[发明专利]同轴直接检测LIDAR系统

说明书

本发明涉及一种同轴直接检测LIDAR系统，用于测量速度、温度和/或颗粒密度。该系统包括激光源，用于沿着散发路径发出具有激光中心频率的激光光束。该系统还包括光学传递系统，被布置在激光源的散发路径中，所述光学传递系统被布置用于在测量方向中传递激光光束，所述光学传递系统还被配置用于收集沿着测量方向背向散射的返回信号。最后，该系统包括检测器系统，被布置为接收来自光学传递系统的返回信号，所述检测器系统包括窄带光滤波器和检测器，所述窄带光滤波器具有通带的滤波器中心频率，其中，能够扫描中心激光频率和/或中心滤波器频率。本发明还涉及包括LIDAR系统的飞行器空速测量设备和风力涡轮机空速测量设备。

技术领域

本发明涉及用于测量远程固体或扩散对象的速度的LIDAR系统。更具体地，本发明涉及同轴直接检测LIDAR系统。对于诸如空气传播的颗粒的扩散对象，LIDAR也可以用于测量温度和颗粒密度。

背景技术

在文献中已知基于多普勒频移来测量风速的LIDAR系统。通常，这样的系统利用相干检测(外差或零差检测)，以便通过将背反射信号与参考或本地振荡信号混合并且检测混合的信号来检测与背反射到系统的检测器的弱信号和多普勒频移关联的小波长偏移。

在马里诺夫(Marinov)等公开了的用于相干多普勒LIDAR的发射机的示例“使用TEACO2激光脉冲的光谱不对称性以确定具有低频率稳定性的相干激光定位器的多普勒频移”(“Using the spectral asymmetry of TEA CO2laser pulses to determine theDoppler-shift sign in coherent lidars with low frequency stability”)应用光学，38(12)，1999。

为了使用相干检测，所使用的激光资源的相干长度必须至少等于从源到探针体并且回到检测器系统的往返距离，经常近似几百米。这是非常严格的要求，其典型地只由昂贵并且复杂的激光源实现。

在相干检测中，将要检测的弱信号与相对强的参考或本地振荡信号混合，例如近似1mW。当这提供了将要被检测的信号的放大时，其也引起组成检测信号的显著散粒噪声。该散粒噪声典型地是如此系统中的主要噪声，并且由此限制可获取的信噪比(SNR)。

通过相感应强度噪声(PIIN)施加相干检测的另一个限制，也被知晓为拍频噪声或者干涉噪声，通过对来自具有本地振荡信号的LIDAR系统的不期望的内部反射拍频而引发该噪声。

在相干检测中，除非使用了附加装置(例如使用声光调变器)否则无法确定多普勒频移的标志，这增加了系统的复杂性和成本。

由此，改善的LIDAR系统会有优势，并且尤其是具有改善的信噪比(SNR)以及容易获取多普勒频移的符号的能力的LIDAR系统会有优势。

本发明的目标

本发明的另外的目标是提供一种现有技术的替代方式。

特别地，可以将提供解决现有技术的上述问题并且放松了激光源的先前的严格要求的LIDAR系统作为本发明的一个目标。

发明内容