CN112997084A - 用于确定物体的速度分量的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定物体的速度分量的设备，该物体相对于该设备在测量距离处的检测区域中移动并反射源自光源的光，其中该物体产生从检测区域发出的反射光。为此，该设备包括物镜、调制器、接收光学单元和光检测器，其中物镜检测由物体在检测区域中产生的反射光并将所述光成像到调制器上，调制器将反射光调制为一系列光信号，接收光学单元将调制器产生的一系列光信号成像到光检测器上，光检测器将所述一系列光信号转换为一系列电子信号。另外，该设备包括接口，该接口将光检测器产生的一系列电子信号转发至评估单元。

Description

用于确定物体的速度分量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定物体的速度分量的设备，该物体在相对于该设备处于一定距离处的检测区域中移动并反射源自光源的光，其中该物体产生从检测区域发出的反射光。
背景技术
在许多应用领域中，物体速度的检测是必要或期望的，例如车辆或人的速度、液体的流速或地面以上特定高度处的风速。
在测量风速的领域中，经常使用杯形风速计。杯形风速计由在竖直旋转轴上的三个或四个半球形杯组成。它根据电阻原理产生电信号，并根据所述信号计算风速。附加的风向标用于确定风向。
已经开发出用于测量风速的所谓的光检测和测距(LiDAR，也即激光雷达)系统。激光器发射的光在气流中的空气颗粒(气溶胶)处反射，并由测量设备接收和评估。频率分析用于确定气溶胶的速度，从而确定风的速度。这些仪器的精度仅在某些物理假设下才是足够的，并且必须通过与参考测量杆进行定期比较测量来验证。另一个因素是，传统的LiDAR系统不适于检测横向速度分量。
为了解决这个问题，已经开发出利用纵向多普勒效应的LiDAR系统。为了确定横向速度分量，将激光器相对于其竖直轴线倾斜大约15°，并将其围绕该轴线旋转。因此，激光束绘出了一个测量锥，该测量锥用于测量相对于激光束的风速的纵向分量，并由此计算水平风速的平均值。然而，这里的问题是，随着高度的增加，测量锥的直径变得越来越大。另一个因素是，在高度结构化的地形(包括丘陵、林地、山谷和建筑物)中的测量不够准确。
EP2062058A1提出了一种具有高空间分辨率的用于测量横向速度分量的设备，该设备旨在针对多达500m的距离而设置。在检测区域的方向上发射准直过的激光束，其中调制器的光栅结构被投影到检测区域中。该设备将物体(例如空气颗粒)在检测区域中经过投影的光栅结构的运动检测为周期性的明暗信号，根据该信号的频率来计算风速的横向分量。
这里的缺点是调制器吸收了大部分激光功率，结果必须使用适当功率的激光。此外，为了检测横向速度的两个分量，需要两次测量，其中调制器必须旋转90°。此外，该设备仅提供了有限的参数化可能性，结果使得对不同测量距离的可调性更加困难并且测量精度受到限制。
发明内容
本发明解决的问题
本发明解决的问题是克服现有技术的这些和另外的缺点，并提供一种用于确定物体的速度分量的设备，该设备使用简单的方式以成本有效的方式构造，并且能够对物体速度、特别是高空风速进行高效且经济的测量。此外，力求适合于相应的应用的高空间分辨率以及高测量精度。
本发明的问题解决方案
本发明的主要特征在权利要求1中给出。权利要求2至15涉及构造。
根据本发明的解决方案提供了一种用于确定物体的速度分量、特别是横向速度分量的设备，该物体在相对于该设备处于测量距离处的检测区域中移动并反射源自光源的光，其中该物体产生从检测区域发出的反射光，
该设备包括透镜、调制器、接收光学单元和光检测器，
其中透镜捕获由物体在检测区域中产生的反射光并将反射光成像到调制器上，
其中调制器将反射光调制为一系列光信号，
其中接收光学单元将调制器产生的一系列光信号成像到光检测器上，并且
其中光检测器将一系列光信号转换为一系列电子信号，并且
该设备包括接口，该接口将光检测器产生的一系列电子信号转发至评估单元。
因此，该设备捕获从物体反射的光，其中该物体(例如车辆、人、一滴液体、气溶胶颗粒、气溶胶等)移动通过该设备限定的检测区域。该反射的光信号被透镜成像到调制器上，被所述调制器调制，随后通过接收光学单元作为一系列光信号被成像到光检测器上。因此，所述光检测器检测一系列光强度变化，在光信号被转换为电子信号之后，可以通过评估单元根据该光强度变化的频率计算出物体的速度。
根据本发明的设备的部件的布置实现了紧凑的结构，与迄今为止已知的系统相比，该紧凑的结构能够以更加成本有效的方式实现。该设备非常稳健，并且调制器不会引起任何扰动性的干涉。相反，可以在任何接收到的光反射上快速且方便地调制由调制器产生的一系列光信号。可以使用透镜以简单的方式限定距设备一定距离处的检测区域。此外，可以通过透镜的焦距来控制调制器上实施的光栅图案的放大倍率。入射的反射光的明显更高的光强度和相应更高的光束功率简化了由调制器产生的并通过接收光学单元成像在光检测器上的一系列光信号的检测。因为接收光学单元的校准几乎没有复杂性，所以可以容易地重现该设备。此外，该设备为参数化提供了多种选择，因此可以针对计划好的测量距离快速、简单地设计该设备。因此，与常规系统相比，该设备的生产非常经济。
本发明的一个实施例设置为将透镜、调制器、接收光学单元和光检测器布置在光接收器路径上。这实现了各个部件的极其紧凑和稳定的布置，其中，如果将布置有透镜、调制器、接收光学单元和光检测器的接收器路径实施在设备内，则是更加有利的。结果，可以显著减小设备的尺寸。
根据本发明的另一重要构造，透镜在调制器上以限定的景深对检测区域进行成像。
当物体移动通过检测区域时，透镜用于接收从物体反射的光信号。因此，检测区域由透镜借助于测量距离(即设备与检测区域之间的距离)来限定，其中测量距离通过焦距和焦点来限定。
折反射透镜优选用作所述透镜，因为它们结合了长焦距和短结构长度。但是，合适的透镜的选择不限于所提到的类型。
透镜的景深限定了透镜可以将检测区域内的物体(例如气溶胶颗粒)清晰地成像到调制器上的距离范围。景深范围通常由距透镜的距离dn小于测量距离g的近点和距透镜的距离df大于测量距离g的远点界定。
因此，景深由相对于远点的距离与相对于近点的距离之差得到：
h＝df-dn (1)
其中相对于远点的距离是：
Figure BDA0002987227060000041
并且相对于近点的距离是：
Figure BDA0002987227060000042
在上式中，dn是超焦距，f是透镜的焦距，g是测量距离。
因此，通过透镜，设备可以在特定距离(测量距离)处限定检测区域，其中可以根据景深h和距离df和dn来调整用于信号评估的被检测光子的时间范围。
本发明的另一个实施例设置为透镜将从物体反射的光成像到调制器的限定区域上。在这种情况下，调制器优选地布置在焦平面中，即，在透镜的像平面中。
根据本发明的一个变化，调制器设有交替的不透明线和非不透明线的图案。这些线具有限定的宽度bop和bnop，并且在下文中也称为光栅。
调制器的光栅的特征在于基本光栅常数G0，该常数由相同类型的两条相邻线的线间距给出。线宽bop和bnop的选择应使得要观察的物体被不透明线完全遮盖，并通过非不透明线完全可见。因此，应根据相应的测量任务确定线宽的尺寸。
在测量风速的情况下，可以将要观察的气溶胶颗粒看作是点状的，从而可以将线宽选择为非常小，低至几微米。在测量大物体例如车辆的速度时，必须考虑最大车辆长度和测量距离来确定线宽。
特别有利的是，调制器的实施例具有交替的不透明线和非不透明线的图案，其中不透明线和非不透明线以阿基米德螺线的形式实施。如果将具有x和y轴的正交坐标系分配给调制器，则可以瞄准调制器上的两个区域，其中大约平行的螺旋线分别垂直于x轴和垂直于y轴延伸。结果，可以仅使用一个调制器来调制两个不同的，优选地相互垂直的运动方向，特别是当调制器绕轴线可旋转地安装时。
在简化的实施例中，调制器被固定在设备内。
补充地或替代地，调制器可以被布置为使得其能够沿着光接收器路径在纵向上移位。
本发明的另一设计方案设置为接收光学单元包括透镜元件系统。透镜元件系统确保了将调制器产生的一系列光信号聚焦到光检测器上，其中光检测器布置在焦平面内，即接收光学单元的像平面内。
透镜元件系统包括至少一个透镜元件，其中，接收光学单元此外可以具有滤光器和/或虹膜光阑。虹膜光阑用于设置透镜捕获的检测区域的直径dObj。滤光器消除来自周围环境并进入透镜的杂散光。
根据测量距离g和虹膜光阑的开口直径b限定检测区域的直径dObj(g)，如下所示：
dObj(g)＝V(g)·b (4)
在上式中：
Figure BDA0002987227060000051
其描述了对于具有焦距f的透镜，在测量距离g处，检测区域的场放大倍率。
接收光学单元还可以具有被设置为光源的波长的透射区域；也就是说，接收光学单元提供了进行特定波长的滤波的可能性。
取决于应用，例如，光检测器可以是光电探测器或光电倍增器，它们甚至可以将强度非常低的光信号记录到各个光子中，并将其转换为电信号。
本发明的另一种构造设置为将光检测器产生的信号放大。为此，可以提供放大器，该放大器分配给光检测器、接口或评估单元。
本发明的另一重要构造提供了一种分束器，该分束器布置在透镜与调制器之间，并将从物体反射的光分成两个部分光束。
在这种情况下，本发明还提供了一种透镜，以将由分束器产生的部分光束成像到调制器的第一区域和第二区域中，其中这些区域不重叠。此外，调制器将所述部分光束调制为第一系列光信号和第二系列光信号，其中接收光学单元将调制器的第一区域产生的第一系列光信号成像到光检测器上，而第二接收光学单元将调制器的第二区域产生的第二系列光信号成像到第二光检测器上。
第二接收光学单元和第二光检测器优选地布置在第二光接收器路径上，其中，接收器路径和第二接收器路径平行地布置。
因此，能够确定物体的两个横向速度分量，例如在测量风场时。
另外，如果调制器绕其轴线正好旋转一次(旋转角度360°)，则两个区域中的每个区域都将被调制器上实施的所有螺旋线正好穿过一次。此外，如果使调制器以旋转频率n旋转，则上述区域被螺旋线以频率f0＝n·NSp穿过，其中所述线在第一区域中沿x轴方向移动，并在第二区域中沿y轴方向上移动，方式为旋转90°。
因此，第二接收光学单元和布置在调制器下游的接收光学单元(均具有布置在下游的光检测器)在非移动物体被激发反向散射的情况下记录频率为f0的信号。因此，将该频率称为零频率f0。
如果光源是自然光源，例如环境光或太阳光，对于许多应用来说就足够了，但是，本发明的另一重要实施例设置为被反射的光的光源是激光器或非相干光源。
对于相对较大的物体(例如车辆或人)的速度测量，在给定足够照明(例如日光)的情况下，不需要单独的光源。但是，如果照明条件不足，即接收器路径上的光强度不足，则可以使用人造光源。人造光源可以是激光器或非相干光源。
可以将连续波激光器或非相干光源用于例如测量液体的流速。
脉冲激光器优选用于风速的测量。
为了使光源发射的光入射到待测量的物体上，提供了镜光学单元，该镜光学单元将从光源发出的光导向检测区域的方向。此外，在这种情况下，如果镜光学单元将从光源发出的光引导到透镜的光轴中，则是有利的。
此外，本发明提供一种成像光学单元，其使从光源发出的光准直，其中，成像光学单元优选地包括透镜元件系统。
透镜元件系统用于整形(扩展和准直)由光源产生的光信号。透镜元件系统是根据以下关系设计的：
Figure BDA0002987227060000071
所示的方程描述了激光束的直径d(g)，其取决于测量距离g、整形后出射的激光束的直径d0以及该激光束的发散角
Figure BDA0002987227060000072
该发散角由透镜元件系统决定。
在本发明的另一构造中，光源、成像光学单元和镜光学单元位于光传输路径上。因此，后者用于照亮位于预定测量距离处的检测区域，使得位于该处的可能移动的物体被激发，以使反射光在接收器路径的方向上反向散射。
在本发明的另一实施例中，传输路径和接收器路径在光轴上在透镜上游的设备的输出端处被组合。这同样有助于设备的极其紧凑的设计。
在具体的应用中，例如当在日光下测量车速时，环境光可能已经足以充分地照亮检测区域。在这种情况下，可以省去传输路径和位于其中的布置。
然而，通常必须使用光源和传输路径上的部件来照亮检测区域。
对于设备的紧凑的实施例，还设置为将光源、成像光学单元和/或镜光学单元布置在设备内。
为了能够进一步处理由光检测器产生的信号，即由光信号产生的一系列电子信号，提供了接口。接口通过电缆连接或通过无线电链路连接到评估单元。
评估单元(例如计算机或膝上型电脑)可以在设备外部实现并且与设备分开。在这种情况下，接口通过电缆连接到计算机或膝上型电脑。但是，也可以使用无线电链路，例如红外连接或蓝牙连接。
但是，评估单元也可以是设备的一部分。在这种情况下，接口优选地经由电缆连接而连接到评估单元。
有利地，评估单元具有存储器，该存储器存储由光检测器产生的一系列电子信号，其中评估单元根据所述一系列电子信号计算物体的速度分量。
在评估单元的数据存储器中，记录和分析至少一个电信号的时间分布。此外，作为时间的函数而存储的所确定的速度以电子形式显示或传达给用户。
根据本发明的设备的性能基本上由光源、透镜、调制器和光电探测器确定，即由它们的特性(参数化)确定。
该参数化的基础由LiDAR方程形成，该LiDAR方程可从“Laser Remote Sensing(激光遥感)”的第487页中的公式7.2得知(Takashi Fujii和Tetsuo Fukuchi编辑，CRC出版社，2005年)：
Figure BDA0002987227060000081
其中的参数见表1中的说明。
P<sub>S</sub> 通过透镜光圈D收集的功率
E<sub>x</sub> 脉冲能量
η<sub>t</sub> 传输损耗
η<sub>x</sub> 接收损耗
T 大气传输损耗
β 在检测区域中被观察物体的反向散射系数
O(g) (激光束与检测区域的)重叠函数
A<sub>R</sub> 透镜光圈D的面积:A<sub>R</sub>＝(1/4)πD<sup>2</sup>
g 透镜到检测区域的距离(＝测量距离)
c 介质(例如空气或液体)中的光速
表1：LiDAR方程的参数
在上面，ηt和ηx是系统规定的常数，具体地由传输路径和接收器路径中的透镜元件系统决定。T、β、g、c是特定于应用的常数。如果打算采用多个测量距离g，则应将最大测量距离插入LiDAR方程中。O(g)描述了检测区域的横截面与激光束的横截面的重叠。假定有一个最佳重叠，它对应于O(g)＝1。由于当在调制器之间通过时，透镜收集的功率的50％会损失，因此该值减小到O(g)＝0.5。
在测风期间根据本发明的设备的使用表现如下。
在选定的位置，在预定的测量距离处，由装备有相应光源的设备优选通过准直的激光照亮由透镜预先限定的检测区域。
位于所述检测区域中或移动通过所述检测区域的物体(例如气溶胶颗粒)被激光撞击。物体反射撞击光，并因此产生从检测区域发出并撞击在设备透镜上的反射光。
聚焦在检测区域上的透镜将反射光成像到优选旋转的调制器的区域上。在此，其光栅图案以由光栅图案的实施例和调制器的旋转频率决定的频率f0移动。示例性地，该过程可以描述为调制器的正在被反向散射信号穿过的区域向后投影到检测区域中。
因此，由等距平行的不透明线和非不透明线组成的光栅图案被投影到位于测量距离g处的检测区域中，其中所述图案被放大到光栅常数G，光栅常数G被设置为使得光栅完全覆盖检测区域。
对于光栅常数G的放大倍率V，以下关系成立：
G(g)＝V(g)·G0 (8)
如果静止的反向散射物体位于检测区域中，则它会在调制器下游产生一个零频率f0的信号。
如果物体以速度v移动通过x-y平面，则光电探测器测得的频率将变为：
fx＝f0+Δfx＝n·NSp+vx/G (9)
fy＝f0+Δfy＝n·NSp+vy/G (10)
在这种情况下：
Δfx＝vx/G(11)和Δfy＝vy/G (12)
是两个部分信号相对于零频率f0的频率变化。
在已知的光栅常数G的情况下，由此可以直接计算出点状物体在x方向和y方向上的速度的分量vx和vy。
如果点状物体分别具有与螺旋线的运动方向相反指向的速度分量vx和vy，则频移Δfx和Δfy为正。如果点状物体分别具有与螺旋线的运动方向相同指向的速度分量vx和vy，则频移Δfx和Δfy为负。点状物体的速度大小|v|和方向α可通过已知方式从速度分量vx和vy计算：
Figure BDA0002987227060000101
α＝arctan(vy/vx) (14)
在这种情况下，从x轴开始，沿数学上的正向旋转方向(逆时针方向)测量α。
为了使根据本发明的设备对风速产生明确的结果，还必须确保始终满足以下条件：
f0＞|Δfx|，d.h.f0＞|vx|/G (15)
f0＞|Δfy|，d.h.f0＞|vy|/G (16)
此外，应符合以下条件：
f0+|Δfx|＜PRF/2 (17)
f0+|Δfy|＜PRF/2 (18)
零频率和频移大小的总和必须小于脉冲重复频率的一半，才能满足Nyquist-Shannon采样定理。
如果知道风向，则也可以使用f0＝0，即，使用刚性调制器。然后，测量得出分量vx和vy的大小|vx|和|vy|，在这种情况下这就足够了。
如果要测量其速度的物体发出足够量的光，那么用光源激发它并不是绝对必要的。只需为设备专门配备接收器路径的部件就足够了。
附图说明
在下面的示例性实施例中，借助于附图来说明体现本发明的有利方式，其中：
图1示出了根据本发明的用于确定物体的速度分量的设备的示意图。
图2示出了根据本发明的用于确定物体的速度分量的设备的调制器的示意图。
图3示出了根据本发明的用于确定物体的二维速度矢量的设备的另一实施例的示意图。
具体实施方式
在图1中总体上用10表示的设备被实施为LiDAR系统，并且用于风速测量，因此用于确定在相对于设备10处于测量距离g处的检测区域D中移动的物体O(即气溶胶颗粒)的水平和/或横向速度分量vx和/或vy。物体反射从光源20发出的光L，并在此过程中产生从检测区域D发出的反射光RL。
优选地，以地面为基础进行风速测量，即，设备10固定在地面上，并且该测量以竖直远程测量的方式进行，其中风速的水平分量vx和vy，即风速相对于设备中光的入射的横向分量被确定。
设备10包括在壳体12中的光源20、透镜30、调制器40、接收光学单元50和光检测器60。此外，设备10在光检测器60和评估单元(未示出)之间具有接口70。透镜30、调制器40、接收光学单元50和光检测器60布置在光接收器路径80上。
除了光源20之外，设备10还包括镜光学单元90和具有透镜元件系统(未示出)的成像光学单元(同样未示出)。光源20(优选是激光器22)、成像光学单元和镜光学单元90位于光传输路径190上。
从图1中可以明显看出，激光器22、镜光学单元90和成像光学单元布置在设备10的壳体12中，使得传输路径190和接收器路径80在设备10的输出端处被组合，并且因此在光轴上位于透镜30上游的LiDAR系统的输出端处被组合。为此，镜光学单元90在传输路径190上具有布置在激光器22前面的第一偏转镜92，以及位于接收器路径80的光轴上的第二偏转镜94。透镜30的光圈(孔径)明显大于第二偏转镜94的尺寸，并且同样位于接收器路径80上。
成像光学单元的透镜元件系统例如包括两个会聚透镜元件，并且用于将激光器22发射的激光束L扩展到限定的直径并且随后使该光束准直。借助偏转镜92、94，沿接收器路径80的光轴在检测区域D的方向上发射准直光束。在测量距离g＝300m处，根据方程(6)的决定水平空间分辨率的直径d为0.25m。例如，如果将重叠函数O(g)设置为O(g)的值等于0.5(对于相同占比的不透明区域43和非不透明区域44)，则在测量距离g处，激光束L的直径d等于由透镜捕获的检测区域的直径dObj，并且等于水平空间分辨率。
如果不透明区域43和非不透明区域44的占比之间的比率被不同地选择(从1：1的比率偏离)，则O(g)的值也可以大于或小于0.5。
用作光源20的激光器22是例如具有λ＝532nm的波长的单色脉冲激光器。这样的激光器22是成本有效的，并且能够特别简单地调节LiDAR系统10。在每种情况下，另外的激光器参数应当与期望的测量距离g和要测量的物体(这里是气溶胶颗粒)相协调。
透镜(例如折反射透镜)捕获由物体O在检测区域D中产生的反射光RL，并将其成像到调制器40上，其中，反射光RL聚焦到调制器40的选定的第一区域46上。
如果透镜30的光圈(孔径)D为35.6cm(14英寸)，焦距f为3910mm，f数k＝f/D＝11，那么对于景深h，将得出表2所示的值。表2的右栏中汇总了所使用的透镜参数和激光波长。
物距g[m] 景深h[m] 焦距f[m]
50 0.05 3.91
100 0.2 超焦距d<sub>h</sub>[m]
150 0.45 97338.38
200 0.8 最小弥散圆Z[mm]
250 1.26 0.01
300 1.83 F数k
11
波长λ[nm]
532
表2：景深取决于物距＝测量距离g
调制器40在其表面上具有形成光栅的不透明线43和非不透明44的图案42。线43、44优选地是螺旋线41，特别优选地是阿基米德螺线的形式。结果，由物体O反射的光RL在通过检测区域D时被调制器40调制为一系列光信号(LS)。
所述一系列光信号LS通过接收光学单元50成像到光检测器60上，所述光检测器相应地产生一系列电子信号ES，所述一系列电子信号ES通过接口70被转发至评估单元。
如果调制器40是静止的，即如果它固定在壳体12中，则可以根据检测到的电子信号ES计算出被检测物体的速度分量vx。
然而，优选地，调制器40因此还有图案42以旋转的方式布置在壳体12中，即，调制器40的图案42绕平行于接收器路径80的轴线永久旋转。这导致在径向方向上的限定直线运动，可以定量地对其进行评估。以此方式可以确定物体O的速度的两个水平分量vx、vy，从而确定二维速度矢量。
为了同样能够计算二维速度矢量的两个水平速度分量，在根据本发明的设备的另一实施例中，从物体O反射的光RL被分束器130分成两个部分光束RL1和RL2，并被透镜30成像到调制器40上。在这种情况下，如图3进一步所示，每个部分光束RL1、RL2被成像到调制器40上的不重叠的专用区域46、48上。因此，调制器40被两个平行的、在空间上分开的光束路径上的两个部分光束RL1，RL2穿过。这里，调制器40也能够以固定安装的方式布置，或者能够绕其中心轴线统一旋转。
接收光学单元50和光检测器60布置在第一光束路径中。第二接收光学单元150和第二光检测器160布置在第二光束路径中。
也可以在优选具有透镜元件系统的接收光学单元50、150之间布置滤光器单元155、虹膜光阑(未示出)和快门(同样未示出)。一旦入射辐射超过预定的强度阈值，便可以关闭快门。为了清楚起见，未示出这些部件。
图2中所示的调制器40另外可绕轴线A旋转地安装并且由马达(未示出)驱动。
从图2中可以明显看出，调制器40被实施为圆形的、准辐射状对称的光栅掩模(以下称为掩模)，其围绕垂直穿过其中心点延伸的旋转轴线以旋转频率n旋转，该旋转频率n能够以限定的方式设定。
该掩模具有阿基米德螺线形式的Nsp＝64个相同的螺旋线41的图案42，螺旋线41从掩模的内部区域延伸到其外侧。线41被实施为不透明区域43。在每种情况下，位于两个相邻的线43之间的是具有与不透明区域43相同的宽度的非不透明区域44。这产生了由线43、44形成的光栅图案。所述光栅的基本光栅常数由两条相邻的螺旋线43的中心之间的距离给出。例如，G0＝0.25mm。为了可视化目的，在图2中，任意选择的阿基米德螺线41通过以更大的线宽进行绘制而突出显示。举例来说，图案42的外径为5cm，而内径为1cm。
为了始终可靠地满足条件(15)和(16)，以下过程适用：
定义了最大风速vmax，其旨在能够由LiDAR系统10明确测量。对于零频率f0，这得出以下条件：
f0＞vmax/G (19)
在当前情况下，这导致合适的零频率f0＝8000Hz，这借助于调制器40实现，该调制器40具有以旋转频率n＝125Hz旋转的64条螺旋线。
如图2中左上方的箭头所示，调制器40沿逆时针方向旋转，使得螺旋线41从外部区域向内移动。从物体O反射的光RL由透镜30引导通过掩模图案42的由46表示的区域，该区域再次在掩模外部以放大的方式示出。在区域46中，螺旋线41与x轴相反地运动，其中，以零频率f0＝8000Hz调制反射光RL。
如图1所示，调制光RL经由接收光学单元50作为一系列光信号LS聚焦到光检测器60上，可以保护该光检测器免受快门(未示出)的过度强烈曝光。光检测器60将光信号LS转换成电信号ES，根据需要对其进行放大，并将其转发至与激光器同步的评估单元。
评估单元确定由反向散射物体O(例如气溶胶颗粒)在距离g＝300m处的检测区域D中引起的信号分量的频率fx，并根据方程(9)由其计算横向速度分量vx。
为了也能够测量风速的横向速度分量vy，将反射光RL由分束器130分离，并将反射光RL的第二部分光束RL2引导通过相对于掩模上的区域46偏移了90°的区域48，第二部分光束RL2在该区域由螺旋线41调制，其中螺旋线41与y方向相反地运动。
然后，以这种方式调制的信号被第二接收光学单元150聚焦到第二光检测器160上，并以与对x分量所述相同的方式在评估单元中进行记录和分析。
表3给出了速度为2m/s和不同测量距离g时的预期频率的综述。
测量距离g[m] 放大倍率V 光栅常数G[mm] 2m/s时的频率
15 2.8 0.71 10820.56
30 6.7 1.67 9198.93
45 10.5 2.63 8761.26
60 14.3 3.59 8557.68
75 18.2 4.55 8440.01
90 22.0 5.50 8363.34
105 25.9 6.46 8309.43
120 29.7 7.42 8269.45
135 33.5 8.38 8238.61
150 37.4 9.34 8214.11
165 41.2 10.30 8194.18
180 45.0 11.26 8177.64
195 48.9 12.22 8163.69
210 52.7 13.18 8151.78
225 56.5 14.14 8141.48
240 60.4 15.10 8132.49
255 64.2 16.05 8124.58
270 68.1 17.01 8117.55
285 71.9 17.97 8111.28
300 75.7 18.93 8105.64
表3：测量距离、放大倍率、光栅常数和频率之间的关系
接收光学单元50始终确保由调制器40调制的反向散射光聚焦到光检测器60上。接收光学单元50优选地实施为透镜元件系统。
表4再次总结了上述测量中确定反向散射信号RL的那些参数。表4显示，反向散射信号仅由几个光子组成。由在测量距离g＝300m处的景深为1.83m的区域(即高度范围为300m±0.92m)给出的扫描区域在6.1ns内被激光信号穿过，并激发存在于该区域中的气溶胶颗粒O反向散射。对于反向散射，应考虑相同的6.1ns时间段，因此应在长度为12.2ns的时间区间内检测到反向散射信号。在这个要分配给景深区域(1.83m)的时间段内，平均记录了58.1个光子，相当于3.2个光子/ns。该非常弱的反向散射信号通过光检测器60(例如光电倍增器)转换为电信号，被放大并馈送到评估单元。
参数 值 单位
传输损耗η<sub>t</sub> 0.8
接收损耗η<sub>x</sub> 0.7
脉冲能量E<sub>X</sub> 30 μJ
脉冲重复频率PRF 50 kHz
平均激光功率P<sub>平均</sub> 1.5 W
重叠函数O(g) 0.5
测量距离g 300 m
大气传输损耗T 95.1 ％
反向散射系数β 10<sup>–6</sup> m<sup>-1</sup>sr<sup>-1</sup>
光圈D 35 cm
光圈面积A<sub>R</sub> 962.1 cm<sup>2</sup>
通过光圈收集的功率P<sub>S</sub> 1217.63 pW
波长λ 532 nm
光子通量 3.2 光子/ns
扫描区域 1.83 m
扫描区域中的光子 39.54 光子/1.83m
表4：反向散射信号的参数值
举例来说，在设备10内，可以使用单色脉冲激光器22形式的光源20，其具有λ＝532nm的波长，这允许LiDAR系统的特别简单的调节。
脉冲激光器22还具有以下参数，这些参数与所需的最大测量距离g＝300m以及所选择的透镜配合使用：
·激光的脉冲重复频率(重复率)：PRF＝50kHz；
·激光脉冲的脉冲持续时间：θP＝800ps；
·平均激光功率：P平均＝1.5W；
·每个激光脉冲的能量：Ex＝30μJ。
在脉冲持续时间θP和竖直空间分辨率s之间，存在关系s＝1/2·c·θP。产生因数1/2的原因是，测量距离g被激光脉冲和被记录的弱得多的反向散射脉冲穿过两次。
所选择的脉冲持续时间θP＝800ps确保了12cm的竖直空间分辨率s，从而获得了预定的15cm的竖直空间分辨率。以相应的方式进行通过脉冲传播时间tP设置测量距离g：g＝1/2·c·tP。
因此，利用设备10，例如可以在位于50m至300m之间的测量距离(高度)g处的多个检测区域中测量高达20m/s的风速。
显然，与现有技术的系统和设备相比，根据本发明的设备10具有明显的优点：
·与EP2062058B1相比，设备10的光束能量损耗明显更低。
·传输路径190的结构和接收器路径80的结构得到了明显简化。
·发射的光束L不必通过多个接连的透镜元件进行整形和调整。这导致明显更稳健的系统。
·掩模40不会产生干扰。
·遮蔽信号可以在任何接收到的光反射上进行调制。
·透镜30的焦距是可调的，从而可以控制光栅的放大倍率。
·由于较高的辐射功率，简化了检测。
·系统10更易于重现，因为与发送光学单元相比，接收光学单元50的校准所涉及的复杂性大大降低。结果，与常规设备相比，本发明的设备的生产更加经济。
·通过更大的参数化选项，可以针对计划好的测量距离快速而简单地设计系统10。
·检测区域D的大小由光学器件限定，因此即使在较大的距离下也可以具有非常小的尺寸。
此外，显然，本发明涉及一种用于确定物体O的速度分量vx、vy的设备10，该物体在相对于设备10处于测量距离g处的检测区域D中移动并且反射源自光源20的光L，其中物体O产生从检测区域D发出的反射光RL。为此，设备10具有透镜30、调制器40、接收光学单元50和光检测器60，其中透镜30捕获物体O在检测区域D中产生的反射光RL并将其成像到调制器40上，其中调制器40将反射光RL调制为一系列光信号LS，其中接收光学单元50将调制器40产生的所述一系列光信号LS成像到光检测器60上，并且其中光检测器60将所述一系列光信号LS转换为一系列电子信号ES。该设备还具有接口70，该接口将光检测器60产生的所述一系列电子信号ES转发至评估单元。利用该设备10——其中该设备形成用于远程测量物体O在三维空间中的至少一个横向速度分量的LiDAR系统，可以自由选择测量的方向。特别地，设备10允许测量在流体中伴随性移动的漂移物体的速度，从而能够以高的空间和时间分辨率对不同高度的风速进行基于地面的测量，并且还可以对液体中的流速进行非接触式测量。同样可以测量独立于流体而移动的物体O的速度。
本发明不限于上述任何实施例。举例来说，调制器40优选地设置有阿基米德螺线41的图案42。但是，也可以使用其他图案和结构，例如其他类型的螺线或光栅结构。
符号
AR 透镜光圈D的面积：AR＝(1/4)πD2
b 虹膜光阑的开口直径
bnop 调制器的非不透明线的宽度
bop 调制器的不透明线的宽度
c相应介质中的光速
d 激光束的直径(是测量距离g的函数)
D 透镜的光圈
df 景深：相对于远点的距离
dn 景深：相对于近点的距离
d0 整形后出射的激光束直径
dObj 透镜捕获的检测区域的直径
Ex 脉冲能量
f0 调制器的光栅线移动的频率(零频率)
f 透镜的焦距
fx 在x方向上测得的反向散射频率
fy 在y方向上测得的反向散射频率
Δfx fx相对于零频率的频移
Δfy fy相对于零频率的频移
g 从透镜到检测区域的测量距离
G 投影回检测区域的调制器图像的光栅常数
G0 调制器的基本光栅常数
h 检测区域中的景深
n 调制器的旋转频率
NSp 调制器的螺旋数
O(g) 重叠函数
P平均 激光的平均功率
PS 通过透镜的光圈d收集的反向散射信号的功率
PRF 激光的脉冲重复频率(重复率)
s 竖直空间分辨率
tP 脉冲传播时间
T 大气传输损耗
v 二维或三维空间中物体的速度矢量
|v| 物体速度v的大小
vx、vy 横向相对于测量方向的物体速度分量(横向速度分量)
vz 物体在测量方向上的速度分量(纵向速度分量)
vmax 待测速度的最大值
V 放大因子G/G0
α 物体速度v的方向
β 反向散射系数
ηt 传输损耗
ηx 接收损耗
λ 光源的波长
Figure BDA0002987227060000201
整形后的激光束的发散角
θP 激光脉冲的脉冲持续时间(使用脉冲激光时)
附图标记
10 设备 94 第二偏转镜
12 壳体 130 分束器
20 光源 150 第二接收光学单元
22 激光器 155 滤光器单元
30 透镜 160 第二光检测器
34 焦平面 180 第二光接收器路径
40 调制器 190 光传输路径
41 螺旋线
42 图案 A 轴线
43 不透明线/区域 D 检测区域
44 非不透明线/区域 ES 电子信号
46 调制器的第一区域 L 光
48 调制器的第二区域 LS 光信号
50 接收光学单元 LS1 光信号
54 焦平面 LS2 光信号
60 光检测器 O 物体
70 接口 RL 反射光
80 光接收器路径 RL1 部分光束
90 镜光学单元 RL2 部分光束
92 第一偏转镜。

Claims (15)

1.一种用于确定物体(O)的速度分量(vx、vy)的设备(10)，所述物体(O)在相对于所述设备(10)处于测量距离(g)处的检测区域(D)中移动并反射源自光源(20)的光(L)，其中所述物体(O)产生从所述检测区域(D)发出的反射光(RL)，
a)所述设备(10)包括透镜(30)、调制器(40)、接收光学单元(50)和光检测器(60)，
b)其中所述透镜(30)捕获由所述物体(O)在所述检测区域(D)中产生的所述反射光(RL)并将所述反射光(RL)成像到所述调制器上(40)，
c)其中所述调制器(40)将所述反射光(RL)调制为一系列光信号(LS)，
d)其中所述接收光学单元(50)将所述调制器(40)产生的所述一系列光信号(LS)成像到所述光检测器(60)上，并且
e)其中所述光检测器(60)将所述一系列光信号(LS)转换为一系列电子信号(ES)，并且
f)所述设备(10)包括接口(70)，所述接口(70)将所述光检测器(60)产生的所述一系列电子信号(ES)转发至评估单元。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透镜(30)、所述调制器(40)、所述接收光学单元(50)和所述光检测器(60)布置在光接收器路径(80)上，并且其中所述接收器路径(80)实施在所述设备(10)内。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述透镜(30)在所述调制器(40)上以限定的景深(h)对所述检测区域(D)进行成像。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述透镜(30)将从所述物体(O)反射的光(RL)成像到所述调制器(40)的限定区域(46、48)上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述调制器(40)设有交替的不透明线(43)和非不透明线(44)的图案(42)。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述不透明线(43)和所述非不透明线(44)以阿基米德螺线的形式实施。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述调制器(40)被固定在所述设备(10)内或者绕轴线(A)可旋转地安装。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述光检测器(60)布置在所述接收光学单元(50)的焦平面(54)内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，在所述透镜(30)与所述调制器(40)之间布置有分束器(130)，所述分束器(130)将从所述物体(O)反射的光(RL)分成两个部分光束(RL1、RL2)，其中所述透镜(10)将由所述分束器(130)产生的所述部分光束(RL1、RL2)成像到所述调制器(40)的第一区域(46)和第二区域(48)中，其中所述区域(46、48)不重叠。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述调制器(40)将所述部分光束(RL1、RL2)调制为第一系列光信号(LS1)和第二系列光信号(LS2)，其中所述接收光学单元(50)将所述调制器(40)的所述第一区域(46)产生的所述第一系列光信号(LS1)成像到所述光检测器(60)上，而第二接收光学单元(150)将所述调制器(40)的所述第二区域(48)产生的所述第二系列光信号(LS2)成像到第二光检测器(160)上。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中，所述第二接收光学单元(150)和所述第二光检测器(160)布置在第二光接收器路径(180)上，其中，所述接收器路径(80)和所述第二接收器路径(180)平行地布置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中，被反射的光(L)的所述光源(20)是激光器(22)或非相干光源。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其中设置有镜光学单元(90)，所述镜光学单元(90)将从所述光源(20)发出的光(L)导向所述检测区域(D)的方向并且引导到所述透镜(30)的光轴中。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光源(20)、所述成像光学单元和所述镜光学单元(90)位于光传输路径(190)上，并且其中所述光源(20)、所述成像光学单元和/或所述镜光学单元(90)布置在所述设备(10)内。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，其中，所述评估单元根据所述一系列电子信号(ES)计算所述物体(O)的所述速度分量(vx、vy)。
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