JP2015517094A - 複数方向のlidarシステム - Google Patents
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Abstract
Description
コヒーレントLIDARシステムは、遠隔場所における風速の判定のための魅力的システムである。基本原理は、コヒーレントレーザ光によって照射されると、粒子、例えば、エアロゾル、水滴、粉塵等から後方散乱された光が発生する、ドップラーシフトに関する。粒子移動が、気流に非常に類似するという仮定の下、測定されたドップラー周波数は、それに関する比例風速の計算のために使用されることができる。
市場は、したがって、依然として、視程測定に限定されない、低コストの耐久性のあるLIDARシステムを必要としている。これは、LIDARシステムであって、実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されるビーム発生区画と、出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第1の光学デバイスを備える、ビーム操向区画であって、該第1の光学デバイスは、第1の偏光ビームスプリッタと光学接続し、該ビーム操向区画は、第1の方向と第2の方向との間で互換的に出力ビームを指向させるために適合される、ビーム操向区画とを備える、システムを開示する、本発明の一実施形態によって達成され得る。
コヒーレントLIDARの基本原理は、35年以上前に遡る。“Signal−to−Noise Relationships for Coaxial Systems that Heterodyne Backscatter from the Atmosphere”,Applied Optics, Vol. 10, No.7, July 1971, C.M. Sonnenschein and F.A.Horriganを参照されたい。その用途は、従来、科学的な関心、例えば、大気物理学の範囲内であった。しかしながら、今日、LIDARは、ますます、実践的産業用途に関連しつつある。そのような実施例の1つは、風力タービンの制御に関するものである。より高い効率の必要性によって、風力タービン産業は、設置された風力タービンあたりの抽出される電気エネルギーの観点から、性能を改善するために、過去数十年にわたって、翼幅を継続的に増加させることを余儀なくされている。しかしながら、翼幅の増加は、特に、強風および風の乱れによって課される実質的機械負荷につながる。風上の数十メートルの風速予測のためのコンパクトであり、耐久性があり、かつ安価なコヒーレントLIDARデバイスは、風力タービンの最適化および保護を可能にするであろう。実際の風速測定と風が実際に風力タービンに到達した時間との間の時間遅延は、例えば、翼のピッチを変更することによって、翼の負荷を保護するために使用されることができる。別の実施例は、着陸する航空機によって発生される旋風検出である。航空機の着陸(または、離陸)頻度は、主に、前の航空機によって発生された旋風から危険が生じないことを確実にするように、安全域によって判定される。旋風監視のためのコヒーレントLIDARの使用は、本安全周期が最小限にされ、したがって、利用率、それによって、空港の収容能力を増加させることを可能にする。
本発明の一実施形態では、LIDARシステムは、コヒーレントドップラーLIDARシステムである。
図1は、ファラデー回転子3の形態の非可逆要素を伴う、本発明による、単指向性LIDARシステムを図式的に図示する。半導体レーザアセンブリ1は、偏光ビームスプリッタ(PBS)2を通して完全に伝送される、直線偏光出力ビームを提供する。ファラデー回転子3は、出力ビームの偏光を約45度回転させる。部分的に、反射鏡4は、ある割合の出力ビームを後方反射させるようにコーティングされる。後方反射ビーム、すなわち、参照ビームは、ファラデー回転子を通して後方に、すなわち、出力の反対方向に伝送される。参照の偏光は、ここで、ファラデー回転子の非可逆伝搬特性のため、ファラデー回転子によって、さらに45度回転される。結果として、初期PBS2に入射するときの参照ビームの偏光は、出力ビームの偏光に垂直であり、参照ビームは、したがって、PBS2の表面によって完全に反射される。参照ビームは、レンズ8によって、検出器9上に集束される。
1)PBS13を通り、レンズ5を通り、PM光ファイバ6内に伝搬し、PBS12に反射し、かつ出力ビームの第1の方向である、レンズ7を通して持続するか、
または出力ビームが、
2)PBS13から、第2の可変光学リターダ11’を通して反射される、
ように、2つの状態間で偏光を切り替える。
Claims (68)
- LIDARシステムであって、
−実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されたビーム発生区画と、
−前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第1の光学デバイスを備えるビーム操向区画であって、前記第1の光学デバイスは、第1の偏光ビームスプリッタと光学接続し、前記ビーム操向区画は、第1の方向と第2の方向との間で互換的に前記出力ビームを指向させるために適合されている、ビーム操向区画と
を備え、
前記LIDARシステムは、前記第1および第2の方向から受射された放射を検出、伝搬、および/または受射するために構成され、前記受射された放射は、前記出力ビームの反対方向に伝搬している、LIDARシステム。 - 前記ビーム発生区画はさらに、非可逆光学要素を備え、前記出力ビームおよび前記受射された放射は、前記非可逆光学要素を通して反対方向に伝搬し得、前記非可逆光学要素は、前記出力ビームおよび前記受射された放射の偏光を回転させるために適合されている、請求項1に記載のLIDARシステム。
- 前記非可逆光学要素は、前記出力ビームの偏光および前記受射された放射の偏光が、前記非可逆光学要素の片側において相互に実質的に垂直であり、かつ前記非可逆光学要素の反対側において相互に実質的に平行であるように構成されている、請求項2に記載のLIDARシステム。
- 前記非可逆光学要素は、前記出力ビームが前記非可逆光学要素を通して伝搬すると、前記出力ビームの偏光を約45度回転させるように適合されている、請求項2から3のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記非可逆光学要素は、前記受射された放射が前記非可逆光学要素を通して伝搬すると、前記受射された放射の偏光を約45度回転させるように適合されている、請求項2から4のいずれかに記載のLIDARシステム。
- ファラデー回転子等の前記非可逆光学要素は、ファラデー効果を用いて、光の偏光を回転させる、請求項2から5のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム操向区画はさらに、前記第2の方向に伝搬する前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第2の光学デバイスを備え、前記第2の光学デバイスは、第2の偏光ビームスプリッタと光学接続し、前記ビーム操向区画は、前記第1の方向、前記第2の方向、および第3の方向間で互換的に前記出力ビームを指向させるために適合されている、請求項1から6のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1の光学デバイスおよび/または前記第2の光学デバイスは、可逆光学要素として機能することができる、請求項1から7のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム操向区画は、測定体積内の粒子の照明のために、前記出力ビームを前記測定体積に向かって指向させるために適合されている、請求項1から8のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記出力ビームを測定体積上に集束させるためのレンズ配列をさらに備える、請求項1から9のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 参照ビームを発生させるための手段をさらに備える、請求項1から10のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記参照ビームは、前記出力ビームの反対方向に伝搬している、請求項11に記載のLIDARシステム。
- 前記参照ビームは、信号ビームと同軸方向に伝搬している、請求項11から12のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1、第2、および/または第3の方向から受射された放射を検出、伝搬、および/または受射するために適合されている、請求項1から13のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記受射された放射は、前記出力ビームの反対方向に伝搬している、請求項14に記載のLIDARシステム。
- 参照ビームは、前記受射された放射と同軸方向に伝搬している、請求項14から15のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 受射された放射と混合された参照ビームの検出のために適合された検出器をさらに備える、請求項1から16のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記出力ビームの反対方向に伝搬している参照ビームおよび受射された放射を分割するために適合された初期偏光ビームスプリッタをさらに備える、請求項1から17のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記受射された放射は、前記出力ビームによって照明される測定体積内の粒子から放出または散乱される光を含む、請求項1から18のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1および/または第2の光学デバイスは、可変光学リターダである、請求項1から19のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1および/または第2の光学デバイスは、回転可能波長板である、請求項1から20のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1および/または前記第2の光学デバイスは、可動部品を伴わずに、前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合されている、請求項1から21のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1および/または前記第2の光学デバイスは、偏光の2つの具体的状態間で前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合されている、請求項1から22のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1および/または前記第2の光学デバイスは、所定の周波数を伴う偏光の2つの具体的状態間で前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合されている、請求項1から23のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記周波数は、約1Hz、例えば、0.01Hz〜1kHz、例えば、0.01Hz〜0.1Hz、例えば、0.1Hz〜0.2Hz、例えば、0.2Hz〜0.3Hz、例えば、0.3Hz〜0.4Hz、例えば、0.4Hz〜0.5Hz、例えば、0.5Hz〜0.6Hz、例えば、0.6Hz〜0.7Hz、例えば、0.7Hz〜0.8Hz、例えば、0.8Hz〜0.9Hz、例えば、0.9Hz〜1Hz、例えば、1Hz〜1.5Hz、例えば、1.5Hz〜2Hz、例えば、2Hz〜3Hz、例えば、3Hz〜4Hz、例えば、4Hz〜5Hz、例えば、5Hz〜6Hz、例えば、6Hz〜7Hz、例えば、7Hz〜8Hz、例えば、8Hz〜9Hz、例えば、9Hz〜10Hz、例えば、10Hz〜15Hz、例えば、15Hz〜30Hz、例えば、30Hz〜60Hz、例えば、60Hz〜100Hz、例えば、100Hz〜1kHzである、請求項24に記載のLIDARシステム。
- 前記第1の光学デバイスと前記第1の偏光ビームスプリッタとの間の光学接続は、少なくとも部分的に、偏光維持光学導波路によって提供される、請求項1から25のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記第1の光学デバイスと前記第1の偏光ビームスプリッタとの間の光学接続は、少なくとも部分的に、光ファイバ、好ましくは、偏光維持光ファイバによって提供される、請求項1から26のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記出力ビームの偏光を前記偏光維持光学導波路/ファイバの伝搬方向に整合させるための手段をさらに備える、請求項26から27のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム発生区画はさらに、光学経路内に位置する1つ以上の直線偏光子を備える、請求項1から28のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム発生区画は、コヒーレント光源、例えば、コヒーレントレーザ、例えば、半導体レーザ、例えば、統合された半導体レーザアセンブリを備える、請求項1から29のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム発生区画は、コリメートされた直線偏光出力を送達するコヒーレント光源を備える、請求項1から30のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記参照ビームは、少なくとも部分的に、光ファイバの第1または第2の端部表面によって発生される、請求項11から31のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記参照ビームは、少なくとも部分的に、部分的反射鏡によって発生される、請求項11から32のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記参照ビームの偏光は、前記受射された放射の偏光に実質的に等しい、請求項11から33のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 信号プロセッサをさらに備える、請求項1から34のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記信号プロセッサは、検出器信号に基づいて、粒子の速度に対応する速度信号を発生させるために適合されている、請求項35に記載のLIDARシステム。
- 前記信号プロセッサは、風速の判定のために構成されている、請求項35から36のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記信号プロセッサは、測定体積内の乱れの判定のために構成されている、請求項35から37のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記信号プロセッサは、測定体積内の温度の判定のために構成されている、請求項35から38のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記信号プロセッサは、検出器信号に基づいて、測定体積内の粒子の濃度に対応する濃度信号を発生させるために構成されている、請求項35から39のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記信号プロセッサは、測定体積内の粒子濃度の判定のために構成されている、請求項35から40のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記LIDARシステムは、コヒーレントドップラーLIDARシステムである、請求項1から41のいずれかに記載のLIDARシステム。
- LIDARシステムであって、
−実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されたビーム発生区画と、
−前記出力ビームを第1の方向に、受射された放射を第2の反対方向に伝搬させるための偏光維持光学導波路と、
−非可逆光学要素であって、前記出力ビームおよび前記受射された放射は、前記非可逆光学要素を通して、反対方向に伝搬し、前記非可逆光学要素は、前記出力ビームおよび前記受射された放射の偏光を回転させるために適合されている、非可逆光学要素と
を備える、LIDARシステム。 - 前記光学要素は、前記出力ビームの偏光および前記受射された放射の偏光が、前記光学要素の片側において相互に実質的に垂直であり、かつ前記光学要素の反対側において相互に実質的に平行であるように構成されている、請求項43に記載のLIDARシステム。
- 請求項1から42のいずれかに記載のシステムの特徴のいずれかをさらに備える、請求項43から44のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 窓を収容するビーム操向区画と光学接続するビーム発生区画を備えるLIDARシステムであって、出力ビームは、前記窓を通して伝送され、前記ビーム発生区画は、少なくとも1つの光学導波路を通して前記ビーム操向区画に伝送される、加熱光源の光学出力の少なくとも一部を用いる、少なくとも1つの加熱光源を収容し、前記少なくとも1つの加熱光源は、前記窓を加熱するように適合されている、LIDARシステム。
- 前記光学導波路は、1つ以上の光学ファイバを備える、請求項46に記載のLIDARシステム。
- 前記出力ビームの波長は、前記加熱光源の波長と異なる、請求項46から47のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記加熱光源の波長は、前記LIDARシステムの検出波長間隔と異なる、請求項46から48のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記少なくとも1つの加熱光源は、前記窓内において前記加熱光源の光学出力の電磁エネルギーを熱エネルギーに変換することによって、前記窓を加熱するように適合されている、請求項46から48のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記少なくとも1つの加熱光源は、少なくとも前記窓の一部の凝縮および/または氷結を回避するように適合されている、請求項46から50のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記窓は、前記出力ビームを集束させるために適合されたレンズである、請求項46から51のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記窓は、楕円形、例えば、円形である、請求項46から52のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記窓の円周方向リムは、金属および/または反射コーティングを提供される、請求項46から53のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記窓の一方または両方の表面は、反射防止コーティングを提供される、請求項46から54のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記加熱光源からの光は、前記窓の2つの表面間で結合される、請求項46から55のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記加熱光源からの光は、屈折要素、例えば、結合ファセット、拡散板、プリズム、または光導体を用いて、前記窓の2つの表面間で結合される、請求項46から56のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記屈折要素は、凹面または凸面である、請求項57に記載のLIDARシステム。
- 前記加熱光源からの光は、前記窓の2つの表面間の全内部反射を用いて、前記窓の内側を伝搬するように適合されている、請求項56から58のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 窓材料は、前記加熱光源からの光を吸収する1つ以上の元素でドープされている、請求項46から59のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム発生区画は、前記ビーム操向区画から物理的に分離されている、請求項46から60のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム発生区画は、前記ビーム操向区画から電気的に分離されている、請求項46から61のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 前記ビーム操向区画は、電気的に中性である、請求項46から62のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 請求項1から44のいずれかに記載のシステムの特徴のいずれかをさらに備える、請求項46から63のいずれかに記載のLIDARシステム。
- 請求項1から64のいずれかに記載のLIDARシステムを備える風力タービン。
- 請求項1から64のいずれかに記載のLIDARシステムを備える風力タービンであって、前記ビーム発生区画は、ナセル内に完全に組み込まれ、前記ビーム操向区画は、少なくとも部分的に、前記ナセルの外側に位置し、前記出力ビームおよび前記受射された放射は、偏光維持光学ファイバを用いて、前記ナセルと前記外側との間で伝送される、風力タービン。
- 請求項1から64のいずれかに記載のLIDARシステムを備える帆船。
- 請求項1から64のいずれかに記載のLIDARシステムを備える航空機。
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