CN108931485A - 远程光谱分析设备及相关的远程光谱分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LIDAR型远程光谱分析设备(10)及相关的远程光谱分析方法，该远程光谱分析设备包括用于生成发射信号的生成模块(12)、用于向目标材料发送发射信号的发射模块(14)、用于接收响应信号的接收模块(15)以及用于对响应信号进行后处理以确定目标材料的成分的后处理模块(16)。生成模块(12)包括至少两个激光源，每个激光源能够生成预定波长的激光信号；能够混合由不同激光源生成的激光信号的上行混频器；以及第一调制器，该第一调制器能够以第一调制频率调制复合信号以形成发射信号。

Description

远程光谱分析设备及相关的远程光谱分析方法
技术领域
本发明涉及一种具有复合激光源的远程光谱分析设备。
本发明进一步涉及一种由该设备实施的远程光谱分析方法。
背景技术
现有技术中已经已知各种远程光谱分析方法。申请FR 3,039,331中特别描述了这种光谱分析方法的一个示例。
这种光谱分析方法被称为是“LIDAR”型光谱分析方法，这意味着它是通过下文中被称为术语“LIDAR”的光学远程探测和测量工具来执行的。术语“LIDAR”来自于表达“光探测和测距”。
特别地，该方法使得能够通过向目标材料发射具有确定频率的光波以及之后接收由该材料反射的光波来研究位于LIDAR一定距离处的目标材料的成分。
因此，通过将该反射光波与初始波或参考信号进行比较，例如可以确定该材料的吸收系数，这样通常可确定该材料的精确成分。
光波是由LIDAR以通常由多条光线组成的频率梳的形式发射的。这些光线是由一个或多个具有预定频率的调制器使用本身已知的生成方法根据激光信号来生成的。特别地，基于所需的采样精度来选择该频率。
该频率梳的所有光线被同时发往目标材料，随后由该材料反射并由LIDAR接收。通过与参考信号混合，所接收到的光线使得能够获得目标材料的干涉图样。然后，其傅里叶变换提供目标材料的光谱，即该材料的精确成分。
然后，每条发射的光线使得能够通过LIDAR覆盖预定的波长区域。
然而，对于某些目标材料，现有光谱分析设备的波长域相对受限，这使得不能对这些材料进行充分的研究。
发明内容
本发明旨在显著地扩大远程光谱仪可到达的波长区域，以便能够更有效地分析所有目标材料。
为此，本发明涉及一种LIDAR类型的远程光谱分析设备，所述远程光谱分析设备包括用于生成发射信号的生成模块；用于向目标材料发送所述发射信号的发射模块；用于接收由所述目标材料反射的对应于所述发射信号的响应信号的接收模块；用于对所述响应信号进行后处理以确定所述目标材料的成分的后处理模块。
所述生成模块包括至少两个激光源，每个激光源能够生成预定波长的激光信号，所述预定波长与该激光源或另一激光源的波长不同；上行混频器，所述上行混频器能够混合由所述不同激光源生成的激光信号以形成复合信号；以及第一调制器，所述第一调制器能够将复合信号调制到第一调制频率(F1)以形成所述发射信号。
根据本发明的其他有利方面，所述设备包括单独或根据所有技术上可能的组合考虑的以下特征中的一个或多个：
所述后处理模块包括主滤波器，所述主滤波器能够从所接收到的响应信号中提取对应于所述不同预定波长的基本信号；
所述生成模块进一步包括分离器，所述分离器用于对所述复合信号或所述发射信号进行分离以形成用于所述后处理模块的参考信号；
所述后处理模块进一步包括附加滤波器，所述附加滤波器能够从所述参考信号中提取对应于所述不同预定波长的基本信号；
所述生成模块进一步包括第二调制器，所述第二调制器能够以不同于所述第一调制频率的第二调制频率调制所述复合信号；
所述生成模块进一步包括下行混频器，所述下行混频器能够混合由所述第一调制器调制的复合信号和由所述第二调制器调制的复合信号以形成所述发射信号；
所述第一调制频率是基于所述目标材料的物理特性来选择的；以及
所述预定波长是基于所述目标材料的物理特性来选择的。
本发明还涉及一种远程光谱分析方法，包括以下步骤：
生成发射信号；
向目标材料发送所述发射信号；
接收由所述目标材料反射的对应于所述发射信号的响应信号；
分析所述响应信号以确定所述目标材料的成分。
所述用于生成所述发射信号的步骤包括以下子步骤：
以不同的预定波长生成至少两个激光信号；
混合所生成的激光信号以形成复合信号；以及
以第一调制频率调制所述复合信号以形成所述发射信号。
根据本发明的其他有利方面，所述方法包括单独或根据所有技术上可能的组合考虑的以下特征中的一个或多个：
所述用于生成所述发射信号的步骤进一步包括以下子步骤：
以第二调制频率调制所述复合信号以形成所述发射信号；
混合以所述第一调制频率和所述第二调制频率调制的所述复合信号以形成所述发射信号；
所述用于分析所述响应信号的步骤包括以下子步骤：
从所接收到的响应信号中提取对应于所述不同预定波长的基本信号；
所述用于生成所述发射信号的步骤进一步包括以下子步骤：
分离所述发射信号以形成参考信号；
所述用于分析所述响应信号的步骤进一步包括以下子步骤：
从所述参考信号中提取对应于所述不同预定波长的基本信号。
附图说明
本发明的这些特征和优点将在阅读以下描述之后而呈现，该描述仅作为非限制性示例而提供，并且参考附图而实施，其中：
图1是根据本发明的远程光谱分析设备的示意图，该远程光谱分析设备尤其包括生成模块和后处理模块；
图2是图1中的生成模块和后处理模块的示意图；以及
图3是根据本发明的远程光谱分析方法的流程图，该远程光谱分析方法通过图1的远程光谱分析设备来实施。
具体实施方式
图1的光谱分析设备10例如位于地球轨道上的卫星上并用于观测地球或另一行星，并且尤其用于观测具有例如等于15km的厚度的大气层。
光谱分析设备10使得能够研究该大气层中的目标材料。目标材料为例如由诸如CO2、H2O或CH4之类的多种基本气体所组成的气体。
每一种基本气体都能够以事先已知的吸收系数吸收确定频率的光波。
因此，光谱分析设备10例如使得能够通过向目标气体发送光信号并分析由该气体所反射的的信号或者分析被该气体吸收且被背景表面(background surface)反射的信号来确定包含在目标气体中的基本气体的密度。
根据一可替代的实施例，光谱分析设备10位于另一个太空或陆地载具、或航空器上。
根据又一可替代的实施例，光谱分析设备10以固定方式被布置在例如地球表面上。
在至少一些上述可替代的实施例中，光谱分析设备10进一步使得能够研究布置在除大气之外的任何介质中的目标材料，例如水下或地下介质。
参考图1，光谱分析设备10包括生成模块12、发射模块14、接收模块15、后处理模块16和控制模块18。
生成模块12能够形成分别用于发射模块14和后处理模块16的发射信号和参考信号。
发射模块14为已知的发射望远镜，其能够接收来自生成模块12的发射信号并向目标材料发送该发射信号。
接收模块15也为已知的接收望远镜，其能够接收对应于由发射模块14发射的发射信号且由目标材料或另一种材料反射的响应信号。
根据一可替代的实施例，发射模块14的望远镜和接收模块15的望远镜采用单个部件的形式。
后处理模块16能够接收由生成模块12生成的初始参考信号和由接收模块15接收的响应信号并分析这些信号以确定目标材料的精确成分。
控制模块18使得能够控制光谱分析设备10的所有模块的操作。
控制模块18例如被连接至它被控制的卫星的中央计算机(未示出)。
现将参考图2更详细地说明生成模块12和后处理模块16。
因此，如该图2所示，生成模块12包括两个激光源20A、20B；两个光通道21、22；以及用于管理光通道21、22的电子设备25；所述光通道21、22通过上行引导装置23被连接到激光源20A、20B并且通过下行引导装置24被连接到发射模块14和后处理模块16二者。
激光源20A和激光源20B能够生成分别由λA和λB表示的预定波长的激光信号。波长λA与波长λB不同。这些预定波长λA、λB是例如基于目标材料的物理特性来选择的。
上行引导装置23包括在一侧的激光源20A、20B和另一侧的光通道21、22之间的由引导装置依次连接的上行混频器31和上行分离器32。
特别地，上行混频器31能够混合由不同激光源20A、20B产生的激光信号以在其出口处形成复合信号。
上行分离器32能够将由上行混频器31形成的每个复合信号分成两个相等部分，分别用于两个光通道21、22。在下文中，这些部分中的每一部分将可互换地称为“复合信号”。
下文中称为第一光通道的光通道21包括第一调制器41，该第一调制器41能够调制通过该通道21的复合信号以形成第一调制信号。
第一调制器41是例如已知的电光调制器，其使得能够生成频率梳I，该频率梳I调制对应于例如等于1GHz的第一调制频率F1的复合信号。然后，该频率梳包含于第一调制信号中。
下文称为第二光通道的光通道22包括第二调制器42，该第二调制器42能够调制通过该通道22的复合信号以形成第二调制信号。
与第一调制器41类似，第二调制器42是例如已知的电光调制器，使得能够生成频率梳I，该频率梳调制对应于例如等于F1+100KHz的第二调制频率F2的复合信号。然后，该频率梳包含于第二调制信号中。
电子管理设备25使得能够根据已知的技术来控制调制器41和调制器42的操作。更具体地，电子设备25能够生成控制第一调制器41操作的频率为F1的射频信号和控制第二调制器42操作的频率为F2的射频信号。
下行引导装置24包括下行混频器48和下行分离器49，该下行混频器48和下行分离器49在一侧上的光通道21、22和另一侧上的发射模块14和后处理模块16之间通过波导依次连接。
特别地，下行混频器48使得能够形成由来自第一光通道21的第一调制信号和来自第二光通道22的第二调制信号组成的信号。因此，下行混频器48使得由这些不同的通道所生成的梳调和在一起且之后生成干涉图样。
下行分离器49使得能够将来自下行混频器48的复合信号例如以10％：90％的比例分成弱信号部分和强信号部分。弱信号部分形成用于后处理模块16的参考信号且强信号部分形成用于发射模块14的发射信号。然后，参考信号和发射信号均包括干涉图样。
后处理模块16包括主滤波器51、附加滤波器52、上行引导装置53、下行引导装置54和处理单元55。
上行引导装置53具有分别将主滤波器51连接至接收模块15和将附加滤波器52连接至生成模块12的波导。
特别地，上行引导装置53使得能够将来自接收模块15的每个响应信号发送到主滤波器51，并且将来自生成模块12的每个参考信号发送到附加滤波器52。
根据一示例实施例，上行引导装置53包括被布置在生成模块12和附加滤波器52之间的波导中的延迟器56。该延迟器使得能够相对于发射信号延迟参考信号的传输以同步该参考信号和对应的响应信号。
主滤波器51能够从相应的响应信号中提取具有不同波长的基本信号。
因此，在所述示例中，主滤波器51能够从每个所接收到的响应信号中提取两个基本信号，即具有波长λA的基本信号和具有波长λB的基本信号。
类似地，附加滤波器52能够从每个参考信号中提取两个基本信号，即具有波长λA的基本信号和具有波长λB的基本信号。
下行引导装置54具有将滤波器51、52连接至处理单元55的波导。对于滤波器51和滤波器52，这些波导为来自每个滤波器的相应基本信号形成单独的光传输通道。
因此，在所描述的示例中，这些波导为滤波器51和滤波器52形成光传输通道。
最后，处理单元55能够接收经由下行引导装置54传输的所有基本信号，以确定处于多个波长处的目标材料的精确成分。特别地，这是通过比较频谱来实现的，该频谱是通过对包含在来自参考信号的基本信号中的干涉图样和包含在接收信号中的干涉图样进行傅里叶变换来计算得到的。
处理单元55例如配备有被配置为执行所述功能的所有必需的硬件或软件装置。
现在将参考图3来说明由光谱分析设备10实施的远程光谱分析方法，图3示出了其步骤的流程图。
首先，确定目标材料，并且发射模块14和接收模块15分别被配置为向该材料发送发射信号以及接收由该材料反射的响应信号。
在步骤110期间，控制模块18命令控制生成模块12生成发射信号。
在接下来的步骤120期间，生成模块12之后生成用于发射模块14的发射信号和用于后处理模块16的参考信号。
该步骤120包括多个子步骤。
在初始子步骤121期间，两个激光源20A、20B生成波长为λA和λB的两个激光信号。
在接下来的子步骤122期间，上行混频器31混合生成的两个激光信号以形成复合信号。该复合信号之后被下行分离器32分成两个相等的部分。
在接下来的子步骤123期间，以第一调制频率F1调制通过第一光通道21的复合信号。
在与子步骤123并行执行的子步骤124期间，以第二调制频率F2调制通过第二光通道22的复合信号。
在接下来的子步骤125期间，下行混频器48混合来自光通道21、22的调制信号，以及下行分离器49分离来自混频器48的信号以形成发射信号和参考信号。
在步骤120之后执行的步骤130期间，发射模块15向目标材料发送发射信号。
在接下来的步骤140期间，接收模块15接收由目标材料反射的对应于发射信号的响应信号。
在接下来的步骤150期间，后处理模块16分析响应信号和参考信号以确定目标材料的精确成分。
特别地，步骤150包括多个子步骤。
在子步骤151期间，主滤波器51接收由接收模块15接收的响应信号并且从该响应信号中提取波长为λA和λB的两个基本信号。
在与子步骤151并行执行的子步骤152期间，附加滤波器52接收所延迟的参考信号，并从该延迟的参考信号中提取波长为λA和λB的两个基本信号。
在接下来的子步骤153期间，主滤波器51和附加滤波器52将所有基本信号发送至处理单元，然后处理单元分析这些基本信号以确定目标材料的精确成分。
因此，该光谱分析设备和由该设备实施的光谱分析方法使得能够通过同时使用多个波长的光谱来对目标材料执行更加彻底的分析。然后可以看到，这可以提高针对不同目标材料的光谱分析的质量。
此外，显然本发明不限于先前描述的光谱分析设备的架构。特别地，根据本发明的进一步包含不同波长的多个激光源的任何已知架构都可以用于实施本发明。
因此，在上述架构中，可以省略下行混频器48，以便将第二光通道22直接连接至后处理模块16的附加滤波器52。在这种情况下，只向目标材料发送由第一光通道21生成的梳，而由第二光通道22生成的梳在参考信号中被直接发送至后处理模块16。
相反，当使用下行混频器48时，可以完全省略向后处理模块16传输参考信号。在这种情况下，在发射信号中以不同频率生成的两个梳的节拍(beat)足以确定目标材料的精确成分。
最后，可以提供严格大于两个的多个激光源以覆盖更大的波长域。当然，在这种情况下，主滤波器和可选的附加滤波器必须适合于提取与激光源一样多的不同波长的基本信号。

Claims (12)

1.一种LIDAR型远程光谱分析设备(10)，包括：
生成模块(12)，所述生成模块用于生成发射信号；
发射模块(14)，所述发射模块用于向目标材料发送所述发射信号；
接收模块(15)，所述接收模块用于接收由所述目标材料反射的对应于所述发射信号的响应信号；
后处理模块(16)，所述后处理模块用于对所述响应信号进行后处理以确定所述目标材料的成分；
所述设备(10)的特征在于，所述生成模块(12)包括：
至少两个激光源(20A、20B)，每个激光源(20A、20B)能够生成预定波长(λA、λB)的激光信号，所述预定波长与该激光源或另一激光源(20A、20B)的波长不同；
上行混频器(31)，所述上行混频器能够混合由所述不同激光源(20A、20B)生成的激光信号以形成复合信号；以及
第一调制器(41)，所述第一调制器能够将复合信号调制到第一调制频率(F1)以形成所述发射信号。
2.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，所述后处理模块(16)包括主滤波器(51)，所述主滤波器能够从所接收到的响应信号中提取对应于所述不同预定波长(λA、λB)的基本信号。
3.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，所述生成模块(12)进一步包括分离器(32、49)，所述分离器用于对所述复合信号或所述发射信号进行分离以形成用于所述后处理模块(16)的参考信号。
4.根据权利要求3所述的设备(10)，其中，所述后处理模块(16)进一步包括附加滤波器(52)，所述附加滤波器能够从所述参考信号中提取对应于所述不同预定波长(λA、λB)的基本信号。
5.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，所述生成模块(12)进一步包括第二调制器(42)，所述第二调制器能够以不同于所述第一调制频率(F1)的第二调制频率(F2)调制所述复合信号。
6.根据权利要求5所述的设备(10)，其中，所述生成模块(12)进一步包括下行混频器(48)，所述下行混频器能够混合由所述第一调制器(41)调制的复合信号和由所述第二调制器(42)调制的复合信号以形成所述发射信号。
7.根据权利要求1所述的设备(10)，其中，所述第一调制频率(F1)是基于所述目标材料的物理特性来选择的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(10)，其中，所述预定波长(λA、λB)是基于所述目标材料的物理特性来选择的。
9.一种远程光谱分析方法，包括以下步骤：
生成(120)发射信号；
向目标材料发送(130)所述发射信号；
接收(140)由所述目标材料反射的对应于所述发射信号的响应信号；
分析(150)所述响应信号以确定所述目标材料的成分；
所述方法的特征在于，所述用于生成所述发射信号的步骤(120)包括以下子步骤：
以不同的预定波长(λA、λB)生成(121)至少两个激光信号；
混合(122)所生成的激光信号以形成复合信号；以及
以第一调制频率(F1)调制(123)所述复合信号以形成所述发射信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述用于生成所述发射信号的步骤(120)进一步包括以下子步骤：
以第二调制频率(F2)调制(124)所述复合信号以形成所述发射信号；
混合(125)以所述第一调制频率和所述第二调制频率调制的所述复合信号以形成所述发射信号。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述用于分析所述响应信号的步骤(150)包括以下子步骤：
从所接收到的响应信号中提取(151)对应于所述不同预定波长(λA、λB)的基本信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述用于生成所述发射信号的步骤(120)进一步包括以下子步骤：
分离(125)所述发射信号以形成参考信号；以及
其中，所述用于分析所述响应信号的步骤(150)进一步包括以下子步骤：
从所述参考信号中提取(152)对应于所述不同预定波长(λA、λB)的基本信号。
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