CN109154663A - 用于直接检测激光雷达的多元件法布里-珀罗标准具干涉仪 - Google Patents

Abstract

多个标准具一起用于提取散射介质(例如大气)的速度、密度和温度。光学空气数据传感器***包括用于将激光输出至一定体积的空气中的结构和操作，以使所述激光由被扫描的一定体积的空气中的分子和气溶胶散射；经由收集光学组件接收散射的激光；将从输入光纤所接收的被散射的激光分成多个散射的光发射；准直多个散射的光发射中的每一个；将多个被准直的光发射输入到相应的多个法布里‑珀罗标准具中；以及将来自多个法布里‑珀罗标准具的多个被准直的光发射中的每一个成像到多个非成像检测器中所相应的一个上。

Description

用于直接检测激光雷达的多元件法布里-珀罗标准具干涉仪

本专利申请要求于2016年2月26日提交的序列号为62/300,296的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

I、本发明背景

A、本发明范围

本文描述的本发明使用多个标准具来提取散射介质的速度、密度和温度。

B、现有技术概况

激光雷达***通常基于使用的检测方法分为两类。一种方法使用相干或外差检测，而第二种方法使用直接检测。在这种情况下，直接检测是感兴趣的。一些直接检测激光雷达***测量散射介质的视线速度、密度和/或温度，散射介质通常是地球大气层。这些***的子集采用法布里-珀罗干涉仪，其在信号链中使用标准具。

II、发明内容

之前已经使用多个标准具激光雷达***来分别测量散射能量的气溶胶和分子组分。这些双标准具***使用具有显着不同分辨率并因此具有自由光谱范围的标准具。这些***需要两个非常灵敏、笨重、耗电且昂贵的相机来收集边缘图像，以及需要显著的计算能力以将来自标准具的边缘图案转换为速度信息。

如果使用多个被调谐的标准具使其自由光谱范围几乎相等，并且以略微不同的频率或波长为中心，则这些多个标准具***不需要成像检测器，因此激光雷达不需要成像检测器和其相关的局限性。

密歇根航空航天公司MAC先前已获得分子光学空气数据***(美国专利7,106,447)和CIP专利，称为光学空气数据***(美国专利7,495,774、7,505,145、7,508,528、7,518,736和7,522,291)。这些专利使用法布里-珀罗标准具和成像检测器来产生光学空气数据包，其包括密度、温度、真实空气速度、垂直速度、侧滑和迎角。

III、附图说明

在附图中示出本发明，其中：

图1示出了大气参数提取，其中根据本发明，参考边缘以黑色显示；

图2示出了根据本发明的分子速度传感器的功能图；

图3示出了根据本发明的分子速度传感器的优选实施例；

图4示出了根据本发明的分子速度传感器的可替换的优选实施例；

图5示出了根据本发明的法布里-珀罗干涉仪输出的模拟；

图6示出了根据本发明的法布里-珀罗标准具的强度曲线；

图7示出了根据本发明改变激光线的F-P输出；

图8示出了根据本发明的F-P干涉仪的强度图案；

图9示出了根据本发明的沿中心行的强度曲线；

图10示出了根据本发明的相对于半径平方的强度曲线；

图11示出了根据本发明的相对于频移的强度曲线；

图12示出了根据本发明的通过边缘图案中心的强度曲线；

图13示出了根据本发明的多个标准具的谐振频率的变化；

图14示出了根据本发明的热变宽标准具的频率变化；

图15示出了根据本发明的遮光标准具的强度响应；

图16示出了根据本发明的标准具阵列对激光频率的响应；以及

图17示出了当激光线与根据本发明的标准具之一对准时标准具阵列对激光频率的响应。

IV、具体实施方式

下面将结合上述附图描述本发明的实施例。直接检测方法使用法布里-珀罗(F-P)干涉仪接收器，其产生建设性和破坏性的环形图案或边缘。记录的光谱是气溶胶、分子和连续本底的复合物。图1中示出了单个边缘的幅度分布。相对于参考测量了频谱的相位或中心，以推断信号的多普勒频移；这用于确定视线风速和方向。分子信号的幅度与散射光的分子数成比例，因此与大气密度成比例。通过分析，这些组分被分离以形成下表A中列出的测量值。

图1中所示的光谱是气溶胶和分子组分的总和。经过标准具后的实际边缘图案是气溶胶和分子组分的总和以及标准具响应的卷积。

图2示出了包括用于在大气中操作的光学空气数据***(OADS)传感器20的部件。通常，OADS传感器包括激光器202、收集光学组件204、光纤206和F-P干涉仪208。从激光器202发射的光L被扫描大气区域中的分子和气溶胶散射。使用设计用于通过光纤206发送光的收集光学组件204收集来自分子和气溶胶的激光散射光L'。然后光通过F-P干涉仪208。通常，F-P干涉仪包括准直透镜2081、标准具2082和成像透镜2083，其一起接收来自光纤的光并产生边缘图案。边缘图案从成像透镜2083输出并成像到诸如CCD阵列2084的成像检测器上以进行处理。

表A

本发明的多个标准具配置30提供了使***更小、更节能、更便宜以及增加数据速率的潜力，增加数据速率在一些控制情况下可能是至关重要的，并且在一些其他应用中会导致范围-场尺寸减小，因此导致更好的距离分辨率。在本发明中，理想地，每个标准具实际上是具有不同中心频率但具有相同带宽的带通滤波器。

如图3所示，与图2中的OADS传感器相比，本发明的多个标准具配置30至少包括输入光纤302，其接收被扫描大气中的分子和气溶胶散射的激光(激光源没有示出)。在本发明中，法布里-珀罗干涉仪和CCD阵列将由标准具组件304阵列代替，每个组件包括分束器3041、标准具3042、成像透镜3043、遮光板3044和非成像检测器3045。收集散射光并输入到输入光纤302中的聚光透镜组件(未示出)可以像单个透镜一样简单，或者是非常复杂的望远镜，这取决于***要求。在图3所示的实施例中，收集的光从输入光纤302路由并通过准直透镜306传送到标准具组件304。收集的光也可以根据所考虑的特定激光雷达的设计约束直接输入到标准具组件304中。根据激光雷达的操作约束，在光被路由到标准具组件304之前，光路中可能存在或不存在带通滤波器(未示出)。带通滤波器将用于在必要时减少背景照明。在光谱的太阳盲区中的操作将不需要背景抑制滤波器。

每个标准具组件304包括分束器光学器件3041、法布里-珀罗标准具3042、成像透镜3043、遮光板3044和非成像检测器3045，如图3所示。在这种配置中，从输入光纤302所输入的光将在多个干涉仪之间被分开。在优选实施例中，从输入光纤302所输入的单个准直光束通过准直透镜306，然后由分束器光学器件3041分开，使得准直光束的一部分将被引导到多个标准具3042中的每一个，如图3所示。在至少一个实施例中，分束器光学器件3041由适于将被准直的光分配到所有标准具3042的多透镜阵列3050的组合组成，如图4所示。多透镜阵列3050包括与法布里-珀罗标准具3044的数量相同数量的透镜。在至少一个实施例中，会聚微透镜3050A的阵列将光会聚到发散微透镜3050B的阵列上以将光准直到各个法布里-珀罗标准具3044上。在标准具3042之前的会聚透镜和发散透镜的组合减少了撞击标准具3042的光束的直径。减小的光束尺寸使得不使用标准具3042的边缘，因为难以将标准具抛光到边缘。

然后，每个标准具3044的输出通过成像透镜3050C成像到遮光板3044上，其中仅从标准具3044输出的光谱的一部分被输入到检测器3045上。检测器3045将不必是在一些直接检测激光雷达中使用的成像检测器。成像透镜3050C将标准具3044的输出转换成聚焦在遮光板3044处的边缘图案。遮光板3044可以使用具有限定遮光板3044的孔的薄金属片或玻璃板或其他透明光学材料来实现，其优选地涂覆有非反射涂层，该涂层具有以遮光板方式沉积在光学材料上的涂层。遮光板中孔的优选形状是圆形。检测器3045可以使用光电倍增器(PMT)、光电倍增器阵列或其他光电检测器(例如CMOS检测器)来实现，而不是现有技术中使用的成像检测器。PMT、PMT阵列和CMOS检测器提供了能够对由检测器3045接收的光谱进行门控的优点，从而提供选择范围场的能力。

在优选实施例中，每个标准具3042具有略微不同的间隙，使得每个干涉仪将具有略微不同的中心频率，如下面的讨论中所示。虽然附图中所示的实施例实现了二维结构，但是标准具3042可以被布置在三维矩阵(未示出)中，以便最大化由准直透镜306收集光的量。标准具3042根据***约束，也可以是固体型或空气间隙型。

为了更好地理解这个概念，我们考虑使用单个标准具干涉仪。图5是法布里-珀罗干涉仪产生图像的模拟，如果要绘制通过中心行的强度曲线，结果将如图6所示。每个峰的峰强度相同并注意响应不会一直下降到零。

如果要改变激光的频率很小的量，那么法布里-珀罗图像会改变，如图7所示。如图所示，中心的亮点变成了一个环，所有的环现在都变得远离中心。再次，通过中心绘制强度示出了边缘位置的变化，并在图8中显示。

图9显示了同一网格上的移位频率和未移位频率强度图。注意的是，由于列距离中心较远，峰之间的间隔较小。很明显，峰具有非线性间距。如果将横坐标改变为非线性，在这种情况下距干涉图案中心的半径的平方，则强度尖峰将是周期性的。

在图10中，横坐标是距干涉图案中心的半径的平方。如前所述，峰值具有人们所期望的周期性。应该指出的是，图7-10中所示的观察到的响应针对光的单个频率或波长。每个强度尖峰都是相同的频率。但是，如果频率变化足够，则两种强度图案将难以区分。产生这种重叠所需的频率变化量称为标准具的自由光谱范围。

自由光谱范围FSR可以通过使用公式FSR＝1/(2*n*h)来计算，其中n是标准具间隙中材料的折射率，h是间距。(如果间距以厘米为单位，则FSR以cm^-1或厘米分之一给出。要将FSR转换为GHz，只需将FSR(cm^-1)乘以光速(cm)或约3.0x l0¹⁰m/s或30GHz cm^-1)。

在图10中，可以从用于半径的“任意单位”(从边缘图像的生成遗留下来)变为频率或FSR(也称为顺序)。图11中，半径的平方用基于FSR的频率替换。

前一个曲线中的频率实际上是与中心边缘的频率差。但是，必须考虑频率是FSR模数，在这种情况下约为50GHz。也就是说，移位或未移位的每个相邻峰值具有50GHz的间隔。如果中心频率改变50GHz，则无法区分，因为图案将是相同的。由于频率周期性响应，如果需要进行明确的测量，必须将频率变化限制在小于FSR的一半(或者，在这种情况下，±25GHz)。

如上所述，考虑单个标准具，并将所得的干涉图案投影到CCD上并分析边缘图像。该方法的主要问题是用于将空间信息转换为速度估计的成像器的读出速率。读出整个帧需要相当多的时间，并且在许多应用中优选地使用更高的更新速率。为了提高这些应用的读出速率，本发明的方法使用多个标准具来对返回光束进行采样并仅使用干涉图案的中心部分。干涉图案的中心部分将由遮光板限定，并且穿过遮光板的光将入射在单个检测器上。这些检测器的读出速率或带宽可达千兆赫范围。图12示出了通过边缘图案中心的强度曲线，对于未移位的激光频率和移位频率+0.1和-0.1的顺序。

在本发明的优选实施例中，应该注意，仅需要照射边缘图案的中心部分。遮光板外部的照明将被阻挡，使得仅需要照射感兴趣的边缘图案的一部分，从而允许制造公差的一些余量。

在优选实施例中，作为一个示例，使用一组10个标准具，每个标准具调谐到略微不同的波长或频率。标准具的最佳数量取决于激光雷达***要求，并且受到任何激光雷达传感器设计的一部分的交易的影响。此外，虽然示出了相等的间距，但制造公差将导致与期望的间隔略微不同，但是不完美间隔的影响是静止的并且可以在准直过程中被考虑。

每个“调谐”到不同频率的10个标准具的响应呈现在相同的轴上，如图13所示。注意的是，每个标准具都被分配了不同的标记。从左到右，标记为：五边形、星形、上三角形、大菱形，下三角形、左三角形、直角三角形、圆形、正方形和小菱形。注意的是，在图13中，响应环绕在50GHz的FSR周围。图14显示了如果在FSR上调谐激光并分别在每个标准具的干涉图案的正中心处观察输出将获得什么。最终结果实际上是滤波器组，其中每个标准具基本上是带通滤波器。

在激光线被热变宽的情况下，该情况当相干光从移动的大气中被反射时发生，响应将稍微更宽，如图14所示。

在考虑代替仅为干涉图案的中心的情况下，使用以干涉图案的中心为中心的圆。圆内的所有能量都被集中以产生单个测量。图15说明了将遮光板应用于响应的效果。峰值位置略有移位；这种移位是因为模糊内核不对称，因为没有可能的负半径。移位量是圆形遮光板的平均半径。

为了确定每个标准具对特定激光频率的响应，需要做的是找到所需频率并查看该频率下每个标准具的信号电平。频率为25GHz的曲线如图16所示。图17显示了激光与标准具峰值信号电平对准时的响应。

用于从组合测量中提取信息的信号处理利用自由光谱范围的多样性以便恢复感兴趣的信号。使用具有不同动态的各种响应的集合来共同识别所有这些响应之间共享的基础信号。

尽管已经参考附图结合优选实施例充分描述了本发明，但是应该注意，对于本领域技术人员来说，各种改变和修改是显而易见的。这些变化和修改应被理解为包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内，除非它们脱离了本发明的范围。

Claims (4)

1.一种光学空气数据传感器***，包括：

激光源，用于输出要由被扫描大气中的分子和气溶胶散射的激光；

收集光学组件，用于接收被散射的激光，所述收集光学组件包括输入光纤；以及

干涉仪，包括多个分束器、准直光学器件、多个法布里-珀罗标准具以及多个成像光学器件，所述分束器被能够操作地定位成将从所述输入光纤所输入的被散射的激光分成多个散射的光发射，所述准直光学器件被配置成准直所述多个散射的光发射中的每一个，所述多个法布里-珀罗标准具中的每一个被能够操作地配置成接收多个被准直的光发射中所对应的一个，所述多个成像光学器件被能够操作地配置成接收来自所述多个法布里-珀罗标准具的相应多个被准直的光发射中所对应的一个并且将所述多个被准直的光发射成像到多个非成像检测器中所对应的一个上。

2.如权利要求1所述的光学空气数据传感器***，其中所述多个法布里-珀罗标准具中的每一个所配置的中心频率与所述多个法布里-珀罗标准具中的所有其他标准具的中心频率均不相同。

3.一种用于光学感测空气的方法，包括以下步骤：

将激光输出至一定体积的空气中，以使所述激光由被扫描的一定体积的空气中的分子和气溶胶散射；

经由收集光学组件接收被散射的激光；

将从所述输入光纤所接收的被散射的激光分成多个散射的光发射；

准直所述多个散射的光发射中的每一个；

将多个被准直的光发射输入到相应的多个法布里-珀罗标准具中；以及

将来自所述多个法布里-珀罗标准具的多个被准直的光发射中的每一个成像到多个非成像检测器中所对应的一个上。

4.如权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：

配置所述多个法布里-珀罗标准具中的每一个，所述法布里-珀罗标准具中的每一个所配置的中心频率与所述多个法布里-珀罗标准具中的所有其他标准具的中心频率均不相同。