如激光器組件I的溫度或電流，可以重新建立單頻操作并且也可以通過最大化的測量到的多普勒信號對單頻操作進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)該注意的是，激光器組件的相干長度即使對于設(shè)置中很小的變化也是很敏感的。
[0076]圖6示意性地示出包括單模半導(dǎo)體激光器I的本發(fā)明的實施例。激光器I的光學(xué)輸出在兩個方向上由透鏡2和圓柱透鏡3準(zhǔn)直。所得的準(zhǔn)直的光學(xué)輸出4是線性TM偏振并且全部透射穿過偏振分束器5。四分之一波片6將透射的光學(xué)輸出變成圓形偏振狀態(tài)。將四分之一波片6稍微傾斜，以避免背反射以到達(dá)激光器。部分反射基準(zhǔn)窗8的表面7被加膜，以按一定的百分比背反射激光器光學(xué)輸出。背反射的光束被透射回來穿過四分之一波片6，其中，其變?yōu)榫€性TE-偏振。該TE-偏振光束由偏振分束器5的表面來全反射并且形成基準(zhǔn)光束9?；鶞?zhǔn)光束9被透鏡10聚焦到檢測器11上。激光器光學(xué)輸出的主要百分比作為圓形偏振光透射穿過基準(zhǔn)窗8并且通過望遠(yuǎn)鏡透鏡12和13來擴(kuò)展和聚焦。透射的測量光束14被聚焦到測量體積15 (未示出)上。望遠(yuǎn)鏡的焦距設(shè)置系統(tǒng)的測量距離。測量體積15中的顆?；蚋≠|(zhì)具有沿著透射的測量光束14的傳播路徑的速度分量。來自測量體積的背散射和多普勒頻移信號光束由還在透射器部件使用的相同的望遠(yuǎn)鏡(透鏡13和12)接收，并且被透射回來穿過基準(zhǔn)窗8，并且進(jìn)一步穿過四分之一波片6，繼而該四分之一波片6改變光學(xué)信號光束的偏振狀態(tài)，以使其變成TE-偏振。偏振分束器接著全反射接收到的光學(xué)信號光束，以將其精確地與基準(zhǔn)光束9對齊并且之后光束9穿過聚焦透鏡10，該聚焦透鏡10將兩個光束聚焦到檢測器11上。檢測器的表面被稍微傾斜，以避免任意背反射以沿著系統(tǒng)的光學(xué)路徑傳播回去。接收到的光學(xué)信號和基準(zhǔn)光束在檢測器表面上形成時間演進(jìn)光學(xué)干擾信號，其與檢測器處的檢測過程一起形成接收到的信號的多普勒頻率的零差檢測。所述檢測裝置將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為多普勒電信號。來自檢測器11的多普勒電信號通過信號處理器16進(jìn)一步被放大并對其進(jìn)行傅立葉分析。
[0077]這個系統(tǒng)的好處是多方面的:只需要用單個半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生足夠的檢測多普勒信號所需的光學(xué)功率。偏振分束器5和四分之一波片6的組合用作光束導(dǎo)向器，以將來自基準(zhǔn)光束9的所有光學(xué)功率和接收到的信號光束導(dǎo)向檢測器11。另外，偏振分束器5和四分之一波片6的相同的組合用作光學(xué)隔離器，該光學(xué)隔離器阻止任意返回的光學(xué)功率向激光器I傳播。半導(dǎo)體激光器I在其光學(xué)輸出中沒有產(chǎn)生純高斯TEMOO模式。在這里所述的零差檢測混合系統(tǒng)中，僅光束的高斯部分會對多普勒信號的檢測起作用。因此，需要對激光器光學(xué)輸出進(jìn)行空間濾波。通常，激光器光學(xué)輸出的空間濾波可以通過將光聚焦到光纖或通過使用透鏡或針孔作為空間濾波器來執(zhí)行。然而，激光器光學(xué)輸出的空間濾波被固有地建立在下述方式的設(shè)計之中:當(dāng)觀看聚焦望遠(yuǎn)鏡(透鏡12和13)的聚焦區(qū)域中透射的測量光束時，望遠(yuǎn)鏡將用作光學(xué)傅立葉變換單元，其僅通過激光器輸出的高斯部分形成被聚焦的測量體積。較高的空間非高斯頻率被局部化于中心測量體積的外部并且之后將不對由望遠(yuǎn)鏡接收到的光學(xué)信號起作用。通過采用聚焦透鏡10的焦距和檢測器面積11的尺寸的匹配組合來空間地濾波直接從激光器光學(xué)輸出獲得的基準(zhǔn)光束9。當(dāng)檢測器面積11被定位在透鏡的聚焦平面處時，透鏡10用作空間傅立葉變換透鏡。通過將檢測器的面積選定為與基準(zhǔn)光束的傅立葉變換的中心高斯部分的尺寸相等，僅光束的這部分會與信號光束干擾并對檢測到的多普勒信號起作用。較高的空間頻率將落在檢測器面積的外部，并且將不會被檢測到，并且將不會擾亂檢測過程。
[0078]圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明的激光雷達(dá)系統(tǒng)的另一實施例。除了用楔8代替基準(zhǔn)窗來提供基準(zhǔn)光束之外，本實施例的原理與圖6中的相同，本實施例中將楔的第一表面7加膜，以背反射一定百分比的激光器光學(xué)輸出，以形成基準(zhǔn)光束9。本系統(tǒng)的好處是避免具有來自基準(zhǔn)窗的第二表面的背反射。因而，可以準(zhǔn)確地控制光學(xué)基準(zhǔn)光束的實際功率。
[0079]圖8示意性示出根據(jù)本發(fā)明的激光雷達(dá)系統(tǒng)的又一個實施例。其原理與圖6中的相同，不同之處在于如下事實:由望遠(yuǎn)鏡中的第一透鏡上的平坦表面7提供基準(zhǔn)光束，所述平坦表面7被加膜，以背反射一定百分比的激光器光學(xué)輸出，以形成基準(zhǔn)光束9。本系統(tǒng)的好處是由于光學(xué)組件數(shù)目較少，所以系統(tǒng)簡單。然而，本系統(tǒng)的缺點是除非望遠(yuǎn)鏡12的大透鏡可以移動，望遠(yuǎn)鏡將會被固定到預(yù)先對準(zhǔn)的測量距離。
[0080]圖9是用于本發(fā)明的實施例的半導(dǎo)體MOPA的功率頻譜的圖。它具有與大約900米的相干長度相對應(yīng)的10kHz FWHM。
[0081]圖10是圖6的實施例測量的多普勒頻譜的圖。多普勒頻率被轉(zhuǎn)換成風(fēng)速，所述風(fēng)速沿著X軸繪出并且信號功率沿著I軸繪出。風(fēng)速低的一天，將測量光束聚焦在40米的距離。
[0082]可以將每個公開的實施例修改成包括第一光纖，所述第一光纖用于從光源到望遠(yuǎn)鏡的測量光束的傳輸；以及第二光纖，所述第二光纖用于將從測量體積中的目標(biāo)發(fā)射的光傳輸?shù)綑z測器，由此望遠(yuǎn)鏡的位置可以相對于激光雷達(dá)系統(tǒng)的光源、檢測器和其他組件在物理上是遠(yuǎn)程的。第一和第二光纖可以被組合在一個光纖中。另外，可以用相應(yīng)的光纖光學(xué)組件代替所示的光學(xué)組件。例如，可以用光學(xué)光纖耦合器代替圖3-8中的分束器5。
【主權(quán)項】
1.一種相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括: 一體化的半導(dǎo)體激光器組件，所述一體化的半導(dǎo)體激光器組件配置為用于發(fā)射電磁輻射的測量光束； 成像光學(xué)元件，所述成像光學(xué)元件配置為用于向空氣的測量體積傳輸所述測量光束，以照射所述空氣的測量體積中的懸浮顆粒； 基準(zhǔn)光束產(chǎn)生器，所述基準(zhǔn)光束產(chǎn)生器用于產(chǎn)生基準(zhǔn)光束； 檢測器，所述檢測器通過將所述基準(zhǔn)光束與從由所述測量光束照射的所述空氣的測量體積中的所述懸浮顆粒發(fā)射的光進(jìn)行混合來產(chǎn)生檢測器信號，以及 信號處理器，所述信號處理器用于基于所述檢測器信號來產(chǎn)生與空氣懸浮顆粒的速度相對應(yīng)的速度信號， 其中所述相干激光雷達(dá)系統(tǒng)被配置成使得從所述顆粒發(fā)射的光通過傳輸所述測量光束的相同成像光學(xué)元件接收，以及 其中所述一體化的半導(dǎo)體激光器組件是MOPA，所述MOPA具有集成在同一基板上的半導(dǎo)體激光器和錐形半導(dǎo)體放大器，或者所述一體化的半導(dǎo)體激光器組件是錐形半導(dǎo)體激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述一體化的半導(dǎo)體激光器組件是Μ0ΡΑ，所述MOPA包括:半導(dǎo)體芯片和錐形半導(dǎo)體放大器，所述半導(dǎo)體芯片具有分布式反饋主控振蕩器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述信號處理器進(jìn)一步被配置成用于確定風(fēng)速。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述信號處理器進(jìn)一步被配置成用于確定所述空氣的測量體積中的渦流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述信號處理器進(jìn)一步被配置成用于確定所述空氣的測量體積中的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述信號處理器被配置成用于基于所述檢測器信號產(chǎn)生與所述空氣的測量體積中的顆粒濃度相對應(yīng)的濃度信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述信號處理器被配置成用于確定所述空氣的測量體積中的顆粒濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括:光纖，所述光纖用于在所述全半導(dǎo)體激光器組件與所述激光雷達(dá)系統(tǒng)的光學(xué)輸出之間傳輸所述測量光束。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述基準(zhǔn)光束產(chǎn)生器是分束器，所述分束器用于將所述一體化的半導(dǎo)體激光器組件發(fā)射的光束分為所述基準(zhǔn)光束和導(dǎo)向所述測量體積的所述測量光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，其中，所述基準(zhǔn)光束產(chǎn)生器是所述一體化的半導(dǎo)體激光器組件，所述一體化的半導(dǎo)體激光器組件被配置為發(fā)射所述基準(zhǔn)光束和所述測量光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括:空間濾波器，所述空間濾波器用于對所述基準(zhǔn)光束進(jìn)行濾波，由此減少所述基準(zhǔn)光束的非高斯空間分量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括:傅立葉透鏡，所述傅立葉透鏡設(shè)置在所述基準(zhǔn)光束的傳播路徑中，并且其中所述空間濾波器設(shè)置在所述傅立葉透鏡的傅立葉平面內(nèi)，用于減少所述基準(zhǔn)光束的非高斯空間分量。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12任一項所述的相干激