WO2014072514A1 - Lidar-messsystem und lidar-messverfahren - Google Patents

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WO2014072514A1
WO2014072514A1 PCT/EP2013/073527 EP2013073527W WO2014072514A1 WO 2014072514 A1 WO2014072514 A1 WO 2014072514A1 EP 2013073527 W EP2013073527 W EP 2013073527W WO 2014072514 A1 WO2014072514 A1 WO 2014072514A1
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light
branch
measuring
optical
measuring system
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PCT/EP2013/073527
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Ernst Brinkmeyer
Thomas Waterholter
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Technische Universität Hamburg-Harburg
Tutech Innovation Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a lidar measuring system for detecting the presence and / or movement of particles and / or objects in a space area remote from the lidar measuring system and a method for detecting the presence and / or movement of particles and / or objects in one distant space area with the aid of such a lidar measuring system.
  • Lidar light detection and ranging
  • a Fernmes ⁇ solution of various atmospheric parameters and in particular from a distance can be made a determination of the presence, the distance and the speed of the air or other atmosphere contained particles and other objects. Basically, all of the particles which scatter the light used, and all objects can be measured, which constitute a re ⁇ inflectional impurity in the room or a diffuser.
  • lidar contributes to that available in various areas of technology requirement calculation, spatially resolved physical parameters at remote from the actual measuring device types, wireless and non-invasive as a function of time agree to be ⁇ .
  • lidar it is possible to determine the wind speed prevailing at a location remote from the measuring device via the measurement of particles moved by wind.
  • the Doppler frequency shift is determined interferometrically in most cases, by superposing the signal received at a measurement apparatus scattered light with direct light of the use ⁇ th laser source.
  • highly coherent laser sources with coherence lengths of several hundred meters are used in the prior art, which correspond to optical source band widths in the sub-MHz range.
  • basically two different approaches are known for achieving spatial resolution.
  • continuous wave laser sources are used whose beam is focused on the respectively desired target distance with the aid of a suitable optical system, such as a lens or a telescope (cf., for example, WO 2005/114253 A1).
  • a suitable optical system such as a lens or a telescope
  • the focusing is appropriate, then in principle most of the received scattered light originates from the region close to the focus, so that by shifting the focus area different subsections of a spatial region of interest can be examined at different distances.
  • the effective focal length increases approximately quadratically with the distance from the optical system used for focusing, so that only a poor spatial resolution can be achieved for large distances.
  • scattered light from Parti ⁇ angles is received from outside the focal region respectively.
  • pulsed laser sources are used, wherein the location is determined by a running time measurement of the laser pulses.
  • several successive resolution elements eg between 0 and 300 m to a distance from the measuring system can be queried with a pulse whose pulse width determines the spatial resolution, which is ns, for example, 30 m for pulses having a width of 200, after ⁇ .
  • This resolution ⁇ elements are respective sections of the interest region of space, which is traversed by the laser pulses.
  • the photodetector array is adapted to output a Detektorsig ⁇ nal, the charac teristic for ⁇ is incident on it light, which comes from the continuous wave laser source. It can have one or more photodetectors.
  • the optical components are adapted and arranged so that light emitted by the continuous wave laser source during operation is first split, then NEN measuring or signal branch of the interferometer arrangement forming the first optical path and a separated from this and a reference branch of the interferometer arrangement second optical path is passed and finally after passing through the measuring branch and the reference branch spatially coherently superimposed on the photodetector arrangement.
  • the interferometer arrangement thus has the structure of a Mach-Zehnder interferometer.
  • the reference branch has a predetermined optical path length
  • the measuring branch has a measuring section, in which the light is directed away from the measuring system in the direction of a space area remote therefrom and at least partially through it and of particles or objects in the measuring section Direction of the measuring system backscattered or reflected light is received back to the measuring system.
  • a part of the optical path is the formed measurement ⁇ branch, namely, the measuring section by the area of the environment of the measuring system from which any photons which pass by the measurement system toward the remote space region until scattered by a particle or an object, return to the measuring system and be coupled there into the remainder of the measuring branch.
  • the laser light passing through the measuring branch is radiated toward the distant spatial area at the beginning of the measuring section and, on the other hand, a part of the scattered light is received at the end of the measuring section with a suitable receiving device and then along the Rest of the measuring branch is passed.
  • the optical path length of Messzwei ⁇ ges is thus determined for each photon by the distance of the particles or objects from the measuring system, from which comes to the photodetector arrangement reaching scattered or reflected light.
  • the removed space area forms part of the measuring section and, in an extreme case, may be identical to the measuring section.
  • the measuring section comprises the region around the Messsys ⁇ tems, from the ever backscattered particles or reflected light of objects in the rest of the measuring branch a ⁇ is coupled.
  • the remote area is the area of interest for the detection, which can be chosen to be smaller or at most equal to the measuring section.
  • the evaluation unit is adjusted by using the photodetector array gekop ⁇ pelt and to receive the detector signal and to determine the presence and / or BEWE ⁇ supply of particles and / or objects in the remote space area on the basis of the detector signal.
  • the latter can be done, for example, in particular in the same way as is known from the prior art.
  • the movement and thereby the speed can take place in a known manner via the determination of the Doppler shift of the detected light.
  • the continuous wave laser source is designed such that it has a coherence length in the range of 0.1 to 100 m, ⁇ vorzugt be in the range of 1 to 100 m, more preferably in the range of 1 to 50 m. Because coherent interference is possible at the photodetector array only scattered light from particles and reflected light from objects for which the opti ⁇ specific path length of the measuring branch match within the coherence length of the optical path length of the reference branch, is high by the very limited coherence length and by suitable choice of the coherence length selectable spatial resolution he ⁇ ranges.
  • coherence be ⁇ -sensitive particles or objects other hand leads only to a broadband background in the detector signal, which in a modest decrease in the signal-to-noise ratio can lead, but does not affect the spatial resolution.
  • the coherence region is smaller than the extent of the removed spatial region along the laser beam, then only a subsection of the removed spatial region is measured, so that by shifting the coherence region - for example by means of an optional means for changing the optical path length of the reference branch, but preferably mathematically in the manner set forth in detail below, a spatial resolution determined by its extent can be achieved.
  • the spatial resolution is advantageously independent of the distance of the respectively examined subsection, which may also be referred to as a resolution element .
  • the continuous wave laser source comprises a laser light generation component, an optical phase modulator connected downstream thereof, and a control device for controlling the optical phase modulator.
  • the optical phase modulator is adapted to modulate the light emitted from the laser light generating component to laser light are received, ⁇ gene and in its phase. It has a control signal input and is further adapted to perform the Phasenmodu ⁇ lation based on a phase function, which is defined by a signal received at the control signal input control signal.
  • the controller is connected to the control signal input and adapted to provide to the control signal input a control signal corresponding to a noise signal defined by a predetermined phase function ⁇ (t) or pseudo-noise signal, the control signal causing the optical phase modulator to perform the phase modulation the predetermined phase function ⁇ (t) makes.
  • the continuous wave Laser source can thus be ⁇ be distinguished as a synthetic laser source, for which, in contrast to natural laser sources, the phase function is known, which leads to a spectral broadening and deformation of the monochromatic laser light.
  • the bandwidth determines the coherence length in the usual way. In this way, the same laser light generation component can advantageously be used to realize different coherence lengths and thus spatial resolutions.
  • the laser light generating component which may in particular be a narrow band, and preferably single-mode CW laser diode ⁇ preferably has a bandwidth of 100 kHz or less and more preferably 10 kHz or less.
  • the predetermined phase function ⁇ (t) is adjustable.
  • Such adjustability provides the possibility of adjustable ⁇ ability of the spectral shape and / or the bandwidth of the radiated from the continuous wave laser source laser light.
  • a corresponding phase function ⁇ (t) can play, be found by an iterative numerical method.
  • Example ⁇ from a randomly chosen phase function, ie starting a random phase profile, or a specifically chosen phase function and computationally determines the spectral shape and bandwidth of the output from the driven with this phase function optical phase modulator laser light and having the desired spectral shape and bandwidth compared. Based on the comparison, the phase function modifi ⁇ is graced, and repeat the above steps. The method is continued until the desired result is achieved with sufficient accuracy.
  • such an iterative method can be performed by taking a spectrum of Gaussian magnitude and random phase. is assumed. From this, the phase of the associated electric field strength is calculated by inverse Fourier transformation and its amplitude is set constant.
  • This embodiment has the great advantage that the Ortsauf ⁇ solution can be changed without having to make hardware changes or mechanical movement of components. It is only necessary to select or set another suitable phase function ⁇ (t) on the control device.
  • ⁇ (t) the spatial resolution is limited by the particular limited at long distances Fo- kussier ashamed a laser beam
  • the spatial resolution can be simple, flexible and fast with high reproducibility in a wide range freely chosen who ⁇ .
  • the evaluation unit is adapted to perform the evaluation on the basis of a function of the detector signal, the predetermined phase function and a time offset value Atverschiebung, which is selected in the manner that the result of the function corresponds to the detection signal that would result from the selection of a reference branch, the branch has a changed to Atverschiebung transit time and thus a correspondingly changed optical path length with respect to the tat ⁇ extraneous reference.
  • This embodiment is based on the realization that the Detek ⁇ gate signal in which not only maintains the required for the evaluation Informa ⁇ functions over particles and objects of the actual optical path length of the reference arm and the coherence length corresponding partial section of the distal region of space ent ⁇ but also each already the information about particles and objects in other sections of the distant space at different distances from the measuring system.
  • the knowledge of the phase function ⁇ (t) used to drive the optical phase modulator and to generate the light emitted by the CW laser source is necessary. This is not known for a natural laser source and would have to be laboriously determined.
  • phase properties of the laser beam are generated synthetically, are only pseudo-random and are numerically in the form of the phase function ⁇ (t).
  • This phase function ⁇ (t) is found in a certain way again in the complex amplitude of the detector signal, which can be varied numerically on the basis ⁇ position of the knowledge of the phase function ⁇ (t), thereby for the purposes of Auswer- tion to pretend a deviating from the actual optical path length optical path length of the reference branch.
  • the function multiplies the detector signal by the factor includes.
  • the complex detector ⁇ signal - optionally in addition to temporally constant portions - contains a time-variable component, which is proportional to , wherein t d loading by the removal of the scattering particles ⁇ skew agreed between the reference branch and measuring is ⁇ branch.
  • the multiplication with the above factor therefore leads to a time-variable proportion that is proportional to and thus corresponds to a rate determined by Atversc h ie b ung different optical path length of the reference branch.
  • the optical components comprise a beam splitter, such as, in particular, a fiber optic coupler for splitting the light emitted by the continuous wave laser source, optical fibers defining at least a portion of the reference branch, and / or optical fibers forming a portion of the measuring branch, an optical frequency shifter, for example formed by an acousto-optic modulator, in the measuring branch and / or in the reference branch, an optical amplifier, eg an Erbium fiber amplifier, in the measuring branch or before the division into measuring and reference branch, an adjustable polarization controller in the reference branch and / or in the measuring branch and / or a Strahlverei ⁇ niger, in particular a fiber optic coupler, for combining along the measuring branch and along the Referenzzwei ⁇ ges guided light at the end of the measuring branch and the Refe ⁇ renzzweiges.
  • a beam splitter such as, in particular, a fiber optic coupler for splitting the light emitted by the continuous wave laser source, optical fibers defining at
  • the optical components comprise a radiating and receiving device which defines the beginning and the end of the measuring section of the measuring branch and is adapted to radiate the light away from the measuring system in the direction of the spatial area and to receive backscattered light again that this along the rest the measuring branch is guided.
  • the emitting and receiving device may have a receiver which is spatially separated from an emitting device (ie a bistatic system), or a component which is adapted to a location both for radiating and for receiving laser light (ie monostatic system).
  • the combined emitting and receiving device can in particular have an optical circulator and / or a lens system.
  • the Interferometera- is UTHORISATION in the form of a Mach-Zehnder interferometer with two arranged for receiving a balanced and constructed configured photodetectors, wherein the detector signal is a Dif ⁇ ference of the output signals of the two photodetectors. In this way, disturbances can be removed from the detector signal in a conventional manner.
  • the lidar measuring system further comprises a polarization beam splitter arrangement or one or more polarization-splitting elements, which is or are arranged and adapted to operate light of the continuous wave laser source along the measurement branch ge ⁇ leads, and light of the continuous wave laser source, which is guided along the reference branch, each split into light of two or ⁇ thogonaler polarization directions.
  • the photodetector arrangement is arranged and adapted in this embodiment, to detect the spatially coherently überla ⁇ siege light for the two polarization directions separately after passing through the measuring ⁇ branch and the reference branch.
  • the detector signal then comprises two Operadetek ⁇ gate signals, each of which is characteristic of light of one of two polarization directions.
  • the photodetector arrangement may, for example, comprise two separate, spatially separated photodetectors, and the polarization radiation element.
  • the arrangement can be arranged and configured such that the light of the two polarization directions impinges on only one other of the two photodetectors.
  • the beat signals of the measuring branch and the reference branch to the polarization direction are ge ⁇ separated in exactly the same way to determine how it has been described above inde ⁇ dependent on the polarization direction. Due to the separate consideration of the two polarization directions, however, it can be determined by the evaluation unit whether the state of polarization has been retained in the scattering or reflection, which is generally the case in most cases, or if a shift to the orthogonal polarization state has been effected. If the latter is the case, then one can make statements about the type and shape of the scattering or reflection body in a known manner.
  • the evaluation unit is adapted accordingly, in order to determine on the basis of the two Colourde ⁇ tektorsignalen changes in the polarization state by the detected particles and / or objects and to provide information about the type and / or shape of the detected particles and / or objects if necessary.
  • the evaluation unit is adapted to carry out the evaluation on the basis of a function of the detector signal
  • the solicitstimm ⁇ th phase function and a time shift value At Ve rsc h IE b un g is the laser light generating component ange ⁇ fits to simultaneously or alternately laser light of two Wel ⁇ lendorfn radiate. Since the optical phase modulator acts on both wavelengths, the laser light emitted by the continuous wave laser source comprises two wavelength ranges in the vicinity of the two wavelengths in which the optical power density spectrum each has a shape and bandwidth determined by the phase function ⁇ (t).
  • the photodetector array is arranged in the case of simultaneous emission of both wavelengths through the laser Erze Trentskomponente so in this embodiment and reasonable fit to after passing through the measurement branch and reference ⁇ to detect separately the branch the spatially coherent superimposed light for the two wavelength ranges.
  • the Detektorsig ⁇ nal then comprises two sub-detector signals, each of which is characteristic of light of the two wavelength ranges. In the case of temporally separated radiation of the two wavelengths, the detector signals delivered during the corresponding time segments correspond to the two partial image signals.
  • the beat signals of the measuring branch and the reference branch to the two wavelength preparation ⁇ chen are determined separately in exactly the same manner as has been described above, regardless of the wavelength range.
  • this gas of a wavelength range sublingually ⁇ biert the light the light of another wavelength range, however not or much less, due to the separate consideration of the two wavelength ranges, however, determined by the evaluation of the absorbing gas amount who ⁇ .
  • the concentration of gas in the various sections may further spatially resolved be determined.
  • This method is known per se with the exception of the manner according to the invention for achieving spatial resolution and is referred to as the DIAL method (Differential Absorption Lidar).
  • the evaluation unit is adapted accordingly to the off ⁇ evaluation based on a function of the two Colourdetektorsigna- le, the predetermined phase function and a plurality of different time shift values Atverschiebung make, each corresponding to a different subsection of the removed Jardinbe ⁇ rich, and spatially resolved to determine the concentration of at least one gas that has different absorption coefficients for the two wavelength ranges ⁇ . Since the measurement is based on the fact that the laser light is not substantially spectrally broadened in the scattering by thermal movement of the scattering bodies, it is imperative erfor ⁇ sary that at the to be measured gas suitable particle and / or objects are additionally present in the remote room area.
  • the above-described lidar measurement system in which the evaluation ⁇ unit is adapted to carry out the evaluation on the basis of a radio ⁇ tion of the detector signal, the predetermined phase function and a time shift value Atverschiebung may be part of a lidar measurement arrangement in an advantageous manner, which also an optical waveguide, preferably a monomode optical fiber waveguide, which is arranged in such a way that the measuring branch continuous light of the continuous wave laser source is guided in at least part of Messab ⁇ section in the optical waveguide, so that the optical waveguide at least a part of the Messab ⁇ section defined.
  • a part of the space ⁇ area and in particular a part of the measuring section is formed by the interior of the optical waveguide.
  • the optical waveguide of the measuring arrangement on a plurality of reflection means, which are spaced apart along the optical waveguide and each of which is arranged and adapted to at least ei ⁇ ner wavelength at which the continuous wave laser source light can be emitted, Light that passes through the optical waveguide away from the measuring system, in part so as to reflect The reflected light passes through the optical waveguide in the direction of the measuring system.
  • reflection devices each represent an object whose presence and / or movement can be determined by the measuring system in the manner described.
  • the optical waveguide may preferably have at least ten reflection devices.
  • the evaluation unit is adapted to perform the above-described evaluation, which is performed based on a function of the detector signal, the predetermined phase function and a time shift value Atverschiebung, at different times and for a plurality of different time shift values Atverschiebung, the je ⁇ Weils another Part of the distant space area correspond, wherein the corresponding plurality of under defenceli ⁇ cher subsections contains different of the reflection means and / or different groups of the reflection means.
  • the evaluation unit is adapted, in this embodiment, in order to determine from changes in the reflectivity and / or Pola ⁇ risationseigenschaften various reflection means to determine changes in the optical phase shift between the corresponding two reflecting means for at least one pair of reflecting means, one for at least one pair of reflecting means To determine attenuation between the corresponding two reflection means and / or for at least a pair of the reflection means to determine polarization changes between the corresponding two reflection means.
  • the lidar measuring arrangement forms a fiber-optic sensor, in which the reflection devices arranged along the optical waveguide represent individual sensor elements and the fiber-optic sensor, for example, - IS
  • the various sensor elements can be used for strain gauges in bridges or aircraft wings or in which the sections of the opti ⁇ wave waveguide between adjacent reflection means and the respective two reflection means each represents an interferometric sensor element.
  • Atverschiebung the various sensor elements separate address ⁇ Siert and evaluated by a suitable choice of the time difference values when the corresponding different time ⁇ shift values Atverschiebung partial sections of the distal region of space as each containing a different one of Sensorele ⁇ elements wholly or partly.
  • the subsections a smaller extent (high spatial resolution) or a larger extent (low Ortsauf ⁇ solution) as the distance between the two reflection means of the sensor elements can have.
  • the two reflection devices can be evaluated separately with respect to the phase shift caused by the section of the optical waveguide located therebetween, and / or the one attenuation influenced by a measured variable can be quantified.
  • this is not possible and the two said reflection means with the intervening portion of the optical waveguide can only be evaluated together. They then together form a sensor element and act like a coherent interferometric sensor.
  • the reflection means are preferably adapted to change their reflectivity or their polarization properties by the action of a measurand, such as a temperature.
  • a measurand such as a temperature.
  • the sections of the optical waveguide associated with interferometric sensor elements are adapted to adjust their optical path by the action of a measured variable, such as an elongation of the optical waveguide optical waveguide, to change. In any case, it is then possible by the evaluation described above, spatially resolved along the optical waveguide to determine the measured variable.
  • the reflection devices each have a defect, a Rayleigh backscatter device and / or a fiber Bragg grating.
  • a defect can be formed for example by a glass-air interface.
  • the extent of the reflection devices in the extension direction of the optical waveguide is smaller than the minimum distance between adjacent reflection devices.
  • the measuring system described above or the measuring arrangement having such a measuring system described above can advantageously be used for carrying out a method for detecting the presence and / or movement of particles and / or objects in a remote spatial area.
  • the measuring branch is arranged in such a way that insbeson ⁇ particular the measurement section arranged so that the remote room is ⁇ area part of the measuring portion or forms the measuring section in an extreme case.
  • the continuous wave laser source is operated in order to simultaneously guide laser light along the measuring branch and along the reference branch in the manner described.
  • the presence and / or movement of particles and / or objects in the remote space area is then determined with the aid of the evaluation unit in the already-described also ⁇ NEN manner.
  • a lidar measuring system with a continuous wave laser source containing an optical phase modulator is used, is set the shape and / or the bandwidth of the optical power density spectrum of the emitted from the continuous wave laser light laser light by the predetermined phase function ⁇ (t) is set accordingly on the control device.
  • the spatial resolution can be specifically adapted to the jeweili ⁇ gen requirements.
  • a lidar measuring system which contains a continuous wave laser source containing an optical phase modulator and an evaluation unit, which is adapted to the evaluation ⁇ on the basis of a function of the detector signal
  • the pre ⁇ make certain phase function and a time shift value Atverschiebung is changed, the time ⁇ interval Atverschiebung to the evaluation unit in order to change the distance of a part ⁇ portion of the space area from the lidar measurement system, wherein the portion section contains the particles, the backscattered light in the coherent superposition of ent ⁇ long the measuring branch of the guided light and the guided along the Re ference ⁇ branch light to the interference contribution.
  • the light of two different polarization detected using the evaluation based on the two sub-detector signals changes in polarization state determined by the detected particles and / or objects and From this, information about the type and / or shape of the particles and / or objects is obtained.
  • the evaluation unit uses a function of the two sub-vector signals, the predetermined Phase function and a plurality of different time shift values Atversc h ie b ung that cut each other Crystalab ⁇ correspond to the distal region of space, the concentration of at least one gas in a spatially resolved determined having different Absorptionskoef ⁇ coefficients for the two wavelength ranges.
  • the reflecting means are adapted so that in response to a force acting on it measured variable to change their reflectivity and / or its Pola ⁇ risationseigenschaften, or the portions of the optical waveguide located between any two adjacent reflecting means are adjusted so that in ⁇ dependence From an acting thereon measure of changing their opti ⁇ rule path.
  • the measurand is an elongation of the optical waveguide, is an oscillation of the optical waveguide ⁇ rule and / or a temperature.
  • the reflection means are formed by voids or Rayleigh backscattering fields and the optical waveguide by means of the evaluation unit length ⁇ dissolved characterized.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a lidar measuring system according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a schematic representation of a continuous-wave La ⁇ serlichtán according to an embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a schematic representation of lidar measurement system as part of a lidar measurement device in accordance of an exemplary embodiment of the invention.
  • the lidar measuring system 1 shown schematically in FIG. 1 has a continuous wave laser source 2 with an output power of, for example, 1 mW and a wavelength of 1530 nm, for example, whose light is transmitted through a beam splitter 3 in the form of a fiber optic coupler to a measuring branch 4 which is partially defined by fiber optics and a completely fiber-optically defined reference branch 5 is divided.
  • the optical fibers used are preferably monomode fibers with low attenuation and a field radius of, for example, 5 ⁇ m.
  • At the end of measurement arm 4 and Refe ⁇ ence branch 5 is another optical fiber coupler 6 for combining the light from measurement arm 4 and the reference branch 5 is ⁇ assigns.
  • the light is spatially coherently superimposed thereon, and different portions of the coherently superimposed light are directed onto the two photodetectors 7a, 7b of the photodetector arrangement 7, which can be, for example, InGaAs detectors for the light incident on it light zzois ⁇ tables detector signals in a subtractor 8 for Electric-discrimination are subtracted from each other by interference.
  • the difference signal is finally fed to an evaluation unit 9. leads, in which the difference signal for detecting the presence and / or movement of particles and / or objects is evaluated.
  • the reference branch 5 has an adjustable fiber optic polarization controller 10 and a detour route, ⁇ example, in the form of a coiled portion 18 of the fiber.
  • the measuring branch 4 has, in succession, an erbium-fiber amplifier 11 with an output power of, for example, 1 W, an acousto-optical modulator 12 with a frequency of, for example, 80 MHz and an optical circulator 13.
  • the circulator 13 By means of the circulator 13 light is supplied to 250 mm, and focused in the measuring system 1 via a surrounding area Faserab ⁇ section 14 of a transmission / reception lens 15 to a focal length of, for example. Hits the light in this area in the manner of backscattering particles that it comes back to the lens 15, it is again coupled into the fiber section 14 and on ⁇ closing the circulator 13 in the rest of Messab ⁇ section 4.
  • the area in which light can pass back to the lens 15 due to backscattering of particles represents a measuring section 16 of the measuring branch 4.
  • the presence and / or movement of particles and / or objects can occur in the entire measuring section 16 or only in one Part of this are detected, which is referred to in the present application as a remote space area.
  • the remote space area is therefore the part of the measuring section 16 of interest for a specific measurement.
  • the continuous wave laser source 2 has a laser diode 20 and ei ⁇ NEN downstream optical phase modulator 21 whose modulation behavior is controlled by a control device 22, which determines the defining for the modulation and a pseudo-noise signal defining phase function ⁇ (t). That of the optical phase modulator 21 or the continuous wave Laser source 2 radiated laser light 23 is compared to the light of the laser diode 20 by the modulation as a function of the phase function ⁇ (t) widened and deformed in the optical power density spectrum.
  • the detection can mathematically without modifications to the structure described in the evaluation by the evaluation unit 9 in a spatially resolved to be made separately for different portions 17 in different distances from the lens 15th
  • FIG. 3 shows a lidar measuring arrangement which has a lidar measuring system 1, as it is also shown in FIG.
  • the measuring section 16 is defined by an optical Wel ⁇ lenleiter in the form of an optical fiber 24, ie through the photoconductive interior of the fiber 24.
  • the reflection devices 25 represent the particles or objects whose presence and / or movement is measured and / or for which further properties, such as reflection properties or polarization properties, are measured.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich mit einer Interferometeranordnung sowie ein entsprechendes Verfahren unter Verwendung eines solchen Messsystems. Die Interferometeranordnung weist eine Dauerstrich-Laserquelle (2), eine Photodetektoranordnung (7) und optische Komponenten auf, die angepasst sind, um von der Dauerstrich-Laserquelle (2) ausgesandtes Licht (23) aufzuteilen, entlang eines einen Messzweig (4) bildenden ersten optischen Weges und eines von diesem getrennten und einen Referenzzweig (5) bildenden zweiten optischen Weges zu leiten und schließlich räumlich kohärent überlagert auf die Photodetektoranordnung (7) auftreffen zu lassen. Der Referenzzweig (5) hat eine vorbestimmte optische Weglänge, und der Messzweig (4) weist einen Messabschnitt (16) auf, in dem das Licht vom Messsystem weg in Richtung auf einen von diesem entfernten Raumbereich gerichtet ist und diesen durchläuft und von in dem Raumbereich befindlichen Partikeln in Richtung auf das Messsystem rückgestreutes Licht wieder am Messsystem empfangen wird. Ferner ist eine Auswerteeinheit (9) vorgesehen, die mit der Photodetektoranordnung (7) gekoppelt und angepasst ist, um deren Detektorsignal zu empfangen und aus dem Detektorsignal die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln in dem entfernten Raumbereich zu bestimmen. Die Dauerstrich-Laserquelle (2) hat eine Kohärenzlänge in dem Bereich von 0,1 bis 100 m.

Description

Lidar-Messsystem und Lidar-Messverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich und ein Verfahren zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem entfernten Raumbereich mit Hilfe eines derartigen Lidar-Mess- systems .
Lidar (Light detection and ranging) ist ein dem Radar eng verwandtes Verfahren, das statt der im Fall des Radar eingesetzten Funkwellen Laserlicht einsetzt. Mit ihm kann eine Fernmes¬ sung verschiedener Atmosphärenparameter und insbesondere aus der Ferne eine Bestimmung der Anwesenheit, des Abstands und der Geschwindigkeit von in der Luft oder einer anderen Atmosphäre befindlichen Partikeln und anderen Objekten vorgenommen werden. Grundsätzlich können alle Partikel, die das verwendete Licht streuen, und alle Objekte vermessen werden, die eine re¬ flektierende Störstelle im Raum oder einen Streukörper darstellen .
Lidar trägt somit dem in verschiedenen Bereichen der Technik bestehenden Bedarf Rechnung, physikalische Parameter an von der eigentlichen Messvorrichtung entfernten Orten ortsaufgelöst, drahtlos und nicht-invasiv als Funktion der Zeit zu be¬ stimmen. Beispielsweise ist es mit Hilfe von Lidar möglich, über die Vermessung durch Wind bewegter Partikel die an einem von der Messvorrichtung entfernten Ort herrschende Windgeschwindigkeit zu ermitteln. Dies kann zum Beispiel ausgenutzt werden, um in einfacher Weise in einigen hundert Metern Entfernung vor einer Windkraftanlage die Windgeschwindigkeit zu messen und auf Basis der gemessenen Windgeschwindigkeit regel¬ technische Parameter der Windkraftanlage so anzupassen, dass ein möglichst optimaler Wirkungsgrad erzielt und dabei gleich- zeitig die Belastung der Windkraftanlage durch den Wind mög¬ lichst gering gehalten wird, und bei extremen Windböen ggf. rechtzeitig Notfallmaßnahmen, wie etwa eine Notabschaltung, zu ergreifen, um eine Beschädigung der Windkraftanlage zu verhindern .
Bekannte Lidar-Systeme zur Bestimmung von Windgeschwindigkei¬ ten beruhen auf der Detektion der durch die Streuung von Laserlicht an mit dem Wind mitbewegten Partikeln bewirkten Dopp- ler-Frequenzverschiebung des Streulichts (vgl. z.B. C. Weitkamp, Lidar - Range-resolved optical remote sensing of the at- mosphere, Springer 2005) . Daher kann jeweils nur die Windge¬ schwindigkeit in der Sichtlinie des verwendeten Laserstrahls ermittelt werden.
Die Doppler-Frequenzverschiebung wird in den meisten Fällen interferometrisch durch Überlagerung des an einer Messvorrichtung empfangenen Streulichts mit direktem Licht der verwende¬ ten Laserquelle bestimmt. Zu diesem Zweck werden im Stand der Technik hochkohärente Laserquellen mit Kohärenzlängen von mehreren hundert Metern verwendet, die optischen Quellenbandbrei¬ ten im Sub-MHz-Bereich entsprechen. Im Stand der Technik sind zur Erzielung von Ortsauflösung grundsätzlich zwei unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt.
Gemäß der einen Vorgehensweise werden Dauerstrich-Laserquellen eingesetzt, deren Strahl mit Hilfe eines geeigneten optischen Systems, wie einer Linse oder eines Teleskops, auf die jeweils gewünschte Zielentfernung fokussiert wird (vgl. z.B. WO 2005/114253 AI). Bei geeigneter Fokussierung stammt dann prinzipiell der größte Teil des empfangenen Streulichtes aus dem fokusnahen Bereich, so dass durch Verschiebung des Fokusbereichs unterschiedliche Teilabschnitte eines interessierenden Raumbereichs in unterschiedlichen Entfernungen untersucht werden können. Allerdings besteht dabei das grundsätzliche Problem, dass die effektive Fokuslänge in etwa quadratisch mit dem Abstand von dem zur Fokussierung verwendeten optischen System zunimmt, so dass für große Abstände nur noch eine schlechte Ortsauflösung erreichbar ist. Ferner wird jeweils auch Streulicht von Parti¬ keln außerhalb des Fokusbereichs empfangen. Wenn derartige Partikel einen größeren Streuquerschnitt als die Partikel im Fokusbereich haben oder in sehr viel größerer Konzentration als die Partikel im Fokusbereich vorliegen, kann ihr Streulicht doch den größten Teil des empfangenen Streulichtes bil¬ den und das Signal aus dem Fokusbereich überdecken. Ohne aufwändige Maßnahmen würde die gemessene Windgeschwindigkeit dann einem falschen Ort zugeordnet. Ein Beispiel ist eine ggf. deutlich hinter dem Zielbereich, d.h. dem Fokusbereich, befindliche dichte Wolkendecke. Schließlich ist es von Nachteil, dass die Änderung der Fokussierung, die im Allgemeinen mechanisch erfolgt, zusätzlichen apparativen Aufwand erfordert und eine erhebliche Zeit in Anspruch nimmt.
Gemäß der anderen Vorgehensweise werden gepulste Laserquellen eingesetzt, wobei die Ortsbestimmung über eine LaufZeitmessung der Laserpulse erfolgt. Auf diese Weise können mit einem Puls, dessen Pulsbreite die Ortsauflösung bestimmt, die für Pulse mit einer Breite von 200 ns beispielsweise 30 m beträgt, nach¬ einander mehrere Auflösungselemente zwischen z.B. 0 und 300 m Abstand von dem Messsystem abgefragt werden. Diese Auflösungs¬ elemente sind jeweilige Teilabschnitte des interessierenden Raumbereichs, der von den Laserpulsen durchlaufen wird.
Allerdings ergeben sich regelmäßig aufgrund der jeweils nur für kurze Zeit erfolgenden Beleuchtung jedes Auflösungsele- ments durch den Puls schlechte Signal-Rausch-Verhältnisse, und die Frequenzauflösung und damit auch die Windgeschwindigkeits¬ auflösung ist aufgrund der kurzen Pulsbreiten begrenzt. Außer- dem müssen in der Regel relativ aufwändige Lasersysteme mit einem Masteroszillator und einem Leistungsverstärker verwendet werden .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfach aufgebautes Lidar-Messsystem und ein einfach durchzuführendes Li- dar-Messverfahren bereitzustellen, mit denen die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln in einem ausgedehnten entfernten Raumbereich schnell, flexibel und mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden kann und die obigen Nachteile vermieden werden .
Diese Aufgabe wird durch ein Lidar-Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Li- dar-Messsystems und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweils zugehörigen Unteransprüche.
Nach der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich eine Interferometeranordnung mit einer Dauerstrich-Laserquelle, einer Photodetektoranordnung, verschiedenen optischen Komponenten zur Leitung von Licht der Dauerstrich-Laserquelle entlang vorbestimmter optischer Wege und einer Auswerteeinheit aufweist.
Die Photodetektoranordnung ist angepasst, um ein Detektorsig¬ nal auszugeben, das für auf sie auftreffendes Licht charakte¬ ristisch ist, das der Dauerstrich-Laserquelle entstammt. Sie kann eine oder mehrere Photodetektoren aufweisen.
Die optischen Komponenten sind so angepasst und angeordnet, dass von der Dauerstrich-Laserquelle im Betrieb ausgesandtes Licht zunächst aufgeteilt wird, anschließend entlang eines ei- nen Mess- bzw. Signalzweig der Interferometeranordnung bildenden ersten optischen Weges und eines von diesem getrennten und einen Referenzzweig der Interferometeranordnung bildenden zweiten optischen Weges geleitet wird und schließlich nach Durchlaufen des Messzweiges und des Referenzzweiges räumlich kohärent überlagert auf die Photodetektoranordnung auftrifft. Die Interferometeranordnung weist somit den Aufbau eines Mach- Zehnder-Interferometers auf. Dabei hat der Referenzzweig eine vorbestimmte optische Weglänge, und der Messzweig weist einen Messabschnitt auf, in dem das Licht von dem Messsystem weg in Richtung auf einen von diesem entfernten Raumbereich gerichtet ist und diesen zumindest teilweise durchläuft und von in dem Messabschnitt befindlichen Partikeln oder Objekten in Richtung auf das Messsystem rückgestreutes bzw. reflektiertes Licht wieder am Messsystem empfangen wird.
Mit anderen Worten wird ein Teil des optischen Weges des Mess¬ zweiges, nämlich der Messabschnitt, durch den Bereich der Umgebung des Messsystems gebildet, aus dem überhaupt Photonen, die von dem Messsystem in Richtung auf den entfernten Raumbereich verlaufen, bis sie an einem Partikel gestreut oder einem Objekt reflektiert werden, wieder zum Messsystem zurückkehren und dort in den Rest des Messzweiges eingekoppelt werden. Dies erfordert, dass zum einen am Beginn des Messabschnitts das den Messzweig durchlaufende Laserlicht mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung in Richtung auf den entfernten Raumbereich abgestrahlt wird und dass zum anderen am Ende des Messabschnitts ein Teil des gestreuten Lichtes mit einer geeigneten Empfangseinrichtung empfangen und anschließend entlang des Restes des Messzweiges geleitet wird. Die optische Weglänge des Messzwei¬ ges wird somit für jedes Photon durch den Abstand der Partikel bzw. Objekte vom Messsystem bestimmt, von denen das zur Photodetektoranordnung gelangende gestreute oder reflektierte Licht stammt . Aus den obigen Erläuterungen ist zu entnehmen, dass der entfernte Raumbereich einen Teil des Messabschnitts bildet und im Extremfall mit dem Messabschnitt identisch sein kann. Der Messabschnitt umfasst den Bereich der Umgebung des Messsys¬ tems, aus dem überhaupt von Partikeln rückgestreutes oder von Objekten reflektiertes Licht in den Rest des Messzweiges ein¬ gekoppelt wird. Demgegenüber ist der entfernte Raumbereich der für die Detektion interessierende Bereich, der kleiner oder maximal gleich dem Messabschnitt gewählt werden kann.
Die Auswerteeinheit ist mit der Photodetektoranordnung gekop¬ pelt und angepasst, um deren Detektorsignal zu empfangen und auf Basis des Detektorsignals die Anwesenheit und/oder Bewe¬ gung von Partikeln und/oder Objekten in dem entfernten Raumbereich zu bestimmen. Letzteres kann beispielsweise insbesondere in derselben Weise geschehen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere kann die Bewegung und die dabei die Geschwindigkeit in bekannter Weise über die Ermittlung der Dopplerverschiebung des detektierten Lichtes erfolgen.
Die Dauerstrich-Laserquelle ist so ausgestaltet, dass sie eine Kohärenzlänge in dem Bereich von 0,1 bis 100 m aufweist, be¬ vorzugt in dem Bereich von 1 bis 100 m, mehr bevorzugt in dem Bereich von 1 bis 50 m. Da kohärente Interferenz an der Photodetektoranordnung nur für Streulicht von Partikeln bzw. reflektiertes Licht von Objekten möglich ist, für die die opti¬ sche Weglänge des Messzweiges innerhalb der Kohärenzlänge mit der optischen Weglänge des Referenzzweiges übereinstimmt, wird durch die stark begrenzte Kohärenzlänge eine hohe und durch geeignete Wahl der Kohärenzlänge wählbare Ortsauflösung er¬ reicht. Zur Detektoranordnung gelangendes Streulicht bzw. re¬ flektiertes Licht von außerhalb dieses Kohärenzbereichs be¬ findlichen Partikeln bzw. Objekten führt demgegenüber lediglich zu einem breitbandigen Untergrund im Detektorsignal, der zu einer mäßigen Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses führen kann, die Ortsauflösung aber nicht beeinträchtigt. Wenn der Kohärenzbereich kleiner als die Ausdehnung des entfernten Raumbereichs entlang dem Laserstrahl ist, wird somit lediglich ein Teilabschnitt des entfernten Raumbereichs vermessen, so dass durch Verschiebung des Kohärenzbereichs - beispielsweise mit Hilfe einer optional vorhandenen Einrichtung zur Änderung der optischen Weglänge des Referenzzweiges, bevorzugt aber rechnerisch auf die weiter unten ausführlich dargelegte Weise eine durch dessen Ausdehnung bestimmte Ortsauflösung erreicht werden kann. Die Ortsauflösung ist in vorteilhafter Weise unabhängig von der Entfernung des jeweils untersuchten Teilabschnitts, der auch als Auflösungselement bezeichnet wer¬ den kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Dauerstrich-Laserquelle eine Laserlicht-Erzeugungskomponente, einen dieser nachgeschalteten optischen Phasenmodulator und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des optischen Phasenmodulators auf. Der optische Phasenmodulator ist angepasst, um das von der Laserlicht-Erzeugungskomponente abgestrahlte Laserlicht zu empfan¬ gen und in seiner Phase zu modulieren. Er weist einen Steuersignaleingang auf und ist ferner angepasst, um die Phasenmodu¬ lation auf Basis einer Phasenfunktion vorzunehmen, die durch ein am Steuersignaleingang empfangenes Steuersignal definiert wird. Die Steuereinrichtung ist mit dem Steuersignaleingang verbunden und angepasst, um an den Steuersignaleingang ein Steuersignal zu liefern, das einem durch eine vorbestimmte Phasenfunktion Θ (t) definierten Rauschsignal bzw. Pseudo- Rauschsignal entspricht, wobei das Steuersignal bewirkt, dass der optische Phasenmodulator die Phasenmodulation mit der vorbestimmten Phasenfunktion Θ (t) vornimmt. Das optische Leis¬ tungsdichtespektrum des von der Dauerstrich-Laserquelle abge¬ strahlten Laserlichts erhält auf diese Weise eine durch die Phasenfunktion Θ (t) bestimmte Form, die z.B. gaußförmig oder lorentzförmig sein kann, und Bandbreite. Die Dauerstrich- Laserquelle kann somit als eine synthetische Laserquelle be¬ zeichnet werden, für die im Unterschied zu natürlichen Laserquellen die Phasenfunktion bekannt ist, die zur einer spektralen Verbreiterung und Verformung des monochromatischen Laserlichtes führt. Die Bandbreite bestimmt dabei in üblicher Weise die Kohärenzlänge. Auf diese Weise kann in vorteilhafter Weise dieselbe Laserlicht-Erzeugungskomponente zur Realisierung ver¬ schiedener Kohärenzlängen und damit Ortsauflösungen Verwendung finden. Die Laserlicht-Erzeugungskomponente, die insbesondere eine schmalbandige und bevorzugt einmodige Dauerstrich-Laser¬ diode sein kann, hat bevorzugt eine Bandbreite von 100 kHz o- der weniger und mehr bevorzugt von 10 kHz oder weniger.
In dieser Ausführungsform ist es insbesondere bevorzugt, wenn die vorbestimmte Phasenfunktion Θ (t) einstellbar ist. Eine solche Einstellbarkeit stellt die Möglichkeit der Einstellbar¬ keit der spektralen Form und/oder der Bandbreite des von der Dauerstrich-Laserquelle abgestrahlten Laserlichts bereit. Für jede gewünschte spektrale Form und/oder Bandbreite kann bei¬ spielsweise durch ein iteratives numerisches Verfahren eine entsprechende Phasenfunktion Θ (t) aufgefunden werden.
Im Rahmen eines solchen iterativen Verfahrens wird beispiels¬ weise von einer zufällig gewählten Phasenfunktion, d.h. einem zufälligen Phasenverlauf, oder einer gezielt gewählten Phasenfunktion ausgegangen und rechnerisch die spektrale Form und Bandbreite des von dem mit dieser Phasenfunktion angesteuerten optischen Phasenmodulator ausgegebenen Laserlichts bestimmt und mit der gewünschten spektralen Form und Bandbreite verglichen. Auf Basis des Vergleichs wird die Phasenfunktion modifi¬ ziert, und es werden die obigen Schritte wiederholt. Das Ver¬ fahren wird so lange fortgesetzt, bis das gewünschte Ergebnis mit hinreichender Genauigkeit erreicht wird. Insbesondere kann ein solches iteratives Verfahren durchgeführt werden, indem von einem Spektrum mit gaußförmigem Betrag und zufälliger Pha- se ausgegangen wird. Daraus wird die Phase der zugehörigen elektrischen Feldstärke durch inverse Fouriertransformation berechnet und deren Amplitude konstant gesetzt. Aus der so ge¬ wonnenen elektrischen Feldstärke wird durch Fouriertransforma¬ tion das zugehörige Spektrum berechnet und mit dessen Phase der Iterationsprozess von vorne begonnen. Der Prozess wird so lange fortgesetzt, bis das gewünschte Ergebnis, z.B. ein vor¬ gegebenes gaußförmiges Amplituden- und Leistungsdichtespekt¬ rum, mit hinreichender Genauigkeit erreicht wird. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung ist zu beachten, dass die für ein iteratives Verfahren aufzuwendende Rechenzeit insoweit ir¬ relevant ist, als eine einmal aufgefundene Phasenfunktion dau¬ erhaft Verwendung finden kann.
Diese Ausgestaltung hat den großen Vorteil, dass die Ortsauf¬ lösung geändert werden kann, ohne hardwaremäßige Veränderungen oder eine mechanische Bewegung von Komponenten vornehmen zu müssen. Es ist lediglich erforderlich, eine andere geeignete Phasenfunktion Θ (t) an der Steuereinrichtung zu wählen bzw. einzustellen. Im Unterschied zu bekannten Dauerstrich-Lidar- Systemen, bei denen - wie oben erwähnt - die Ortsauflösung durch die insbesondere bei großen Entfernungen begrenzte Fo- kussierbarkeit eines Laserstrahls stark eingeschränkt ist, kann die Ortsauflösung einfach, flexibel und schnell mit hoher Reproduzierbarkeit in einem weiten Bereich frei gewählt wer¬ den. Gleichzeitig werden in der bereits beschriebenen Weise zuverlässig etwaige Störeinflüsse von Streuung an Partikeln bzw. Reflektion an Objekten außerhalb des durch die Kohärenzlänge und die optische Weglänge des Referenzzweiges bestimmten Teilabschnitts des entfernten Raumbereichs, wie etwa von Par¬ tikeln in vor- oder nachgelagerten Wolken, unterdrückt, und somit wird die Gefahr einer Fehlzuordnung von gemessenen Geschwindigkeitswerten zu Orten stark verringert. In den beschriebenen Ausführungsformen, bei denen ein optischer Phasenmodulator vorgesehen ist, ist es ferner bevorzugt, wenn die Auswerteeinheit angepasst ist, um die Auswertung auf Basis einer Funktion des Detektorsignals, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Atverschiebung vorzunehmen, die in der Weise gewählt ist, dass das Ergebnis der Funktion dem Detektorsignal entspricht, dass sich bei Wahl eines Referenzzweiges ergeben würde, der gegenüber dem tat¬ sächlichen Referenz zweig eine um Atverschiebung geänderte Laufzeit und damit auch eine entsprechend geänderte optische Weglänge aufweist .
Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass das Detek¬ torsignal nicht nur die für die Auswertung benötigten Informa¬ tionen über Partikel und Objekte in dem der tatsächlichen optischen Weglänge des Referenzzweiges und der Kohärenzlänge entsprechenden Teilabschnitt des entfernten Raumbereichs ent¬ hält, sondern auch jeweils bereits die Informationen über Partikel und Objekte in anderen Teilabschnitten des entfernten Raumbereichs in anderen Abständen vom Messsystem. Für die Auswertung des gesamten entfernten Raumbereichs oder eines größeren Teilabschnitts von diesem ist die Kenntnis der zur Ansteu- erung des optischen Phasenmodulators und zur entsprechenden Erzeugung des von der Dauerstrich-Laserquelle abgestrahlten Lichtes verwendeten Phasenfunktion Θ (t) erforderlich. Diese ist für eine natürliche Laserquelle nicht bekannt und müsste aufwändig bestimmt werden. Bei der hier verwendeten Dauerstrich-Laserquelle werden dagegen die Phaseneigenschaften des Laserstrahls synthetisch erzeugt, sind nur pseudo-zufällig und liegen in Form der Phasenfunktion Θ (t) zahlenmäßig vor. Diese Phasenfunktion Θ (t) findet sich in bestimmter Weise in der komplexen Amplitude des Detektorsignals wieder, die auf Grund¬ lage der Kenntnis der Phasenfunktion Θ (t) gezielt numerisch verändert werden kann, um dadurch für die Zwecke der Auswer- tung eine von der tatsächlichen optischen Weglänge abweichende optische Weglänge des Referenzzweiges vorzutäuschen.
Somit kann in vorteilhafter Weise ohne hardwaremäßige Änderun¬ gen und ohne mechanische Bewegung von Komponenten nachträglich der Teilabschnitt des entfernten Raumbereichs, aus dem Licht stammt, das sich in der beschriebenen Weise kohärent mit dem Licht des Referenzzweiges überlagert und zur Detektion verwen¬ det wird, d.h. die Lage des Auflösungselements ohne erneute Messung verschoben werden. Anders als bei bekannten Dauer- strich-Lidar-Verfahren können durch eine einzige Messung Informationen aus einem großen Bereich und nicht nur aus dem Fokusbereich gewonnen werden, und die Ortsauflösung kann gezielt und entfernungsunabhängig gewählt werden. Es ist auf diese Weise sehr einfach und flexibel möglich, eine ortsaufgelöste Messung an verschiedenen Teilabschnitten des entfernten Raumbereichs mit einstellbarer Ortsauflösung vorzunehmen und somit aus der Ferne bestimmte Eigenschaften der verschiedenen Teilabschnitte zu bestimmen.
Wenn in Zusammenhang mit der Auswertung und dem entsprechenden Kohärenzbereich von optischer Weglänge die Rede ist, ist vor diesem Hintergrund daher diese "vorgetäuschte" optische Weg¬ länge gemeint.
Es ist bei dieser "numerischen Verschiebung" des Teilabschnittes von Vorteil, wenn die Funktion die Multiplikation des Detektorsignals mit dem Faktor
Figure imgf000013_0001
umfasst. Es kann gezeigt werden, dass das komplexe Detektor¬ signal - ggf. neben zeitlich konstanten Anteilen - einen zeitlich variablen Anteil enthält, der proportional zu
Figure imgf000014_0001
ist, wobei td der durch die Entfernung der Streupartikel be¬ stimmte Laufzeitunterschied zwischen Referenzzweig und Mess¬ zweig ist. Die Multiplikation mit obigem Faktor führt daher zu einem zeitlich variablen Anteil, der proportional zu
Figure imgf000014_0002
ist und somit einer durch Atverschiebung bestimmten abweichenden optischen Weglänge des Referenzzweigs entspricht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die optischen Komponenten einen Strahlteiler, wie zum Beispiel insbesondere einen faseroptischen Koppler, zur Aufteilung des von der Dauerstrich-Laserquelle abgestrahlten Lichtes, optische Fasern, die zumindest einen Teil des Referenzzweiges definieren, und/oder optische Fasern, die einen Teil des Messzweiges definieren, einen optischen Frequenzverschieber, z.B. gebildet durch einen akustooptischen Modulator, im Messzweig und/oder im Referenzzweig, einen optischen Verstärker, z.B. einen Erbium-Faser- Verstärker, im Messzweig oder vor der Aufteilung in Mess- und Referenzzweig, einen einstellbaren Polarisationssteller im Referenzzweig und/oder im Messzweig und/oder einen Strahlverei¬ niger, insbesondere einen faseroptischen Koppler, zur Vereinigung des entlang des Messzweiges und entlang des Referenzzwei¬ ges geführten Lichtes am Ende des Messzweiges und des Refe¬ renzzweiges .
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die optischen Komponenten eine Abstrahl- und Empfangseinrichtung, die den Beginn und das Ende des Messabschnitts des Messzweiges definiert und angepasst ist, um das Licht von dem Messsystem weg in Richtung auf den Raumbereich abzustrahlen und rückgestreutes Licht wieder zu empfangen, so dass dieses entlang des Restes des Messzweiges geführt wird. Die Abstrahl- und Empfangsein¬ richtung kann einen Empfänger aufweisen, der räumlich von einer Abstrahleinrichtung getrennt ist (d.h. ein bistatisches System) , oder eine Komponente, die an einem Ort sowohl zur Ab- strahlung als auch zum Empfang von Laserlicht angepasst ist (d.h. ein monostatisches System). Die kombinierte Abstrahl- und Empfangseinrichtung kann insbesondere einen optischen Zir- kulator und/oder ein Linsensystem aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Interferometera- nordnung in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers mit zwei für einen balancierten Empfang angeordneten und ausgestalteten Photodetektoren aufgebaut, wobei das Detektorsignal eine Dif¬ ferenz der Ausgangssignale der beiden Photodetektoren ist. Auf diese Weise können in an sich bekannter Weise Störungen aus dem Detektorsignal entfernt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Lidar-Mess- system ferner eine Polarisationsstrahlteileranordnung bzw. ein oder mehrere polarisationsteilende Elemente auf, das bzw. die angeordnet und angepasst ist bzw. sind, um im Betrieb Licht der Dauerstrich-Laserquelle, das entlang des Messzweiges ge¬ führt wird, und Licht der Dauerstrich-Laserquelle, das entlang des Referenzzweiges geführt wird, jeweils in Licht zweier or¬ thogonaler Polarisationsrichtungen aufzuteilen.
Außerdem ist die Photodetektoranordnung in dieser Ausführungsform angeordnet und angepasst, um nach Durchlaufen des Mess¬ zweiges und des Referenzzweiges das räumlich kohärent überla¬ gerte Licht für die beiden Polarisationsrichtungen separat zu detektieren. Das Detektorsignal umfasst dann zwei Teildetek¬ torsignale, von denen jedes für Licht einer der beiden Polarisationsrichtungen charakteristisch ist. Die Photodetektoranordnung kann beispielsweise zwei separate, räumlich getrennte Photodetektoren aufweisen, und die Polarisationsstrahltei- leranordnung kann so angeordnet und ausgestaltet sein, dass das Licht der beiden Polarisationsrichtungen jeweils nur auf einen anderen der beiden Photodetektoren auftrifft.
Durch die obige Anordnung werden die Überlagerungssignale von Messzweig und Referenzzweig nach Polarisationsrichtung ge¬ trennt in genau derselben Weise ermittelt, wie es oben unab¬ hängig von der Polarisationsrichtung beschrieben worden ist. Aufgrund der separaten Betrachtung der beiden Polarisationsrichtungen kann jedoch durch die Auswerteeinheit festgestellt werden, ob bei der Streuung oder Reflektion der Polarisationszustand erhalten geblieben ist, was in der Regel überwiegend der Fall ist, oder ob eine Verlagerung in den orthogonalen Polarisationszustand bewirkt worden ist. Ist letzteres der Fall, dann kann man in bekannter Weise Aussagen über Art und Form der Streu- oder Reflexionskörper machen. Die Auswerteeinheit ist dementsprechend angepasst, um auf Basis der beiden Teilde¬ tektorsignalen Änderungen des Polarisationszustandes durch die detektierten Partikel und/oder Objekte zu bestimmen und ggf. Informationen über Art und/oder Form der detektierten Partikel und/oder Objekte zu liefern.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines Lidar-Messsystem, in dem die Auswerteeinheit angepasst ist, um die Auswertung auf Basis einer Funktion des Detektorsignals, der vorbestimm¬ ten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes AtVerschie- bung vorzunehmen, ist die Laserlicht-Erzeugungskomponente ange¬ passt, um gleichzeitig oder abwechselnd Laserlicht zweier Wel¬ lenlängen abzustrahlen. Da der optische Phasenmodulator auf beide Wellenlängen einwirkt, umfasst das von der Dauerstrich- Laserquelle abgestrahlte Laserlicht zwei Wellenlängenbereiche in der Umgebung der beiden Wellenlängen, in denen das optische Leistungsdichtespektrum jeweils eine durch die Phasenfunktion Θ (t) bestimmte Form und Bandbreite hat. Außerdem ist die Photodetektoranordnung in dieser Ausführungsform im Falle gleichzeitiger Emission beider Wellenlängen durch die Laser-Erzeigungskomponente so angeordnet und ange- passt, um nach Durchlaufen des Messzweiges und des Referenz¬ zweiges das räumlich kohärent überlagerte Licht für die beiden Wellenlängenbereiche separat zu detektieren. Das Detektorsig¬ nal umfasst dann zwei Teildetektorsignale, von denen jedes für Licht eines der beiden Wellenlängenbereiche charakteristisch ist. Bei zeitlich getrennter Abstrahlung der beiden Wellenlängen entsprechen die während der entsprechenden Zeitabschnitte gelieferten Detektorsignale den beiden Teildetektorsignalen.
Durch die obige Anordnung werden die Überlagerungssignale von Messzweig und Referenzzweig nach den beiden Wellenlängenberei¬ chen getrennt in genau derselben Weise ermittelt, wie es oben unabhängig vom Wellenlängenbereich beschrieben worden ist. Wenn sich neben streuenden Partikeln und/oder reflektierenden Objekten Gas zwischen diesen und dem Messsystem befindet und dieses Gas das Licht des einen Wellenlängenbereichs absor¬ biert, das Licht des anderen Wellenlängenbereichs dagegen nicht oder sehr viel weniger, kann aufgrund der separaten Betrachtung der beiden Wellenlängenbereiche jedoch durch die Auswerteeinheit die absorbierende Gasmenge festgestellt wer¬ den. Wird nun die Auswertung in der beschriebenen Weise für eine Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte ÄtVer- schiebung vorgenommen, die jeweils einem anderen Teilabschnitt des entfernten Raumbereichs entsprechen, kann ferner ortsaufgelöst die Konzentration des Gases in den verschiedenen Teilabschnitten ermittelt werden. Dieses Verfahren ist mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Art und Weise der Erzielung von Ortsauflösung an sich bekannt und wird als DIAL-Verfahren (diffe- rential absorption Lidar) bezeichnet.
Die Auswerteeinheit ist dementsprechend angepasst, um die Aus¬ wertung auf Basis einer Funktion der beiden Teildetektorsigna- le, der vorbestimmten Phasenfunktion und einer Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte Atverschiebung vorzunehmen, die jeweils einem anderen Teilabschnitt des entfernten Raumbe¬ reichs entsprechen, und ortsaufgelöst die Konzentration mindestens eines Gases zu bestimmen, das für die beiden Wellenlängenbereiche unterschiedliche Absorptionskoeffizienten auf¬ weist. Da die Messung darauf beruht, dass das Laserlicht bei der Streuung nicht wesentlich durch thermische Bewegung der Streukörper spektral verbreitert wird, ist es zwingend erfor¬ derlich, dass zusätzlich zu dem zu vermessenden Gas geeignete Partikel und/oder Objekte in dem entfernten Raumbereich vorhanden sind.
Das oben beschriebene Lidar-Messsystem, in dem die Auswerte¬ einheit angepasst ist, um die Auswertung auf Basis einer Funk¬ tion des Detektorsignals, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Atverschiebung vorzunehmen, kann in vorteilhafter Weise Teil einer Lidar-Messanordnung sein, die außerdem einen optischen Wellenleiter, bevorzugt einen einmo- digen optischen Faserwellenleiter, aufweist, der in der Weise angeordnet ist, dass den Messzweig durchlaufendes Licht der Dauerstrich-Laserquelle in zumindest einem Teil des Messab¬ schnitts in dem optischen Wellenleiter geführt wird, so dass der optische Wellenleiter zumindest einen Teil des Messab¬ schnitts definiert. Mit anderen Worten wird ein Teil des Raum¬ bereichs und insbesondere ein Teil des Messabschnitts durch das Innere des optischen Wellenleiters gebildet.
Außerdem weist der optische Wellenleiter der Messanordnung eine Vielzahl von Reflexionseinrichtungen auf, die entlang des optischen Wellenleiters voneinander beabstandet sind und von denen jede angeordnet und angepasst ist, um bei mindestens ei¬ ner Wellenlänge, bei der von der Dauerstrich-Laserquelle Licht ausgesandt werden kann, Licht, das den optischen Wellenleiter von dem Messsystem weg durchläuft, teilweise so zu reflektie- ren, das das reflektierte Licht den optischen Wellenleiter in Richtung auf das Messsystem durchläuft. Diese Reflexionseinrichtungen stellen jeweils ein Objekt dar, dessen Anwesenheit und/oder Bewegung durch das Messsystem in der beschriebenen Weise bestimmt werden kann. Der optische Wellenleiter kann bevorzugt mindestens zehn Reflexionseinrichtungen aufweisen.
In dieser Ausführungsform ist die Auswerteeinheit angepasst, um die oben beschriebene Auswertung, die auf Basis einer Funktion des Detektorsignals, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Atverschiebung durchgeführt wird, zu verschiedenen Zeitpunkten und für eine Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte Atverschiebung vorzunehmen, die je¬ weils einem anderen Teilabschnitt des entfernten Raumbereichs entsprechen, wobei die entsprechende Vielzahl unterschiedli¬ cher Teilabschnitte verschiedene der Reflexionseinrichtungen und/oder verschiedene Gruppen der Reflexionseinrichtungen enthält .
Außerdem ist die Auswerteeinheit in dieser Ausführungsform angepasst, um daraus Änderungen der Reflektivität und/oder Pola¬ risationseigenschaften verschiedener Reflexionseinrichtungen zu bestimmen, für mindestens ein Paar der Reflexionseinrichtungen Änderungen der optischen Phasenverschiebung zwischen den entsprechenden zwei Reflexionseinrichtungen zu bestimmen, für mindestens ein Paar der Reflexionseinrichtungen eine Dämpfung zwischen den entsprechenden zwei Reflexionseinrichtungen zu bestimmen und/oder für mindestens ein Paar der Reflexionseinrichtungen Polarisationsänderungen zwischen den entsprechenden zwei Reflexionseinrichtungen zu bestimmen.
Durch diese Ausgestaltung bildet die Lidar-Messanordnung einen faseroptischen Sensor, in dem die entlang des optischen Wellenleiters angeordneten Reflexionseinrichtungen einzelne Sensorelemente darstellen und der faseroptische Sensor beispiels- - I S
weise für Dehnungsmesssungen in Brücken oder Flugzeugflügeln eingesetzt werden kann oder in dem die Abschnitte des opti¬ schen Wellenleiters zwischen benachbarten Reflexionseinrichtungen und die betreffenden beiden Reflexionseinrichtungen jeweils ein interferometrisches Sensorelement darstellt. In je¬ dem Fall können durch geeignete Wahl der Zeitverschiebungswerte Atverschiebung die verschiedenen Sensorelemente separate adres¬ siert und ausgewertet werden, wenn die den verschiedenen Zeit¬ verschiebungswerten Atverschiebung entsprechenden Teilabschnitte des entfernten Raumbereichs jeweils ein anderes der Sensorele¬ mente ganz oder teilweise enthalten. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass im Fall interferometrischer Sensorelemente in Abhängigkeit von der Bandbreite des verwendeten La¬ serlichtes die Teilabschnitte eine geringere Ausdehnung (hohe Ortsauflösung) oder eine größere Ausdehnung (niedrige Ortsauf¬ lösung) als der Abstand zwischen den beiden Reflexionseinrichtungen der Sensorelemente haben können. Im ersteren Fall können die beiden Reflexionseinrichtungen im Hinblick auf die durch den dazwischen befindlichen Abschnitt des optischen Wellenleiters verursachte Phasenverschiebung getrennt ausgewertet werden und/oder es die eine durch eine Messgröße beeinflusste Dämpfung quantifiziert werden. Im zweiten Fall ist dies nicht möglich und die beiden genannten Reflexionseinrichtungen mit dem dazwischen befindlichen Abschnitt des optischen Wellenleiters können nur gemeinsam ausgewertet werden. Sie bilden dann zusammen ein Sensorelement und wirken wie ein kohärenter interferometrischer Sensor.
Die Reflexionseinrichtungen sind bevorzugt angepasst, um ihre Reflektivität oder ihre Polarisationseigenschaften durch Einwirkung einer Messgröße zu verändern, wie zum Beispiel einer Temperatur. Alternativ ist es bevorzugt, wenn die zu interfe- rometrischen Sensorelementen gehörigen Abschnitte des optischen Wellenleiters angepasst sind, um ihren optischen Weg durch Einwirkung einer Messgröße, wie etwa einer Dehnung des optischen Wellenleiters, zu verändern. In jedem Fall ist es durch die oben beschriebene Auswertung dann möglich, ortsaufgelöst entlang des optischen Wellenleiters die Messgröße zu bestimmen .
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Lidar-Messanordnung weisen die Reflexionseinrichtungen jeweils eine Fehlstelle, eine Rayleigh-Rückstreu-Einrichtung und/oder ein Faser-Bragg- Gitter auf. Eine Fehlstelle kann beispielsweise durch eine Glas-Luft-Grenzfläche gebildet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Lidar-Messanordnung ist die Ausdehnung der Reflexionseinrichtungen in Erstreckungs- richtung des optischen Wellenleiters kleiner als der minimale Abstand zwischen benachbarten Reflexionseinrichtungen.
Das oben beschriebene Messsystem bzw. die oben beschriebene, ein solches Messsystem aufweisende Messanordnung kann in vorteilhafter Weise zur Durchführung eines Verfahrens zur Detek- tion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem entfernten Raumbereich verwendet werden. Dazu wird der Messzweig in der Weise angeordnet, d.h. insbeson¬ dere der Messabschnitt so angeordnet, dass der entfernte Raum¬ bereich Teil des Messabschnitts ist oder im Extremfall den Messabschnitt bildet. Dabei wird die Dauerstrich-Laserquelle betrieben, um Laserlicht in der beschriebenen Weise gleichzeitig entlang des Messzweiges und entlang des Referenzzweiges zu leiten. Die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in dem entfernten Raumbereich wird dann mit Hilfe der Auswerteeinheit in der ebenfalls bereits beschriebe¬ nen Weise ermittelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der ein Lidar-Messsystem mit einer einen optischen Phasenmodulator enthaltenden Dauerstrich-Laserquelle zum Einsatz kommt, wird die Form und/oder die Bandbreite des optischen Leistungsdichtespektrums des von der Dauerstrich-Laserquelle abgestrahlten Laserlichts eingestellt, indem die vorbestimmte Phasenfunktion Θ (t) an der Steuereinrichtung entsprechend eingestellt wird. Auf diese Weise kann die Ortsauflösung gezielt an die jeweili¬ gen Anforderungen angepasst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der ein Lidar-Messsystem zum Einsatz kommt, das eine einen optischen Phasenmodulator enthaltenden Dauerstrich-Laserquelle und eine Auswerteeinheit enthält, die angepasst ist, um die Aus¬ wertung auf Basis einer Funktion des Detektorsignals, der vor¬ bestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Atverschiebung vorzunehmen, wird an der Auswerteeinheit das Zeit¬ intervall Atverschiebung verändert, um die Entfernung eines Teil¬ abschnitts des Raumbereichs von dem Lidar-Messsystem zu verändern, wobei der Teilabschnitt die Partikel enthält, deren rückgestreutes Licht bei der kohärenten Überlagerung des ent¬ lang des Messzweiges geführten Lichtes und des entlang des Re¬ ferenzzweiges geführten Lichtes zur Interferenz beiträgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebene Lidar-Messsysteme zum Einsatz kommt, das Licht zweier unterschiedlicher Polarisationsrichtungen detektiert, werden mit Hilfe der Auswerteeinheit auf Basis der beiden Teildetektorsignalen Änderungen des Polarisationszustandes durch die detektierten Partikel und/oder Objekte bestimmt und daraus Information über die Art und/oder Form der Partikel und/oder Objekte gewonnen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens, in der eines der oben beschriebene Lidar-Messsysteme zum Einsatz kommt, das Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängenbereiche detektiert, wird mit Hilfe der Auswerteeinheit auf Basis einer Funktion der beiden Teildetektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und einer Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte Atverschiebung , die jeweils einem anderen Teilab¬ schnitt des entfernten Raumbereichs entsprechen, ortsaufgelöst die Konzentration mindestens eines Gases bestimmt, das für die beiden Wellenlängenbereiche unterschiedliche Absorptionskoef¬ fizienten aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung einer Lidar-Messanordnung sind die Reflexionseinrichtungen so angepasst, dass sie in Abhängigkeit einer auf sie einwirkenden Messgröße ihre Reflektivität und/oder ihre Pola¬ risationseigenschaften ändern, oder die zwischen jeweils zwei benachbarten Reflexionseinrichtungen befindlichen Abschnitte des optischen Wellenleiters sind so angepasst, dass sie in Ab¬ hängigkeit einer auf sie einwirkenden Messgröße ihren opti¬ schen Weg ändern. In jedem Fall wird mit Hilfe der Auswerte¬ einheit an verschiedenen Reflexionseinrichtungen oder verschiedenen Abschnitten zwischen Reflexionseinrichtungen entsprechenden Orten die Messgröße bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung einer Lidar-Messanordnung ist die Messgröße eine Dehnung des optischen Wellenleiters, eine Schwingung des opti¬ schen Wellenleiters und/oder eine Temperatur ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung einer Lidar-Messanordnung werden die Reflexionseinrichtungen durch Fehlstellen oder Rayleigh-Rückstreu-Bereiche gebildet und der optische Wellenleiter mit Hilfe der Auswerte¬ einheit längenaufgelöst charakterisiert. Durch dieses Verfah¬ ren können Faserstrecken untersucht werden, indem aus der Änderung des Detektorsignals für benachbarte Messorte auf die lokale Dämpfung geschlossen wird. Dieses Verfahren kann die Verwendung von Zeitbereichsreflektometern ersetzen. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei¬ spiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Lidar-Messsystems gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Dauerstrich-La¬ serlichtquelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt und
Figur 3 eine schematische Darstellung Lidar-Messsystems als Teil einer Lidar-Messanordnung gemäß eines Ausführungsbei¬ spiels der Erfindung zeigt.
Das in Figur 1 schematisch gezeigte Lidar-Messsystem 1 weist eine Dauerstrich-Laserquelle 2 mit einer Ausgangsleistung von z.B. 1 mW und einer Wellenlänge von z.B. 1530 nm auf, deren Licht durch einen Strahlteiler 3 in Form eines faseroptischen Kopplers auf einen teilweise faseroptisch definierten Messzweig 4 und einen vollständig faseroptisch definierten Referenzzweig 5 aufgeteilt wird. Die verwendeten optischen Fasern sind bevorzugt Monomodefasern mit niedriger Dämpfung und einem Feldradius von z.B. 5 ym. Am Ende von Messzweig 4 und Refe¬ renzzweig 5 ist ein weiterer faseroptischer Koppler 6 zur Vereinigung des Lichtes von Messzweig 4 und Referenzzweig 5 ange¬ ordnet. Wie in einer bekannten Mach-Zehnder-Interferometeran- ordnung wird das Licht dabei räumlich kohärent überlagert, und verschiedene Anteile des kohärent überlagerten Lichtes werden auf die beiden Photodetektoren 7a, 7b der Photodetektoranord¬ nung 7 gelenkt, die beispielsweise InGaAs-Detektoren sein können und deren für das auf sie auftreffende Licht charakteris¬ tischen Detektorsignale in einem Subtraktionselement 8 zur El- minierung von Störungen voneinander subtrahiert werden. Das Differenzsignal wird schließlich einer Auswerteeinheit 9 zuge- führt, in der das Differenzsignal zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten ausgewertet wird.
Der Referenzzweig 5 weist einen einstellbaren faseroptischen Polarisationssteller 10 auf und eine Umwegstrecke, beispiels¬ weise in Form eines aufgewickelten Abschnitts 18 der Faser. Der Messzweig 4 weist nacheinander einen Erbium-Faser- Verstärker 11 mit einer Ausgangsleistung von z.B. 1 W, einen akustooptischen Modulator 12 mit einer Frequenz von z.B. 80 MHz und einen optischen Zirkulator 13 auf.
Mit Hilfe des Zirkulators 13 wird Licht über einen Faserab¬ schnitt 14 einer Sende/Empfangslinse 15 einer Brennweite von z.B. 250 mm zugeleitet und in den das Messsystem 1 umgebenden Bereich fokussiert. Trifft das Licht in diesem Bereich in der Weise auf rückstreuende Partikel, dass es wieder zu der Linse 15 gelangt, wird es wieder in den Faserabschnitt 14 und an¬ schließend über den Zirkulator 13 in den Rest des Messab¬ schnitts 4 eingekoppelt. Der Bereich, in dem überhaupt Licht durch Rückstreuung an Partikeln wieder zu der Linse 15 gelangen kann, stellt einen Messabschnitt 16 des Messzweiges 4 dar. Die Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten kann in dem gesamten Messabschnitt 16 oder nur in einem Teil von diesem detektiert werden, der in der vorliegenden Anmeldung als entfernter Raumbereich bezeichnet wird. Der entfernte Raumbereich ist demnach der für eine bestimmte Messung interessierende Teil des Messabschnitts 16.
Die Dauerstrich-Laserquelle 2 weist eine Laserdiode 20 und ei¬ nen nachgeschalteten optischen Phasenmodulator 21 auf, dessen Modulationsverhalten durch eine Steuereinrichtung 22 gesteuert wird, die die für die Modulation bestimmende und ein Pseudo- Rauschsignal definierende Phasenfunktion Θ (t) vorgibt. Das von dem optischen Phasenmodulator 21 bzw. der Dauerstrich- Laserquelle 2 abgestrahlte Laserlicht 23 ist gegenüber dem Licht der Laserdiode 20 durch die Modulation als Funktion der Phasenfunktion Θ (t) im optischen Leistungsdichtespektrum verbreitert und verformt.
Durch die oben beschriebene Berücksichtigung verschiedener Zeitverschiebungswerte Atverschiebung bei der Auswertung durch die Auswerteeinheit 9 kann rein rechnerisch ohne Veränderungen an dem beschriebenen Aufbau die Detektion ortsaufgelöst für verschiedene Teilabschnitte 17 in unterschiedlichen Abständen von der Linse 15 separat vorgenommen werden.
Figur 3 zeigt eine Lidar-Messanordnung, die ein Lidar- Messsystem 1 aufweist, wie es auch in Figur 1 gezeigt ist. Allerdings wird der Messabschnitt 16 durch einen optischen Wel¬ lenleiter in Form einer optischen Faser 24 definiert, d.h. durch das lichtleitende Innere der Faser 24. Entlang der Faser 24 sind eine Vielzahl in der Erstreckungsrichtung der Faser 24 voneinander beabstandeter Reflexionseinrichtungen 25 vorgesehen, die jeweils teilweise das Licht der Dauerstrich- Laserquelle 2 reflektieren. In dieser Messanordnung stellen die Reflexionseinrichtungen 25 die Partikel bzw. Objekte dar, deren Anwesenheit und/oder Bewegung gemessen wird und/oder für die weitere Eigenschaften, wie etwa Reflexionseigenschaften oder Polarisationseigenschaften gemessen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Lidar-Messsystem zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in einem von dem Lidar-Messsystem entfernten Raumbereich mit einer Inter- ferometeranordnung, die aufweist:
eine Dauerstrich-Laserquelle (2),
eine Photodetektoranordnung (7), die angepasst ist, um ein für auf sie auftreffendes Licht der Dauerstrich-Laser¬ quelle (2) charakteristisches Detektorsignal auszugeben, optische Komponenten, die so angepasst und angeordnet sind, dass von der Dauerstrich-Laserquelle (2) ausgesand¬ tes Licht (23)
zunächst aufgeteilt wird,
anschließend entlang eines einen Messzweig (4) der Interferometeranordnung bildenden ersten optischen Weges und eines von diesem getrennten und einen Referenzzweig (5) der Interferometeranordnung bildenden zweiten optischen Weges geleitet wird und
schließlich nach Durchlaufen des Messzweiges (4) und des Referenzzweiges (5) räumlich kohärent überlagert auf die Photodetektoranordnung (7) auftrifft, wobei der Referenzzweig (5) eine vorbestimmte opti¬ sche Weglänge hat und
der Messzweig (4) einen Messabschnitt (16) aufweist, in dem das Licht von dem Messsystem weg in Richtung auf einen von diesem entfernten Raumbereich gerichtet ist und diesen durchläuft und von in dem Raumbereich befindlichen Partikeln und Objekten in Richtung auf das Messsystem rückgestreutes bzw. reflektiertes Licht wieder am Messsystem empfangen wird, und eine Auswerteeinheit (9), die mit der Photodetektoranord¬ nung (7) gekoppelt und angepasst ist, um deren Detektor¬ signal zu empfangen und aus dem Detektorsignal die Anwe- senheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in dem entfernten Raumbereich zu bestimmen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerstrich-Laserquelle (2) eine Kohärenzlänge in dem Bereich von 0,1 bis 100 m aufweist .
Lidar-Messsystem nach Anspruch 1, bei dem die Dauerstrich- Laserquelle (2) eine Kohärenzlänge in dem Bereich von 1 bis 50 m aufweist.
Lidar-Messsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Dauerstrich-Laserquelle (2) aufweist:
eine Laserlicht-Erzeugungskomponente (20),
einen dieser nachgeschalteten optischen Phasenmodulator (21), der angepasst ist, um das von der Laserlicht-Erzeu¬ gungskomponente (20) abgestrahlte Laserlicht zu empfangen und in seiner Phase zu modulieren, wobei der optische Pha¬ senmodulator (21) einen Steuersignaleingang aufweist und angepasst ist, um die Phasenmodulation auf Basis einer Phasenfunktion vorzunehmen, die durch ein am Steuersignaleingang empfangenes Steuersignal definiert wird, und eine Steuereinrichtung (22), die mit dem Steuersignaleingang des optischen Phasenmodulators (21) verbunden und angepasst ist, um an den Steuersignaleingang ein Steuersignal zu liefern, das einem durch eine vorbestimmte Phasenfunktion Θ (t) definierten Pseudo-Rauschsignal entspricht, wobei das Steuersignal bewirkt, dass der optische Phasen¬ modulator (21) die Phasenmodulation mit der vorbestimmten Phasenfunktion Θ (t) vornimmt, so dass das optische Leis¬ tungsdichtespektrum des von der Dauerstrich-Laserquelle (2) abgestrahlten Laserlichts (23) eine durch die Phasenfunktion Θ (t) bestimmte Form und Bandbreite hat.
Lidar-Messsystem nach Anspruch 3, bei dem die vorbestimmte Phasenfunktion Θ (t) einstellbar ist. Lidar-Messsystem nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem die Auswerteeinheit (9) angepasst ist, um die Auswertung auf Basis einer Funktion des Detektorsignals, der vorbe¬ stimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Atverschiebung vorzunehmen, wobei die Funktion in der Weise gewählt ist, dass das Ergebnis der Funktion dem Detektor¬ signal bei einer gegenüber der tatsächlichen Laufzeit durch den Referenzzweig (5) um Atverschiebung geänderten Laufzeit durch den Referenzzweig (5) entspricht.
Lidar-Messsystem nach Anspruch 5, bei dem die Funktion die Multiplikation des Detektorsignals mit dem Faktor exp[- i(9(t+ Atverschiebung ) - Θ (t) ) ] UmfaSSt.
Lidar-Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die optischen Komponenten umfassen:
einen Strahlteiler (3) zur Aufteilung des von der Dauerstrich-Laserquelle (2) abgestrahlten Lichtes (23),
optische Fasern, die zumindest einen Teil des Referenz¬ zweiges (5) definieren, und/oder optische Fasern, die einen Teil des Messzweiges (4) definieren,
einen optischen Frequenzverschieber, insbesondere einen akustooptischen Modulator, im Messzweig (4) oder im Referenzzweig ( 5 ) ,
einen optischen Verstärker (11), insbesondere einen Erbi¬ um-Faser-Verstärker, im Messzweig (4) oder vor der Aufteilung in Mess- (4) und Referenzzweig (5),
einen einstellbaren Polarisationssteller im Referenz zweig (5) oder Messzweig (4) und/oder
einen Strahlvereiniger, insbesondere einen faseroptischen Koppler (6), zur Vereinigung des entlang des Messzweiges (4) und entlang des Referenzzweiges (5) geführten Lichtes am Ende des Messzweiges (4) und des Referenzzweiges (5) .
8. Lidar-Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die optischen Komponenten eine Abstrahl- und Empfangseinrichtung aufweist, die den Beginn und das Ende des Messabschnitts (16) des Messzweiges (4) definiert und angepasst ist, um das Licht von dem Messsystem weg in Richtung auf den Raumbereich abzustrahlen und im Raumbereich rückgestreutes Licht wieder zu empfangen, so dass dieses entlang des Restes des Messzweiges (4) geführt wird .
9. Lidar-Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Polarisationsstrahlteileranordnung aufweist, die angeordnet und angepasst ist, um im Be¬ trieb Licht (23) der Dauerstrich-Laserquelle (2), das entlang des Messzweiges (4) geführt wird, und Licht (23) der Dauerstrich-Laserquelle (2), das entlang des Referenzzweiges (5) geführt wird, jeweils in Licht zweier orthogonaler Polarisationsrichtungen aufzuteilen, und
bei dem die Photodetektoranordnung (7) angeordnet und angepasst ist, um nach Durchlaufen des Messzweiges (4) und des Referenzzweiges (5) das räumlich kohärent überlagerte Licht für die beiden Polarisationsrichtungen separat zu detektieren, wobei das Detektorsig¬ nal zwei Teildetektorsignale umfasst, von denen jedes für Licht einer der beiden Polarisationsrichtungen charakteristisch ist,
wobei die Auswerteeinheit (9) ferner angepasst ist, um auf Basis der beiden Teildetektorsignalen Änderungen des Polarisationszustandes durch die detektierten Partikel und/oder Objekte zu bestimmen.
10. Lidar-Messsystem nach Anspruch 5, nach Anspruch 6 oder nach einem der Ansprüche 7 bis 8, soweit er von Anspruch 5 oder Anspruch 6 abhängig ist, bei dem die Laserlicht-Erzeugungskomponente (20) angepasst ist, um Laserlicht zweier Wellenlängen abzustrahlen, so dass das von der Dauerstrich-Laserquelle (2) abge¬ strahlte Laserlicht zwei Wellenlängenbereiche in der Umgebung der beiden Wellenlängen umfasst, in denen das optische Leistungsdichtespektrum jeweils eine durch die Phasenfunktion Θ (t) bestimmte Form und Bandbreite hat,
die Photodetektoranordnung (7) angeordnet und angepasst ist, um nach Durchlaufen des Messzweiges (4) und des Referenzzweiges (5) das räumlich kohärent überlagerte Licht für die beiden Wellenlängenbereiche separat zu detektieren, wobei das Detektorsignal zwei Teildetektorsignale umfasst, von denen jedes für Licht eines der beiden Wellenlängenbereiche charakte¬ ristisch ist, und
die Auswerteeinheit (9) ferner angepasst ist, um die Auswertung auf Basis einer Funktion der beiden Teildetektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und einer Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte Atverschiebung vorzunehmen, die jeweils einem ande¬ ren Teilabschnitt (17) des entfernten Raumbereichs entsprechen, und ortsaufgelöst die Konzentration mindestens eines Gases zu bestimmen, das für die beiden Wellenlängenbereiche unterschiedliche Absorptionsko¬ effizienten aufweist.
Lidar-Messanordnung mit
einem Lidar-Messsystem (1) nach Anspruch 5, nach Anspruch 6 oder nach einem der Ansprüche 7 bis 10, soweit er von Anspruch 5 oder Anspruch 6 abhängig ist, und
einem optischen Wellenleiter (24), der in der Weise angeordnet ist, dass den Messzweig (4) durchlaufendes Licht der Dauerstrich-Laserquelle (2) in zumindest einem Teil des Messabschnitts (16) in dem optischen Wellenleiter geführt wird, so dass der optische Wel¬ lenleiter zumindest einen Teil des Messabschnitts (16) definiert,
wobei der optische Wellenleiter eine Vielzahl von Reflexionseinrichtungen (25) aufweist, die entlang des optischen Wellenleiters voneinander beabstandet sind und von denen jede angeordnet und angepasst ist, um bei mindestens einer Wellenlänge, bei der von der Dauerstrich-Laserquelle (2) Licht ausgesandt werden kann, Licht, das den optischen Wellenleiter von dem Messsystem weg durchläuft, teilweise so zu reflektieren, das das reflektierte Licht den opti¬ schen Wellenleiter in Richtung auf das Messsystem durchläuft,
wobei die Auswerteeinheit (9) angepasst ist, um die Aus¬ wertung auf Basis einer Funktion des Detektorsignals, der vorbestimmten Phasenfunktion und eines Zeitverschiebungswertes Atverschiebung zu verschiedenen Zeitpunkten und für ei¬ ne Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte ÄtVer- schiebung vorzunehmen, die jeweils einem anderen Teilab¬ schnitt (17) des entfernten Raumbereichs entsprechen, wobei die entsprechende Vielzahl unterschiedlicher Teilab¬ schnitte (17) verschiedene der Reflexionseinrichtungen und/oder verschiedene Gruppen der Reflexionseinrichtungen enthält, und daraus
Änderungen der Reflektivität und/oder Polarisations¬ eigenschaften verschiedener Reflexionseinrichtungen zu bestimmen,
für mindestens ein Paar der Reflexionseinrichtungen Änderungen der optischen Phasenverschiebung zwischen den entsprechenden zwei Reflexionseinrichtungen zu bestimmen,
für mindestens ein Paar der Reflexionseinrichtungen eine Dämpfung zwischen den entsprechenden zwei Reflexionseinrichtungen zu bestimmen und/oder für mindestens ein Paar der Reflexionseinrichtungen Polarisationsänderungen zwischen den entsprechenden zwei Reflexionseinrichtungen zu bestimmen.
Lidar-Messanordnung nach Anspruch 11, bei dem die Reflexionseinrichtungen jeweils eine Fehlstelle, eine Rayleigh- Rückstreu-Einrichtung und/oder ein Faser-Bragg-Gitter aufweisen .
13. Lidar-Messanordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Ausdehnung der Reflexionseinrichtungen in Erstreckungs- richtung des optischen Wellenleiters kleiner als der minimale Abstand zwischen benachbarten Reflexionseinrichtungen ist.
14. Verfahren zur Detektion der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln in einem entfernten Raumbereich mit Hilfe eines Lidar-Messsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Lidar-Messanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit den Schritten:
Anordnen des Messzweiges (4) in der Weise, dass der ent¬ fernte Raumbereich Teil des Messabschnitts (16) ist,
Betreiben der Dauerstrich-Laserquelle (2), um Laserlicht gleichzeitig entlang des Messzweiges (4) und entlang des Referenzzweiges (5) zu leiten, und
Bestimmen der Anwesenheit und/oder Bewegung von Partikeln und/oder Objekten in dem entfernten Raumbereich mit Hilfe der Auswerteeinheit (9) .
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Lidar-Messsystem nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 10, soweit er von Anspruch 3 abhängig ist, ausgestaltet ist und das ferner den Schritt aufweist, die Form und/oder die Band¬ breite des optischen Leistungsdichtespektrums des von der Dauerstrich-Laserquelle (2) abgestrahlten Laserlichts (23) einzustellen, indem die vorbestimmte Phasenfunktion Θ (t) an der Steuereinrichtung (22) entsprechend eingestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, bei dem das Lidar-Messsystem nach Anspruch 5 oder Anspruch 6 ausgestaltet ist und das ferner den Schritt aufweist, an der Auswerteeinheit (9) das Zeitintervall Atverschiebung zu ver¬ ändern, um die Entfernung eines Teilabschnitts (17) des Raumbereichs von dem Lidar-Messsystem zu verändern, wobei der Teilabschnitt (17) die Partikel enthält, deren rück¬ gestreutes Licht bei der kohärenten Überlagerung des ent¬ lang des Messzweiges (4) geführten Lichtes und des ent¬ lang des Referenzzweiges (5) geführten Lichtes zur Inter¬ ferenz beiträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das Lidar-Messsystem nach Anspruch 9 oder Anspruch 10 ausgestaltet ist, und bei dem mit Hilfe der Auswerteeinheit (9) auf Basis der beiden Teildetektorsignalen Änderungen des Polarisationszustandes durch die detektierten Partikel und/oder Objekte bestimmt und daraus Information über die Art und/oder Form der Partikel und/oder Objekte gewonnen werden .
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das Lidar-Messsystem nach Anspruch 10 ausgestaltet ist, und bei dem mit Hilfe der Auswerteeinheit (9) auf Basis einer Funktion der beiden Teildetektorsignale, der vorbestimmten Phasenfunktion und einer Vielzahl unterschiedlicher Zeitverschiebungswerte Atverschiebung , die jeweils einem an¬ deren Teilabschnitt (17) des entfernten Raumbereichs ent¬ sprechen, ortsaufgelöst die Konzentration mindestens ei¬ nes Gases bestimmt wird, das für die beiden Wellenlängen- bereiche unterschiedliche Absorptionskoeffizienten auf¬ weist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18 unter Verwendung einer Lidar-Messanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei
die Reflexionseinrichtungen so angepasst sind, dass sie in Abhängigkeit einer auf sie einwirkenden Mess¬ größe ihre Reflektivitat und/oder ihre Polarisations¬ eigenschaften ändern, oder
die zwischen jeweils zwei benachbarten Reflexionseinrichtungen befindlichen Abschnitte des optischen Wellenleiters so angepasst sind, dass sie in Abhängig¬ keit einer auf sie einwirkenden Messgröße ihren opti¬ schen Weg ändern, und wobei
mit Hilfe der Auswerteeinheit (9) an verschiedenen Refle¬ xionseinrichtungen oder verschiedenen Abschnitten zwischen Reflexionseinrichtungen entsprechenden Orten die Messgröße bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Messgröße eine Dehnung des optischen Wellenleiters, eine Schwingung des optischen Wellenleiters und/oder eine Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, bei dem mit Hilfe der Auswerteeinheit (9) der optische Wellenleiter längenaufgelöst charakterisiert wird.
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