CN101268384B - 用于在飞行器上测量空气湍流且还用于机场和风力发电厂的方法和激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别是在飞行器上用激光雷达系统来测量空气湍流的方法，在该方法中，向一空间区域发射预定波长的脉冲展宽激光束(12)，并且接收从该空间区域背向散射出的光。在发射激光脉冲(L)之后的第一时间点t1和第二时间点t2处，测量背向散射光的横截面中的强度分布，并且根据这两个强度分布的比较来确定由时间点t1和t2所限定的测量场中的空气湍流。在照相机(21，22)的帮助下，记录了散斑图案的图像。评估单元(30)进行交叉关联，以便使该湍流变得可见并且将其显示在监视器(35)上。

Description

用于在飞行器上测量空气湍流且还用于机场和风力发电厂的方法和激光雷达系统
本发明涉及测量空气湍流的方法、测量空气湍流的激光雷达系统，以及飞行器，尤其是具有激光雷达系统的飞行器或直升机。
DE19502993A1揭示了一种用于在特定空间中通过使用具有预定波长的激光束测量三维流速的方法，其中将追踪粒子注入流，并且数次成功照亮被注入的流的薄片状可测腔体。所述重复照亮的腔体在一个投影方向上被投影到至少一个图像传感器上，以便记录所被照亮的腔体的图像，并通过被连续照亮的腔体被记录下的图像来确定三维流速。
在航空飞行中，大气中的空气湍流在机翼表面处流动的过程是非常麻烦的，因为它导致阻力增大且还导致气动升力有非常大的变化。用于避免或减小空气湍流的任何措施都需要及时地检测和测量空气湍流。
然而，例如在风力发电厂运行期间，测量风力条件和湍流条件也是很重要的。对于风力发电厂而言，发电的功效取决于使转子相对于本地风力条件和湍流条件作正确的布置。出于这些原因，对于风力发电厂有效且安全运行而言，特别重要的是，在建造之前就应该在不同的气象条件下对选定地点处的特征风场和涡度场进行精确的非接触型测量。使用气象测量站(且在某些情况下使用多普勒激光雷达系统)来测量这种空气数据，在目前看来，仍然被视为复杂、昂贵且不准确。
在机场，起飞或降落的飞行器所发出的湍流，即所谓的尾流涡流(wakevortice)可能对其后面飞行的飞行器的飞行行为产生相当大的影响。例如，尾流涡流的力和转矩使较小的飞行器漂移开或滚动。在许多情况下，发生过危急的飞行状态，在一些极端的情形中产生过事故。
在许多国家中，频繁使用的机场在其运行期间，尾流涡流也变为一个严重的经济问题。因为尾流涡流的强度和位置具有不确定性，所以国际民航组织(ICAO)规定起飞和降落之间的最小时间间隔(间隔时间)约为2到3分钟，这取决于前后飞行的飞行器的大小。另一方面，随着大型机场的交通量不断增大，期望将来起飞和降落次序能减小到1分钟以内。由此，急需一种解决方案，能在安全风险得到极大地减小的情况下引导飞行器穿过尾流涡流影响的区域。然而，这需要在能见度减小时以及各种条件都清晰时都能及时进行检测和测量。
尾流涡流是因机翼顶部和底部的不同气流在机翼边缘和翼端处的流动突然改变而产生的，尾流涡流的强度取决于飞行器的翼展和重量。在两翼后方的垂直平面中，以其长度的约2/3处为中心，尾流涡流产生了在相反方向上旋转的螺旋运动的空气转子，其直径的大小约为机翼长度的一半。在离开飞行器时，尾流涡流在高度方向上稍微向下漂移并且断成更小的涡流，直到几分钟之后它们将其全部动能以热的形式传递给周围的空气。横向的风和纵向的风使这些涡流作为一个整体移动，并且对其衰减有影响。来自引擎的废气在所有热空气、烟灰和水蒸汽之上混入尾流涡流并且部分地呈现与所述涡流相同的流动。例如，在平流层中，飞行器后方水蒸汽的浓缩痕迹上可看到尾流涡流。
尾流涡流是因气动升力产生的，因此，无论近期还是遥远的将来都不可能通过新机翼设计而被完全抑制。然而，其强度可以通过机翼上各种附加的气动措施而减小，例如，在气流离开机翼之后使其展开或部分地分开气流。
对于随后的飞行器而言，最重要的是，空气在两翼上的非对称移动以及突然的气动升力或靠近地面的顺风都是危险的。因此，必须预先测量这些空气移动，即从某一最小距离起沿着且横跨飞行轴以足够的空间分辨率进行上述测量。因为降落过程必须能在所有可能的天气条件下进行，所以在阴天(即能见度较差时)和晴天(即能见度未受阻碍时)情况下都必须能够检测和测量上述尾流涡流。
目前，在阴天情况下(即下雨、有雾或多云)，在几十海里的距离处，空气中悬浮的较大粒子的移动或水汽凝结体的移动(其直径都在10μm和几毫米之间)都是用扫描多普勒雷达来记录的。因此，机场或飞行器所安装的多普勒雷达设备可以检测阴天情况下像风切变或涡流这样的气流。可以把这种现象的存在传递或显示给飞行员，接下来飞行员可以按一安全距离绕着它们飞行。然而，在晴天情况下，厘米到毫米范围的雷达波长太长了，以至于无法检测剩余的更小浮质(例如，其直径在1个微米以内)的可用回波。出于该原因，在一些交通量很大的机场，尝试着使用其波长明显更短的(微米范围)多普勒红外线激光雷达。既然上述浮质的背向散射因其浓度不断变化且常常很小而可能是不定的甚至是察觉不到的，所以即使是非常小的气体分子的背向散射也作为目 标大小被用于UV多普勒激光雷达的检测。
已印刷的公报DE 103 16 762 A1描述了一种用多普勒激光雷达系统来获取风速的方法。在该方法中，发射设备向空间区域发射一激光束，并且接收到从该空间区域背向散射出的光线。为了确定多普勒频移，生成一干涉图，将其强度分别与参考图形进行比较，这些参考图形是先前针对定义好的参数来确定的。根据上述比较，多普勒频移被确定为上述风速的测量值。
地面安装的气象测量仪器或多普勒雷达以及多普勒激光雷达提供了机场处的风和涡流情况的综合概况。然而，这仅仅能向所有受影响的飞行器发布一般性的危急涡流情况警告，而不能考虑到对单个飞行器的危害。只有每一个飞行器都具有其自身的机载测量系统且该系统在所有天气条件下飞行时都能够及时检测其飞行路径上的各涡流并立刻评估其潜在危害，才有可能将来在所有机场缩短起飞和降落次序。
汽车中的多普勒雷达具有24GHz和77GHz的发射频率，能够在阴天情况下以小角范围检测驾驶员视野范围之外的固体障碍物。这是因为当与可见光相比时上述雷达辐射穿透薄雾的射程有所提高。然而，在这些频率处，大气并非完全透明的，相反，接收到来自薄雾自身的水汽凝结体的清晰信号，在这种汽车应用中进行了屏蔽。然而，从原理上讲，借助于也在移动的水汽凝结体，这种薄雾背景信号适于空气中的涡流移动进行检测和成像。这些雷达频率与一个特别的优点相关，即对于一般的交通而言它们被赋予国际无线电认可，由此，它们将特别适于在阴天情况下对来自飞行器的尾流涡流进行雷达检测。
交通工具雷达与另一个优点相关，即目前已经把它们制造得非常小巧和经济。如果将要扩展它们来实现用于飞行器的尾流涡流警告功能或用于飞行控制，则不得不在飞行器前方若干位置处垂直于飞行方向的更大区域中同时对空气移动及其距离进行成像。目前可以用相位耦合天线阵列在短时间内以很高的重复频率电子地实现飞行器前方更大的角度范围的扫描。目前，人们在努力进一步将这些小巧的雷达单元开发成在多云、大雨和雾等情况下用于尾流涡流识别的机载系统，其距离分辨率和横向分辨率都很好。然而，用于此类阴天情况的一种成功的未来雷达解决方案自身并不足以在飞行器运行期间可靠地检测涡流。这是因为，涡流在晴天情况下与在阴天情况下一样也是一种很大的危害。 因此，已努力用激光雷达来补充上述雷达，即在可检测到更小的空气粒子的光谱范围中进行额外的扫描。
然而，在干净的大气中进行测量的多普勒激光雷达不像多普勒雷达那样小巧。根据目前的技术，只能用低角速度的机械扫描仪来使其发射波束移动。这要求延长测量的持续时间，在该时间内飞行器和湍流沿测量的轴移动。既然测量值由此并非是以同步方式获得的，它们提供了在飞行器前方给定时刻的空气移动图像，该图像在时间上是失真的。在轴向上较低的速度分辨率是特别不利的，这是因激光雷达的脉冲重复频率较低而导致的(与雷达对比)，它无法通过对大量测量值求平均而进一步改善。
当与多普勒雷达相比时，多普勒激光雷达就其设计而言目前大体上非常复杂并且比较昂贵，因此，不适于安装在较小的飞行器上，而较小的飞行器才最易受到飞在前面的大飞行器的尾流涡流的危害。
已印刷的公报US 2003/0009268 A1描述了一种风湍流预报系统，用于测量三维气流的速度，该系统基于多普勒效应。在该安排中，飞行器发射一激光束，该激光束以锥形方式扫描一空间区域。通过光学系统接收从该空间区域背向散射出的光线，并且据此通过多普勒效应确定出该空间区域中的空气涡流的速度。
美国专利4,195,931描述了一种用于确定空气湍流的位置和强度的设备，其中脉冲激光束被发射到一空间区域，并且分析背向散射的激光。在该安排中，通过分光镜来确定接收到的光线的干涉图案。背向散射光的光谱与没有空气湍流时的标准光谱有关。
专利说明书DE 40 13 702 C2描述了一种用于获取大气中的湍流的方法和设备，在该方法和设备中，向选定的空间区域发射预定频率的激光束，捕获来自该空间区域的背向散射光并且使之与发射的光叠加。确定发射光频率与背向散射光频率之间的多普勒频移，并且根据所述多普勒频移来确定方向检测以及测量方向上的风速的范围。在该安排中，激光束被分成两个部分光束，其中第一部分光束被发射到上述空间区域，而来自该空间区域的背向散射光则与第二部分光束叠加。
美国专利6,184,981 B1揭示了一种发射和从目标处反射脉冲激光束的方法，其中将接收到的信号光谱与参考光谱进行比较。Irgang、Todd D.等人的文章″Two-channel direct-detection Doppler lidaremploying a charge-coupled device as a detector″(Applied Optics，第41卷，第6号，2002年2月20日)描述了一种双通道多普勒激光雷达，它包括作为检测器的CCD。在两个分开的通道中，激光雷达系统借助于来自浮质和分子的背向散射光来测量风的移动情况，其中一个通道的光被馈入另一通道。
本发明的目的是提出一种在晴天情况下检测湍流和尾流涡流的恰当的方法。
此外，将要陈述一种合适的测量系统，它可以是设计小巧的并且能以同步方式垂直于测量轴在更大区域(即在更大的角度范围中)中呈现空气的不均匀性和移动情况。该测量系统可应用于遥感勘测，即在限定好的更长距离处和有限的体积中进行测量。在这种安排下，测量应该对测量轴向上的任何移动不敏感。
该目的通过下列实现：根据权利要求1的空气湍流测量方法；根据权利要求13的激光雷达系统；以及具有根据权利要求23的激光雷达系统的飞行器。
在根据本发明通过激光雷达系统测量空气湍流的方法中，向空间区域发射预定波长的脉冲展宽激光束，并且接收从该空间区域背向散射的光线，其中在发射激光脉冲之后第一时间点t1和第二时间点t2处测量背向散射光横截面上的强度分布，并且根据这两个强度分布的比较来确定远处测量场中的空气湍流。通过使用本发明，有可能对晴天情况下的空气湍流和尾流涡流进行检测和成像。该方法特别适合于在飞行器上实现，以便在飞行过程中检测由飞在前面的飞行器所形成的任何尾流涡流，这些涡流位于飞行方向上限定的距离处。在这种安排下，由时间点t1和t2来决定测量场的距离，即由位于各距离处的空气层背向散射出的发射激光脉冲的渡越时间来决定。
在本方法中，所测量的不是轴向多普勒频移而是激光束的衰减，当穿透空气湍流和风进入混有细颗粒和粗颗粒的强度图案时，使用所谓的散斑图案。
有利的是，通过强度分布的各次测量，在背向散射光的横截面中检测到散斑(这是在激光脉冲从空气分子处背向散射的过程中产生的)，以便根据散斑图案的比较来确定空气湍流。换句话说，根据散斑的快照，可以检测并测量任何湍流。
较佳地，通过照相机以限定的曝光持续时间在两个时间点t1和t2处拍摄强度分布的图像，并且根据这些图像产生了测量场中的折射率变化的图像表示。换句话说，通过快速连续拍摄的两个图像，也有可能获得垂直于测量轴或视轴的空气移动。既然这些图像同时获取了由成像角确定的更大的区域，则不再需要耗时的扫描，并且在整个角度范围中横向空间分辨率和速度分辨率都很好。
将激光束(其横截面上的强度梯度最初是均匀的)分成粒状散斑图案，粒化作用或散斑是上述激光束的部分光束或基波穿过折射率不同的空气区域造成光程长度不一的结果。因主要辐射的相干性，从各种空气成分(比如分子和浮质)处散射的这些基波在它们之中是相干的。在该光束中从一个位置到另一个位置，这些基波的振幅和相位彼此相对地变化。最终，它们在空间中叠加起来以形成复杂的干涉场，其强度是空间分布不规则的。在诸如涡流和折射率结构的相关变化等空气移动过程中，也对干涉图案，即散斑，进行时空调制。
空气中的折射率变化主要由温度差异引起。在飞行器后方的尾流涡流中，因空气移动及其衰减产生了压力梯度和温度梯度。另外，在地面附近，空气中的温度梯度是因地表在白天被加热且在晚上被冷却而导致的，起飞或降落的飞行器的尾流涡流扰乱了这种温度梯度。此外，来自引擎的热废气(主要是水蒸气和二氧化碳)被混入湍流空气中。总之，在起飞或降落期间，在飞行器后方的尾流涡流中产生了结构化的温度场，它同时导致空气折射率呈不均匀分布。
按照一种与多普勒效应不同的方式，其中根据背向散射激光的轴向频率或波长移动可获得空气移动的横向速度分量，并且通过扫描更大区域上的湍流显示，在使用散斑的情况下，可以在更大区域上同步地使湍流所导致的折射率空间不均匀性成像，并且通过比较便可以获得在不同时刻的两个单独的散斑分布图像，其中对折射率或散斑图案的时间调制与空气移动的横向速度分量进行登记。对于所述散斑应用而言，散斑的统计分布大小和强度是重要的。由此，它们适于清晰地显示折射率分布的精细结构和粗糙结构。
在这一点上，根据本发明提出的测量系统中的折射率变化呈现与雷达和激 光雷达情况下的浮质相似的角色。它们都被用作空气所携带的标记物，同时其移动情况能够指出空气的移动情况。下文详细讨论根据本发明用散斑来测量湍流的方法。
在湍流随时间演变的Kolmogorov模型描述中(该描述现在已被人广为接收)，假定大气中的湍流(其所谓的“外”直径Lo长达几十或几百米)以级联方式随时间衰减(这是因空气的内部摩擦导致的)成更小的漩涡，同时不与周围有任何能量交换，直到最终它们达到最小尺寸Io，即所谓的“内”直径(几个毫米的大小)，此时小漩涡主要通过对流和扩散将其全部动能以热的形式传给环境。随时间推移，该过程使得在这些漩涡内形成了细粒状温度结构场，它仅仅因与周围空气进行热交换而缓慢地消失。
折射率n在很大程度上取决于温度T而非空气压力p的波动，其中可以忽略在光谱的可见范围中空气湿度的微小影响，其中：
n＝1+77,6×10-6(1+7,52×10-3λ-2)p/T
n＝1+79×10-6p/T和nd/dT＝79p/T2
其中p表示气压(单位是毫巴)，T表示温度(单位是开尔文)，λ表示波长(单位是μm，在所示的示例中λ＝0.5μm)。
根据位置，由所谓的折射率结构函数Dn(x，r)来表示随时间求平均的折射率变化：
Dn(x，r)＝<{n(x+r)-b(x)}2>
其中变量x和r表示三维空间矢量。
当距离矢量r的量值介于外直径Lo和内直径Io之间时，上述结构函数可以被表达成距离和折射率结构参数Cn 2(x)的函数，其中：
Dn(x，r)＝Cn 2(x)r2/3，Io≤r≤Lo，r＝|r|
折射率结构参数Cn 2是折射率波动的强度的测量值，其单位是[m-2/3]。在地面附近或在尾流涡流中，其值从湍流极弱的情况下的10-17变化到湍流非常强的情况下的10-12。Cn 2和温度波动之间的关联性可以表达成：
Cn 2＝Idn/dTI2CT 2＝(79×10-6(P/T2))2CT2
其中CT 2表示温度结构参数。根据本发明，涡流的场是由展宽的脉冲激光束测量的。对于距离r＝1m且Cn 2＝10-12m-2/3这种情况，作为粗略估计，在λ＝0.5μm处相位移动是10-6m即1μm或2π，即沿着展宽激光束的传播方向，根据理论的平均相位移动导致在具有整体统计分布相位移动的大量分波中形成了明显的散斑。
每当分波与最小湍流单元相遇时，每一次它们都是以大小为λ/Io＝10-4弧度的衍射角进行衍射的(例如，在λ＝0.5μm且Io＝5mm的情况下)，当通过延长的路径穿越该湍流场时，这会导致清晰的光束移动和光束扩展。
从空气分子和浮质散射少量辐射能，其中散射光的一部分会返回，即在发射器的方向上返回。然而，在展宽激光束的横截面上，背向散射光的强度并不规则，而是因散斑的形成，被分解成许多高强度和低强度的岛状物，这些岛状物反映出湍流空气中的折射率的空间变化和时间变化。
根据本发明，由此提出了通过测量激光雷达系统中共有的几何结构来对空间折射率不均匀性或散斑的横向梯度进行成像和测量，在测量几何结构的过程中，在相同的位置处安装了激光发射器和接收器。在这种安排下，拍下了来自大气的已发射的脉冲展宽激光束的背向散射的图像，并且其强度的空间分布和随时间的分布都得到评估。出于成像的目的，例如，可以使用电子照相机系统作为接收器，该照相机系统以固定的时间间隔对来自限定测量距离的已发射的展宽脉冲激光束中的背向散射光的三维强度梯度进行周期性地成像和评估。
测量最好是在后向方向上进行，即在反射中进行测量。此外，根据本发明，时间-分辨测量过程是较佳的，其中根据散斑场的成像或气流场的成像可获得离测量系统有一固定距离处的有限厚度的扩展测量区域。这样，通过散斑成像， 有可能在单独的“空气屏幕”中呈现出相当远的距离处的干净空气中可见的风场、湍流场和尾流涡流。
根据本发明用于测量空气湍流的激光雷达系统特别适用于飞行器并且包括：激光器，用于向空间区域发射预定波长的脉冲展宽激光束；检测器，用于在发射激光脉冲之后的第一时间点t1和第二时间点t2对来自该空间区域的背向散射光的横截面中的强度分布进行测量；同步化单元，它将检测器耦合到激光器以便在时间点t1和t2处引发上述测量；以及评估单元，它根据测得的强度分布的比较结果来确定空气湍流。
通过使用本发明的激光雷达系统，即使在晴天情况下也能够测量空气湍流和飞在前面的飞行器的尾流涡流。此外，本发明的激光雷达系统也可以被设计得非常小巧，使得它适于用在飞行器上。
较佳地，检测器被设计成用于确定在从空气分子处背向散射出激光脉冲时所产生的散斑的位置，而评估单元则被设计成特别适用于比较这些散斑图案以便根据它们来确定空气湍流。
有利的是，检测器包括至少一个照相机，它在两个时间点t1和t2处以限定的曝光持续时间拍摄强度分布的图像，其中评估单元根据这些图像产生测量场中折射率变化的图像表示。这样，就有可能使飞行器机组人员可以看到空气湍流。
根据本发明所描述的激光雷达系统使干净空气中的空气湍流的三维移动流能够被测量或看到。这是通过下列过程实现的：借助于被切换成与已发射的脉冲同步的电子照相机系统，拍摄脉冲展宽激光束的横截面中的背向散射光的图像，该激光束穿透该湍流并最终分解成散斑图案。
例如，该激光雷达系统也适用作固定的地面测量系统。在这种情况下，例如，可以有目标地监控机场的某些区域，比如，看起飞和降落的跑道区域是否存在尾流涡流或空气湍流。根据本发明，以足够的准确度测得了涡流的位置，使得飞行器的飞行员能够避开这些涡流。特别是，有可能将该测量系统耦合到飞行控制系统，使得当飞行方向上出现空气湍流时可以对飞行控制进行直接的干预。在这种情况下，飞行器也有可能直接遭遇尾流涡流。与汽车中的驾驶员辅助系统相似，在本发明的这种实施方式中，涡流对飞行移动的影响至少部分 地得到自动调整使得危急情况得以避免。
除了应用于空中交通应用以外，本发明也可以应用于其它测量任务，特别是在风力发电厂区域测量晴天情况下的气流和空气湍流。
在激光雷达系统的单站安排下，发射器或激光器以及接收器或检测器或照相机都位于同一位置，结果，可以从移动的测量装置，特别是飞行器上，实现空气湍流的测量。然而，在从地面进行测量的情况下，比如在机场或在风力发电厂的情况下，该单站安排与一个优点相关，即发射和接收光束可以在一个设备中对齐，特别在移动应用中这提供了显著的优点。
为了掌控这些新的关系，即发射器和接收器的新颖安排、离测量体积更大的距离以及测量设备的移动，本发明提出了下列设计。
发射光束最好与接收光束共轴地展宽，以便以瞄准的测量距离来照亮测量体积的更大区域，即具有更大的测量角，其中例如，照相机同时对测量体积的整个散斑场进行成像。这便不再需要对测量体积进行串行扫描。
作为大气不均匀性的结果，展宽的激光束沿整个行程累积地分解成大量单独的强度岛状物或客观散斑。对于一个在激光束旁边横向站立且朝着激光束看的观察者而言，横截面中的这些强度岛状物看起来像是整个光束之内的拉长的明亮细丝。如果整个光束入射到投影屏上，则散斑将看起来像是激光束横截面之内的粒状场，它随时间的变化将遵循横向空气移动。然而，既然不可能出于测量目的而建立投影屏，则本发明进一步提出使用大气本身作为投影屏，即使用来自限定厚度的空气屏的背向散射。既然照相机的快门速度也非常快，则以快照形式拍摄散斑的移动流。
例如，照相机被布置成沿着展宽脉冲激光束的轴向。照相机的快速的快门速度也可以用于将这种在设定距离处限定厚度的“大气投影屏”确定为散斑的“光回波墙”。在脉冲的某一渡越时间之后，其中该渡越时间或脉冲对应于离该墙的光程的两倍，照相机快门被打开并且短暂时间过后就被关闭，其中曝光间隔对应于反射墙的厚度。对于每一个脉冲，不仅在到反射屏的向外的路径上，还在从该墙到接收器的返回路径上，都拍下散斑强度的瞬时图像。另外，作为光折射和光学接收系统的成像的结果，所谓的主观散斑出现在照相机及其成像孔径的前方，这些主观散斑被叠加在照相机的图像中的客观散斑上。
在干净的空气中，单一散射过程是主要的，即倍增-散射光子这一部分如此之小以至于在背向散射中可以忽略。仅仅在浮质密度相当大的情况下(即雾或云中)，与浮质有关的倍增-散射光子这一部分才可能在延长的行程上看得到(即仅仅沿着几十米)。在本文档所考虑的测量方法中，这意味着，在几米的薄层中大气通过倍增散射来反射光线，以便作为一类背向散射扩散屏在没有横向增宽的情况下进行片状照明。因此，这些薄大气层可以被用作一类用于反射图像的投影屏，在回到投影仪的方向上，没有因横向散射而使对比度明显减小。因为空气背向散射的能力非常有限，所以当与实体投影屏上的图像相比时，这些来自大气的背向散射图像非常弱。然而，借助于商用激光器的脉冲短波激光辐射和典型的脉冲能量，有可能从覆盖了几百米距离的延长的层中获得有用的信号。下文对此进行详细描述。
如上所述，大气客观散斑是通过下列过程产生的：原始均匀激光束沿其传播方向逐渐分解成多个强度散斑，即通过分波干涉而分解成较强的强度调制，这是因空气中的折射率变化导致的，并且使浮质在整个光束横截面上分散开。散斑的强度调制和大小都是统计分布的；它们取决于此时主要气象条件下的折射率-湍流-结构参数Cn 2。该参数同时受到涡流中的压力差异和温度差异的影响，其中温度对折射率的影响更大，就像上文所提到的那样。在相对静止的空气中，散斑的平均直径do是do＝(λz)1/2，其中λ表示激光波长，z表示离激光源的距离。在λ＝0.267μm且z＝100m的情况下，平均直径将是do＝5mm，但因其统计大小分布，将会预计到特别大和特别小的散斑都会存在。
在脉冲激光束离开激光雷达之后，在光束横截面上方预定的距离处散斑已形成到预定的层，该散斑变得可见，这是因为空气分子的均匀背向散射特性所致，没有干涉横向放大，作为客观散斑成粒，即作为该层处的背向散射中明显的强度分布。可以用附在接收望远镜后面的照相机对所述散斑成像。在成像因子为典型的1/100且散斑的原始平均直径为5mm的情况下，其在望远镜的焦平面中的直径是50μm，这对应于CCD照相机的典型像素直径(即10μm)的五倍。
除了客观散斑以外，在接收孔径自身处出现了统计分布的波干涉，这种波干涉形成了其直径下限值ds＝1.2λf/D的主观散斑，其中D表示接收孔径的直 径。在λ＝0.267μm且接收光学系统的F-值为F＝f/D＝10时，ds等于3.2μm或者等于远处浮质的图像。然而，对于主观散斑这种情况，这是下限值，其中更大的散斑出现的频率更高。总之，它们比客观散斑要显著小很多，因此对于图像评估而言并不重要。
为了仅从确定的测量距离拍摄散斑的图像，图像-拍摄照相机最好包括一时间间隔电路，它仅在所发射的激光脉冲的渡越时间之后才对光线进行成像，并且在短暂的间隔之后再次关闭。这种通过脉冲渡越时间测量的距离设定方法使得选通观看，即时间-受限图像，成为可能，所述时间-受限图像是在测量位置处记录的、或对来自可通过脉冲渡越时间设置的固定距离处的沿光轴限定好直径和厚度的空气盘的背向散射或回波进行成像的。
根据是否将要获取此时湍流中的折射率或温度的不均匀性或其速度分布，本发明最好包括两个不同的方面：A同一时刻沿相同的测量轴在不同的位置处测量散斑图像；以及B在限定的短暂时间间隔处像A中那样两次测量散斑图像。在A中，获取折射率梯度Δn/Δr(x，y)，在B中获取其随时间的变化Δn/ΔrΔt(x，y)。
根据本发明的第三方面C，作为将散斑用作此刻对空气湍流或空气移动进行成像的测量探针的替代方案，可以使用空间调制激光束(结构化的激光)。在这种安排下，除了散斑测量以外或者作为散斑测量的替代方案，可以用两个脉冲和两次曝光来显示折射率变化Δn/Δr(x，y)及其随时间的变化Δn/ΔrΔt(x，y)。
下面，参照附图以示例方式来描述本发明，其中
图1示出了根据本发明第一较佳实施方式用于测量空气湍流的激光雷达系统；
图2示出了根据本发明第二较佳实施方式用于测量空气湍流的激光雷达系统；
图3示出了根据本发明第三较佳实施方式用于测量空气湍流的激光雷达系统；
图4示出了涡流结构的图像表示，该图像表示是用本发明的方法和本发明 的激光雷达系统产生的，其中因飞行器自身的移动导致了径向图像失真，该飞行器携带了上述测量系统；
图5示出了一种全息分束器，它根据本发明的较佳典型实施方式将测量光束分成单独的分立的测量光线；以及
图6示出了在涡流结构上分立的圆形测量场的典型覆盖图。
图1示出了根据第一较佳典型实施方式用于获取并测量空气湍流的激光雷达系统100。根据本发明的激光雷达系统包括激光器10，它借助于由透镜装置11a和偏转镜11b构成的光学系统11而向空间区域发射预定波长的脉冲展宽激光束12。使用检测器设备21、22来测量从上述空间区域背向散射出的光的横截面中的强度分布，其中测量是在发射激光脉冲L之后的第一时间点t1和第二时间点t2处进行的。同步化单元25将包括两个检测器21、22的检测器设备耦合到激光器10。同步化单元25控制检测器21、22，使得在每一种情况下测量都在发射激光脉冲L之后的两个时间点t1和t2处进行。评估单元30比较由检测器21、22测得的强度分布，以便根据该比较来确定任何空气湍流。评估单元30电子地耦合到图像表示系统或监控器35，以便将以这种方式确定的空气湍流作为一图像予以呈现。
在上述测量过程中，发射激光脉冲L，其中激光脉冲L沿其路径穿透空气并且在这样做的过程中被空气分子和浮质散射。图2示出了两个测量体积V1和V2，它们沿着共同的光束轴S并且在空间上彼此分开。借助于接收望远镜23和分束器24，从两个测量体积V1和V2处背向散射出的激光到达检测器21或22。在发射激光脉冲L之后的时间点t1处确定第一测量体积V1的距离z，在时间点t1处通过检测器21来检测背向散射光。在发射激光脉冲L之后的时间点t2处确定第二测量体积V2的距离，在时间点t2处通过检测器22来检测背向散射光。
用于记录检测器21、22的照相机是用于记录来自测量体积V1和V2的散射信号的照相机。在所示的示例中，使用了两个完全一样的图像放大器照相机，它们与分束器共用一个共同的图像拍摄轴，所述照相机的曝光次数由时间间隔电路来设置，为的是与激光脉冲的发射同步，使得所述照相机记录沿着光束轴 S来自空间分离的测量体积V1和V2的光信号。通过用两个单独的照相机来拍摄图像，来自不同测量体积V1和V2的散射信号可以在时间上保持分离，虽然激光脉冲L到达第一或第二测量体积并返回的渡越时间是极短的。然而，也有可能使用单个照相机，其速度足以分离来自两个一前一后放置的测量体积V1和V2的散射信号。
在图1所示的示例中，激光器10是单脉冲激光器，它使用脉冲持续时间为Δτ的激光脉冲L。
在所示的示例中，CCD图像放大器照相机被用作检测器21、22，每一个照相机包括其形式为多通道板26(MCP)的上游图像放大器。MCP 26执行两个任务。MCP的第一个任务是：在光电流接下来到达磷光体屏幕(此处它通过CCD阵列对齐)之前，先利用光电倍增管的原理对来自微通道所构成的板中的光阴极的光信号的弱光电流进行放大。MCP 26的第二个任务是：通过在发射激光脉冲(t＝0)之后的时刻t1＝2to时切换其放大器电压，来切换照相机21以接收背向散射信号，并且在t1ε＝2(to+σt)之后再次切换它使其关闭。
与上述相似，第二照相机22的MCP 26切换以便在t2＝2(to+Δt)时进行接收并在t2e＝2(to+Δt+σt)时再次将其关闭，其中2×Δt表示两次拍摄图像之间的时间间隔，并且2×σt表示两个照相机21、22各自完全一样的曝光持续时间。在光速为c时，在厚度σz＝cσt处，Δz＝cΔt是两个测量层的距离。
在脉冲渡越时间2(to+σt)和2(to+Δt+σt)之后，两个CCD照相机21、22的图像1和2现在显示出散斑，它们是沿着测量路径生成的。它们包括：到背向散射层V1和V2并返回的路径上的客观散斑；以及接收系统的主观散斑。在这之后，进行这两个图像之间的交叉关联(在最简单的情况下即相减)。其结果仅是沿着两个层V1和V2之间的测量场的折射率变化的图像表示，例如，它包括涡流。既然沿共享的渡越路径的大气影响是完全一样的，则在交叉关联过程中都不考虑它们，使得只有这两个层之间共享部分的影响才保留下来。
如上所述，该折射率变化基本上反映了湍流的温度不均匀性。然而，既然 这种湍流是从移动的空气的动能中连续生成的并且同时因热扩散和对流而再次从涡流中消失，则该温度场充当一量规以便表明该湍流仍然存在的结构。
在时间间隔为τ时，使用周期性发射的激光脉冲(比如10Hz)，有可能在飞行器降落速度为典型的100m/s的情况下获得间隔为10m的湍流截面图像。在照相机的典型切换时间为2xσt的情况下，大气投影屏的厚度将是σz＝3m。在这种情况下，选定V1和V2之间的层距离使之等于飞行器在两次脉冲之间飞行的距离Δt＝10m。然而，应该理解，所有参数(比如测量时间σt、激光脉冲之间的时间T以及用照相机拍下两个图像之间的时间间隔2×Δt)都可以在一定的边界之内按意愿选择，并且可以匹配于飞行器速度、预期的涡流速度以及期望的测量分辨率。
图2示出了根据本发明第二较佳实施方式的激光雷达系统200，通过该实施方式有可能呈现出涡流随时间的演变。换句话说，不仅有可能显示此刻空气的不均匀性(即在时间上冻结)，而且还有可能获得湍流空气的速度场的直接图像。图2所示的激光雷达系统的组件和元件若与图1所示系统中的组件和元件具有基本上相同的功能，则将具有与图1相同的标号。
在图2所示的激光雷达系统中，不再使用单个激光脉冲，在每一种情况下，按时间间隔στ来发射脉冲对。市场上可以买到发射这种双脉冲的激光器，其时间间隔是可调节的(比如1-30ms，通常是两个同步Q开关激光器)。也可以买到相应的图像放大器照相机，它们以非常短的可变时间间隔来拍摄并存储两个图像。
在这种安排下，检测器21、22被设计成双曝光照相机或时间-流逝照相机，并且激光器10被设计成双脉冲激光器。
在将双脉冲激光器10与双曝光照相机或时间流逝照相机21、22组合起来的情况下，通过第一激光脉冲L，可以对来自测量体积V1和V2的图像1和2进行第一交叉关联，接着对用第二激光脉冲L′拍摄的来自相同的测量体积V1和V2的图像1′和2′进行交叉关联。根据如此获得的湍流移动在不同时刻的两个图像，在散斑的第二次关联移动之后，便显示出了空气移动中的速度。例如，如果两个脉冲的时间间隔是1ms且涡流中的空气速度是50m/s，则散斑将移动50mm。在成像比率为1/100的情况下，这对应于在像素间距为10μm时照相 机的焦平面中的500μm的移动。
使用相关器31对用第一脉冲L所拍摄的图像1和2进行关联，而使用相关器32则对用第二脉冲L′所拍摄的图像1′和2′进行关联。使用另一个相关器33进行第二阶段的关联，其中通过对相关器31和32的输出信号的关联确定了空气移动的速度。
散斑移动随时间的呈现过程与一个优点相关，即同时在该图像中显示出飞行器的测量轴的移动。在两个脉冲之间的时间间隔是ΔT＝1ms时，在飞行器速度是v＝100m/s的情况下，它向前移动0.1m。在与该轴的偏移角为
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 ＝1°时，相关的测量点已从上述移动轴径向地移动了σr＝τvtg＝1.7mm，或者在成像比率为1∶100的情况下在照相机平面中移动了17μm，这对应于像素直径的1.7倍。根据来自该移动中心的视觉流，通过一系列测量，便获得了飞行器的冲击角和倾斜角(被投影到测量层上)，如图4所示，这对飞行控制特别有益。
若不使用双曝光照相机或时间-流逝照相机，则可以选择使用四个单独的照相机，其中两个照相机在每一种情况下拍摄激光脉冲的背向散射光信号的图像，并且借助于分束器使所有照相机处于共享的光轴中。
在图1和2所示的实施方式中，使用直接的激光束作为测量光束。在激光的横截面上，所述测量光束可以具有平滑的强度梯度，比如具有高斯分布的基模。然而，强度分布可以分解成更高阶的横模，并且可能随脉冲的不同而变化。在第一种近似的情况下，这并不影响所提出的方法，因为在散斑图像与来自不同距离的同一激光脉冲的关联过程中抵消了这种附加的强度调制。作为上述关联过程的一部分，只有散斑变化这一部分仍然保留在有差别的距离上。
图3示出了激光雷达系统300，其中产生了测量光束S，在它离开激光雷达时借助于空间调制器50对其横截面强度梯度进行统计地调制。在这种安排下，激光器10向微显示器51发射光线，微显示器51受到随机图像发生器52的控制以便引起激光束S的统计调制。其余的标号指定上文结合图1和2已描述过的组件和元件。
以一种与上文图1和2的典型实施方式相似的方式，确定背向散射激光的调制图案中的图像移动并且用作湍流中的光束偏移的测量值。如图1和2的示 例情况那样，以这样一种方式，有可能选择性地获取此时的空气扰动或者获取此时的空气移动。图3所示实施方式的使用特别适用于下列情况：其中在穿过湍流之后形成的散斑并不非常显著，例如，当使用在时间上相干长度非常短的宽带激光源(比如飞秒激光器)时，或者当使用在空间上被延展得很厉害的激光源时，比如在光束穿过光纤束或扩散屏之后。
在所示的实施方式中，对于激光雷达系统的光学设计而言有各种各样的选择，其中涉及到脉冲能量、脉冲间隔、发射光束直径、激光发射器的发射光束散度、接收望远镜的孔径直径和焦距、以及照相机的像素个数和像素直径。还可以选择使用可变焦距的变焦透镜，以之作为发射和接收望远镜。
既然测量透镜或各个涡流几乎都是旋转对称的并且涡流对是轴向反对称的，则没有必要对没有任何间隙的涡流的整个横截面区域进行成像。相反，如果在横截面上仅对各个部分区域(比如特定数目和直径的测量圆圈)进行成像，则已足够了，这导致节省了相当大的激光脉冲能量。
为此，根据本发明的特别设计，如图5所示，借助于全息分束器或透射光栅51，将测量光束分成多个分立的测量光束，它通过衍射将入射激光束分成许多完全一样的部分光束，没有它将导致显著的总体损耗。构成测量体积的大气层V接下来散射或反射这些部分光束。如图6所示，将一光束分成4×3个光束将导致对照相机的焦平面中总共64×48个像素进行照明，例如，该照相机包括总共640×480个像素。在将变焦透镜用作接收望远镜的情况下，根据焦平面中的设置，将对测量圆圈进行不同地成像。此外，将有可能根据测量距离针对不同个数的测量圆圈来改变全息分束器51。
本发明的先决条件是：展宽的脉冲激光束的光信号(这些光信号是从大气中背向散射出的)的强度是足够大的，以允许照相机对预定测量距离处限定的空气层的散斑拍摄图像。下文将显示这一点。
背向散射是从空气分子和浮质处发生的，其中对于散斑成像而言，分子散射因其连续性而更为重要。分子散射的强度随波长缩短而正比地增大，即按λ-4 来增大，浮质散射的强度则按λ-1.3正比地增大，即以可能的最短波长(即UV光谱中的波长)对散射进行成像是更有利的。既然适用于本申请的、图像增强的多通道板CCD照相机的光阴极的量子效率也非常高(30-40％)，则建议使 用230-400nm UV范围中的激光波长。考虑到当今的技术，例如，出于该目的，可以考虑波长为266nm和355nm的四倍频或三倍频ND:YAG激光器。
低于400nm的波长提供了另一个优点，即在这种情况下，激光安全规则准许脉冲能量比波长大于400nm的情况高大约104。在大约220nm到295nm的波长范围(Hartley波段)中，有另一个优点，即太阳能辐照因海拔25-50km处臭氧层的吸收而下降到微小的水平(太阳能盲区)，虽然很难阻止超过几百米的大气的透射，这显著地促进了在强太阳能背景下对非常弱的激光信号的测量。
接收到的背向散射的光子的个数NP取决于发射的NO、体积背向散射系数β、大气阻尼系数α、接收望远镜的距离z和孔径表面A、激光雷达系统的透光率To，它可以通过下列已知的激光雷达公式来计算，其中c表示光束且τ表示测量的持续时间，
NP＝No(CT)βA/z2To exp(-2o/2αdz)
或者在No＝Eo(λ/hc)时，与脉冲能量Eo有关的照相机的光电子的个数NE可以用下列公式来计算，其中h表示普朗克常量，λ是波长，Q是光阴极的量子效率，
NE＝Eo(λ/hc)(CT)βA/z2To exp(-2o/2αdz)Q
下面，列出了根据本发明在激光雷达系统应用领域中的一些设计示例和数值示例。
β＝2.5×10-5m-1sr-1，在λ＝0.266μm时地面附近的大气的分子体积背向散射系数
z＝100m，到测量体积的距离
A＝3×10-2m2，具有D＝20cm的孔径的接收望远镜的孔径面积
τ＝10ns，在层厚度为cτ＝3m时的测量持续时间
To＝0.4，作为光学系统的总透射率
Q＝0.3光阴极的量子效率
exp.()＝0.8，长达100米测量距离的大气的透射率
Eo＝1mJ
N＝2×104，激光脉冲能量的每一毫焦对应的光电子个数
在像素个数为64×48且脉冲能量为50mJ的情况下，将有325个光电子来照亮单个图像像素，这作为平均像素照明度已足够了。在其它实际情况下，这些数值可能与此处假定的数值显著不同。
在可快速切换的和灵敏的照相机组合起来的情况下，较佳地，将使用UV光谱和可见光谱范围中的激光器。为了产生其持续时间为5-20ns的典型激光脉冲，目前固体激光器是最适合的，例如ND:YAG激光器，其基波为1064μm，在可见光谱中倍频发射0.53μm以及在UV光谱中三倍频发射0.355μm或四倍频发射0.266μm，同时相应选择市场上可以买到的照相机的光阴极材料。市场上也能买到此类双脉冲激光器，它可以从1到20ms对脉冲间隔进行连续设置。
在风力发电厂和机场的地面上测量湍流场，或者从飞行器上且链接到飞行控制系统的情况下测量湍流场，通常这都是在测量距离为50-200m的情况下进行的。可以假定所要求的测量距离通常为100m；为了照明一区域，激光束必需的展宽是几度；所期望的测量体积的轴向长度是3m(对应于10ns的测量持续时间)；激光器的脉冲重复频率和照相机的图像次序频率是10-20Hz。空气涡流中的速度的期望测量分辨率大约是1m/s；典型的图像分辨率是VGA格式或640×480像素，同时照相机的像素直径是10μm。
用于展宽激光束的发射望远镜和用于接收来自大气的背向散射光的接收望远镜在使用时其光轴相互平行，这在激光雷达系统的情况下是平常的。数值计算和测量的结果显示出，例如，对于100×100像素数而言，在干净的大气中每一个脉冲相应的发射光束的脉冲能量是20-100mJ就足以确保在背向散射的图像中有足够的信噪比。
为了实现更长的范围，例如，超过1000m(距离从100m增大到1000m就等同于信号强度的减小因子为100)，例如，可以增大脉冲能量，或者测量持续时间，即背向散射层的厚度，可以相应地选择为更长。对于更长的范围，也有可能显著地减小被照明的像素的个数。
在接收望远镜的成像比率为1∶100时，100m距离处的像素大小是1mm， 在1m/s且从一个图像到另一个图像的脉冲间隔是1ms的情况下，粒子的路径是1m/s×10-3s＝1mm或1个像素，与之相比，散斑大小为5mm。在100m距离处，孔径直径为20cm且焦距为1m的典型的接收望远镜的场深度约为20m，它可以包括所有典型涡流的轴向范围，使得后者可以被包括而无需重调望远镜的焦距，并且仅由照相机的接收区域的时间移动包括，在静止的情况下，其纵向分辨率为3m。既然飞行器的典型起飞速度和降落速度大约是100m/s，则在激光器的每两个脉冲之间和照相机成像期间，该飞行器大约向前移动3m。在这种情况下，将有可能实现与静止情况相同的条件，不同之处在于，照相机曝光没有随脉冲的不同而有时间移动。
本文所提出的所有测量方法具有一个共同的特征，即在每一次测量过程中，在不同时刻从限定的测量体积来测量某一状态中的区域-定形变化。在静止的激光雷达系统的情况下，这没有提出特别的问题。在这种情况下，在固定的脉冲渡越时间处的测量位置被固定了，并且两次拍摄图像之间的时间间隔可以用具有可设置时间间隔的两个脉冲来设置。既然飞行器中的激光雷达系统自身在移动，则必须确保下列两点：不管拍摄图像之间的时间差异，获取相同的测量体积；以及不管飞行器自身的移动，对单独的测量造成的任何可能的影响仍然最小。
根据特定的方面，本发明描述了一种用激光雷达系统来获取并测量空气湍流的方法，在该方法中，向一空间区域发射了预定波长的脉冲展宽激光束，并且接收到从该空间区域背向散射的光，其中在激光束穿过大气的确定的渡越时间之后，在特定的曝光持续时间内用照相机拍摄激光束横截面中的强度分布的图像，这之后评估该强度分布。
较佳地，通过将原始未受打扰的激光束分解成空气湍流中的散斑，来评估强度分布。
有利的是，先前在激光雷达中调制过其强度分布的激光束在空气湍流中受到额外的影响之后得到评估。

Claims (25)

1.一种通过激光雷达系统来测量空气湍流的方法，在该方法中，向一空间区域发射预定波长的脉冲展宽激光束(12)，并且接收从该空间区域背向散射出的光，其特征在于，发射激光脉冲，且在发射激光脉冲(L)之后的第一时间点t1和第二时间点t2处测量背向散射光的横截面中的强度分布，并且根据这两个强度分布的比较来确定由时间点t1和t2所限定的测量场中的空气湍流，其中通过强度分布的各次测量，在背向散射光的横截面中检测在激光脉冲(L)从空气分子和浮质处背向散射期间所产生的散斑，并且根据散斑图案的比较来确定空气湍流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法适用在飞行器上。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过照相机(21，22)按限定的曝光持续时间在两个时间点t1和t2拍摄强度分布的图像，并且根据所得的图像来产生测量场中的折射率变化的图像表示。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，进行强度分布的交叉关联以便将测量场中的折射率变化作为图像予以显示。
5.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，周期性地确定多个激光脉冲(L)以便按限定的时间间隔来实现多次测量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在飞行器上实现所述方法，其中依据飞行速度来选择所发射的激光脉冲(L)的脉冲频率，使得在飞行器前方限定的距离处确定空气湍流。
7.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，与每一个激光脉冲(L)一起还发射另一激光脉冲(L′)以便形成双脉冲，其中根据激光脉冲(L，L′)的每一个来确定测量场中的空气湍流，并且通过两个测量的关联来确定空气湍流中的空气移动速度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对于双脉冲中的每一个激光脉冲(L，L′)，在发射各个激光脉冲(L，L′)之后的时间点t1和t2处拍摄强度分布的图像，其中通过这些图像的双倍关联来呈现空气湍流中的空气移动速度。
9.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，所发射的激光束(12)在其横截面上按其强度梯度进行调制。
10.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，所发射的激光束(12)被分成许多部分光束，用于在展宽的激光束内形成测量圆圈。
11.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，使用双脉冲激光器(10)来产生激光束(12)。
12.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，使用至少两个照相机(21，22)，以便在发射激光脉冲(L)之后的时间点t1和t2处拍摄强度分布的图像。
13.一种用于测量空气湍流的激光雷达系统，所述系统包括：
激光器(10)，用于向一空间区域发射预定波长的脉冲展宽激光束，
其特征在于，还包括
检测器(21，22)，用于在发射激光脉冲(L)之后的第一时间点t1和第二时间点t2处测量从所述空间区域背向散射出的光的横截面中的强度分布；
同步化单元(25)，用于将检测器(21，22)耦合到激光器(10)以便在时间点t1和t2处引发测量；以及
评估单元(30，31，32，33)，所述评估单元根据测得的强度分布的比较来确定空气湍流；
其中所述检测器(21，22)被设计成用于确定当激光脉冲(L)从空气分子处背向散射时所产生的散斑的位置，并且所述评估单元(30，31，32，33)被设计成用于比较散斑图像以便根据它们来确定空气湍流。
14.如权利要求13所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统适用于飞行器。
15.如权利要求13所述的激光雷达系统，其特征在于，所述检测器(21，22)包括至少一个照相机，它在两个时间点t1和t2处按限定的曝光持续时间拍摄强度分布的图像，其中所述评估单元(30，31，32，33)根据所得的这些图像产生测量场中的折射率变化的图像表示。
16.如权利要求13-15中的任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述评估单元(30，31，32，33)被设计成对所述强度分布进行交叉关联操作，以便将时间点t1和t2所限定的测量场中的折射率变化显示成一图像。
17.如权利要求13-15中的任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光器(10)被设计成发射多个激光脉冲(L)以便按限定的时间间隔进行多次测量。
18.如权利要求17所述的激光雷达系统，其特征在于，它被设计成用在飞行器上，其中依据飞行速度来选择所发射的激光脉冲(L)的脉冲频率，使得可以确定在飞行器前方限定的距离处的空气湍流。
19.如权利要求13-15中的任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，激光器(10)是双脉冲激光器，它在发射每一个激光脉冲(L)的同时还发射另一个激光脉冲(L′)，其中所述评估单元根据每一个激光脉冲(L，L′)确定测量场中的空气湍流，并且通过两次测量的关联来确定空气湍流中的空气移动速度。
20.如权利要求19所述的激光雷达系统，其特征在于，对于双脉冲中的每一个激光脉冲(L，L′)，在发射各个激光脉冲(L，L′)之后的时间点t1和t2处拍摄强度分布的图像，其中通过这些图像的双倍关联，所述评估单元(31，32，33)呈现空气湍流中的空气移动速度。
21.如权利要求13-15中的任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括空间调制器(50)，它在所发射的激光束(12)的横截面上按其强度梯度对其进行调制。
22.如权利要求13-15中的任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括全息透射光栅(51)，用于将所发射的激光束(12)分成许多部分光束。
23.如权利要求13-15中的任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述检测器(21，22)包括至少两个照相机，以便在发射激光脉冲之后的时间点t1和t2处拍摄强度分布的图像。
24.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器包括如权利要求13-15中的任一项所述的激光雷达系统。
25.如权利要求24所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器是飞机或直升机。
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