CN104487865A - 多方向激光雷达系统 - Google Patents

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P·J·罗德里戈
T·F·Q·艾弗森
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Abstract

本发明涉及一种低成本的激光雷达(LIDAR)系统。该系统可以集成到用于测量趋近风场的风轮机中。一个实施例涉及一种激光雷达系统，包括光束产生部分，适配为产生基本上线性偏振的输出光束，以及光束转向部分，包括用于可控地改变输出光束的偏振的第一光学器件，所述第一光学器件与第一偏振光束分离器光连接，所述光束转向部分适配为可交换地在第一方向和第二方向之间引导输出光束。

Description

多方向激光雷达系统
技术领域
本发明涉及低成本的激光雷达(LIDAR)系统。本系统可以集成到用于测量趋近风场的风轮机中。
背景技术
相干激光雷达系统是一种用于在远程位置确定风速的优秀系统。基本原理涉及来自诸如悬浮微粒、水滴、灰尘等颗粒在被相干激光照射时的背散射光产生的多普勒频移。假设颗粒移动非常类似于气流，则所测量的多普勒频率可用于计算与之成比例的风速。
妨碍激光雷达广泛使用的因素是成本、功耗、尺寸和坚固性。目前市场上可买到的激光雷达系统成本约为20万美元，这样的价格水平使许多要利用它的应用望而却步。在诸如离岸风轮机园区之类的远程位置处使用激光雷达系统需要在长期极少维护或不维护下操作并且功耗较低。
相干激光雷达系统中先前最昂贵最复杂的部件是激光器组件。由于悬浮微粒的背散射系数(～10-12)极低，导致需要精细检测方案，这种精细检测方案主要依赖于高质量、高功率的相干光源。WO2009/046717中公开了一种具有低功耗的低成本、小型和相干的激光雷达系统，所述激光雷达系统采用了集成的半导体激光器组件。然而，这种激光雷达系统局限于视线测量，这使得无法确定风场。
为了扩展到视线以外的风速测量，需要在多个方向上引导激光雷达的探测光束。这可以由扫描激光雷达依靠旋转镜或者棱镜组件而实现，这种旋转镜或者棱镜组件允许沿着三维圆锥体测量风速。然而，在风轮机顶部上设置旋转镜并不是一个坚固的方案。也可以将一个或多个激光雷达集成到旋转轮毂中或风轮机叶片上。轮毂和叶片的旋转确保了探测光束扫描风轮机前方的圆锥体，但是这种旋转运动实际上与激光雷达的操作要求并不相适合。WO03/048804公开了一种激光雷达系统，采用了在多个方向上引导探测光束的光开关。然而，光开关的性质要求使用具有长相干长度的昂贵激光源，这导致无法使用低成本的集成半导体激光器组件。
发明内容
因此，市场仍需要一种不限于视线测量的低成本、坚固的激光雷达系统。这可以通过本发明的一个公开了激光雷达系统的实施例来实现，所述激光雷达系统包括光束产生部分和光束转向部分，所述光束产生部分适配为产生基本上线性偏振的输出光束，所述光束转向部分包括用于可控地改变输出光束的偏振的第一方向光学器件，所述第一方向光学器件与第一方向偏振光束分离器光连接，所述光束转向部分适配为可交换地在第一方向和第二方向之间引导输出光束。
偏振光束分离器的一个继承特征在于它将入射光束分离成具有不同线性偏振的两个光束，即光束传播方向取决于入射光束的偏振。本发明利用了偏振光束分离器(PBS)的这一特征，即可以通过控制入射光束的偏振来控制传播方向。当整合到激光雷达系统中的时候，如果光束的偏振是可控制的，则输出光束的方向由此是可变的。由于可以通过机械无源部件，即不具有移动部分，来控制光偏振，因此根据本发明的激光雷达系统能够实现用于确定在测量体积中移动的颗粒的速度和方向的坚固、低成本的激光雷达，由此能够实现例如风轮机前方的风场的实时确定。WO2012/019871公开了一种用于确定测量体积中的颗粒的速度矢量的方法。在此通过引用将WO2012/019871的全文并入本文。
本发明的另一方面涉及一种激光雷达系统，包括光束产生部分，适配为产生基本上线性偏振的输出光束；以及偏振保持光波导，用于沿第一方向传播所述输出光束，并沿相反的第二方向传播接收辐射；以及非互易光学元件，所述输出光束和接收辐射沿相反方向传播穿过所述非互易光学元件，所述非互易光学元件适配为旋转所述输出光束的偏振和所述接收辐射的偏振。这种非互易光学元件的一个实例是由于法拉第效应而旋转光偏振的法拉第旋转器。法拉第旋转是非互易光传播的一个实例。将线性偏振光束反射返回穿过同一法拉第媒介并不会消除所述光束在其正向穿过所述媒介时经受的偏振改变。所述非互易光学元件优选配置为使得输出光束的偏振和接收辐射的偏振在非互易光学元件的一侧为基本上相互垂直，而在非互易光学元件的相对侧为基本上相互平行。可以在为了检测目的而需要分离接收辐射和/或参考光束的时候采用这一点。
在激光雷达系统中，通常将探测光导向测量体积，并且接收辐射传播返回通过系统，以便被检测器接收。由于激光雷达系统通常在外部工作，所以系统的部件通常是抗天气影响的，并且探测光束和接收信号传播穿过一些窗。随着天气条件改变，有在窗上发生凝结的风险，这可能会急剧降低窗的透明度。这一问题可以通过将一些电热源连接到窗以保持窗温暖从而避免凝结，而容易地解决。然而，可能存在其中电连接窗是不利的情况。例如，当激光雷达系统安装在风轮机中的时候。探测光束必须朝着叶片前方的测量体积射出，即优选从机舱的顶部、侧部或底部射出。然而，激光雷达系统的电驱动部件如果安装在可能频繁发生闪电的机舱外部，将会受到损害。因此，激光雷达系统的电驱动部件，诸如光束产生部分，优选为安装在机舱内，而不受闪电影响的纯光学部件，诸如包括窗的光束转向部分，可以安装在机舱的外部。但是对于电中性的光束转向部分，不具有加热窗口的电力，因此凝结现象可能成为一个问题。因此，本发明的另一方面涉及一种激光雷达系统，包括与光束转向部分光连接的光束产生部分，所述光束转向部分含有其中输出光束透射穿过的窗，所述光束产生部分含有至少一个加热光源，将所述加热光源的至少一部分光输出通过至少一个光波导而传输到所述光束转向部分，其中所述至少一个加热光源适配为加热所述窗。因此，基本构思是所述加热光源适配为通过将所述加热光源的光输出的电磁能转换为窗中的热能，来加热所述窗。
本发明的另一方面涉及一种包括本公开激光雷达系统的风轮机。特别是一种包括本公开激光雷达系统的风轮机，其中光束产生部分完全整合到机舱中，光束转向部分至少部分地位于所述机舱的外部，输出光束和接收辐射借助于偏振保持光纤而在所述机舱与外部之间传输。
本发明的另一方面涉及一种包括本公开激光雷达系统的帆船。本发明的另一方面涉及一种包括本公开激光雷达系统的飞机。
激光雷达背景
相干激光雷达的基本原理起始于超过35年前，参见1971年7月7日由Sonnenschein和F.A.Horrigan博士在《Applied Optics》(《应用光学》)第10卷上发表的“Signal-to-Noise Relationships for Coaxial Systems that HeterodyneBackscatter from the Atmosphere(大气中的外差背散射的共轴系统的信噪比关系)”。该应用传统上一直处于学术范围，例如大气物理学内。然而，目前，激光雷达已变得越来越与实用工业应用相关。一种此类实例是用于控制风轮机。需要更高的效率迫使风轮机行业在过去几十年中持续地增加翼展，以便改善每台安装的风轮机在获取电能方面的性能。然而，增加的翼展导致由强风、特别是由风湍流施加的相当大的机械负荷。用于对数十米迎风进行风速预测的小型、坚固且廉价的相干激光雷达装置将能够优化和保护风轮机。可以用实际风速测量结果与风实际到达风轮机的时间之间的时间延迟来保护翼的负荷，例如通过改变翼的节距(pitch)。另一实例是对着陆飞行器产生的涡流的检测。飞行器的着陆(或起飞)频率主要由安全裕度来确定，以确保前一飞行器产生的涡流不会产生危险。使用相干激光雷达监测涡流能够使这种安全周期最小化，从而增加机场的运输强度，并且由此增加了机场的容量。
连续波(CW)相干激光雷达依赖于望远镜的聚焦特性来限制实际的探测体积。探测体积的宽度由聚焦区域中的激光束直径(即焦点光束腰部)限制。探测体积的沿光束轴的长度大致由聚焦激光束的聚焦深度或者两倍瑞利长度来限制。对于在与CW激光雷达系统相距一百米位置处聚焦的CW激光雷达，依据波长和聚焦光学器件(望远镜)，探测体积的宽度通常约为一厘米量级，探测体积的长度约为十米量级。对于脉冲系统，探测体积的宽度与CW激光雷达情形相同，但是探测体积的长度设为cT/2和聚焦深度之中的较小值，其中T是发射的脉冲宽度，c是光速。
激光雷达系统中使用的激光源的CW输出功率应为1瓦特量级，以便获得所要检测的足够的背散射光。零拍检测技术首先要求光源的相干长度基本上是与探测体积之间距离的两倍，例如对于典型风轮机应用为200米。这与相对于大约200THz的中心频率的仅少量100kHz的激光光谱的全宽半高(full widthhalf minimum，FWHM)相对应。其次，激光束的空间相干性应接近于理想高斯光束的空间相干性，以便确保由二次检测器产生最大拍频信号。拍频信号的特征在于参考信号和背散射的(和多普勒频移后的)信号之间的频差。最后，激光器的相对强度噪声(RIN)应足够低至能够辨别检测器处的拍频信号。WO2009/046717描述了如何借助于集成半导体激光器组件获得这些性质。因此通过引用将WO2009/046717的全文并入本文。
尽管术语外差检测经常与光学干涉测量法结合使用，但是本公开内容中通篇使用的术语零差检测表示参考光束(本地振荡器)是源自于与在调制过程(即被目标散射)之前的信号光束相同的源。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1是根据本发明的激光雷达系统的透视图，
图2是相对于图1增加了线性偏振器的系统，
图3是根据本发明的多方向激光雷达系统的透视图，其中在两个不同的方向上引导输出光束，
图4是根据本发明的多方向激光雷达系统的透视图，其中在三个不同的方向上引导输出光束，
图5是相对于图3具有偏振状态指示的系统，以及
图6是光纤耦合加热光源与窗/透镜之间的耦合的透视图。
图7和8是根据本发明的多方向激光雷达系统的透视图，其中在望远镜透镜之间不具有PBS。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，激光雷达系统是相干多普勒激光雷达系统。
本激光雷达系统的基本配置是将输出光束引导至两个方向：第一方向和第二方向。然而，该原理可以通过增加更多的偏振控制光学器件和更多的PBS而累加。因此，在本发明的进一步的实施例中，光束转向部分进一步包括用于可控地改变沿第二方向传播的输出光束的偏振的第二光学器件，所述第二光学器件与第二偏振光束分离器光连接，所述光束转向部分适配为可交换地在第一方向、第二方向和第三方向之间引导输出光束。利用三个方向，能够按照3D测量体积来引导输出光束。然而，可以增加更多的输出光束方向，例如第四、第五、第六、第七、第八、第九和第十方向。每一对额外的偏振控制器件和PBS能够提供一或两个新的方向。图4中示出了这种增加更多方向的原理。
在激光雷达系统中，光束转向部分通常适配为将输出光束导向测量体积，以照射该测量体积中的颗粒。该系统可进一步包括用于将输出光束聚焦到测量体积上的透镜布置。目标可以是能够与入射到其上的光发生交互而导致光从目标散射、吸收和/或发射的任何物体。测量体积中的目标例如可以是诸如水滴、灰尘之类的悬浮微粒，颗粒，分子，原子，大于测量体积宽度的物体表面等等。在整个本公开内容中，术语“颗粒”包括悬浮微粒、分子、原子等等。
激光雷达系统通常还包括用于产生参考光束的装置。优选为，参考光束至少与所接收的信号光束同轴、且沿相同方向传播，也可以沿输出光束的相反方向传播。参考光束可以至少部分地由部分反射镜产生。参考光束替代地也可以至少部分地由光纤的第一或者第二端面产生。
在本发明的优选实施例中，激光雷达系统适配为检测、传播和/或接收从所述第一、第二和/或第三方向接收的辐射。接收辐射例如可以包括从由输出光束照射的测量体积中的颗粒发出的光。所述接收辐射优选为沿输出光束的相反方向传播。激光雷达系统可以进一步包括适配为检测与所述接收辐射混合的参考光束的检测器。在本发明的优选实施例中，参考光束的偏振基本上等于接收辐射的偏振。
在本发明的优选实施例中，激光雷达系统进一步包括初始偏振光束分离器，适配为分开同时沿输出光束的相反方向传播的参考光束和接收辐射。
在本发明的一个实施例中，第一和/或第二光学器件可以起到互易偏振改变光学器件的作用。当偏振光束反射返回穿过同一互易偏振改变光学器件时，可以依据该光束的偏振状态和该偏振改变光学器件的构造，消除该光束正向穿过所述器件所经受的偏振改变。至少在光束是线性偏振的情形中，可变光学延迟器能够起到互易偏振改变光学器件的作用。在本发明的一个实施例中，所述第一和/或第二光学器件是可变光学延迟器。波片是光学延迟器的一个实例，可旋转波片是可变光学延迟器的一个实例。当将线性偏振光束应用到例如半波片时，它出射为线性偏振光束，但是其偏振(平面)相对于入射光束的偏振(平面)旋转。因此，通过结合PBS使用，可以通过相应地旋转波片，在两个不同的方向上引导输出光束。
可变光学延迟器的另一实例是液晶可变光学延迟器，所述液晶可变光学延迟器由填充有液晶分子溶液的透明单元组成。单元壁的两个平行面涂覆有透明导电膜，以便能跨单元施加电压。在没有施加电压的情况下，液晶分子的取向由取向层确定。当施加交流电压时，分子将根据施加的电压的有效电压(rms)值，从它们的默认取向改变。因此，能够通过改变施加电压，主动地控制线性偏振光束的相位偏移，即通过改变施加电压，能够可控地旋转入射的线性偏振光束的偏振。这种可变光学延迟器的一个主要优点是没有移动部分。因此，在本发明的一个进一步的实施例中，所述第一和/或第二光学器件适配为在不使用移动部分的情况下，可控地改变输出光束的偏振。优选为，所述第一和/或第二光学器件适配为优选可控地以一预定频率在两个特定偏振状态之间改变输出光束的偏振。可变光学延迟器还可以被集成到光纤中，其中可以通过例如与光纤接触的压电元件控制经由该光纤传播的线性偏振光束的相位偏移。这种方案的优点在于，能够保持激光雷达系统的大部分光学路径在光纤内传播。
所述频率可以是大约1Hz，诸如0.01Hz和1kHz之间，诸如0.01Hz和0.1Hz之间，诸如0.1Hz和0.2Hz之间，诸如0.2Hz和0.3Hz之间，诸如0.3Hz和0.4Hz之间，诸如0.4Hz和0.5Hz之间，诸如0.5Hz和0.6Hz之间，诸如0.6Hz and0.7Hz之间，诸如0.7Hz和0.8Hz之间，诸如0.8Hz和0.9Hz之间，诸如0.9Hz和1Hz之间，诸如1Hz和1.5Hz之间，诸如1.5Hz和2Hz之间，诸如2Hz和3Hz之间，诸如3Hz和4Hz之间，诸如4Hz和5Hz之间，诸如5Hz和6Hz之间，诸如6Hz和7Hz之间，诸如7Hz和8Hz之间，诸如8Hz和9Hz之间，诸如9Hz和10Hz之间，诸如10Hz和15Hz之间，诸如15Hz和30Hz之间，诸如30Hz和60Hz之间，诸如60Hz和100Hz之间，诸如100Hz和1kHz。
在本发明的一个实施例中，第一光学器件和第一偏振光束分离器之间的光连接至少部分地由偏振保持光波导提供。在进一步的实施例中，第一光学器件和第一偏振光束分离器之间的光连接至少部分地由光纤提供，优选为偏振保持光纤，诸如Panda(熊猫)型PM光纤。在可能使用的第二、第三等光学器件和第二、第三等PBS之间的连接也是如此。激光雷达系统可以进一步包括用于将输出光束的偏振与偏振保持光波导/光纤的传播方向对准的装置。
在本发明的一个实施例中，光束产生部分进一步包括位于光学路径上的一个或多个偏振器，优选为吸收性偏振器，诸如一个或多个线性偏振器，诸如一个或多个45度线性偏振器。这可以有助于确保吸收光学路径上的任何非期望的偏振状态。
在本发明的一个实施例中，光束产生部分进一步包括非互易光学元件，输出光束和接收辐射沿相反方向传播穿过所述非互易光学元件，所述非互易光学元件适配为旋转所述输出光束的偏振和接收辐射的偏振。这种非互易光学元件的一个实例是法拉第旋转器，法拉第旋转器由于法拉第效应而对光偏振进行旋转。将偏振光束反射返回穿过同一法拉第媒介并不会消除所述光束在其正向穿过所述媒介时经受的偏振改变。所述非互易光学元件优选配置为使得输出光束的偏振和接收辐射的偏振在非互易光学元件的一侧为基本上相互垂直，而在非互易光学元件的相对侧为基本上相互平行。非互易光学元件的进一步的优点在于允许充分抑制漫射光(stray light)，从而能够使用具有有限相干时间的低成本半导体激光器作为光源。非互易光学元件可以进一步适配为当输出光束传播穿过所述非互易光学元件时，将所述输出光束的偏振旋转约45度。同样地，非互易光学元件可以适配为当接收辐射传播穿过所述非互易光学元件时，将所述接收辐射的偏振旋转约45度。此外，非互易光学元件可以适配为当参考光束传播穿过所述非互易光学元件时，将所述参考光束的偏振旋转约45度。设有非互易光学元件(例如以法拉第旋转器的形式)的一个优点在于，可允许大部分的激光雷达沿单个光轴传播。
在本发明的一个实施例中，光束产生部分包括相干光源，诸如相干激光器，诸如半导体激光器，诸如集成半导体激光器组件，这可以是一种成本有效的方案。优选为，所述光束产生部分包括传送准直线性偏振输出的相干光源。
能够通过测量来自测量体积的背散射信号的多普勒频移，来确定颗粒速度。因此，在本发明进一步的实施例中，激光雷达系统可以进一步包括信号处理器。信号处理器可以适配为根据检测器信号，产生与颗粒速度对应的速度信号。信号处理器可以进一步配置为确定风速，测量体积中的湍流，测量体积中的温度，和/或测量体积中的颗粒浓度。可以利用背散射的多普勒频移后的信号的幅度，来确定测量体积中的颗粒浓度。因此，信号处理器可以进一步配置为根据检测器信号，产生与测量体积中的颗粒浓度对应的浓度信号。
当不存在颗粒流动，即速度为零或者非常低时，多普勒频率将为零，并且由于来自检测过程的其他直流信号而难以获取所述幅度。克服该问题的一种方式可以是在系统中包括频移元件，例如声光调制器，用于对输出光束和/或参考光束频移。因此，可以对应于由频移元件诱发的频移，而将频偏添加到接收信号上。
由检测器输出的检测器信号例如可以包含参考光束与从目标发出的光的差频，对应于由测量体积中的目标运动产生的多普勒频移。在测量风速的情况下，例如根据悬浮在空气中的悬浮微粒和顺风运动，能够获取湍流信息。
如果测量体积中驻留的媒介是气体，则能够探测瑞利散射。瑞利散射来源于激发光束与气体分子之间的弹性相互作用。在该情况下，多普勒频谱的宽度对应于气体的温度。因此，能够在远距离处测量气体温度。应注意的是，与来自悬浮微粒的背散射信号相比，瑞利散射信号通常幅度量级更小，而且非常依赖于具体气体成分和激发波长(瑞利散射是波长的-4次幂的函数)所涉及的特定气体成分可以是氧气、氮气、二氧化碳和NOx气体。
如上所述，本发明的进一步方面涉及激光雷达系统，包括与光束转向部分光连接的光束产生部分，所述光束转向部分含有窗，输出光束透射穿过所述窗，所述光束产生部分含有至少一个加热光源，将所述加热光源的至少一部分光学输出通过至少一个光波导而传输到所述光束转向部分，其中所述至少一个热光源适配为加热所述窗。
优选为，所述至少一个加热光源适配为通过将所述加热光源的光学输出的电磁能转换为窗中的热能，来加热所述窗。例如，所述至少一个加热光源可以适配为仅仅使用光功率作为热源来避免至少一部分窗发生凝结，即除雾系统。优选为，所述光波导包括一个或多个光纤。输出光束的波长优选为不同于加热光源的波长。激光雷达系统通常设有在某一波长间隔内操作或敏感的检测器。因此，优选为，加热光源的波长不同于激光雷达系统的检测波长间隔。例如，基于InGaAs的检测器在约800-1700纳米的波长间隔内敏感，则加热光源的波长应当在该范围之外选择，例如高于1700纳米，在高于1700纳米处眼睛安全性不存在问题。加热光源的波长可以进一步选择在玻璃中的典型杂质的吸收光谱范围内，诸如OH吸收。
所述窗可以是“普通”光学透明窗，或者可以是激光雷达系统中的透镜，例如适配为聚焦输出光束的透镜。所述窗优选为椭圆形的，诸如圆形。所述窗优选为具有第一和第二表面。所述窗的一个或者两个表面可以设有防反射涂层。
在本发明的优选实施例中，来自加热光源的光在所述窗的两个表面之间内耦合。随后来自加热光源的光能够借助于所述窗的两个表面之间的全内反射而在所述窗内传播。在该传播期间，由于例如窗中的杂质导致的吸收，光功率被至少部分地转换为窗中的热量。如果玻璃具有高光学质量，则杂质的存在量可能很低，但是由于从全部表面内反射导致光在窗内传播，因此光不容易逸出，确保了光束路径相对较长，从而确保一定程度的光吸收。窗材料可以进一步掺杂有吸收来自加热光源的光的一种或多种元素，以增加从光功率到散逸在窗内的热量的转换。
来自加热光源的光可以借助于折射元件而在窗的两个表面之间内耦合，所述折射元件诸如是耦合刻面、棱镜或者导光管。所述折射元件优选为凹面的，使得光以更宽的出射角分布到窗中。为防止光通过窗的周围边框而逸出，该边框可以设有金属涂层和/或反射涂层。所述周围边框还可以设有一些缘边，所述缘边的内部是反射性的，例如金属安装缘边，可以是涂布的缘边。因此，光可以被反射回到所述窗，并且热量可以在所述边界/缘边内散逸，从而有助于加热所述窗。
所述光束产生部分可以与所述光束转向部分物理上分离。进一步来讲，所述光束产生部分可以与所述光束转向部分电气分离。进一步来讲，所述光束转向部分可以是电中性的。本发明的该方面可以进一步包括上述的激光雷达系统特征中的任何特征。
附图的详细说明
图1示意性地示出根据本发明的单方向激光雷达系统，具有采用法拉第旋转器3的形式的非互易元件。半导体激光器组件1提供线性偏振输出光束，该线性偏振输出光束全部传输穿过偏振光束分离器(PBS)2。法拉第旋转器3将输出光束的偏振旋转约45度。部分反射镜4被涂布，以便背反射一定百分比的输出光束。背反射的光束(即参考光束)被反向，即沿着输出的相反方向传输穿过法拉第旋转器。由于法拉第旋转器的非互易传播特性，参考光束的偏振现在被法拉第旋转器进一步旋转45度。结果是，参考光束的偏振在入射到初始PBS 2上的时候垂直于输出光束的偏振，因此参考光束被PBS 2的表面全反射。参考光束被透镜8聚焦到检测器9上。
占主要百分比的激光器光学输出(即输出光束)作为线性偏振光透射穿过参考窗4，并借助于聚焦透镜5而聚焦到偏振保持光纤6中。随后，输出光束借助于望远镜透镜7而聚焦到测量体积(未示出)上。望远镜的聚焦距离设置了系统的测量距离。测量体积中的颗粒或者悬浮微粒具有沿着所传输的输出光束的传播路径方向的速度分量。来自测量体积的背散射和多普勒频移后的信号光束被发射机部分中也使用的相同透镜7接收，并被反向传输穿过光纤6、透镜5和参考窗4。接收辐射的偏振始终被保持，但是当传播穿过法拉第旋转器3时，接收辐射的偏振被进一步旋转45度。接收辐射的偏振与参考光束的偏振对准。然后，初始偏振光束分离器3全反射所述接收辐射，以便精确地对准参考光束，并且随参考光束一起穿过聚焦透镜8，而聚焦透镜8将两个光束都聚焦到检测器9上。检测器的表面可以稍微倾斜，以避免任何背反射会沿系统的光学路径反向传播。
接收辐射和参考光束在检测器表面上形成时间衍变光学干涉信号，这连同检测器处的检测过程一起构成接收辐射的多普勒频率的零差检测。检测装置将光信号转换为电多普勒信号。来自检测器9的电多普勒信号可以由信号处理器(未示出)进一步放大并进行傅里叶分析。
仅仅需要单个半导体激光器来产生检测多普勒信号所需要的足够光功率。PBS 2和法拉第旋转器6的组合起到了光束引导器的作用，用于将来自参考光束和接收辐射的全部光功率都导向检测器9。此外，偏振光束分离器2和法拉第旋转器4的相同组合起到了光学隔离器的作用，用于防止任何返回的光功率向激光器1传播。
图2对应于图1的设置，具有额外的线性偏振器10，用于确保吸收光学路径中的任何非期望的偏振状态。请注意，线性偏振器将消除沿一个方向传播的输出光束以及沿与之相反的方向传播的接收辐射和参考光束之中的非期望的偏振状态。在图2中，所述线性偏振器位于法拉第旋转器和反射镜4之间的光学路径上，但是它也可以位于光学路径上的任何位置，并且可以将几个线性偏振器置于光学路径上。在图2中，线性偏振器是以约45度取向的栅条示出的，以示出所述法拉第旋转器将输出光束的偏振旋转了约45度。
图3示出根据本发明的多方向激光雷达系统的透视图。与图2中示出的系统相比，在光学路径上插入了可变光学延迟器11、PBS 12和额外的透镜7′。光学延迟器11可以是可旋转波片，其中相对于波片的角度或者是基于液晶的光学延迟器来旋转输出光束的偏振，在基于液晶的光学延迟器中，当跨延迟器施加电压时输出光束的偏振被旋转。通过结合PBS 12使用，可变光学延迟器能够选择是将输出光束传输穿过PBS 12并穿过透镜7，还是在PBS上反射并继续透射穿过透镜7′。因此，激光雷达系统通过控制穿过可变光学延迟器11的光的偏振，在两个方向上引导输出光束。
该原理能够在图4中概括示出。通过在光学路径上插入额外的PBS 13和额外的可变光学延迟器11′，能够选择输出光束的更多方向。第一可变光学延迟器11在两个状态之间来回切换偏振，以便输出光束按以下方式传播：
1)传播穿过PBS 13，穿过透镜5，进入PM光纤6，反射离开PBS 12，继续穿过透镜7，这是输出光束的第一方向，
或者所述输出光束：
2)反射离开PBS 13，并穿过第二可变光学延迟器11′。
第二可变光学延迟器11′能够再次在两个状态之间来回切换偏振，并结合第二PBS 12′选择穿过透镜7′的输出光束的第二方向以及穿过透镜7″的输出光束的第三方向。能够通过在PBS 13和透镜5之间设置第三可变光学延迟器以与PBS 12结合工作，来提供输出光束的第四方向。还可能需要额外的透镜7″′(未示出)。
示出的，而参考光束和接收辐射是用虚线示出的。光束的传播方向用箭头表示。为了区分参考光束与接收辐射：参考光束是从参考光束产生器4反射的。
首先，我们跟随从光源1发出的输出光束：该输出光束以线性偏振光的方式从激光器1发出，这里通过象形图表示为在水平平面上振荡。在穿过PBS 2之后，输出光束的偏振在水平平面上振荡。当该输出光束传播穿过法拉第旋转器3时，输出光束的偏振向右旋转约45度，如对应象形图示出的。法拉第旋转器也可以适配为将偏振向左旋转约45度。线性偏振器10和反射镜4不改变输出光束的偏振。可变光学延迟器11在象形图中示出的两个正交状态“1”和“2”之间切换输出光束的偏振。PM光纤6在不影响偏振的情况下传输两个状态“1”和“2”。“1”状态是沿着输出光束的第一方向传输穿过PBS 12，并穿过透镜7。正交的“2”状态是沿输出光束的第二方向反射离开PBS 12，并穿过透镜7′。
从测量体积接收的辐射具有与输出光束相同的偏振，如在与透镜7、7′相邻的象形图中示出的。接收辐射反向传播穿过光纤，并穿过可变光学延迟器11。所述延迟器不是非互易光学元件。在该情况下，接收辐射的分别在水平和垂直平面上振荡的两个正交状态“1”和“2”将返回至45度偏振状态。当接收辐射传播穿过非互易的法拉第旋转器时，接收辐射的偏振将进一步旋转45度，从而在垂直平面上振荡，如对应象形图中示出的。接收辐射因此将反射离开初始PBS 2，并进入检测器。
由反射镜4产生的参考光束也是如此。该反射保持45度偏振。当参考光束传播穿过非互易的法拉第旋转器时，参考光束的偏振将进一步旋转45度，从而在垂直平面上振荡，如对应象形图中示出的。参考光束因此将反射离开初始PBS 2，并进入检测器。
从图5可以看出，在法拉第旋转器的一侧，输出光束、接收辐射和参考光束的偏振是对准的，而在法拉第旋转器的相对侧，输出光束的偏振垂直于接收辐射和参考光束的偏振。
从附图中可以看出，在光纤之后，各部件是纯光学的，而在光纤之前，存在电和/或机械驱动的部件，诸如光源1、检测器9、法拉第旋转器3和可变光学延迟器11。因此，当在风轮机中集成本激光雷达系统时，能够将电和/或机械驱动部件集成在机舱内部，而能够将诸如PBS和透镜7、7′之类的纯光学部件设置在机舱外部，例如设置在风轮机顶部上。激光雷达系统的两个部分之间的光连接是由包括一个或多个PM光纤的抗天气影响的光缆提供。因此，本发明提供了一种低成本的灵活的激光雷达系统。
在有些情况下，将PBS放置于高度会聚或者高度发散光束之中，对于激光雷达的聚焦性能可能是不利的。图7和8示出了解决这一问题的实例。在图7中，PBS 12放置在望远镜透镜12之后，而在图8中，PBS 12放置在透镜5之前。图8中的设置自然需要额外的透镜5′以与透镜7′配对。因此，在图7和8中，PBS 12未被设置在透镜5和7(或者5′和7′)的望远镜配置之间的光束路径上。请注意，图7和8示出了根据本发明的在光束路径上不具有光纤的激光雷达系统的实例。与图5类似，图7和8也示出了表示沿光轴的偏振状态的功能性图示。
如从图5、7和8中清楚示出的，采用以法拉第旋转器形式的非互易光学元件允许大部分的激光雷达沿单个光轴传播，即图5、7和8中的偏振光束分离器2之间的单个光轴。
图6涉及激光雷达系统的出射窗的光学加热，即实质上是除雾和/或除冰系统。加热光源21与连接到折射元件24的光纤电缆22相耦接，折射元件24将来自光纤22的光分布到窗23中，窗23可以是普通窗或者激光雷达系统的透镜。圆形窗23设有缘边26，缘边26的内侧是反射性的。如以光束路径27为例示出，来源于加热光源21的光随后借助于例如两个窗表面之间的全内反射而在窗23内传播；或者以光束路径28为例示出，光例如直接传播穿过所述窗，并反射离开缘边28的内侧。当来自加热光源21的光在窗23内传播时，光在窗21中逐渐被吸收。被吸收的一些光在窗23中逸散为热量。通过全内反射以及缘边处的反射，进入窗23的光在由于吸收而耗尽之前，最终行进了一段很长的有效路径，因而确保了光中的光能有效转化为窗中的热量。通过使用光纤，需要一些电功率的光源21能够物理上与窗23分离。因此，能够在无法使用或者不适合使用电力的位置(例如在风轮机的机舱的顶部上)实现窗23的加热以及除霜/除冰。

Claims (68)

1.一种激光雷达系统，包括：
光束产生部分，适配为产生基本上线性偏振的输出光束，以及
光束转向部分，包括用于可控地改变输出光束的偏振的第一光学器件，所述第一光学器件与第一偏振光束分离器光连接，所述光束转向部分适配为可交换地在第一方向和第二方向之间引导输出光束，
其中，所述激光雷达系统配置为检测、传播和/或接收从所述第一方向和第二方向接收的辐射，并且其中接收的所述辐射是沿所述输出光束的相反方向传播的。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中所述光束产生部分进一步包括非互易光学元件，所述输出光束和接收的所述辐射能够沿相反方向传播穿过所述非互易光学元件，所述非互易光学元件适配为旋转所述输出光束的偏振和接收的所述辐射的偏振。
3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其中所述非互易光学元件配置为使得所述输出光束的偏振和接收的所述辐射的偏振在所述非互易光学元件的一侧为基本上相互垂直，而在所述非互易光学元件的相对侧为基本上相互平行。
4.根据前述权利要求2至3中任一项所述的激光雷达系统，其中所述非互易光学元件适配为当所述输出光束传播穿过所述非互易光学元件时，将所述输出光束的偏振旋转约45度。
5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的激光雷达系统，其中所述非互易光学元件适配为当接收的所述辐射传播穿过所述非互易光学元件时，将接收的所述辐射的偏振旋转约45度。
6.根据前述权利要求2至5中任一项所述的激光雷达系统，其中所述非互易光学元件例如是法拉第旋转器，所述非互易光学元件借助于法拉第效应而对光的偏振进行旋转。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束转向部分进一步包括用于可控地改变沿第二方向传播的输出光束的偏振的第二光学器件，所述第二光学器件与第二偏振光束分离器光连接，所述光束转向部分适配为可交换地在第一方向、第二方向和第三方向之间引导输出光束。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一光学器件和/或第二光学器件能够起到互易光学元件的作用。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束转向部分适配为将所述输出光束导向测量体积，以照射所述测量体积中的颗粒。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统进一步包括用于将所述输出光束聚焦到测量体积上的透镜布置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统进一步包括用于产生参考光束的装置。
12.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其中所述参考光束是沿所述输出光束的相反方向传播。
13.根据前述权利要求11至12中任一项所述的激光雷达系统，其中所述参考光束与所述信号光束同轴传播。
14.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，适配为检测、传播和/或接收从所述第一、第二和/或第三方向接收的辐射。
15.根据权利要求14所述的激光雷达系统，其中接收的所述辐射是沿所述输出光束的相反方向传播。
16.根据前述权利要求14至15中任一项所述的激光雷达系统，其中所述参考光束与接收的所述辐射同轴传播。
17.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统进一步包括适配为检测与接收的所述辐射混合的参考光束的检测器。
18.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统进一步包括初始偏振光束分离器，适配为分开沿输出光束的相反方向传播的参考光束和接收的辐射。
19.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中接收的所述辐射包括从由所述输出光束照射的测量体积中的颗粒发出或者散射的光。
20.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一和/或第二光学器件是可变光学延迟器。
21.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一和/或第二光学器件是能旋转波片。
22.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一和/或第二光学器件适配为在不具有移动部分的情况下可控地改变所述输出光束的偏振。
23.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一和/或第二光学器件适配为可控地在两个特定偏振状态之间改变所述输出光束的偏振。
24.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一和/或第二光学器件适配为可控地以预定频率在两个特定偏振状态之间改变所述输出光束的偏振。
25.根据权利要求24所述的激光雷达系统，其中所述频率约为1Hz，诸如在0.01Hz和1kHz之间，诸如在0.01Hz和0.1Hz之间，诸如在0.1Hz和0.2Hz之间，诸如在0.2Hz和0.3Hz之间，诸如在0.3Hz和0.4Hz之间，诸如在0.4Hz和0.5Hz之间，诸如在0.5Hz和0.6Hz之间，诸如在0.6Hz和0.7Hz之间，诸如在0.7Hz和0.8Hz之间，诸如在0.8Hz和0.9Hz之间，诸如在0.9Hz和1Hz之间，诸如在1Hz和1.5Hz之间，诸如在1.5Hz和2Hz之间，诸如在2Hz和3Hz之间，诸如在3Hz和4Hz之间，诸如在4Hz和5Hz之间，诸如在5Hz和6Hz之间，诸如在6Hz和7Hz之间，诸如在7Hz和8Hz之间，诸如在8Hz和9Hz之间，诸如在9Hz和10Hz之间，诸如在10Hz和15Hz之间，诸如在15Hz和30Hz之间，诸如在30Hz和60Hz之间，诸如在60Hz和100Hz之间，诸如在100Hz和1kHz之间。
26.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中在所述第一光学器件和所述第一偏振光束分离器之间的光连接至少部分地由偏振保持光波导提供。
27.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一光学器件和所述第一偏振光束分离器之间的光连接至少部分地由光纤提供，所述光纤优选为偏振保持光纤。
28.根据前述权利要求26至27中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统进一步包括用于将所述输出光束的偏振与所述偏振保持光波导/光纤的传播方向对准的装置。
29.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束产生部分进一步包括位于光学路径上的一个或多个线性偏振器。
30.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束产生部分包括相干光源，诸如相干激光器，诸如半导体激光器，诸如集成半导体激光器组件。
31.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束产生部分包括相干光源，所述相干光源传送准直的线性偏振输出。
32.根据前述权利要求11至31中任一项所述的激光雷达系统，其中所述参考光束至少部分地由光纤的第一或者第二端面产生。
33.根据前述权利要求11至32中任一项所述的激光雷达系统，其中所述参考光束至少部分地由部分反射镜产生。
34.根据前述权利要求11至33中任一项所述的激光雷达系统，其中所述参考光束的偏振基本上等于接收的所述辐射的偏振。
35.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统进一步包括信号处理器。
36.根据权利要求35所述的激光雷达系统，其中所述信号处理器适配为根据所述检测器信号，产生与颗粒速度对应的速度信号。
37.根据前述权利要求35至36中任一项所述的激光雷达系统，其中所述信号处理器配置为确定风速。
38.根据前述权利要求35至37中任一项所述的激光雷达系统，其中所述信号处理器配置为确定所述测量体积中的湍流。
39.根据前述权利要求35至38中任一项所述的激光雷达系统，其中所述信号处理器配置为确定所述测量体积中的温度。
40.根据前述权利要求35至39中任一项所述的激光雷达系统，其中所述信号处理器配置为根据检测器信号，产生与所述测量体积中的颗粒浓度对应的浓度信号。
41.根据前述权利要求35至40中任一项所述的激光雷达系统，其中所述信号处理器配置为确定所述测量体积中的颗粒浓度。
42.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中所述激光雷达系统是相干多普勒激光雷达系统。
43.一种激光雷达系统，包括：
光束产生部分，适配为产生基本上线性偏振的输出光束，以及
偏振保持光波导，用于沿第一方向传播所述输出光束，并沿相反的第二方向传播接收的辐射，以及
非互易光学元件，所述输出光束和接收的所述辐射沿相反方向传播穿过所述非互易光学元件，所述非互易光学元件适配为旋转所述输出光束的偏振和接收的所述辐射的偏振。
44.根据权利要求43所述的激光雷达系统，其中所述光学元件配置为使得所述输出光束的偏振和接收的所述辐射的偏振在所述光学元件的一侧为基本上相互垂直，而在所述光学元件的相对侧为基本上相互平行。
45.根据权利要求43至44中任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统还包括权利要求1-42中任一项的系统的任意特征。
46.一种激光雷达系统，包括与光束转向部分光连接的光束产生部分，所述光束转向部分含有其中输出光束透射穿过的窗，所述光束产生部分含有至少一个加热光源，将所述加热光源的至少一部分光学输出通过至少一个光波导而传输到所述光束转向部分，其中所述至少一个热光源适配为加热所述窗。
47.根据权利要求46所述的激光雷达系统，其中所述光波导包括一个或多个光纤。
48.根据权利要求46至47中任一项所述的激光雷达系统，其中所述输出光束的波长不同于所述加热光源的波长。
49.根据权利要求46至48中任一项所述的激光雷达系统，其中所述加热光源的波长不同于所述激光雷达系统的检测波长间隔。
50.根据权利要求46至48中任一项所述的激光雷达系统，其中所述至少一个加热光源适配为通过将所述加热光源的光学输出的电磁能转换为窗中的热能，来加热所述窗。
51.根据权利要求46至50中任一项所述的激光雷达系统，其中所述至少一个加热光源适配为避免所述窗的至少一部分发生凝结和/或结冰。
52.根据权利要求46至51中任一项所述的激光雷达系统，其中所述窗是适配为聚焦所述输出光束的透镜。
53.根据权利要求46至52中任一项所述的激光雷达系统，其中所述窗是椭圆形的，诸如圆形。
54.根据权利要求46至53中任一项所述的激光雷达系统，其中所述窗的周围缘边设有金属涂层和/或反射涂层。
55.根据权利要求46至54中任一项所述的激光雷达系统，其中所述窗的一个或者两个表面设有防反射涂层。
56.根据权利要求46至55中任一项所述的激光雷达系统，其中来自所述加热光源的光在所述窗的两个表面之间内耦合。
57.根据权利要求46至56中任一项所述的激光雷达系统，其中来自所述加热光源的光借助于折射元件而在所述窗的两个表面之间内耦合，所述折射元件诸如是耦合刻面、扩散器、棱镜或者导光管。
58.根据权利要求57所述的激光雷达系统，其中所述折射元件是凹形的或者凸形的。
59.根据权利要求56至58中任一项所述的激光雷达系统，其中来自所述加热光源的光适配为借助于所述窗的两个表面之间的全内反射而在所述窗内传播。
60.根据权利要求46至59中任一项所述的激光雷达系统，其中窗材料掺杂有吸收来自所述加热光源的光的一种或多种元素。
61.根据权利要求46至60中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束产生部分与所述光束转向部分物理上分离。
62.根据权利要求46至61中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束产生部分与所述光束转向部分电气分离。
63.根据权利要求46至62中任一项所述的激光雷达系统，其中所述光束转向部分是电中性的。
64.根据权利要求46至63中任一项所述的激光雷达系统，还包括权利要求1-44中任一项所述的系统的任意特征。
65.包括根据前述任一权利要求所述的激光雷达系统的风轮机。
66.包括根据前述权利要求1至64中任一项所述的激光雷达系统的风轮机，其中所述光束产生部分完全整合到机舱中，所述光束转向部分至少部分地位于所述机舱的外部，所述输出光束和接收的所述辐射借助于偏振保持光纤而在所述机舱与外部之间传输。
67.包括根据前述权利要求1至64中任一项所述的激光雷达系统的帆船。
68.包括根据前述权利要求1至64中任一项所述的激光雷达系统的飞机。
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