CN101849196A - 基于半导体激光器和放大器的相干激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及体积小、可靠和成本低的相干激光雷达(光探测和测距)系统及其相关方法，该系统用于基于全半导体光源确定远程风速、颗粒浓度和/或温度。本发明提供了一种相干激光雷达系统，所述系统包括半导体激光器，所述半导体激光器用于发射导向测量体积的电磁辐射的测量光束，以照射测量体积中的颗粒；基准光束产生器，所述基准光束产生器用于产生基准光束；检测器，所述检测器用于通过将基准光束与从由测量光束照射的测量体积中的颗粒发射的光混合来产生检测器信号；以及信号处理器，所述信号处理器用于基于检测器信号来产生与颗粒速度相对应的速度信号。

Description

基于半导体激光器和放大器的相干激光雷达系统
技术领域
本发明涉及体积小、可靠和成本低的相干激光雷达(光探测和测距)系统及其相关方法，该系统用于基于全(all)半导体光源确定远程风速、以及颗粒浓度和/或温度的确定。
背景技术
相干激光雷达系统对于在远处位置确定视线风速来说是具有吸引力的系统。基本的原理涉及多普勒频移，即当浮质被相干激光器的光照射时，产生来自浮质的背散射光。在假设浮质的移动接近地类似于气流的条件下，测量到的多普勒频率可以用于计算与其成比例的风速。
不仅诸如水滴、灰尘等的浮质能够提供多普勒频移的背散射信号，而且单颗粒也可以提供多普勒频移的背散射信号。
连续波(CW)相干激光雷达依靠激光的聚焦特性来限制实际的测量体积。测量体积的宽度由聚焦区(即，共焦区)中激光光束的直径来限制。沿着光轴的测量体积的长度近似地由聚焦的激光光束的瑞利(Rayleigh)长度限制。对于在离CW激光雷达系统100米的距离处被聚焦的CW激光雷达，根据波长和聚焦的光学器件(望远镜)，测量体积的宽度通常大约为1厘米并且测量体积的长度大约为10米。对于脉冲系统，测量体积的宽度与CW激光雷达情况相同，但根据发射脉冲的空间长度给出测量体积的长度。
相干激光雷达的基本原理可追溯到超过35年以前，参考来自1971年7月的《应用光学》的第7期第10卷的CM.Sonnenschein和F.A.Horrigan所著的“从大气中的外差背散射的同轴系统的信噪比关系”，(“Signal-to-Noise Relationships for Coaxial Systems that HeterodyneBackscatter from the Atmosphere”，Applied Optics，Vol.10，No.7，July1971，CM.Sonnenschein and F.A.Horrigan)。传统上，这些应用例如在大气物理领域已经具有科学价值。但是，当前，激光雷达已变得越来越与实际工业应用相关。一个这样的例子用于控制风涡轮机。需要更高的效率迫使风涡轮机工业在过去几十年中持续增加翼展，以提高在每台安装的风涡轮机中获取电能方面的性能。然而，增加的翼展导致由强风和特别是由风涡流施加的相当多的机械负载。体积小、坚固并便宜的用于预测数十米的逆风风速的相干激光雷达装置将可以用于优化和保护风涡轮机。可以用实际风速测量时间和风实际到达风涡轮机的时间之间的时间延迟来保护翼的负荷，例如，通过改变翼的倾斜度(pitch)。另一例子是检测着陆的飞行器产生的涡流。飞行器着陆(或起飞)的频率主要由安全裕度确定，以便确保由前面的飞行器产生的涡流没有危害。使用相干激光雷达来监测涡流使安全期缩短，因此增加运输强度并且由此增加了机场的容量。
妨碍激光雷达广泛使用的因素是成本、功耗、尺寸及坚固性。当前商用的激光雷达系统成本大致为200,000美元的成本水平，这将许多要利用它的应用排除在外。在离其较远的地方使用激光雷达系统(例如，离岸风涡轮机园区)需要的操作是长期极少维护或者不维护并且功耗较低的操作。
《应用光学》第6期第40卷由Micheal Harris，Guy N.Pearson等人所著的“1.55μm单颗粒激光多普勒风速和风向测定”(“Single-Particlelaser Doppler anemometry at 1.55μm”，Applied Optics，Vol.40，No.6，byMichael Harris，Guy N.Pearson et.al.)中公开了一种用于测量风速的CW激光雷达系统。速度的视线分量由测量到的大气中小颗粒散射的光的频移来确定，前提是假设以与风相同的速度掠过。通常通过外差检测来方便地测量频移，在所述外差检测中，接收到的背散射光与基准本地振荡器光束混合。接着从得到的拍频推论出风速。激光器包含工作于1.55μm波长的半导体激光光源，所述激光光源由在主控振荡功率放大器(MOPA)构造中的掺铒光纤功率放大器放大到大约1瓦特。主控振荡器是扩展腔In/P激光器，并且通过延迟的自外差方法测量到其线宽大约为20kHz。
市场上也存在商用的CW相干激光雷达产品[Quinetic]。这种系统使用二极管泵浦的光纤环振荡器后接二极管泵浦的掺铒光纤放大器在1.55μm处获得合适的光束。
尽管术语“外差检测”经常与光学干涉测量结合使用，但本公开中使用的术语“零差检测”表示从在调制过程(即，被目标散射)之前由与信号光束相同的源获得基准光束(本地振荡器)。
因此，如上所讨论的，需要成本低并且坚固的相干激光雷达系统打开新的工业应用。
当前相干激光雷达系统中最贵最复杂的组件是激光器组件。由于浮质的背散射系数非常低(～10-12)，导致需要精确的检测方案，这种方案主要依赖于高质量、高功率的相干光源。来自激光器器件的CW输出功率应该大约为1瓦特，以便获得被检测到的足够的背散射光。零差检测技术首先要求光源的相干长度必需为到测量体积的距离的两倍，例如，对典型的风涡轮机应用而言为200米。这与相对于大约200THz的中心频率的仅少量100kHz的激光频谱的全宽半高(full widthhalf minimum，FWHM)相对应。其次，激光光束的空间相干性应该接近于理想的高斯光束的空间相干性，以便确保从二次检测器产生最大的拍频信号。拍频信号涉及基准信号与背散射-和多普勒频移-信号之间的频率差。最后，激光的相对强度噪声(RIN)应该低于检测器中的拍频信号。所有这些特征通常只见于昂贵的、体积大的CO2激光器中，例如，在1989年3月第3期第77卷的IEEE会议上由Robert T.Menzies和R.Michael Hardety所著的“用于测量风场的相干多普勒激光雷达”，(“Coherent Doppler Lidar for Measurements of Wind Fields”，Proceedings of the IEEE，Vol.77，No.3，MARCH 1989，Robert T.Menzies and R.Michael Hardety)或见于后接功率放大器的主控振荡器(MOPA)。
通常，主控振荡器是在外腔安装中的光纤激光器或二极管激光器，并且功率放大器是由大功率二极管泵浦模块泵浦的掺铒光纤。所述MOPA系统非常复杂地使用昂贵的、体积大的、分立的光学器件。
因此，需要能够基于便宜的、坚固的、一体化的半导体激光器组件的相干激光雷达系统。
发明内容
根据本发明的第一个方面，通过基于目标散射的光的速度确定方法来实现了上面提及的和其他目的，所述方法包括如下步骤：
发射电磁辐射的测量光束并且将所述光束导向测量体积，以照射测量体积中的目标，
产生基准光束，
将基准光束与从由测量光束照射的测量体积中的目标发射的光进行混合，以产生与目标的速度相对应的速度信号，
其中所述发射测量光束的步骤包括提供用于发射所述测量光束的半导体激光器。
根据本发明的第二个方面，通过相干激光雷达系统实现上面提及的和其他目的，所述相干激光雷达系统包括：
半导体激光器，所述半导体激光器用于发射导向测量体积的电磁辐射的测量光束，以照射测量体积中的诸如颗粒的目标，
基准光束产生器，所述基准光束产生器用于产生基准光束，以及
检测器，所述检测器通过将所述基准光束与从由所述测量光束照射的测量体积中的目标发射出的光进行混合产生检测器信号。
优选地，相干激光雷达系统包括信号处理器，例如，基于检测器信号产生与目标速度相对应的速度信号的信号处理器。
目标可以是任意能与入射光相互作用以致从目标发射光的物体。在测量体积中的目标可以例如是浮质(例如，水滴、灰尘等)、颗粒、分子、原子等，其中物体的表面大于测量体积的宽度。
在整体的本公开中，术语“颗粒”包括浮质、分子和原子等。
信号处理器可以被配置为用于确定测量体积中的温度。例如，信号处理器可以被配置为用于基于检测器信号产生与测量体积中的温度相对应的温度信号。
可以替代地或组合地基于检测器信号来产生与目标速度相对应的速度信号，信号处理器被配置用于基于检测器信号来产生与测量体积中的颗粒浓度相对应的浓度信号。
在本发明的实施例中，信号处理器可以被配置用于确定测量体积中的颗粒浓度。
使用测量体积的背散射信号的多普勒频移的测量来确定颗粒的速度。背散射的多普勒频移信号的振幅可以用于确定测量体积中的颗粒浓度。因此，本发明可以用于测量颗粒(例如，灰尘)的浓度。所述系统(例如，信号处理器)可以被配置成发送诸如警报、高水平、中水平、低水平等的指示状态的状态信号。
如果缺乏颗粒流动，即，速度为零或非常低，则多普勒频移信号将会为零并且由于来自检测过程的其他DC信号，将会难于提取振幅。解决这个问题的一个方法是在系统中包括用于频移测量光束和/或基准光束的频移元件，例如声光调制器。因此，将与被频移元件引起的频移相对应的频偏添加到接收到的信号中。在低速或无颗粒流动的特殊情况下，零多普勒频移信号的振幅现在可以被显示为频移元件给定的频率分量的振幅。
根据本发明的第三个方面，通过基于由颗粒散射的光来确定颗粒浓度的方法，实现上面提及的和其他目标，所述方法包括如下步骤：
发射电磁辐射的测量光束，并将所述光束导向测量体积，以照射所述测量体积中的颗粒，
产生基准光束，
将所述基准光束与从由所述测量光束照射的测量体积中的颗粒发射的光进行混合，用于产生与颗粒浓度相对应的浓度信号，
其中所述发射测量光束的步骤包括提供用于发射所述测量光束的半导体激光器。
由检测器输出的检测器信号包括基准光束和从目标发射的光的不同频率，这与由测量体积中的目标移动产生的多普勒频移相对应。因此，检测器信号的功率频谱的峰提供目标沿着激光雷达系统的视线方向的平均速度的信息，而频谱分布的宽度(FWHM)提供关于速度分布的信息。就测量风速(例如，基于空气中悬浮的浮质及之后的风移动)的情况而言，由此可以提取涡流信息。
就驻留在测量体积中的介质是气体的情况而言，可以探测瑞利散射。瑞利散射源自于激励光束和气体分子之间弹性地相互作用。在这种情况下，多普勒光谱的宽度对应于气体温度。因此，可以远距离测量气体的温度。应该注意的是，与来自浮质的背散射信号相比，瑞利散射信号通常是振幅量级较小，并且强烈依赖于特定的气体成分和激励波长(瑞利散射随着波长的一4次方指数而变化)。关注的特殊的气体成分可以是氧、氮、二氧化碳、和NOx气体。
半导体激光器可以是用于发射高功率光束的垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。在VECSEL中，与二极管的结和芯片表面相垂直地发射电磁辐射。半导体芯片或器件(也表示增益芯片)可以包括单个半导体布拉格镜和通常具有几个量子阱(QW)的有源区(增益区)。所述器件总的厚度仅几微米。用外反射镜完成激光共振器。
VECSEL的大横向面积有利于基本模式操作并且导致高的光束质量。光束的横向直径大约为400微米。另外，输出光束可以是圆形对称的，具有小量象散，导致简化成像特性。
电磁腔内的激光材料可以被光泵浦。光泵浦有利于均匀泵浦大的有源区。光泵浦源可以例如是高亮度的边发射的大面积二极管或二极管激光器条(bar)。当使用二极管条泵浦时，可以获得数十瓦特的输出功率。利用外部共振器可以有利于提供衍射受限的输出。
在本发明的实施例中，半导体激光器是锥形半导体激光器。由于其锥形的结构，锥形半导体激光器在其大面积的输出面(例如，具有大约250μm的宽度)提供具有高光束质量的高输出功率，这是因为锥形激光器的窄端(例如，具有大约3μm的宽度)的脊形波导形成单模空间滤波器。
相干激光雷达系统可以进一步包括半导体锥形功率放大器，用于放大由半导体激光器发射的光束，例如，半导体激光器和放大器都为半导体MOPA类型。
根据本发明，例如，基于锥形的二极管激光器几何形状，实现了全部使用半导体激光组件的成本低、体积小并且坚固的相干激光雷达系统。
在本发明的一个实施例中，MOPA组件具有半导体主控振荡器，后接半导体锥形功率放大器，二者于同一基板上实现，构成了便宜、坚固的解决方案，理想地可用于低功率的工业应用。
在本发明的一个实施例中，即使在1.5μm的波长，也已通过锥形半导体组件提供了大致1瓦特的输出功率，所述的1.5μm的波长与800nm的范围相比较，电子到光子的转换效率低。1.5μm或更大的波长对于实际的激光雷达的使用是很重要的，这是因为1.5μm在光学频谱的视力安全范围内。当在视觉安全波长内操作时，更容易满足激光器操作过程中的安全需求。
另外，锥形半导体激光组件的时间相干性(即，相干长度)足够满足相干激光雷达应用。这种精密特征对用于提取多普勒频移背散射信号的零差检测技术是必要的。
进一步地，即使与衍射受限的高斯光束相比时，锥形半导体器件的空间相干性并不完美，但是激光组件辐射的质量足够被用于激光雷达系统。对基准光束的空间滤波可以去除或减少基准光束的非高斯空间分量，这些分量会以其他方式导致检测器信号的信噪比减小。在一个实施例中，空间滤波在傅立叶平面内执行，其中，高斯部分很容易被空间隔离。
在本发明的另一实施例中，当操作激光雷达系统时，直接从检测器提供到激光器组件的反馈信号。当激光器组件不工作在单频状态时，相干长度将会急剧变化。结果，激光雷达多普勒信号将会不参与。通过调节例如激光组件的温度或电流，通过最大化测量到的多普勒信号能够重建并且还能优化单频率操作。应该注意的是，激光组件的相干长度即使对设置中很小的变化也是很敏感的。在不同的实施例中，来自检测器的噪声信号被用于检测激光器的性能。可以观察到，当激光雷达信号减弱时，来自检测器的噪声信号大大增加。相信，通过激光组件的多模模式操作会导致激光雷达信号的减少。通过细微地调节例如电流和温度的激光器参数，可以增加或重新优化激光雷达信号。也可以将DC检测器信号用于控制的目的，这是因为从优选的单频状态到多模操作的变化会跟随激光器组件的DC电源电平的变化。因此，通过检测来自检测器的DC信号，可以提取控制信号。在又一个实施例中，激光器组件被主动地或被动地锁定到外腔用于稳定激光频率。
根据本发明，可以实现许多不同的相干激光雷达系统，例如，相干收发分置激光雷达。
附图说明
通过下面参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，对于本领域的技术人员，本发明的上述和其他特征和优点将会变得容易理解，其中：
图1示意性地示出本发明的一个实施例；
图2示意性地示出半导体外腔二极管激光器；
图3示意性地示出本发明的另一实施例；
图4示意性地示出包括针孔的本发明的实施例；
图5示意性地示出包括反馈系统的本发明的实施例；
图6示意性地示出本发明的又一个实施例；
图7示意性地示出增加了楔形反馈元件的图6的实施例；
图8示意性地示出本发明的又一个实施例；
图9是半导体MOPA的功率频谱的图；以及
图10是测量到的图6的实施例的多普勒频谱的图。
这些图都是示意性的并且是为了清晰起见被简化，并且它们仅仅示出理解发明的必不可少的细节，而其他细节没有示出。在所有的图中，相同的附图标记用于相同的或相应的部分。
具体实施方式
在下文中，将会参照附图更加全面地描述本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。然而，可以采用不同的形式实施本发明，并且本发明不应该被理解为限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例，使得本公开将是全面和完整的，并且将向本领域的技术人员全面传达本发明的构思。
图1示意性示出根据本发明的相干激光雷达的一个优选的实施例。半导体激光器1发射具有高空间和光谱光束质量的第一相干光束4。通过电极27提供的电流来泵浦半导体激光器。
通过保持半导体激光器腔1的横向尺寸小(通常大约为1微米×5微米)可以获得好的空间质量(即，高斯光束分布)。如果为了增加光束4的输出功率而增加腔的横向尺寸，则光束4将会最终变为多模，因此相干激光雷达的重要特性即空间质量变差。如果持续增加施加于电极27的电流，则导致激光器1中的强度增加，这往往会毁坏激光器。因此，通常单横模二极管激光器的输出功率限于220mW。为了更一步增加输出功率，增加半导体锥形功率放大器22。通过电极26为这个器件提供电流。通过设计适合输出光束4的发射角的锥形增益结构，当大体上保持激光器1的光束质量时，输出光束4可以被显著放大。通常，测量光束14是衍射受限的高斯光束的1.3-2倍。因为当锥形光束4传播穿过锥形放大器时，放大器的横向尺寸扩展，所以可以将光的强度保持在安全水平，这是因为保持的是低强度。然而，波导的横向尺寸为常数(1微米×5微米)，锥形放大器在输出面具有1微米×200微米宽的输出孔。来自激光器的光束4的输出功率被放大后大约为1瓦特，足够用于相干激光雷达应用。
通过将频率选择性元件28a和28b进一步并入到所示实施例的激光器1的半导体激光器结构中，可以将振荡的纵向激光器模式的数量减小为仅仅1个。频率元件可以是分布式光栅，如图1中所示，也可以是例如标准具。因而会大大减小激光器1的线宽(FWHM频谱)，从大约1000GHz急剧减小到大约100kHz，以对应于大约1km的相干长度。这种相干长度很适于相干激光雷达的应用。在图1示出的实施例中，光栅28a和28b也作用激光器1的镜。通过合理地设计光栅28a也能够产生基准光束23。光束23被导向检测器11。因此，在所示的实施例中，激光器1也产生基准光束23。
本发明公开的整体内容中，示出的光源表示半导体MOPA。半导体激光器1组成主控振荡器(MO)并且锥形半导体放大器22组成功率放大器(PA)。激光器1及锥形放大器22可以安装在同一基板21上，以形成一体化的激光器组件。安装的包括基板底座的激光器组件大约为4×6×8mm。可以使用大规模半导体晶片技术来生产激光器组件。
使用成像光学元件20将测量光束14聚焦在测量体积15上。成像光学元件20可以是Galliaeo望远镜或Keplian望远镜。当在测量体积15中的(移动的)目标由测量光束照射时，目标将会向相干激光雷达检测器11辐射少量的光24。如果目标是浮质，则当由1W的测量光束14照射时，背反射或散射的光大约为1pW。
背反射光24现在传播通过成像光学元件20、锥形放大器22和激光器1。因为激光器1是仅支持单横向空间模式的波导，所以背反射光束现在是被空间滤波的。已三维滤波的光束25现在通过光学检测器11与基准光束23混合，以形成测量信号。注意的是，背反射光束在通过放大器22和激光器1期间也被放大。测量信号包含与测量光束14和背反射光束24之间的不同频率相对应的光谱分量。不同的频率对应于相对于相干激光雷达的测量体积15中的移动目标的多普勒频率。通过使用信号处理器处理测量信号，能够计算出目标的相应速度。
在所示的实施例中，两束被空间滤波的光束23和24在检测器中被混合。由此，通过激光器组件产生的光束的没有完全被衍射限制的其他空间分量通过被空间滤波而减少或去除，这样能降低检测器信号中不想要的干扰和噪声，由此来提高检测器信号的信噪比。
图2示意性示出本发明的一个实施例，所述实施例具有在自差配置下操作的半导体激光器光源，其中从测量体积15中的目标背散射光被传输回到半导体激光器中，并且因而干扰半导体激光器的功率输出，可以在激光器后端监控该功率输出。因而，在所示的实施例中，锥形半导体激光器22与衍射光学元件29(例如，全息光学元件29)之间形成的外腔共同操作，所述衍射光学元件29被配置为向检测器11反射光23的一小部分，用于监控上面提及的干扰，并将光的剩余部分33反射回外腔的其他反射器，所述反射器由锥形激光器22的加膜(coated)的输出面32构成。由于其锥形结构，锥形半导体激光器22在大面积的输出面(例如，具有大约250μm的宽度)提供了高的具有高光束质量的输出功率，这是因为在锥形激光器22的窄端31(例如，具有大约3μm的宽度)的脊形波导形成单模空间滤波器。透镜30使光33准直。信号处理器适于从监控信号23中提取多普勒频率。
图3示意性示出包括单模半导体激光器1的本发明的实施例。通过透镜系统34使激光器1的光学输出准直。所得的准直的光学输出4是p-偏振的并且部分地透射穿过分束器5。分束器5具有布儒斯特窗(Brewster window)，该窗被加膜，以透射来自半导体激光器1的p-偏振光，并且反射s-偏振光，以形成基准光束9，并因此分束器5也被用作基准光束产生器。将四分之一双折射光学波片(未示出)放置在分束器5的后面，用于将透射的p-偏振光转换为圆形偏振光，以形成测量光束14。望远镜20将测量光束14聚焦在测量体积15，并且在本实例中的目标由悬浮在空气中的颗粒组成。这些颗粒背散射由望远镜20接收的还用于透射器部件中的并且透射返回到四分之一波片的圆形偏振光，所述波片将圆形偏振光转换成s偏振光，从而使光由布儒斯特窗向检测器11反射。另一个四分之一波片(未示出)将从分束器5反射的S-偏振光转换成圆形偏振光，并且反射器8将基准光束9反射回去，通过四分之一波片，所述波片将圆形偏振光转换为s-偏振光，从而使光穿过分束器向检测器11透射。检测器11将基准光束9与从颗粒背散射光混合，并且信号处理器16提取不同的频率(即，多普勒频率)，并将不同的频率转换为测量光束方向上的颗粒的速度分量，假设其与测量光束方向上的风速分量相同。
本系统的好处是多方面的，例如，仅需要使用单个半导体激光器产生检测多普勒信号所需的足够的光学功率。偏振分束器5和四分之一波片(未示出)的组合也用作光束合成器，以使基准光束9和接收到的信号光束导向检测器11。
图4示意性示出本发明的另一实施例，该实施例与图3中的实施例相类似，不同之处在于图4中的实施例还具有针孔35。半导体激光器1在其光学输出中没有产生纯的高斯TEM00模式。在所示实施例中使用的零差混合系统中，仅光束的高斯部分对多普勒信号的检测起作用。因而，对激光器的光学输出进行空间滤波是有用的。通常，可以通过将光聚焦到光纤或通过使用透镜和针孔作为空间滤波器来执行激光器光学输出的空间滤波。在所示实施例中，透射的测量光束的空间滤波是通过望远镜20固有地执行。在聚焦望远镜20的聚焦区域中，会将望远镜用作光学傅立叶变换单元，其通过激光器输出的高斯部分形成被聚焦的测量体积。较高的空间非高斯频率被局部化于所述中心测量体积的外部，并且不对由望远镜接收到的光学信号起作用。通过采用聚焦透镜10(未示出)的焦距长度和针孔35的尺寸的匹配组合，将直接从激光器光学输出获得的基准光束9空间地滤波。当针孔35被定位在透镜的聚焦平面时，透镜10用作空间傅立叶变换透镜。通过将针孔35的面积选择为与基准光束9的傅立叶变换的中心高斯部分的尺寸相等，光束9中仅这一部分会与信号光束进行干扰并对检测的多普勒信号起作用。较高的空间频率将会落在针孔35的外部，并且将不会被检测到，并且将不会扰乱检测过程。
图5示意性地示出本发明的实施例，该实施例类似于图3或图4中的实施例，不同之处在于图5中的实施例还具有来自处理器16的控制输出36，以例如响应于检测器信号而在激光雷达系统操作期间控制半导体激光组件的诸如电源电流、温度等的控制参数或控制参数的任意组合。例如，当激光器组件没有在单频率状态下操作时，相干长度将会急剧变化。结果，激光雷达多普勒信号将会不参与。通过调谐例如激光器组件1的温度或电流，可以重新建立单频操作并且也可以通过最大化的测量到的多普勒信号对单频操作进行优化。应该注意的是，激光器组件的相干长度即使对于设置中很小的变化也是很敏感的。
图6示意性地示出包括单模半导体激光器1的本发明的实施例。激光器1的光学输出在两个方向上由透镜2和圆柱透镜3准直。所得的准直的光学输出4是线性TM偏振并且全部透射穿过偏振分束器5。四分之一波片6将透射的光学输出变成圆形偏振状态。将四分之一波片6稍微倾斜，以避免背反射以到达激光器。部分反射基准窗8的表面7被加膜，以按一定的百分比背反射激光器光学输出。背反射的光束被透射回来穿过四分之一波片6，其中，其变为线性TE-偏振。该TE-偏振光束由偏振分束器5的表面来全反射并且形成基准光束9。基准光束9被透镜10聚焦到检测器11上。激光器光学输出的主要百分比作为圆形偏振光透射穿过基准窗8并且通过望远镜透镜12和13来扩展和聚焦。透射的测量光束14被聚焦到测量体积15(未示出)上。望远镜的焦距设置系统的测量距离。测量体积15中的颗粒或浮质具有沿着透射的测量光束14的传播路径的速度分量。来自测量体积的背散射和多普勒频移信号光束由还在透射器部件使用的相同的望远镜(透镜13和12)接收，并且被透射回来穿过基准窗8，并且进一步穿过四分之一波片6，继而该四分之一波片6改变光学信号光束的偏振状态，以使其变成TE-偏振。偏振分束器接着全反射接收到的光学信号光束，以将其精确地与基准光束9对齐并且之后光束9穿过聚焦透镜10，该聚焦透镜10将两个光束聚焦到检测器11上。检测器的表面被稍微倾斜，以避免任意背反射以沿着系统的光学路径传播回去。接收到的光学信号和基准光束在检测器表面上形成时间演进光学干扰信号，其与检测器处的检测过程一起形成接收到的信号的多普勒频率的零差检测。所述检测装置将光学信号转换为多普勒电信号。来自检测器11的多普勒电信号通过信号处理器16进一步被放大并对其进行傅立叶分析。
这个系统的好处是多方面的：只需要用单个半导体激光器产生足够的检测多普勒信号所需的光学功率。偏振分束器5和四分之一波片6的组合用作光束导向器，以将来自基准光束9的所有光学功率和接收到的信号光束导向检测器11。另外，偏振分束器5和四分之一波片6的相同的组合用作光学隔离器，该光学隔离器阻止任意返回的光学功率向激光器1传播。半导体激光器1在其光学输出中没有产生纯高斯TEM00模式。在这里所述的零差检测混合系统中，仅光束的高斯部分会对多普勒信号的检测起作用。因此，需要对激光器光学输出进行空间滤波。通常，激光器光学输出的空间滤波可以通过将光聚焦到光纤或通过使用透镜或针孔作为空间滤波器来执行。然而，激光器光学输出的空间滤波被固有地建立在下述方式的设计之中：当观看聚焦望远镜(透镜12和13)的聚焦区域中透射的测量光束时，望远镜将用作光学傅立叶变换单元，其仅通过激光器输出的高斯部分形成被聚焦的测量体积。较高的空间非高斯频率被局部化于中心测量体积的外部并且之后将不对由望远镜接收到的光学信号起作用。通过采用聚焦透镜10的焦距和检测器面积11的尺寸的匹配组合来空间地滤波直接从激光器光学输出获得的基准光束9。当检测器面积11被定位在透镜的聚焦平面处时，透镜10用作空间傅立叶变换透镜。通过将检测器的面积选定为与基准光束的傅立叶变换的中心高斯部分的尺寸相等，仅光束的这部分会与信号光束干扰并对检测到的多普勒信号起作用。较高的空间频率将落在检测器面积的外部，并且将不会被检测到，并且将不会扰乱检测过程。
图7示意性示出根据本发明的激光雷达系统的另一实施例。除了用楔8代替基准窗来提供基准光束之外，本实施例的原理与图6中的相同，本实施例中将楔的第一表面7加膜，以背反射一定百分比的激光器光学输出，以形成基准光束9。本系统的好处是避免具有来自基准窗的第二表面的背反射。因而，可以准确地控制光学基准光束的实际功率。
图8示意性示出根据本发明的激光雷达系统的又一个实施例。其原理与图6中的相同，不同之处在于如下事实：由望远镜中的第一透镜上的平坦表面7提供基准光束，所述平坦表面7被加膜，以背反射一定百分比的激光器光学输出，以形成基准光束9。本系统的好处是由于光学组件数目较少，所以系统简单。然而，本系统的缺点是除非望远镜12的大透镜可以移动，望远镜将会被固定到预先对准的测量距离。
图9是用于本发明的实施例的半导体MOPA的功率频谱的图。它具有与大约900米的相干长度相对应的100kHz FWHM。
图10是图6的实施例测量的多普勒频谱的图。多普勒频率被转换成风速，所述风速沿着x轴绘出并且信号功率沿着y轴绘出。风速低的一天，将测量光束聚焦在40米的距离。
可以将每个公开的实施例修改成包括第一光纤，所述第一光纤用于从光源到望远镜的测量光束的传输；以及第二光纤，所述第二光纤用于将从测量体积中的目标发射的光传输到检测器，由此望远镜的位置可以相对于激光雷达系统的光源、检测器和其他组件在物理上是远程的。第一和第二光纤可以被组合在一个光纤中。另外，可以用相应的光纤光学组件代替所示的光学组件。例如，可以用光学光纤耦合器代替图3-8中的分束器5。

Claims (39)

1.一种相干激光雷达系统，包括：
半导体激光器，所述半导体激光器用于发射导向测量体积的电磁辐射的测量光束，以照射测量体积中的颗粒；
基准光束产生器，所述基准光束产生器用于产生基准光束；
检测器，所述检测器通过将所述基准光束与从由所述测量光束照射的测量体积中的颗粒发射的光进行混合来产生检测器信号，以及
信号处理器，所述信号处理器用于基于所述检测器信号来产生与所述颗粒的速度相对应的速度信号。
2.根据权利要求1所述的相干激光雷达系统，其中，所述信号处理器进一步被配置成用于确定风速。
3.根据权利要求1或2所述的相干激光雷达系统，其中，所述信号处理器进一步被配置成用于确定所述测量体积中的涡流。
4.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，其中，所述信号处理器进一步被配置成用于确定所述测量体积中的温度。
5.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，其中，所述信号处理器被配置成用于基于所述检测器信号产生与所述测量体积中的颗粒浓度相对应的浓度信号。
6.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，其中，所述信号处理器被配置成用于确定所述测量体积中的颗粒浓度。
7.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，进一步包括：光纤，所述光纤用于在所述半导体激光器与所述激光雷达系统的光学输出之间传输所述测量光束。
8.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，其中，所述半导体激光器是锥形半导体激光器。
9.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，进一步包括：半导体锥形功率放大器，所述半导体锥形功率放大器用于放大由所述半导体激光器发射的光束。
10.根据权利要求9所述的相干激光雷达系统，其中，所述半导体激光器属于半导体MOPA类型。
11.根据权利要求10所述的相干激光雷达系统，其中，所述半导体MOPA类型的激光器包括：半导体芯片和半导体锥形功率放大器，所述半导体芯片具有分布式反馈主控振荡器。
12.根据在前权利要求中任一项所述的相干激光雷达系统，其中，所述基准光束产生器是分束器，所述分束器用于将所述半导体激光器发射的光束分为所述基准光束和导向测量体积的所述测量光束。
13.根据权利要求1-11中的任一项所述的相干激光雷达系统，其中，所述基准光束产生器是半导体激光器，所述半导体激光器被配置为发射所述基准光束和所述测量光束。
14.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，进一步包括：空间滤波器，所述空间滤波器用于对所述基准光束进行滤波，由此减少所述基准光束的非高斯空间分量。
15.根据权利要求14所述的相干激光雷达系统，进一步包括：傅立叶透镜，所述傅立叶透镜设置在所述基准光束的传播路径中，并且其中所述空间滤波器设置在所述傅立叶透镜的傅立叶平面内，用于减少所述基准光束的非高斯空间分量。
16.根据权利要求14或15所述的相干激光雷达系统，其中，所述空间滤波器包括孔，所述孔的尺寸与所述检测器的尺寸相匹配。
17.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，进一步包括：光束合成器，所述光束合成器用于将所述基准光束与从目标发射出的光进行合成。
18.根据权利要求17所述的相干激光雷达系统，其中
所述测量光束为p-偏振，以及
所述分束器和所述光束合成器是一个单元，包括：
布儒斯特窗，所述布儒斯特窗被加膜，以透射来自所述半导体激光器的p-偏振光并且反射s-偏振光。
四分之一双折射光学波片，所述四分之一双折射光学波片用于将p-偏振光转换成圆形偏振光，以形成测量光束，并且将来自所述颗粒的圆形偏振光转换为用于由所述布儒斯特窗反射的s-偏振光，以及其中
所述分束器包括反射器，所述反射器用于反射一部分测量光束，以形成基准光束，并且将所述基准光束导向返回穿过四分之一波片以向所述检测器反射。
19.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，其中，响应于来自所述检测器的信号，操作所述半导体激光器，以优化激光器的输出。
20.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，包括：光束净化器件，所述光束净化器件具有形成所述测量光束的单模光纤。
21.根据权利要求20所述的相干激光雷达系统，其中，所述光束净化器件包括聚焦透镜、针孔和准直透镜。
22.根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统，包括：频移元件，所述频移元件用于对所述测量光束或所述基准光束进行频移。
23.一种风涡轮机，包括：根据在前权利要求中的任一项所述的相干激光雷达系统。
24.一种帆船，包括：根据权利要求1-22中的任一项所述的相干激光雷达系统。
25.一种用于基于由颗粒散射的光来确定速度的方法，包括如下步骤：
发射电磁辐射的测量光束，并将所述光束导向测量体积，以照射所述测量体积中的颗粒，
产生基准光束，
将所述基准光束与从由所述测量光束照射的所述测量体积中的颗粒发射的光进行混合，用于产生与所述颗粒速度相对应的速度信号，
其中，所述发射测量光束的步骤包括提供用于发射所述测量光束的半导体激光器。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述产生基准光束的步骤包括：将由所述半导体激光器发射的光束分成所述基准光束和导向所述测量体积的所述测量光束的步骤。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述产生基准光束的步骤包括：提供半导体激光器的步骤，所述半导体激光器被配置成发射所述基准光束和所述测量光束。
28.根据权利要求25-27中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：将所述基准光束与从由所述测量光束照射的测量体积中的颗粒发射的光进行混合，用于产生与所述测量体积中的温度相对应的温度信号。
29.根据权利要求25-28中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：将所述基准光束与从由所述测量光束照射的测量体积中的颗粒发射的光进行混合，用于产生与测量体积中的颗粒浓度相对应的浓度信号。
30.根据权利要求25-29中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：对所述基准光束进行空间滤波，由此降低所述基准光束的非高斯空间分量。
31.根据权利要求25-29中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：通过提供单模光纤执行光束净化，以形成所述测量光束。
32.根据权利要求25-31中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：响应于所确定的速度信号，调节风涡轮机的叶片的倾斜度。
33.根据权利要求25-31中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：响应于所确定的速度信号，调整帆船。
34.一种用于基于由颗粒散射的光来确定颗粒浓度的方法，包括如下步骤：
发射电磁辐射的测量光束，并将所述光束导向测量体积，以照射所述测量体积中的颗粒，
产生基准光束，
将所述基准光束与从由所述测量光束照射的测量体积中的颗粒发射的光进行混合，用于产生与颗粒浓度相对应的浓度信号，
其中所述发射测量光束的步骤包括提供用于发射所述测量光束的半导体激光器。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述产生基准光束的步骤包括：将所述半导体激光器发射的光束分为所述基准光束和导向所述测量体积的所述测量光束的步骤。
36.根据权利要求34所述的方法，其中所述产生基准光束的步骤包括：提供半导体激光器的步骤，所述半导体激光器被配置成发射所述基准光束和所述测量光束。
37.根据权利要求34-36中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：对所述基准光束进行空间滤波，由此减少所述基准光束的非高斯空间分量。
38.根据权利要求34-36中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：通过提供单模光纤执行光束净化，形成所述测量光束。
39.根据权利要求32-36中的任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：响应于所确定的浓度信号来发射状态信号。
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