式lidar系统使用外差检测时，意味着当系统在发射与检测之间是相干的时，其信噪比与e·prf1/2成比例，其中e是反向散射且接着被检测到的每一脉冲的能量，且prf是脉冲重复频率。因此努力增加能量e和频率prf的值。

4、增加能量e可以通过增加由lidar系统发射的每一脉冲的能量来实现。事实上，辐射初始由激光源产生，所述激光源本身对朝向外部发射的辐射的功率不施加限制。然而，通过使用光纤连接技术的lidar系统的实施方案提供相当大的优点，特别是系统的增加的稳健性以及用于使系统的光学组件相对于彼此对准的机制的消除。但在光纤中发生的受激布里渊散射(stimulated brillouin scattering)或sbs的已知现象限制了每一发射脉冲可具有的峰值功率值。

5、另外，频率prf受到lidar系统的范围限制。实际上，有必要在发射下一脉冲之前返回检测朝向目标发射的辐射脉冲，以便使每一检测到的辐射部分与正确的脉冲发射时刻相关，以便由此推导与目标相距的距离的值。换句话说，根据以下公式，频率prf受到针对lidar系统规定的范围l限制：prf<c/(2·l)，其中c是光速。

6、因此，由于外差检测信号的信噪比的所得结果，对发射脉冲的能量和对脉冲的重复频率的这些限制阻碍了改进测量结果的精度，特定来说是空速测量结果。

7、技术问题

8、基于此情形，本发明的一个目标是提出一种新型脉冲式lidar系统，其中改进检测信号的信噪比。

9、本发明的互补目标是此lidar系统与使用光纤来互连lidar系统内部的光学组件是兼容的。

10、本发明的另一互补目标是此lidar系统适合于空速测量。

技术实现思路

1、为了实现这些或其它目标中的至少一个，本发明的一个方面提出一种脉冲式lidar系统，其适于确定由所述系统朝向目标连续地发射的一系列辐射脉冲所经历的多普勒效应频率移位的值，所述多普勒效应频率移位是在所述目标上的回向反射或反向散射之后接收的脉冲与由所述系统发射的相同脉冲的部分之间。所述系统随后基于针对频率移位确定的值而提供平行于系统的光学发射方向的所述目标的速度分量的估计。为此目的，所述系统包括：

2、-传输路径，其被配置成产生所述一系列脉冲，

3、-检测路径，其被配置成检测在所述目标上的回向反射或反向散射之后接收的脉冲部分，且产生对应于所述一系列的脉冲的外差检测信号，以及

4、-光谱分析模块，其适于实行所述外差检测信号的光谱分析，使得所述频率移位的所述值由对应于所述一系列的脉冲的外差检测贡献产生。

5、使用多个脉冲执行光谱分析提供了信噪比的初始改进，且由lidar系统提供的测量结果的准确性因此改进。

6、根据本发明，lidar系统具有以下额外特征：

7、-所述传输路径进一步被配置成将所述脉冲中的每一个形成为多个脉冲光谱分量的叠加，所述多个脉冲光谱分量同时发射、在光谱上不相交且一对一地与不同中心波长值相关联，且

8、-所述系统被调适使得由所述光谱分析模块确定的所述频率移位的所述值由分别对应于所述一系列的脉冲的所述脉冲光谱分量的多个外差检测贡献产生。

9、在本发明的背景下，术语在光谱上不相交的脉冲光谱分量应理解成意味着每一脉冲的光谱的分量，在所述分量之间脉冲光谱强度变为小于每一脉冲光谱分量的最大光谱强度值的5％，优选地小于1％。

10、因此，每一脉冲可具有大于商定的受激布里渊散射阈值的峰值功率值，而每一脉冲光谱分量单独地具有小于受激布里渊散射阈值的个别峰值功率值。换句话说，满足了由传输路径的基于光纤的实施方案造成的峰值发射功率的限制，同时允许每一脉冲具有增加的能量值。出于此原因，当lidar系统使用光纤技术用于其传输路径时，本发明特别合适。

11、另外，分别对应于脉冲的脉冲光谱分量的所有外差检测贡献都贡献于获得归因于由目标移动产生的多普勒效应的频率移位的值。因此，本发明的系统具有操作，其中将生效的频率prf乘以每一脉冲中的不相交光谱分量的数目，同时维持lidar系统的范围l不变。本发明因此提供与外差检测信号相关的信噪比的额外改进。因此增加针对多普勒效应频率移位获得的值的精度。根据另一观点，对于范围l的恒定值，且在维持测量结果中的相同精度的同时，本发明的lidar系统可允许以一个因数减少用于外差检测信号的累加时间，所述因数等于在光谱上不相交且构成每一发射脉冲的脉冲光谱分量的数目。

12、一般来说对于本发明，由lidar系统连续地发射的各自具有在光谱上不相交的多个光谱分量的脉冲不必是相同的。因此，两个脉冲可通过其光谱分量中的至少一些的平均波长值而彼此不同，特定来说通过在脉冲间的光谱分量之间存在的差而不同。因此，具有多个光谱分量的脉冲的组成可在为了执行测量序列而发射的一系列脉冲期间变化，在此一系列脉冲期间周期性地或随机地变化。借助于连续地发射的脉冲之间的此区分，可以增加lidar系统的范围，同时维持用于脉冲重复频率或prf的恒定值。实际上，如果两个脉冲是相同的，则有必要在发射下一脉冲之前返回检测朝向目标发射的辐射脉冲，以便使每一检测到的辐射部分与脉冲发射的正确时间相关，以便推导与目标相距的距离的值。换句话说，当连续脉冲相同时，频率prf根据以下公式受到针对lidar系统规定的范围l限制：prf<c/(2·l)，其中c是光速。使用不同的连续脉冲因此使得有可能在用于频率prf的相等值下增加lidar系统的范围l，或在lidar系统的恒定范围l下增加用于频率prf的值。因此可减少每一测量序列的个别持续时间。当若干不同光谱组成用于脉冲，同时周期性地重复时，在lidar系统的恒定范围l下，每一测量序列的个别持续时间因此可除以不同光谱组成的数目。

13、本发明的lidar系统的传输路径可包括：

14、-激光发射源，其适于产生初始激光辐射，此初始激光辐射优选地为单色或准单色的；

15、-梳产生调制器，其被布置成根据施加到此梳产生调制器的控制输入的调制信号而修改所述初始激光辐射；以及

16、-调制信号产生器，其被连接以便将所述调制信号施加到所述梳产生调制器的所述控制输入。

17、所述调制信号使得所述初始激光辐射由所述梳产生调制器变换为既定一对一地形成所述脉冲光谱分量的一组光谱分量。换句话说，退出调制器的光学辐射具有梳光谱结构。

18、在本发明的第一实施例中，检测路径的参考输入可连接到传输路径的次级输出，以便接收包括一对一地对应于脉冲的脉冲光谱分量的参考光谱分量的光学参考信号，在每一脉冲光谱分量与参考光谱分量当中的对应一个之间具有光谱移位，所述光谱移位对于所有脉冲光谱分量是相同的。以此方式，与由所述检测路径产生的外差检测信号中的脉冲光谱分量相关联的所述外差检测贡献全部在光谱上叠加。换句话说，外差检测信号在光谱上由单个峰形成，所述单个峰组合由所述多个脉冲光谱分量产生的所有贡献。对于此类第一实施例，连接到检测路径的参考输入的传输路径的次级输出可相对于传输路径中的辐射的传播方向在传输路径中位于梳产生调制器的下游。

19、在本发明的第二实施例中，检测路径的参考输入可连接到不同地定位的传输路径的次级输出，以便接收单色或准单色的光学参考信号。随后，与由所述检测路径产生的外差检测信号中的脉冲光谱分量相关联的外差检测贡献根据所述脉冲光谱分量的分布相对于彼此在光谱上移位。在此情况下，所述光谱分析模块适于基于分别相对于所述外差检测贡献中的每一个的中心频率值而推导所述多普勒效应频率移位的所述值。对于此类第二实施例，连接到检测路径的参考输入的传输路径的次级输出可相对于此传输路径中的辐射的传播方向在传输路径中位于梳产生调制器的上游。

20、在本发明的优选实施例中，可以任选地单独或组合地再生以下额外特性中的至少一项：

21、-所述lidar系统可适于当系统指向以朝向含有形成目标的悬浮颗粒的大气的一部分发射辐射脉冲时提供空气流速度分量的估计，所述颗粒是用于所述辐射的反向散射体；

22、-传输路径可进一步被配置成使得每一脉冲的光谱分量在光谱上分离至少10mhz，优选地至少20mhz，且至多2000mhz；

23、-传输路径可进一步被配置成使得在脉冲光谱分量中作为光谱相邻者的任两者之间存在的光谱差在脉冲光谱分量的作为相邻者的不同对之间是恒定的；

24、-传输路径可进一步被配置成使得构成每一脉冲的在光谱上不相交的脉冲光谱分量的数目在2与20之间，优选地在4与12之间；

25、-每一脉冲光谱分量可为单色或准单色的；

26、-当使用此调制器时，梳产生调制器可以是电光调制器；

27、-当使用此产生器时，调制信号产生器可以是任意波形的电学产生器；以及

28、-传输路径和/或检测路径可通过光纤技术实施，以互连此传输路径和/或检测路径的组件。