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。实际上，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、此外，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的部分与由所述系统发射的相同脉冲之间。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性：

7、-所述传输路径进一步被配置成使得朝向所述目标连续地发射的两个脉冲在光谱上不相交且与不同的相应中心波长值相关联，且

8、-所述系统被调适以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在光谱上不相交的脉冲且其中心波长值不同的若干外差检测贡献的组合产生。

9、在本发明的背景下，在光谱上不相交的脉冲应理解成意味着相应光谱不重叠的脉冲，意味着不存在其中若干脉冲的相应光谱强度大于脉冲中的每一个的最大光谱强度值的1％的波长间隔。

10、因此，由本发明的lidar系统连续地发射的两个脉冲通过不同的相应光谱间隔区分。在目标上的回向反射或反向散射之后接收的脉冲部分之间则存在相同的区分，使得系统能够将在回向反射或反向散射之后接收的每一脉冲部分指派到与其对应的发射脉冲，而与在同时已发射另一脉冲的事实无关。因此，借助于通过本发明在连续脉冲之间引入的光谱区分，可增加脉冲重复频率prf而不减少lidar系统的范围l。

11、此外，每一脉冲仍可具有恰好低于受激布里渊散射的合适阈值的峰值功率值。随后，关于频率移位值的确定，将分别对应于在光谱上不相交的脉冲且其中心波长值不同的外差检测贡献进行组合等效于增加重复频率prf。关于相对于外差检测信号的信噪比得到额外改进结果，所述信噪比与由本发明的lidar系统的操作提供的重复频率prf的增加的平方根成比例。因此增加针对多普勒效应频率移位获得的值的准确性。根据另一观点，对于范围l的恒定值，且同时维持测量结果中的相同精度，本发明的lidar系统可使得有可能以等于脉冲的不同中心波长值的数目的因数减少外差检测信号的累加时间。

12、每一脉冲的峰值功率值保持低于受激布里渊散射阈值的事实使得有可能使用光纤技术实施其传输路径。

13、另外，分别对应于在光谱上不相交的脉冲且其中心波长值不同的所有外差检测贡献可贡献于获得归因于由目标的移动产生的多普勒效应的频率移位的值。因此，本发明的系统可具有操作，其中将生效的重复频率prf乘以脉冲的不同中心波长值的数目，同时维持lidar系统的范围l的不变值。

14、因此，本发明提供一种lidar系统，其基于在外差检测信号中存在的多个光谱贡献而确定多普勒效应频率移位的值。构成刚好与外差检测信号中一样多的光谱单独分量的这些光谱贡献一对一地对应于朝向目标发射的脉冲的中心波长值，所述中心波长值在两个连续脉冲之间不同。举例来说，可基于每一外差检测光谱贡献，与其它外差检测光谱贡献无关地针对多普勒效应频率移位确定基本值，并且接着可通过将基本值平均化来计算多普勒效应频率移位的最终值。

15、一般来说对于本发明，本发明的lidar系统的传输路径可包括：

16、-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；

17、-至少一个调制器，其被布置成根据施加到此调制器的至少一个控制输入的调制信号修改所述初始激光辐射；以及

18、-控制器，其被连接以便将调制信号施加到调制器的所述至少一个控制输入。

19、所述调制信号随后使得所述初始激光辐射由所述调制器变换成所述一系列脉冲，其中两个连续脉冲在光谱上不相交且具有不同的中心波长值。此外，用于外差检测的检测路径的参考输入可连接到位于激光发射源与调制器之间的传输路径的次级输出。用于外差检测的光学参考信号可随后为单色的。在由检测路径产生的外差检测信号中，由在光谱上不相交的脉冲产生且其中心波长值不同的外差检测贡献随后相对于彼此在光谱上移位。换句话说，这些外差检测贡献具有也不同的相应中心频率值。光谱分析模块随后从外差检测贡献的所有这些不同中心频率值推断多普勒效应频率移位的值。

20、替代地，但以次优选的方式，检测路径的参考输入连接到以便获得外差检测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位于调制器的下游。

21、在本发明的第一实施例中，传输路径可被配置成通过线性调频转发器调制产生在光谱上不相交且其中心波长值不同的连续脉冲。为了实现此目的，调制器可以是相位调制器，且调制信号可以是由线性相移斜坡的时间上不相交的序列构成的相位调制信号，所述线性相移斜坡在每一序列内相同且连续且在不同序列之间具有不同斜率。线性相移斜坡的序列则一对一地对应于由lidar系统发射的脉冲。对于具有线性调频转发器调制的此类第一实施例，使用的相位调制器可以是电光型调制器。

22、在本发明的第二实施例中，传输路径可被配置成通过i/q调制产生在光谱上不相交且其中心波长值不同的连续脉冲。为了实现此目的，调制器可以包括重组马赫-曾德尔干涉仪和两个次级马赫-曾德尔干涉仪，所述两个次级马赫-曾德尔干涉仪各自布置于重组马赫-曾德尔干涉仪的两个单独光学传播路径上。其随后进一步包括用于施加以下相移的构件：

23、-第一相移，其在所述两个次级马赫-曾德尔干涉仪中的第一个的两个单独光学传播路径之间施加，且等于π和以正弦方式随时间而变的第一相移分量的总和；

24、-第二相移，其在所述两个次级马赫-曾德尔干涉仪中的第二个的两个单独光学传播路径之间施加，且等于π和以正弦方式随时间而变的第二相移分量的总和，所述以正弦方式随时间而变的第一相移分量和第二相移分量具有共同频率且相对于彼此成相位正交；以及

25、-第三相移，其在所述重组马赫-曾德尔干涉仪的所述两个光学传播路径之间施加，且等于正负二分之一π。

26、随后，所述以正弦方式随时间而变的第一相移分量和第二相移分量的所述共同频率确定所述发射脉冲的所述中心波长值与由所述激光发射源产生的所述初始激光辐射的波长值之间的差。对于具有i/q调制的这些实施例，重组马赫-曾德尔干涉仪和两个次级马赫-曾德尔干涉仪可由集成光路构成。

27、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：

28、-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；

29、-每一脉冲可为单色或准单色的；

30、-所述传输路径可进一步被配置成使得任何两个连续地发射的脉冲在光谱上不相交至少10mhz，优选地至少20mhz，且至多2000mhz；

31、-传输路径可进一步被配置成使得所述一系列脉冲重复脉冲的中心波长值的恒定序列。此外，在重复序列内与连续地发射的脉冲对相关的中心波长值之间的差可为恒定的；

32、-传输路径可进一步被配置成使得所述一系列的脉冲的不同中心波长值的数目在2与16之间(包含端点)；

33、-传输路径可进一步被配置成使得连续地发射的脉冲之间的持续时间在所述一系列脉冲的过程中变化。以此方式，可消除将受辐射脉冲在传输路径的光学组件上的反射阻挡的测量区域；以及

34、-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。