大气测量系统 |
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申请号 | CN201080017976.X | 申请日 | 2010-04-21 | 公开(公告)号 | CN102422179A | 公开(公告)日 | 2012-04-18 |
申请人 | 密歇根宇航公司; | 发明人 | 保罗·拜伦·海斯; 戴维·基思·约翰逊; 戴维·迈克尔·朱克; 斯科特·凯文·林德曼; | ||||
摘要 | 将来自干涉仪的条纹图案成像到数字微反射镜装置上,所述数字微反射镜装置含有呈相关联 像素 反射镜旋转状态图案的微反射镜阵列,所述微反射镜阵列实现与一个或一个以上相关联光电检测器协作地对所述圆形条纹图案进行取样,以便实现产生对应的相关联互补 信号 集合。使用针对多个对应的相互独立的相关联像素反射镜旋转状态图案产生的多个不同相关联互补信号集合来确定与所述圆形条纹图案相关联的至少一个度量。 | ||||||
权利要求 | 1.一种处理来自法布里-珀罗干涉仪的条纹图案的方法,其包括: |
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说明书全文 | 大气测量系统[0001] 相关申请案交叉参考 [0002] 本申请案主张以下申请案的优先权权益:2009年4月21日提出申请的第61/171,080号美国临时专利申请案、2009年5月15日提出申请的第61/178,550号美国临时专利申请案,及2009年12月24日提出申请的第61/290,004号美国临时专利申请案。上文所提及申请案中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。 技术领域背景技术[0003] 图1图解说明大气测量系统的第一方面的示意性框图; [0004] 图2图解说明双轴系统的光学头; [0005] 图3图解说明同轴系统的光学头; [0006] 图4图解说明大气测量系统的包含法布里-珀罗干涉仪的滤波器系统的一部分; [0007] 图5a图解说明法布里-珀罗干涉仪的等距视图; [0008] 图5b针对一个相关联光纤输入及对应输出图解说明图5a中所图解说明的法布里-珀罗干涉仪的侧视图; [0009] 图6图解说明固体法布里-珀罗标准具; [0010] 图7图解说明大气测量系统的第二方面的示意性框图; [0011] 图8a图解说明来自经完全照射法布里-珀罗标准具的条纹的半色调图像; [0012] 图8b图解说明来自经完全照射法布里-珀罗标准具的条纹的示意图; [0013] 图8c图解说明来自用两个光纤输入通道照射的法布里-珀罗标准具的条纹; [0014] 图9a图解说明大气测量系统的与相关联检测系统协作的法布里-珀罗干涉仪的示意图; [0015] 图9b图解说明并入于图9a中所图解说明的检测系统中的数字微反射镜装置的平面图; [0017] 图11图解说明数字微反射镜装置的两个邻近像素元件,每一元件处于不同的像素反射镜旋转状态中; [0018] 图12a图解说明来自法布里-珀罗标准具的条纹集合的强度分布的径向横截面; [0020] 图12c图解说明与由法布里-珀罗标准具处理的反向散射信号通道相关联的条纹,其中所述条纹包括气溶胶(米氏)、分子(瑞利)及背景信号分量; [0021] 图13图解说明关于图12a的强度分布的速度的偏导数; [0022] 图14图解说明关于图12a的强度分布的温度的偏导数; [0023] 图15图解说明经编程以采集相关联互补气溶胶信号分量的数字微反射镜装置的互补反射图案集合; [0024] 图16图解说明经编程以采集相关联互补分子信号分量的数字微反射镜装置的互补反射图案集合; [0025] 图17图解说明经编程以采集相关联互补速度信号分量的数字微反射镜装置的互补反射图案集合; [0026] 图18图解说明经编程以采集相关联互补温度信号分量的数字微反射镜装置的互补反射图案集合; [0027] 图19图解说明经编程以采集相关联互补背景信号分量的数字微反射镜装置的互补反射图案集合; [0028] 图20a到20e分别图解说明穿过图15到图19中所图解说明的互补反射图案的径向横截面; [0029] 图21如同在图13中针对区分相关联互补反射图案的互补分量的速度阈值的第一值而图解说明图12a的强度分布关于速度的偏导数,其上叠加有经编程以采集相关联互补速度信号分量的数字微反射镜装置的第一相关联互补反射图案集合的对应径向横截面; [0030] 图22如同在图13中针对区分相关联互补反射图案的互补分量的速度阈值的第二值而图解说明图12a的强度分布关于速度的偏导数,其上叠加有经编程以采集相关联互补速度信号分量的数字微反射镜装置的第二相关联互补反射图案集合的对应径向横截面; [0031] 图23图解说明蒙特-卡罗模拟过程的流程图; [0032] 图24图解说明来自蒙特-卡罗模拟的结果,其用以优化与用以编程用于采集用以依据从法布里-珀罗干涉仪输出的条纹图案确定大气测量的信号的数字微反射镜装置的互补反射图案相关联的参数; [0034] 图26图解说明穿过第一互补反射图案替代集合的径向横截面的合成物; [0035] 图27图解说明穿过第二互补反射图案替代集合的径向横截面的合成物; [0036] 图28图解说明大气测量系统数据分析过程的框图; [0037] 图29图解说明各种大气测量系统实施例的框图; [0038] 图30图解说明包封法布里-珀罗标准具的热室组合件的分解图; [0039] 图31图解说明并入于图30中所图解说明的热室组合件中的核心组合件的第一分解图; [0040] 图32图解说明并入于图30中所图解说明的热室组合件中的核心组合件的第二分解图; [0041] 图33图解说明并入于图30中所图解说明的热室组合件中的核心组合件的第三分解图; [0042] 图34图解说明根据大气测量系统的第三方面的范围成像激光雷达系统的实施例; [0043] 图35图解说明来自交互作用区的经反向散射光的图像与输入到图34中所图解说明的大气测量系统的第三方面的法布里-珀罗干涉仪的相关联参考束的合成物的实例; [0044] 图36图解说明从图34中所图解说明的大气测量系统的第三方面的法布里-珀罗干涉仪输出且输入到所述第三方面的相关联检测系统条纹图案的图像的实例,所述检测系统处理图35中所图解说明的图像; [0045] 图37图解说明用于使用范围成像激光雷达系统确定大气测量的过程的流程图; [0046] 图38图解说明与图34中所图解说明的大气测量系统的第三方面相关联的检测系统的第一方面的实施例; [0047] 图39图解说明与图34中所图解说明的大气测量系统的第三方面相关联的检测系统的第二方面的实施例; [0048] 图40a图解说明大气测量系统的第四方面的示意性框图; [0049] 图40b图解说明在不存在相关联法布里-珀罗标准具的情况下并入于图40a中所图解说明的大气测量系统的第四方面中的法布里-珀罗干涉仪的输出焦平面中的图像; [0050] 图40c图解说明在相关联法布里-珀罗标准具处于适当位置中的情况下并入于图40a中所图解说明的大气测量系统的第四方面中的法布里-珀罗干涉仪的输出焦平面中的图像; [0051] 图41a图解说明大气测量系统的第四方面的示意性框图; [0052] 图41b图解说明在不存在相关联法布里-珀罗标准具的情况下并入于图41a中所图解说明的大气测量系统的第四方面中的法布里-珀罗干涉仪的输出焦平面中的图像; [0053] 图41c图解说明在相关联法布里-珀罗标准具处于适当位置中的情况下并入于图41a中所图解说明的大气测量系统的第四方面中的法布里-珀罗干涉仪的输出焦平面中的图像; [0054] 图42a及图42b图解说明对来自法布里-珀罗干涉仪的条纹图案进行操作的圆形图像压缩过程; [0055] 图43图解说明与圆形装箱过程相关联的感兴趣圆形条纹图案及区集合的图像; [0056] 图44a图解说明圆形装箱过程的第一实施例的流程图; [0057] 图44b图解说明图44a中所图解说明的圆形装箱过程的第一实施例的替代决策框; [0058] 图45图解说明圆形装箱过程的第二实施例的流程图; [0059] 图46图解说明用于借助大气测量系统确定所测量空气数据产物的过程的流程图; [0060] 图47图解说明用于借助大气测量系统确定所导出空气数据产物的过程的流程图;且 [0061] 图48图解说明大气测量系统的各种应用。 具体实施方式[0062] 参考图1,大气测量系统10、10i的第一方面包括至少实质上单色光源12’,例如产生第一激光束14的激光器12,第一激光束14由光学头22中的分束器光学器件20分裂成参考束16及一个或一个以上第二激光束18。光学头22实现将一个或一个以上第二激光束18引导到其视界内的大气24中且进一步并入有对应的一个或一个以上望远镜26,每一望远镜与一个或一个以上第二激光束18中的一者相关联,其中望远镜26中的每一者实现接收由大气24从其中的对应交互作用区30反向散射的光28,交互作用区30由相关联第二激光束18与对应望远镜26的相关联视场32的相交点界定。每一第二激光束18及其相关联望远镜26界定一通道,通道的数目及通道相对于彼此的几何形状均非限制性的。 [0063] 举例来说,在一个实施例中,第一激光束14及第二激光束18包括处于大约266nm的波长下的紫外线(UV)激光,其通过一个或一个以上相关联第二激光束18发射到大气24中,且相关联的一个或一个以上望远镜26实现检测来自由大气分子与气溶胶对一个或一个以上第二激光束18的散射的返回。大约266nm的波长(对于人眼是不可见的且由大气实质上吸收)由于其隐形、眼睛安全性及分子散射性质而为有益的。由于臭氧及分子氧对大部分自然266nm光的吸收而存在非常少的自然背景光。处于大约266nm下的紫外线光容易由例如在飞机挡风屏中使用的玻璃及塑料吸收,此实现经改进的眼睛安全性。大气测量系统10的特定操作波长并非限制性,且应理解可使用与正在相关联交互作用区30中感测的波长交互作用的任何光学波长。 [0064] 举例来说,Nd:YAG激光器12.1可在相对高的功率水平下操作以便提供足够强的照射以实现相对长范围的大气感测应用。Nd:YAG激光器12.1具有1064纳米(nm)的基波波长,可使用与Nd:YAG激光器12.1操作地相关联或为其一部分的一个或一个以上谐波产生器从所述基波波长产生较短波长/较高频率。举例来说,可使用二次谐波产生器将基波1064nm的光转换为二次谐波532nm的光,可接着用三次或四次谐波产生器变换所述光以分别产生相关联的355nm或266nm光。迄今为止,这些二次、三次及/或四次谐波产生器将并入于或自由空间耦合到激光器12(通常或更特定来说为Nd:YAG激光器12.1)。因此,并入有Nd:YAG激光器12.1的大气测量系统10的替代实施例可在除266nm以外的频率下操作,举例来说,分别在二次或三次谐波下,例如,如在以引用的方式并入本文中的第7,495,774号美国专利中所描述。光源12’的特定操作波长并非限制性,且应理解可使用与正在相关联交互作用区30中感测的波长交互作用的任何光学波长。 [0065] 大气测量系统10为在交互作用区30的体积内感测的激光遥感仪器。到交互作用区30的范围34(例如,交互作用区30距光学头22的距离)由相关联第二激光束18与如在光学头22中体现的对应望远镜26的几何形状界定。在特定应用需要或必需的情况下,可任选地借助相关联光信号35的相关联时间范围选通或范围解析成像来进一步解析交互作用区30内的范围34。 [0066] 大气测量系统10实质上仅响应于来自其中检测望远镜26的视场32与第二激光束18重叠的交互作用区30的散射,且光学头22的几何形状可经调适以将交互作用区30定位于距光学头22实质上任何距离处(例如,近或远),只要存在待随后处理的充足经反向散射光28即可。举例来说,在光学头22经调适以将交互作用区30定位于距光学头22相对远处(例如,以便实质上不受接近光学头22的任何湍流影响)的情况下,将实质上不存在来自相对接近光学头22的任何相关联近场区36的信号。 [0067] 参考图1及图2,根据第一方面22.1,光学头22、22.1的每一通道经调适以作为双轴系统38,其中对于给定通道,相关联第二激光束18与望远镜26不共享共同轴。举例来说,在光学头22、22.1处,第二激光束18及望远镜26的相应轴40、42分离偏移距离44,且轴40、42定向成相对角度46且经引导使得第二激光束18与望远镜26的视场32相交以便界定相关联交互作用区30。交互作用区30的长度48界定于第二激光束18进入望远镜26的视场32的入口50与第二激光束18离开望远镜26的视场32的出口52之间,其中交互作用区30由第二激光束18限界于相关联入口50与出口52之间。 [0068] 参考图3,根据第二方面22.2,光学头22、22.2经调适以作为同轴系统54,其中对于给定通道,相关联第二激光束18与望远镜26实质上共享共同轴40、42。举例来说,反射镜56位于望远镜26的视场32的一部分(例如,中心部分)内。第二激光束18从反射镜56经反射,且反射镜56经定向以便将从反射镜56反射的第二激光束18的轴40与望远镜 26的轴42实质上对准。反射镜56部分地阻挡望远镜26的视场32,此实现反射镜56的阴影58中的近场区36,在近场区36内第二激光束18对于望远镜26是不可见的且因此在交i 互作用区30之外,借此针对与光学头22、22.2操作地相关联的大气测量系统10、10 实现实质上防止从接近光学头22、22.2的预期湍流区的任何信号返回。交互作用区30从其中第二激光束18的大小超过近场区36中的阴影58的大小的入口50延伸,且超出入口50交互作用区30就保持在望远镜26的视场32内。可接着通过调整中心阻挡的大小、望远镜26的视场32、第二激光束18的发散角且通过使望远镜26的最后光收集元件60沿着其轴42平移以便有效地改变望远镜26的视场32及最后光收集元件60的焦平面来调谐交互作用区30。 [0069] 望远镜26包括透镜系统62,且由其收集的光信号35被其最后光收集元件60收集到光纤64中,光纤64将所返回的光子引导到法布里-珀罗(Fabry-Pérot)干涉仪66的相关联部分中以供由相关联检测系统68随后检测。将来自激光器12及分束器光学器件20的参考束16引导到法布里-珀罗干涉仪66的单独部分及相关联检测系统68以供由其同时处理。 [0070] 参考图1及图4,参考束16及来自透镜系统62的光信号35各自由法布里-珀罗干涉仪66的准直透镜70准直且接着由滤波器系统72进行滤波,举例来说,如图4中所图解说明,所述滤波器系统并入有具有相关联滤波器通带的八个带通滤波器反射镜74,所述滤波器通带以激光器12的操作频率为中心--例如,对于上述实施例为大约266nm--此实现滤除相关联背景光。滤波器系统72展现出高带外拒斥以及低带内衰减,且滤波器系统72的带宽足够窄以便实质上滤除或移除所收集光信号35中的太阳能辐射或杂散光的分量,而又足够宽以便实质上大于热展宽光谱的带宽与最大的预期相关联多普勒移位的组合。举例来说,在一个实施例中,滤波器系统72经调适以便实现对在感兴趣频带之外(例如,高于或低于第一激光束14的标称中心频率大于大约2纳米)的光频率的最大滤波。 [0071] 参考图1、5a、5b、8a、8b及8c,来自滤波器系统72的光信号76输入到法布里-珀罗干涉仪66的法布里-珀罗标准具78,其实现响应于相关联光信号76的光学频率而产生条纹图案80,所述光学频率可响应于从其反向散射相关联光28的交互作用区30内的大气24的相对速度而展现多普勒移位。法布里-珀罗干涉仪66的法布里-珀罗标准具78包括第一部分反射表面82及第二部分反射表面84,所述第一及第二部分反射表面彼此平行且由固定间隙86分离且位于准直透镜70与相关联成像光学器件88之间。准直透镜70的焦平面92处的光90由其实质上准直,且光90穿过法布里-珀罗标准具78的角度取决于光 90的光学频率,参考图8a及图8b,光90在成像光学器件88的焦平面98中被成像为圆形条纹图案94--也称为海丁格(Haidinger)条纹--包括多个同心圆形条纹96。参考图8a及图8b,对于经完全照射的法布里-珀罗标准具78,所得的圆形条纹图案94呈以成像光学器件88的光学轴100为中心的闭合同心圆的形式。 [0072] 举例来说,在图1、5a及5b中所图解说明的实施例中,法布里-珀罗标准具78包括一对平面光学窗102--举例来说,由光学玻璃或熔融石英构造而成--经对准而彼此平行且面向彼此并由间隙86彼此间隔开,其中(举例来说),第一部分反射表面82及第二部分反射表面84在平面光学窗102的单独面向表面上,例如部分镀银表面或其它部分反射表面。或者,第一部分反射表面82及第二部分反射表面84可在平面光学窗102的外侧相对面上,或者第一部分反射表面82及第二部分反射表面84中的一者可在平面光学窗102中的一者的内部面向表面上,且第一部分反射表面82及第二部分反射表面84中的另一者可在平面光学窗102中的另一者的外部面向表面上。在一个实施例中,间隙86为实质上固定的,而在其它实施例中,间隙86为可移动的(例如,可调整的)以便实现可调谐的法布里-珀罗标准具78。 [0073] 参考图6,或者,法布里-珀罗标准具78可包括固体光学元件104--举例来说,由光学玻璃或熔融石英构造而成--具有包括第一部分反射表面82及第二部分反射表面84的平面平行面106,所述第一及第二部分反射表面由构成固体光学元件104的长度的间隙86.1分离。 [0074] 参考图5a及图5b,大气测量系统10通过借助单个共同法布里-珀罗标准具78同时处理光90的多个不同通道而实现对法布里-珀罗标准具78的高效使用。在一个实施例中,单个法布里-珀罗标准具78与光90的两个通道一起使用,所述两个通道即,来自参考束16的参考通道108以及来自相关联的一个或一个以上透镜系统62的一个或一个以上反向散射信号通道110,一个或一个以上透镜系统62与具有相关联视线的一个或一个以上望远镜26中的每一者相关联。还参考图1及图4,相应光纤64.1及64.2分别接收来自参考束16及来自每一透镜系统62的光,并从准直透镜70的焦平面92中的相应离轴位置112.1及112.2照射法布里-珀罗标准具78的对应部分,从而产生部分圆形条纹图案94.1及94.2的相关联图像,举例来说,如图5a及图8c中所图解说明。 [0075] 相比于原本将产生的几何聚光率,法布里-珀罗标准具78的离轴照射实现增加大气测量系统10的几何聚光率,其中几何聚光率G表征光学系统接受光的能力。将几何聚光率G界定为发射源的面积A与来自所述发射源的光传播成的立体角Ω的乘积,即,(G=A*Ω)。几何聚光率G为光学系统的常数且由其最低优化部分确定。对于相关联光纤64的固定发散度及孔径大小,针对几何聚光率G的给定值,发射源的面积A(即,光纤64的面积)--及光学系统的相关联直径--可通过增加立体角Ω(即,相关联光学系统的发散度)而减小,以便实现在不牺牲性能的情况下减小相关联光学系统的大小。或者,针对光学系统的给定面积A及相关联直径,光学系统的几何聚光率G可通过增加立体角Ω而增加。对于法布里-珀罗干涉仪66,增加相关联光学系统的角发散度(即,立体角Ω)实现更大分数及/或数目的圆形条纹96。大气测量系统10使用共同法布里-珀罗标准具78来同时处理参考通道108及一个或一个以上反向散射信号通道110,每一通道108、110占据法布里-珀罗标准具78的单独部分,借此通道108、110的集必需比在将由所述标准具处理仅单个通道108或110的情况下原本将需要的标准具大的直径的法布里-珀罗标准具78。因此,相应光纤64.1、64.2、64.3及64.4的相关联的相应离轴位置112.1及112.2既实现同时容纳到共同法布里-珀罗标准具78的多个光纤64.1及64.2输入,又实现增加穿过光学系统的相关联角发散度,此实现针对给定大小的光学系统而相对增加相关联光学系统的几何聚光率G及相关联光采集能力或实现针对光学系统的给定几何聚光率G而相对减小所述光学系统的大小(即,直径)。 [0076] 连同来自参考通道108的信号一起实质上同时地处理来自相关联交互作用区30中的每一者的反向散射信号通道110的信号,以便实现大气测量系统10的校准并维持大气测量系统10的校准,且以便实现确定相关联空气数据产物,例如大气24的速度、温度及密度。此实现相关联测量或从所述测量导出的数量的内在自我校准。如果在数据中未另外计及第一激光束14的波长漂移,那么在进行反向散射信号通道110的多普勒移位及所得波长移位的测量时可能出现误差。大气测量系统10实现对来自数据的第一激光束14的波长漂移进行自动补偿,因为来自反向散射信号通道110的每一测量均使用来自与参考束16相关联的参考通道108的对应测量加以校正。 [0077] 由望远镜26收集的光信号35及参考束16通过相关联光纤64.1及64.2传输到法布里-珀罗干涉仪66且各自由法布里-珀罗干涉仪66的单独部分同时处理,其中光信号35及参考束16穿过法布里-珀罗干涉仪66。光信号35及参考束16各自由准直透镜70准直,接着由如上文中所描述的滤波器系统72进行滤波且接着由相关联法布里-珀罗标准具78处理,法布里-珀罗标准具78的输出由相关联成像光学器件88作为相关联圆形条纹图案94.1及94.2成像到对应数字微反射镜装置(DMD)114.1、114.2上,每一数字微反射镜装置均在并入有相关联存储器118或与其通信的数据处理器116的控制之下,此实现将相关联圆形条纹图案94.1及94.2的若干部分选择性地反射到对应对的相关联光电检测器A B A B A B A B 120.1、120.1、120.2、120.2 上。来自光电检测器120.1、120.1、120.2、120.2 的信号接着由数据处理器116处理,此实现数据处理器116依据所述信号确定相关联空气测量。法布里-珀罗干涉仪66与相关联检测系统68可安装在共同外壳内。 [0078] 参考图7,大气测量系统10、10ii的第二方面包括产生第一激光束14的激光器12,第一激光束14由光学头22中的分束器光学器件20.1分裂成参考束16及一个或一个以上第二激光束18。光学头22实现将一个或一个以上第二激光束18引导到其视界内的大气24中且进一步并入有对应的一个或一个以上望远镜26,每一望远镜与一个或一个以上第二激光束18中的一者相关联,其中望远镜26中的每一者实现接收由大气24从其中的对应交互作用区30反向散射的光28,交互作用区30由相关联第二激光束18与对应望远镜26的相关联视场32的相交点界定。每一第二激光束18及其相关联望远镜26界定一通道,通道的数目及通道相对于彼此的几何形状均非限制性的。 [0079] 与第一方面一样,到交互作用区30的范围34(例如,交互作用区30距光学头22的距离)由相关联第二激光束18与如在光学头22中体现的对应望远镜26的几何形状界定,且在特定应用需要或必需的情况下,可任选地借助相关联光信号35的相关联时间范围选通或范围解析成像来进一步解析交互作用区30内的范围34。此外,相关联光学头22可根据其上述第一方面22.1或第二方面22.2加以调适。 [0080] 大气测量系统10、10ii实质上仅响应于来自其中检测望远镜26的视场32与第二激光束18重叠的交互作用区30的散射,且光学头22的几何形状可经调适以将交互作用区30定位于距光学头22实质上任何距离处(例如,近或远),只要存在待随后处理的充足经反向散射光28即可。 [0081] 望远镜26包括透镜系统62,且由其收集的光信号35被其最后光收集元件60收集到光纤64中,光纤64通过第二分束器光学器件20.2将相关联反向散射信号通道110的所返回光子引导到法布里-珀罗干涉仪66或其相关联部分中以供由相关联检测系统68随后检测。 [0082] 针对至少一个反向散射信号通道110,来自激光器12及分束器光学器件20的参考束16经引导穿过光闸122且从第一表面反射镜124经反射且接着从第二分束器光学器件20.2经反射并进入到法布里-珀罗干涉仪66或其与对应反向散射信号通道110相同的部分中,以供由相关联检测系统68检测。针对至少一个反向散射信号通道110,光闸122由数据处理器116控制,数据处理器116还控制激光器12或与其相关联的光闸,以便实现经由法布里-珀罗干涉仪66及相关联检测系统68对参考通道108及反向散射信号通道110进行时间多路复用。因此,在操作中,激光器12或相关联光闸经周期性地激活以便致使由其发射相关联第一激光束14,所述束的一部分由第一分束器光学器件20.1作为至少一个第二激光束18反射到大气24中,所述束的剩余部分形成相关联参考束16。光闸122由数据处理器116与激光器12或与其相关联的光闸同步地激活,以便实现立即将参考束16引导到法布里-珀罗干涉仪66及相关联检测系统68中。接着,在反向散射信号通道110的光信号35到达第二分束器光学器件20.2之前,光闸122稍后由数据处理器116去激活。举例来说,针对距光学头22大约300米的交互作用区30,光闸122将经选通达大约一微秒,在此时间期间检测系统68将实现检测参考通道108,此后,检测系统68将实现检测对应反向散射信号通道110。 [0083] 因此,参考图8a及图8b,针对单个反向散射信号通道110,大气测量系统10、10ii的第二方面实现照射整个法布里-珀罗标准具78且实现产生并使用完整的所得圆形条纹i图案94。或者,参考图8c,根据大气测量系统10、10 的第一方面或根据大气测量系统10、ii 10 的第二方面(具有多个反向散射信号通道110),用不同的参考通道108及/或反向散射信号通道110照射法布里-珀罗标准具78的多个不同部分,从而产生多个对应的相关联圆形条纹图案94.1及94.2。 [0084] 参考图9a,针对每一信息通道,即,针对参考通道108或反向散射信号通道110,将相关联圆形条纹图案94.1及94.2成像到相关联数字微反射镜装置(DMD)114.1、114.2上或成像到共同数字微反射镜装置(DMD)114的对应部分上,其中数字微反射镜装置(DMD)114.1、114.2、114位于法布里-珀罗干涉仪66的成像光学器件88的焦平面98中。举例来说,参考图9b,数字微反射镜装置(DMD)114.1、114.2、114包括微反射镜126阵列,举例来说,N个行及M个列的微反射镜126元件或像素的笛卡尔阵列,所述元件或像素中的每一者为可个别寻址的且可控制为至少两种像素反射镜旋转状态中的一者。 [0085] 举例来说,还参考图10及图11,根据第5,535,047号美国专利的教示内容且根据由德州仪器公司(Texas Instruments Inc.)及美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers)在2008年5月1日以20页公开的标题为“数字微反射镜装置:历史机械工程里程碑(The Digital Micromirror:A Historic Mechanical Engineering Landmark)”的公开案(所述参考文献两者均以引用的方式并入本文中),数字微反射镜装置(DMD)114.1、114.2、114的一个实施例包括在17微米中心上的16微米正方形可移动微反射镜126的阵列,所述阵列中的每一微反射镜126由悬置于操作地耦合到共同CMOS衬底132的一对顺应性扭转铰链或挠曲件130上的轭架128机械支撑。每一微反射镜126可响应于微反射镜126的拐角部分126.1、126.2与两个相关联抬高反射镜地址电极134.1、 134.2中的一者之间的静电吸引且响应于轭架128的两个相对部分128.1、128.2中的对应一者与两个相关联轭架地址电极136.1、136.2中的一者之间的静电吸引而旋转到两种稳定像素反射镜旋转状态中的一者。通过经由与微反射镜126及轭架128电连接的偏置复位总线138向微反射镜126及轭架128施加第一电压且向反射镜地址电极134.1、134.2中的一者及轭架地址电极136.1、136.2中的对应一者施加第二电压而使微反射镜126旋转到两种稳定像素反射镜旋转状态中的一者,其中第一对应反射镜地址电极134.1与轭架地址电极136.1彼此电连接,第二对应反射镜地址电极134.2与轭架地址电极136.2彼此电连接,且所述第一及第二电压经设定以便实现第一或第二反射镜地址电极134.1、134.2及轭架地址电极136.1、136.2与微反射镜的对应部分126.1、126.2及轭架的对应部分128.1、 128.2之间的吸引。 [0086] 举例来说,参考图11,在经由相关联偏置复位总线1381向第一微反射镜1261及1 1 相关联轭架128 施加第一电压的情况下,施加到相关联第一反射镜地址电极134.1 且施 1 1 加到相关联第一轭架地址电极136.1 的第二电压致使第一微反射镜126 的第一拐角部分 1 1 1 126.1 静电吸引到相关联第一反射镜地址电极134.1 且致使相关联轭架128 的第一相对 1 1 1 部分128.1 静电吸引到相关联第一轭架地址电极136.1,借此致使第一微反射镜126 旋转到第一像素反射镜旋转状态140,举例来说,针对特定商业实施例所述状态在图11中图解说明为+12度,其中所述第一及第二电压经调适以实现其之间的静电吸引力。类似地,在经 2 2 2 由相关联偏置复位总线138 向第二微反射镜126 及相关联轭架128 施加第一电压的情况 2 2 下,施加到相关联第二反射镜地址电极134.2 且施加到相关联第二轭架地址电极136.2 的 2 2 第三电压致使第二微反射镜126 的第二拐角部分126.2 静电吸引到相关联第二反射镜地 2 2 2 址电极134.2 且致使相关联轭架128 的第二相对部分128.2 静电吸引到相关联第二轭架 2 2 地址电极136.2,借此致使第二微反射镜126 旋转到第二像素反射镜旋转状态142,举例来说,针对特定商业实施例所述状态在图11中图解说明为-12度,其中所述第一及第三电压经调适以实现其之间的静电吸引力。轭架128的尖端144接触相关联偏置复位总线138上的对应焊盘位点146,且焊盘位点146可经钝化以便防止或减小静摩擦、以便实现减小将微反射镜126复位到平坦状态或使微反射镜126旋转到另一像素反射镜旋转状态所需要的电压。举例来说,另一商业实施例实现+/-10度的反射镜旋转状态。在静止状态中,微反射镜 126为平坦的,但在一个商业实施例集合中此状态对于个别像素来说为不可寻址的。 [0087] 商业数字微反射镜装置(DMD)114包括微反射镜126阵列,其介于从含有总共约五十万微反射镜126的640×480个微反射镜126的阵列到含有总共超过两百万微反射镜126的2048×1080个微反射镜126的阵列的范围内。所述阵列的每一微反射镜126表示相关联像素反射镜旋转状态图案150的一个像素148,其中每一像素响应于来自数据处理器 116的信号而为独立可控制或可编程的。 [0088] 再次参考图9a,数字微反射镜装置(DMD)114位于成像光学器件88的焦平面98中A B且与对应对的第一光电检测器120 及第二光电检测器120(举例来说,光电倍增器检测器A B 120’、120’、120’)相关,使得数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列中的处于第一像素反射镜旋转状态140中的微反射镜126致使来自法布里-珀罗干涉仪66的所得圆形条纹图案94的光信号76的撞击于其上的第一部分76’沿第一方向152反射到相A 关联第一物镜透镜154且由其引导到第一光电倍增器检测器120’。类似地,数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列中的处于第二像素反射镜旋转状态142中的微反射镜126致使来自法布里-珀罗干涉仪66的所得圆形条纹图案94的光信号76的撞击于其上的第二部分76”沿第二方向156反射到相关联第二物镜透镜158且由其引导到第二光B 电倍增器检测器120’。数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126为相对高效的,在一个实施例集合中具有接近90%的总体效率。因此,数字微反射镜装置(DMD)114实现将撞击于其上的光以数字方式隔离成两个不相交集合。更特定来说,数字微反射镜装置(DMD)114用以询问由法布里-珀罗干涉仪66形成的圆形条纹图案94、94.1、94.2,且借此与相关联A B 第一光电倍增器检测器120’及第二光电倍增器检测器120’协作而实现响应于由编程到数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列中的特定像素反射镜旋转状态图案150产生的由数字微反射镜装置(DMD)114反射的相关联的两个不相交光集合中的光子的数目而产生一对或一对以上的相关联互补信号160、162以用于特定测量集合,其中相关A B 联第一光电倍增器检测器120’及第二光电倍增器检测器120’实现计数与由数字微反射镜装置(DMD)114反射的不相交光集合中的每一者相关联的光子的对应数目。 [0089] 大气测量系统10实现直接检测从大气的分子、大气中的气溶胶或两者的组合散射的激光能量、实现直接测量大气的相关联速度及方向、密度及温度,且实现从所述相关联速度及方向、密度及温度导出其它测量,举例来说,空气数据产物集合。举例来说,根据瑞利(Rayleigh)散射,相对短波长激光能量由大气的分子散射。根据米氏(Mie)散射,激光能量还可由大气中的气溶胶散射。瑞利散射通常是指具有小于光的波长的1/10的大小的分子或颗粒对光的散射,而米氏散射通常是指大于光的波长的1/10的颗粒对光的散射。响应于瑞利散射,大气测量系统10因此响应于大气中引起由大气测量系统10检测的光的相关联散射的那些分子的性质--例如,速度、密度及温度。因此,大气测量系统10实现在洁净空气中(即,在具有不多于可忽略量的气溶胶的大气中)的操作,其实质上仅取决于分子反向散射。 [0090] 从与望远镜26的视场32相关联的交互作用区30接收的相关联反向散射信号通道110的光信号76、76.2由法布里-珀罗干涉仪66处理以产生相关联圆形条纹图案94、94.2,所述相关联圆形条纹图案接着由数字微反射镜装置(DMD)114、114.2分离成不相交部分94’、94”;94.2’、94.2”,所述不相交部分接着由对应的相关联第一光电倍增器检测器A A B B 120、120.2’及第二光电倍增器检测器120、120.2’检测。参考通道108由同一法布里-珀罗干涉仪66同时或依序处理以产生相关联圆形条纹图案94、94.1,所述相关联圆形条纹图案接着由数字微反射镜装置(DMD)114、114.1分离成不相交部分94’、94”;94.1’、94.1”,所A A 述不相交部分接着由对应的相关联第一光电倍增器检测器120、120.2’及第二光电倍增器B B 检测器120、120.2’检测。使用与参考通道108相关联的所得互补信号160、162来实现校准与反向散射信号通道110相关联的大气测量。因此,大气测量系统10使用法布里-珀罗干涉仪66直接检测来自经散射激光能量的信息,其中单独地检测参考通道108及反向散射信号通道110中的每一者,且可接着使用来自参考通道108的信息来校准相关联反向散射信号通道110。检测过程响应于分别响应于瑞利散射及米氏散射而由大气24中的分子及气溶胶反向散射的激光的非相干多普勒移位。 [0091] 举例来说,图8a中针对已由包括气溶胶及分子两者的介质进行源热展宽的相关联光信号76图解说明典型的圆形条纹图案94。从分子散射的光散布在图8a中的圆形条纹图案94的阴影区上,且从重的缓慢移动的气溶胶散射的光含在窄的白色环中。相关联大气状态变量以不同方式影响圆形条纹图案94。风诱发的多普勒移位改变所述环的直径,且确定多普勒移位的常数取决于温度。大气(分子)温度影响分子环的宽度。在图8a中,气溶胶密度控制窄的白色环的强度,且分子密度增加阴影区的亮度。因此,可直接依据圆形条纹图案94确定风速度、密度及温度。 [0092] 图12a中图解说明圆形条纹图案94的强度的径向曲线图。参考图12b,其图解说明圆形条纹图案94的单个圆形条纹96的强度的径向横截面的展开图,第一条纹163对应于零风(即,零速度)条件,且第二条纹165对应于非零风条件,其中将第一条纹163及第二条纹165两者图解说明为分别展现气溶胶信号分量163.1、165.1及分子信号分量163.2、165.2两者。参考通道108也实现零风条件,但不含有分子或背景分量且因此将仅展现图 12b中所图解说明的气溶胶信号分量163.1。 [0093] 针对待建模的单个相关联条纹,由法布里-珀罗标准具78处理的反向散射信号通道110的光信号76、76.2的光谱形状具有图12c中所图解说明的定性形式,其中分子散射的光(即,分子分量165.2)展现展宽的光谱形状,而气溶胶散射的光(即,气溶胶分量165.1)产生几乎等同于所传输激光的形状的尖峰。在这两个分量下面的是来自经散射日光的背景信号,在图12c的标度上,其形成相对平坦的连续统。借助比较,由法布里-珀罗标准具78处理的参考通道108的光的对应光谱形状与气溶胶分量165.1的光谱形状实质上相同。 [0094] 法布里-珀罗干涉仪66的响应在文献中有大量证明,举例来说,如由P.B.海斯(P.B.Hays)及R.G.罗布(R.G.Roble)在“用于从非常低强度的法布里-珀罗干涉仪条纹发现多普勒线轮廓的技术(A Technique for Recovering Doppler Line Profiles from Fabry-Perot Interferometer Fringes of very Low Intensity)”(应用光学,10,193-200,1971年)所描述,所述文献以引用的方式并入本文中。由不具有光学缺陷的激光雷达系统透射穿过法布里-珀罗干涉仪66的单个波长的条纹图案的理想强度分布由下式给出 [0095] [0096] 其中 [0097] [0098] 其中T为法布里-珀罗标准具78的透射率,R为其反射率,μ为其折射率,d为法布里-珀罗标准具78的间隙86、86.1的厚度,λ为源的波长,θ为穿过法布里-珀罗标准具78的透射角,c为光速,且u为视线空气速度。因此,多普勒移位为2u/c。在存在包含许多波长及光学缺陷的源分布的情况下,使用响应的傅里叶余弦级数展开为有利的。(散射物质的)每分子重量所透射的强度的分布由下式给出: [0099] [0100] 其中 [0101] [0102] 其中t为大气温度,k为波尔兹曼常数,A0为阿伏伽德罗数,m为散射物质的分子质量,且光学缺陷的卷积效应由相关联缺陷系数Dn,k表示。 [0103] 假如不存在光学缺陷,那么缺陷系数Dn,k中的每一者将恒等于1。然而,在具有光学缺陷的系统中,可以各种方式计及这些缺陷。举例来说,根据第一方法,使用不与大气24交互作用的参考束16来校准缺陷系数Dn,k。只要大气测量系统10保持被校准,那么就可在数据的反演中直接使用这些缺陷系数Dn,k以还原大气状态变量。作为另一实例,根据第二方法,连同来自对应的一个或一个以上反向散射信号通道110的一个或一个以上相关联信号一起周期性地收集来自参考通道108的信号,且通过使用理想信号Hideal--举例来说,由方程式(1.1)给出的Hideal--的傅里叶变换依据经还原数据将理想信号Hideal去卷积来计算缺陷系数Dn,k的效应,举例来说,如下文中所描述的方程式(11.1)、(11.2)及(12)所给出。函数G(t)近似低密度气体对源的热展宽的效应,通过瑞利-布里渊(Rayleigh-Brillouin)散射而较精确地计及所述效应,但所述细节程度并非是大气测量系统10的实践必不可少的。 [0104] 针对含有气溶胶及分子两者的大气24且针对经调适以对整个圆形条纹图案94进行取样的大气测量系统10,相关联的总响应由下式给出: [0105] [0106] 其中I为到达光电检测器120的光子的总数,A为已由气溶胶散射的光子的数目,M为已由分子散射的光子的数目,B为由环境大气24透射到大气测量系统10的背景光子的数目,mA为气溶胶颗粒的分子质量(举例来说,大约为1.0e5的非常大的数目),且mM为空气的分子质量(大约28.92)。假定此模型,通过分别关于大气变量A、M、u、t及B取方程式(3)的偏倒数而分别给出系统对每一相应变量的敏感度,如下: [0107] [0108] [0109] [0110] [0111] [0112] 其中 [0113] [0114] 举例来说,图12a图解说明在整个圆形条纹图案94上随半径而变的来自方程式(3)的总条纹响应I,且图13及图14分别图解说明总条纹响应I分别关于速度u及温度t的对应偏导数,如分别由方程式(4.3)及(4.4)给出。 [0115] 在图13中所图解说明的总条纹响应I关于速度u的偏导数中,分子及气溶胶的单独影响为明显的,其中气溶胶贡献164为相对窄的,在每一相关联图案的中间具有相对尖锐的偶极状特征;且分子贡献166为在窄气溶胶贡献164之外的相对宽的区。气溶胶贡献164的变化致使其中心168随气溶胶的密度改变而扩展及收缩,如图12b中所图解说明。图 14中所图解说明的温度导数不受气溶胶密度影响,但气溶胶含量的未知变化将使温度的确定混乱。因此,可通过同时或同期地测量或确定展现对彼此的相互依赖性的所有变量而计及温度t、速度u、气溶胶计数A、分子计数M及背景计数B对彼此的相互影响。 [0116] 通常,大气测量系统10实现对圆形条纹图案94的单独部分(举例来说,不相交部分94’、94”)进行取样、收集及积分,且接着使用针对不同的不相交部分94’、94”的集合中的每一者的所得相关联信号(举例来说,互补信号160、162)来确定表征相关联圆形条纹图案94的变量或参数的值。圆形条纹图案94由数字微反射镜装置(DMD)114进行取样,其中根据特定图案150来控制相关联微反射镜126的像素反射镜旋转状态,使得处于第一像素反射镜旋转状态中的微反射镜126实现将来自圆形条纹图案94的第一部分94’的光反射A到第一物镜透镜154,所述第一物镜透镜将所述光聚焦到第一光电倍增器检测器120’上,所述第一光电倍增器检测器实现对来自圆形条纹图案94的第一部分94’的光进行积分以便产生第一信号160;且使得处于第二像素反射镜旋转状态中的微反射镜126实现同时将来自圆形条纹图案94的第二部分94”的光反射到第二物镜透镜158,所述第二物镜透镜将B 所述光聚焦到第二光电倍增器检测器120’上,所述第二光电倍增器检测器实现对来自圆形条纹图案94的第二部分94”的光进行积分以便产生第二信号162。因此,针对微反射镜 126的每一像素反射镜旋转状态图案150,由所述微反射镜取样的圆形条纹图案94的所得第一部分94’及第二部分94”为不相交部分94’、94”,且所得的第一信号160及第二信号 162为与给定圆形条纹图案94相关联的互补信号160、162。针对N个不同不相交部分94’、 94”集合中的每一不同集合重复此过程以便实现产生N个对应的互补信号160、162集合,可依据所述集合表征多达N个不同变量或参数。 [0117] 举例来说,根据第一方面,关于以下N=5个变量来表征圆形条纹图案94:气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B,如上文中的方程式(2.1)、(2.2)及(3)所提供,此表征使用数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126的对应的N=5个不同像素反射镜旋转状态图案150,其中基于关于这些变量中的每一者的光学响应的预期敏感度而提前选择相关联图案150中的每一者。举例来说,在一个实施例中,针对N=5个变量中的每一者的像素反射镜旋转状态图案150是响应于总条纹响应I(Φ)关于所述变量的偏导数的正负号(即,响应于分别经受固定偏移的方程式(4.1)到(4.5)的正负号)而选择的。举例来说,图15到图19分别为数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126的用于确定气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B的测量的像素反射镜旋转状态图案150的实例,如分别由方程式(4.1)到(4.5)的正负号所给出,其中图15到图19中的黑色区为对应方程式(4.1)到(4.5)的值加上一偏移为负的地方,针对此相关联数字微反射镜装置(DMD)114经控制到第一像素反射镜旋转状态140;且图15到图19中的白色区为对应方程式(4.1)到(4.5)的值加上一偏移为正的地方,针对此相关联数字微反射镜装置(DMD)114经控制到第二像素反射镜旋转状态142。图20a到20e分别图解说明穿过图15到图19中所图解说明的对应图案的从每一像素反射镜旋转状态图案150的中心向外的径向横截面。 [0118] 更特定来说,图15图解说明数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126的像素反射镜旋转状态图案150、150.1的实例,其是基于方程式(4.1)的值的符号,用以响应于气溶胶计数A的测量而获得对应的第一互补信号160.1、162.1集合,其中在图20a中图解说明穿过图15中所图解说明的像素反射镜旋转状态图案150、150.1的从其中心向外的径向横截面。此外,图16图解说明数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126的像素反射镜旋转状态图案150、150.2的实例,其是基于方程式(4.2)的值的符号,用以响应于分子计数M的测量而获得对应的第二互补信号160.2、162.2集合,其中在图20b中图解说明穿过图16中所图解说明的像素反射镜旋转状态图案150、150.2的从其中心向外的径向横截面。另外,图17图解说明数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126的像素反射镜旋转状态图案150、150.3的实例,其是基于方程式(4.3)的值的符号,用以响应于速度u的测量而获得对应的第三互补信号160.3、162.3集合,其中在图20c中图解说明穿过图17中所图解说明的像素反射镜旋转状态图案150、150.3的从其中心向外的径向横截面。另外,图18图解说明数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126的像素反射镜旋转状态图案150、150.4的实例,其是基于方程式(4.4)的值的符号,用以响应于温度t的测量而获得对应的第四互补信号160.4、162.4集合,其中在图20d中图解说明穿过图18中所图解说明的像素反射镜旋转状态图案150、150.4的从其中心向外的径向横截面。另外,图19图解说明数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126的像素反射镜旋转状态图案150、150.5的实例,其是基于方程式(4.5)的值的符号,用以响应于温度t的测量而获得对应的第五互补信号160.5、162.5集合,其中在图20e中图解说明穿过图19中所图解说明的像素反射镜旋转状态图案150、 150.5的从其中心向外的径向横截面。 [0119] 应注意,用于气溶胶计数A的测量的像素反射镜旋转状态图案150、150.1为用于分子计数M的测量的像素反射镜旋转状态图案150、150.2的子集,且像素反射镜旋转状态图案150、150.1到150.5中的每一者在数学上独立于其它者,使得这些图案150、150.1到150.5概不可通过其它像素反射镜旋转状态图案150、150.1到150.5的叠加而构造。因此,来自第一检测器120.2’及第二检测器120.2”的针对来自反向散射信号通道110的圆形条纹图案94.2的五个互补信号160.1到160.5、162.1到162.5集合提供依据其确定气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B所必需的充足信息。 [0120] 通常,在空间上独立的像素反射镜旋转状态图案150的任一集将起作用,然而,并非所有的像素反射镜旋转状态图案150都提供相同的预期误差。像素反射镜旋转状态图案150的最优选择取决于眼前的遥感问题中的感兴趣变量且还取决于正在寻求的解的状态。 根据第一方面,鉴于大气测量系统10的光学响应的相关联模型而选择像素反射镜旋转状态图案150,其中光学响应的导数实现对相关联的感兴趣变量的改变敏感的所得相关联互补信号160、162。依据如方程式(4.1)到(4.5)所给出的总条纹响应I关于气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B的偏导数,相关联的感兴趣区为相对宽广的且界定明确的。举例来说,参考图13及图14,存在其中偏导数为正的清晰区域及其中偏导数为负的其它区域。这些区域明确地映射速度u及温度t信息分别如何含在条纹图案中。 [0121] 根据第二方面,可与第一方面一样地调适图案150,但在将方程式(4.1)到(4.5)的结果映射成对应图案150时使用相关联阈值,其中则响应于相关联导数的值是否大于或小于所选阈值而给出图案150,举例来说,如图21及图22中针对两个不同的阈值所示--分别为零及信号振幅的+30%--其应用于关于速度u的偏导数的方程式(4.3)。更特定来说,图21针对光电检测器上具有三个级的圆形条纹图案94且针对阈值零图解说明用于确定速度u的测量的像素反射镜旋转状态图案150.3,其叠加于如方程式(4.3)所给出的总条纹响应I关于速度u的偏导数上,其中图17及图20c中所图解说明的对应像素反射镜旋转状态图案150.3具有三个正区及四个负区,使得在第一像素反射镜旋转状态140中微反射镜126A的三个完整环将朝向第一光电检测器120.2 倾斜,且在第二像素反射镜旋转状态142中四B 个完整环将朝向第二光电检测器120.2 倾斜。图17中所图解说明的不完整环将不受光学源照射。阈值的不同值将致使一些区将增长而另一些区将缩小,举例来说,如图22中所示,其针对为相关联峰值振幅的0.3倍的阈值设定图解说明像素反射镜旋转状态图案150.3。 针对与背景计数B相关联的像素反射镜旋转状态图案150.5,偏导数为常数,因此相关联的像素反射镜旋转状态图案150.5经选择而在空间上独立于其它者。举例来说,与背景计数B的测量相关联的像素反射镜旋转状态图案150.5可简单地通过参数化比例阈值将径向域A 划分为二,使得将高于阈值的所有半径成像到第一光电检测器120.2 上且将低于阈值的半B 径成像到第二光电检测器120.2 上。可以类似方式来分别确定分别用于气溶胶计数A、分子计数M及温度t的图案150.1、150.2及150.4。 [0122] 数字微反射镜装置(DMD)114的可编程性允许正选择的区随测量条件变化而动态地变化。举例来说:在激光雷达的情况下,用于速度u的像素反射镜旋转状态图案150.3在其划分与条纹峰值(其随速度相依多普勒移位而移动)重合时最敏感。因此,假如实时地调适用于速度u的像素反射镜旋转状态图案150.3以计及此移位,那么可改进实时准确性。调适观测的此能力在高度可变的自然环境中可为有益的。类似地,可在样本集合内调整针对每一像素反射镜旋转状态图案150的曝光时间持续期,即,测量持续时间可针对不同的像素反射镜旋转状态图案150而不同,以便实现再平衡大气测量系统10的敏感度以增加最感兴趣的一或多个状态变量的准确性。 [0123] 时间曝光加权及像素反射镜旋转状态图案150的选择取决于目前的环境状态及感兴趣参数的等级评定。一种用于检验潜在系统的方法是通过蒙特-卡罗(Monte-Carlo)模拟。另一方法是通过例如布洛伊登-弗莱彻-戈德法布-山诺(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,BFGS)方法、准牛顿(quasi-Newton)可变测量方法的非线性优化技术,举例来说,如J.诺克德(J.Nocedal)及S.赖特(S.Wright)在“数值优化(Numerical Optimization)”(纽约斯普林格出版社(Springer-Verlag New York,Inc.),1999年,第194-201页)中所描述,所述文献以引用的方式并入本文中。在这些情况下,可基于最小方差无偏估计的协方差设计成本函数-举例来说,如D.龙伯格(D.Luenberger)在“通过向量空间方法进行优化(Optimization by Vector Space Methods)”(约翰·威利父子公司(John Wiley & Sons,Inc.)(1969),第15页)中所描述,所述文献以引用的方式并入本文中--使用来自模型响应及预期环境噪声的系统动力学,举例来说,如下文中的方程式(21)所给出。此时,可采用蒙特-卡罗来获悉解的分布如何关于系统设计而变化,或者可采用基于下降的方案来根据状态变量准确性的等级评定找出最佳的候选者。 [0124] 一旦确立用于产生像素反射镜旋转状态图案150的方案,就可接着对相关联阈值及时间加权分数进行数学优化。所得的最优参数集合将称为优化问题的解。假定像素反射镜旋转状态图案150、系统偏导数(雅可比矩阵)及预期测量协方差,则可估计在使用所述系统时将发生的反演误差。特定来说,雅可比导数J给出为 [0125] [0126] 此允许在任一相点 处的强度近似为 [0127] I≈I0+J[ΔA,ΔM,Δu,Δt,B]T (6) [0128] 强度中的噪声的预期协方差由Q给出。在散粒噪声限制系统的情况下,此协方差将为在每一测量中收集的计数的对角矩阵。通过对每一像素反射镜旋转状态图案150内的雅可比进行积分并应用对应的时间加权因子而形成动力学矩阵W。假设ΩA,ΩM,Ωu,Ωt,ΩB表示向第一光电检测器发送光的像素反射镜旋转状态图案150,且 为向第二光电检测器发送光的这些像素反射镜旋转状态图案150的补集,那么可形成10×5矩阵,其中通过使Ωk循环经过集合 且类似地针对时 间加权分数pk使其循环经过{pA,pA,pM,pM,pu,pu,pt,pt,pB,pB}而给出第k行。 [0129] [0130] 此方程式(7)针对任一像素反射镜旋转状态图案150集合(例如图20a到20e、图26或图27中所示的那些状态)均为有效的。类似地,针对具有预期强度I0的散粒噪声限制系统,协方差为 [0131] [0132] 此时,可经由最小方差无偏估计量来计算在每一所测量参数中所预期的误差的标准偏差,如 [0133] [0134] σ向量的每一元素分别表示A、M、u、t、B中的预期误差。借助估计系统的每一参数的误差的此能力,可执行蒙特-卡罗分析以使相关联阈值及时间加权因子变化以查看参数如何影响系统的准确性,举例来说,根据图23中所图解说明的蒙特-卡罗程序。 [0135] 可通过(举例来说)观察蒙特-卡罗结果来获悉解空间的分布,例如图24中所示的那些结果,其中每一点(解)对应于时间加权及图案阈值的选择。此些结果可帮助选择用于基于下降的优化的成本函数。成本函数的最简单形式为权数与标准偏差的点积,J(σ)=<ω,σ>,其中ωk为长度5的向量,其条目量值反映特别感兴趣的每一变量的相对重要性。注意,选定阈值及时间加权因子的效应嵌入于σ的计算中。也可通过使用任何非负函数形式(例如高斯或对数)来构造其它更详尽的成本函数,例如: [0136] 实例性线性成本函数 [0137] [0138] 实例性高斯多变量函数 [0139] [0140] 实例性对数函数 [0141] J(σ)=log(<ω,σ>n+γ) (10.3) [0142] 图24展示在准确地测量速度或温度之间存在折衷。水平轴展示速度的预期误差且垂直轴展示温度的预期误差。一些解对于速度确定很有效而其它解对于温度很有效。通常,最佳的速度解并非最佳的温度解,且必须做出折衷。图24中标示为“性能极限曲线”的曲线指示可由系统实现的性能极限。在所述曲线的由标示为“最优解”的圆圈识别的拐点中存在许多不同的解(加权方案及阈值),其将提供具有尽可能小的预期误差的有用答案。在一些情况下,可值得在数个系统解之间交替以轮流给出对于每一感兴趣状态来说为最佳的答案。 [0143] 或者,可使用任何数目的方案来找出优化成本函数的像素反射镜旋转状态图案150。举例来说,在遗传算法程序中,将图23的第一步骤从“随机选择图案阈值”改变为“产生表示像素反射镜旋转状态图案150(或阈值)及时间分数的候选集合的变异子代”,如图 25中所图解说明。 [0144] 一个令人感兴趣的点是,不需要产生与法布里-珀罗干涉仪66一起使用的像素反射镜旋转状态图案150,而不顾及预期条纹图案。事实上,仅有要求为像素反射镜旋转状态图案150在代数上独立,使得像素反射镜旋转状态图案150均无法作为集合中的其它像素反射镜旋转状态图案150的线性组合而构造。 [0145] 参考图26,作为一个实例,可通过类似于小波分解的半径二进划分而产生替代的像素反射镜旋转状态图案150集合。 [0146] 此外,像素反射镜旋转状态图案150并不一定必须为径向对称的。虽然法布里-珀罗干涉仪66的信息含量为圆形对称的,但如果选定的像素反射镜旋转状态图案150的圆形对称性被打破,那么可将针对所述特定半径的像素反射镜旋转状态图案150的值视为处于第一像素反射镜旋转状态140或第二像素反射镜旋转状态142中的像素的分数(或概率)。图27中展示此像素反射镜旋转状态图案150,其中灰度值意味着0与1之间的概率。 [0147] 可接着使用对应像素反射镜旋转状态图案150集合的互补信号160、162的测量集合来估计来自大气测量系统10的参数或测量。所有例程必须计及系统中的光学缺陷,如在方程式(2.1到2.2)中。这些缺陷通常具有卷积型响应,例如散焦-模糊或标准具楔状缺陷。在法布里-珀罗成像系统中,通常可在激光已与大气交互作用之前获取所述激光的参考条纹图案。此响应将含有对系统的光学缺陷及对法布里-珀罗标准具78的任何改变进行建模所必需的所有信息。举例来说,固体法布里-珀罗标准具78的温度的改变将改变其折射率,借此改变系统对速度及温度的响应。可通过将参考信号的傅里叶变换与理想信号的傅里叶变换进行比较而容易地取得此信息。逐项(即,每模式)划分揭露缺陷系数(在无噪声环境中),举例来说,如T.L.基林(T.L.Killeen)及P.B.海斯(P.B.Hays)在“多通道法布里-珀罗干涉仪的多普勒线轮廓分析(Doppler line profile analysis for a multichannel Fabry-Perot interferometer)”(应用光学23,612(1984))中所描述,所述文献以引用的方式并入本文中。这些系数可应用于法布里-珀罗响应的正演模型,如较早所论述。如此,理想信号的傅里叶展开Hideal=H0(Φ)及参考信号Href(Φ)的傅里叶展开为[0148] [0149] [0150] 其中 项为经正规化响应的傅里叶系数。余弦基的正交性暗示可依据下式获得光学缺陷的第n个系数 [0151] [0152] 这些系数为待在仪器的校准中计算的项。还使用参考信号来追踪束的强度及由于法布里-珀罗标准具78的间隙86、86.1的漂移所致的任何响应相移。可通过独立地监视法布里-珀罗标准具78的温度来获得法布里-珀罗标准具78的折射率。在使用近似方程式(7)的测量的迭代过程中实现此追踪。以如下两项开始:动力学矩阵 [0153] [0154] 及测量的向量 [0155] [0156] 那么预期那些测量的改变由系统的状态的改变驱动。因此,在时间j+1的测量由先前测量j及在第j个测量时存在的系统动力学给出: [0157] Mj+1=Mj+Wjδx (15) [0158] 其中δx=[δA,δu,δB]T。回想起相位由下式给出 [0159] [0160] 速度项应为零,然而,间隙86、86.1的长度d的改变将具有与速度类似的影响,即δd=-2dδu/c。由于参考信号尚未经展宽,因此其响应与来自气溶胶的反向散射信号完全相同。如此,将使用气溶胶项来追踪激光功率的改变。接着求解方程式(15)以得出更新T[δA,δd,δB]。这些更新接着界定考虑总反向散射信号的反演所必需的正规化及相位改变。可随着每一经反向散射信号或视需要经常计算参考状态以捕获光学系统改变(例如随温度)的速率。如果可经由温度控制的法布里-珀罗标准具78及外壳保证热稳定性,那么可仅有必要周期性地评估参考或在系统初始化之后即刻评估参考。 [0161] 类似相关技术是划分来自由经反向散射大气响应产生的条纹图案的参考条纹的傅里叶变换系数。剩余响应揭露相移(经由预期多普勒移位而与速度线性相关)及与热效应有关的展宽函数。此方法对所收集数据中的噪声非常敏感。将使用多于已描述的五个像素反射镜旋转状态图案150.1到150.5以还原缺陷系数。通常需要至少与忠实地表示信号所需的傅里叶系数一样多的像素反射镜旋转状态图案150。在富含气溶胶的环境中,此大概可在45个系数到100个系数之间,因此需要相同数目或更多的独立测量。一种获得这些测量的简单方法是形成从中心向外扫掠的环的像素反射镜旋转状态图案150。可在正常系统操作内周期性地进行这些测量且稍后对其进行后处理以产生参考条纹的分析表示。或者,足够大的数字微反射镜装置(DMD)114可同时以一个像素反射镜旋转状态图案150集合将大气响应成像且以另一像素反射镜旋转状态图案150集合将参考条纹图案成像。 [0162] 一种用于依据经反向散射信号估计大气状态的参数的方法是经典列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)非线性最小平方方法,其实现在逆海森(inverse-Hessian)方法与最速下降方法之间平滑地变化,如W.H.普雷斯(W.H.Press)、S.A.特科尔斯基(S.A.Teukolsky)、W.T维特凌(W.T Vetterling)及B.P.弗兰纳里(B.P.Flannery)连同其它适合非线性方法在“C语言数值算法:科学计算的艺术第二版(Numerical Recipes in C,The Art of Scientific Computing,Second Edition)”(剑桥大学出版社,1992年,第656-661页及第681-706页)中所描述,所述文献以引用的方式并入本文中。此方法通过对照正演模型(例如法布里-珀罗透射条纹图案的模型)的输出迭代地使所获取样本集合的均方误差最小化而起作用。其仅需要在方程式(7)中针对参数的任何给定状态所给出的系统动力学方程式。其通过执行朝向参数状态的准牛顿下降型步骤而操作,此使残数(数据与模型之间的差的均方误差)最小化。所述算法如下起作用: [0163] 将在每一像素反射镜旋转状态图案150的情况下进行的测量视为向量: [0164] [0165] 假设 [0166] [0167] 为返回信号的估计,假定在方程式(1到3)中所描述的模型。如方程式(7)中所描述, [0168] 此模型的雅可比为: [0169] [0170] 使得,假定状态向量x=(A,M,u,t,B)及另一附近状态x0,则所测量的响应近似为: [0171] Y(x)≈Y(x0)+W·(x-x0). (20) [0172] 可形成针对模型与数据的不匹配的成本函数: [0173] [0174] 其中σk是第k个测量的标准偏差(以计数),即 且Q界定于方程式(8)中。 [0175] 选择x的候选解且接着力图以使成本函数最小化的方式对其进行更新。一种使此成本函数最小化的方法是经由最速下降迭代。最速下降步骤使用梯度的某个分数简单地更新猜想,xj+1=xj-Δt·▽F(xj)。在方程式(19)中所给出的成本函数的梯度简单地为[0176] ▽F(x)=WTQ-1(Y(x0)-M+W·(x-x0)) (22) [0177] 列文伯格-马夸尔特算法对此进行扩展以通过添加曲率相依正则化项并迭代地求解下式来处置准牛顿步骤: [0178] (WTQ-1W+λ·diag(WTQ-1W))·δ=WTQ-1(M-Y(x0)) (23) [0179] 其中 [0180] δ=(xj+1-xj), (24) [0181] 且经由下式更新正则化参数: [0182] [0183] 在仅有速度的解的情况下,可使所获取数据的相移与模型的响应相关。经正规化相关操作将在扫掠经过参数序列时产生正确响应的最大值。此可通过快速傅里叶变换来高效地实施。相关在雷达应用中具有长久的利用历史。可扩展此概念以求出温度以及气溶胶及分子密度。 [0184] 大气测量系统10的一个优点为可快速地重新配置相关联环或图案参数。可在大约10微秒内重新配置数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126。此允许仪器随环境改变而适应。此类型系统的一个其它优点为不存在来自像素的读取噪声,如在例如CCD的成像光电检测器的情况下就存在读取噪声。仅有噪声来自在经冷却时产生非常低的背景信号A B的第一光电倍增器检测器120’及第二光电倍增器检测器120’。而且,大气测量系统10使用分子响应以及具有非常高的信噪比的强气溶胶响应且有效地减少由于噪声所致的系统误差;大气测量系统10可计及并开拓由于热展宽所致的已知效应;大气测量系统10可同时测量速度、温度、气溶胶及分子分量,且大气测量系统10可适应改变的环境以始终基于最高敏感度而产生测量。 [0185] 然而,此系统受到数个限制,第一为第一光电倍增器检测器120A’及第二光电倍增B器检测器120’的相对低的量子效率,且第二为在任何给定时间仅监视像素反射镜旋转状态图案150或“环集合”中的两者的事实。然而,需要以相等的时间分辨率在所有像素反射镜旋转状态图案150当中循环。提供比率参数的合理测量可能仅偶尔需要气溶胶含量的知识。温度并非始终需要且又可仅以不频繁的间隔提供。因此,可借助大气测量系统10实现边缘型检测的基本优点,且可消除与简单边缘检测相关联的大多数限制。 [0186] 大气测量系统10可用于任何光学遥感情形。通过在计及所观测数据中的预期偏差的同时使系统响应的模型与所述数据拟合来解决每一遥感问题。在法布里-珀罗干涉仪66系统中,此响应为存在大量现象学模型的条纹集。大气测量系统10并入有与法布里-珀罗干涉仪66协作以在两个快速光电检测器之间分割光学响应的数字微反射镜装置(DMD)114。这些经分割测量是使用像素反射镜旋转状态图案150基于模型关于待估计的每一参数的导数而进行的,借此准予最高敏感度成为可能。执行关于分割阈值及定时曝光分辨率的优化以使系统的最小方差无偏估计量的协方差最小。可形成基于此协方差的成本函数以允许借助例如BFGS或内尔德-米德单纯形(Nelder-Mead Simplex)算法的非线性优化技术自动地计算折衷。使用快速光电检测器的能力允许将大气测量系统10应用于其中希望以精细空间分辨率测量状态变量的问题。 [0187] 当数字微反射镜装置(DMD)114变得可以具有两个以上可编程角度状态时,存在改进大气测量系统10的将来可能性。在此情况下,可使数字微反射镜装置(DMD)114步进经过一角度范围,且通过使用光电倍增器检测器120’阵列而一次观测更多的像素反射镜旋转状态图案150。可通过简单地增加用于每一导数的阈值状态的数目而以与此处所描述的方法差不多相同的方式来优化产生这些观测的像素反射镜旋转状态图案150。 [0188] 参考图28,使用非线性最小平方技术来对由大气测量系统10产生的条纹图案80的图像200进行建模。通过在关断激光播种器208以便使得Nd:YAG激光器12.1能够在相对较宽的波长范围内发激光(此实现模拟背景辐射)的情况下测量条纹图案80来提供杂散光及背景辐射的分布。另外在接通激光播种器208以便实现实质上单频率操作的情况下测量条纹图案80。由法布里-珀罗干涉仪66的分析表示形成在算法中使用的仪器函数及导数,且其包含用以计及法布里-珀罗标准具78(例如,相关联固体光学元件104)的缺陷以及来自分子反向散射的温度相依线形状展宽的必需展宽函数。还使用针对照射图案的经验数据,使得在模型中准确地表示条纹的正确光分布。如本文中所使用,术语“相对风”意在指代大气--包含分子及气溶胶--与大气测量系统10之间的相对运动。除频率--其响应于相关联多普勒移位而实现测量相关联速度以外--所述算法还针对沿着相关联望远镜26的对应相关联视场32的方向的每一特定相关联视线确定分子及气溶胶反向散射、背景辐射及大气24的温度对条纹图案的贡献。分子信号产生可与压力有关的空气密度的测量。 还直接从结果导出气溶胶与总散射比率。 [0189] 参考图29,根据其它实施例,大气测量系统10包括产生第一激光束14的激光器12,第一激光束14由分束器光学器件20划分成参考束16及第二激光束18。举例来说,在一个实施例中,激光器12包括Nd:YAG激光器12.1,其以脉冲模式操作且与激光播种器208操作地相关联,激光播种器208例如为实现经由相关联光耦合系统向脉冲式Nd:YAG激光器 12.1的腔播种光子的激光二极管,其中在形成第一激光束14的相关联激光脉冲之前将光子从激光播种器208投射到Nd:YAG激光器12.1的腔中,从而致使Nd:YAG激光器12.1的频率实质上匹配激光播种器208的频率,以便实现实质上单频率操作。举例来说,在一个实施例中,与Nd:YAG激光器12.1协作地调适激光播种器208,使得第一激光束14的带宽与相关联法布里-珀罗干涉仪66的带宽一样窄或比其窄。法布里-珀罗干涉仪66的带宽与其精细度有关。举例来说,并入有束分裂反射镜、棱镜、其组合或某种其它类型的分束器的束转向光学器件210将第二激光束18划分成多个第二激光束18.1、18.2及18.3,每一第二激光束沿不同的方向引导到大气24中。各自经瞄准以便界定投射到大气24中的相应一个或一个以上第二激光束18的相关联相应一个或一个以上相关联交互作用区30的一个或一个以上对应相关联相应望远镜26从相应的一个或一个以上交互作用区30中的每一者收集相关联经反向散射光信号35。从一个或一个以上望远镜26中的每一者收集的光信号35及参考束16各自照射且由法布里-珀罗干涉仪66的单独部分同时处理,其中穿过法布里-珀罗干涉仪66的光信号35及参考束16相对于彼此布置成“苜蓿叶”图案。光信号35及参考束16各自首先由准直器212(例如准直透镜70)准直,接着由如上文中所描述的滤波器系统72进行滤波,且接着由相关联法布里-珀罗标准具78处理,相关联法布里-珀罗标准具 78的输出由相关联成像光学器件88作为相关联圆形条纹图案94.1、94.2成像到相关联数字微反射镜装置(DMD)114上。针对操作频率及功率水平调适相关联光学组件。举例来说,对于并入有在355纳米下操作的Nd:YAG激光器12.1的大气测量系统10,光学元件将并入有针对355纳米调谐的UV级熔融硅土衬底及标准抗反射涂层。 [0190] 来自法布里-珀罗标准具78的圆形条纹图案94.1、94.2的几何形状响应于其操作间隙86、86.1,如果控制间隙86、86.1的长度的相关联材料将展现非零热膨胀系数,那么所述间隙将随温度变化。虽然由法布里-珀罗标准具78同时处理的参考束16实现对等同地影响法布里-珀罗标准具78的所有部分的热漂移进行补偿,但如果法布里-珀罗标准具78的温度可控制或维持在恒定水平下以便在其操作期间防止其热膨胀或收缩那么可为有益的。因此,根据大气测量系统10的一个方面,通过包封在热控制包壳214中以便防止圆形条纹图案94的热诱发漂移来使法布里-珀罗标准具78热稳定。 [0191] 根据一个方面,热控制包壳214为无源的(举例来说,在法布里-珀罗标准具78被包封的情况下),即,热绝缘或隔离的,其使用具有非常低的热导率以增加热时间常数且防止任何实质热冲击到达法布里-珀罗标准具78的材料。根据另一实施例或结合所述另一实施例,热控制包壳214由经调适使得环绕法布里-珀罗标准具78的结构的影响间隙86、86.1的长度的部分中存在可忽略的净热膨胀系数的材料组合构造而成。 [0192] 参考图30到图33,根据另一方面,使用温度控制器218响应于至少一个相关联温度传感器216而有效地控制热控制包壳214的温度,温度控制器218并入有反馈控制系统220以控制加热器、深冷器或加热器与深冷器的组合-此取决于热控制包壳214的温度与其环境的温度的相对关系。举例来说,参考图31及图32,法布里-珀罗标准具90包括固体光学元件116--举例来说,由高纯度UV级熔融硅土构造而成--包封在标准具基座222内,标准具基座222包括由具有一热膨胀系数的材料构造的圆柱形套筒,所述热膨胀系数密切匹配固体光学元件116的热膨胀系数以便实现防止或实质上消除固体光学元件116中的不期望的热诱发径向应力。标准具基座222又由多个(例如三个)散热段224环绕,每一散热段具有相对高的热导率--举例来说,由铜构造而成--每一散热段包括:内部圆柱形面226,其邻接标准具基座222的外侧表面228;及外部面230,其并入有凹部232,凹部232经调适以接纳并邻接热电热泵236(举例来说,所谓的热电冷却器(TEC))的第一表面234。在组装之后,散热段224即共同地构成内部包壳238,内部包壳238在标准具基座222周围延伸且环绕标准具基座222,其中后者并入有凸缘240,凸缘240邻接散热段224的一侧上的第一面242集合且借助多个扣件244(例如,带帽螺钉)扣接到所述集合。内部包壳238由外部包壳246环绕,外部包壳246包括多个(例如,三个)导热外部环段248(例如,由铝构造而成),其中的每一者并入有具有相关联凹部252的内侧面250,凹部252经调适以接纳并邻接热电热泵236的第二表面254。外部环段248中的每一者在两个端处并入有相关联凸缘 256,凸缘256的一侧258经调适以与热控制包壳214的外部壳体262中的内部凹槽260协作,凸缘256的另一侧264经调适以与外部环保持楔块266协作,当外部环段248经组装以形成环绕内部包壳238的外部包壳246时,外部环保持楔块266在邻近外部环段248的邻近凸缘256的对应侧264之间操作。 [0193] 内部包壳238与外部包壳246经组装在一起以形成核心组合件268,如下。法布里-珀罗标准具90的固体光学元件116借助热环氧树脂接合在标准具基座222的镗孔270内侧,所述热环氧树脂实现固体光学元件116与标准具基座222之间的热传导,其中镗孔270的内侧直径经调适以便实现与固体光学元件116的非干涉配合。标准具基座222的凸缘240借助扣件244附接到组装在标准具基座222的外侧表面228周围的三个散热段224的第一面242。三个热电热泵236夹在每一散热段224的对应外部面230及每一外部环段 248的对应内侧面250中的相应凹部232、252之间,使得热电热泵236的第一表面234及第二表面254分别邻接对应相关联散热段224及外部环段248并与其热连通。核心组合件 268进一步包括多个(例如,三个)温度传感器216(例如,热敏电阻、电阻温度装置或热电偶)--其中的每一者插入于每一散热段224的第二面274中的对应孔272中,以便实现监视核心组合件268的温度且以便与相关联温度控制器218及相关联热电热泵236协作而实现控制核心组合件268的温度。 [0194] 核心组合件268插入于外部壳体262中,使得外部环段248的凸缘240与外部壳体262的对应内部凹槽260配接,且外部环保持楔块266插入于凸缘240的面向侧264之间的间隙276中,以便将凸缘240的相对侧258楔入抵靠在外部壳体262的相关联内部凹槽260上,借此实现将核心组合件268保持在外部壳体262内且实现其之间的热连通。外部壳体262的端278由相关联端帽组合件280封闭,端帽组合件280借助相关联扣件282紧固到端278且借助相关联密封件284(例如,垫圈或o形环)与其密封在一起。端帽组合件280并入有扣接到其且并入有光学窗288的相关联窗组合件286,光学窗288例如由具有标准抗反射涂层的UV级熔融硅土衬底构造而成,所述涂层实现相关联光信号76的透射。所得组合件构成并入有热控制包壳214的热稳定标准具组合件290。热稳定标准具组合件 290进一步包括其中的多个电连接器292,电连接器292实现连接热电热泵236及温度传感器216与相关联温度控制器218。温度控制器218使用温度传感器216来监视核心组合件 268的温度且使用相关联热电热泵236相对于环境控制对核心组合件268的加热或冷却以便将核心组合件268的温度维持在指定的设定点。与外部壳体262热连通的外部包壳246实现响应于热电热泵236为维持特定设定点温度所需要的热努力而向内部包壳238供应热或从内部包壳238排出热。举例来说,在一个实施例中,设定点温度经调适以便使维持所述温度所需要的能量最小化,同时还维持充足偏移以便使热电热泵236最高效地操作。举例来说,针对在加热时最高效地操作的热电热泵236,设定点温度可比标称环境温度高5到10摄氏度,例如比室温高5到10摄氏度。 [0195] 参考图29,在一个实施例中,举例来说,借助与同步器294协作的相关联Q开关控制Nd:YAG激光器12.1的引发,以便实现与检测系统68对相关联图像的获取的同步,借此排除对原本将实现将光信号76选通到检测器的电子光闸的需要,但替代地也可使用电子光闸或可在无同步器294的情况下使用电子光闸(举例来说)以便在使用CCD检测系统68’的情况下(举例来说,在下文中所描述的图41a中所图解说明的实施例中)排除读取图像数据的过程期间的后续成像。如果使用同步器294,那么可将其并入于控制电子器件组合件296中,例如,所述组合件还可并入有相关联温度控制器218及/或相关联数据处理器116。 同步器294可经调适以产生用于控制激光器12及检测系统68、68’两者的主控定时信号或者可经调适以将由激光器12及检测系统68、68’中的任一者产生的定时脉冲中继到检测系统68、68’及激光器12中的另一者。 [0196] 参考图34,根据第三方面,也称为范围成像激光雷达系统10iii的大气测量系统iii10、10 并入有实现产生至少实质上单色光170的光源12’,光170穿过相关联源光学器件 172并由其作为光束18’投射到大气24中。举例来说,源光学器件172可包括透镜组合件 172’,透镜组合件172’实现光束18’的宽度及发散度以及其相关联束腰的适合位置,以便iii 照射大气24内可由范围成像激光雷达系统10、10 检测的感兴趣区174,其中感兴趣区174iii 内的束宽度确立范围成像激光雷达系统10、10 的相关联横向空间分辨率极限。 [0197] 接收器光学器件176集合(举例来说,从光束18’横向偏移的望远镜176’)实现将光束18’的一部分成像到中间图像平面178上,以便实现光束18’内的体积元素180与中间图像平面178中的对应相关联区或点182的一对一映射。更特定来说,光束18’照射感兴趣区174内的大气24的分子24’或气溶胶24”或者其组合,所述分子或气溶胶或者其组合又反向散射光束18’的单色光170。接收器光学器件176的视场184内的所得经反向散射光28’由其收集且被成像到中间图像平面178上。接收器光学器件176从光束18’横向偏移且指向光束18’,使得接收器光学器件176的光学轴186相对于光束18’的光学轴188倾斜成相关联视差角θ。因此,光束18’的成像到中间图像平面178上的对应区或点 182上的每一体积元素180对应于从中间图像平面178到光束18’的光学轴188上与对应体积元素180相关联的点190的不同标称范围R。因此,中间图像平面178上的不同区或点182对应于到光束18’的不同标称范围R,且因此对应于到其在感兴趣区174内的相关联体积元素180的不同标称范围R。举例来说,如图34中所图解说明,接收器光学器件176的视场184内的光束18’的位于距中间图像平面178最近标称范围RMIN处的最近体积元素 180.1在中间图像平面178上成像为对应第一区或点182.1,且接收器光学器件176的视场 184内的光束18’的位于距中间图像平面178最远标称范围RMAX处的最远体积元素180.2在中间图像平面178上成像为对应第二区或点182.2。此外,来自不同体积元素180的经反向散射光28’以相对于中间图像平面178的对应不同入射角成像到其上。接收器光学器件176可在到光束18’的多个不同范围中的一者内对焦,使得对于光束18’的未对焦的体积元素180,其在中间图像平面178中的对应图像(即,中间图像平面178上的对应区或点 182)将是未聚焦的且因此为模糊的。 [0198] 举例来说,参考图35,针对具有0.1厘米(cm)的束半径及0.05毫弧度的发散半角的光束18’且针对具有2.5厘米的孔径半径及15cm的焦距、与光束18’分离35cm的接收器光学器件176(针对此,在接收器光学器件176的视场184内到光束18’的范围R介于分别从到最近体积元素180.1的RMIN=8米至到最远体积元素180.2的RMAX=500米的范围内,其中接收器光学器件176在最远体积元素180.2处聚焦)图解说明中间图像平面178中的经模拟图像。因此,如图35中所图解说明,中间图像平面178中对应于最远体积元素180.2的第二区或点182.2是最锐聚焦的,且中间图像平面178中对应于最近体积元素180.1的第一区或点182.1是最模糊的,其中模糊量及因此中间图像平面178中所述第一区或点与第二区或点之间的区或点182的相关联大小随从第二区或点182.2到第一区或点182.1的对应相关联标称范围R的减小而增加,借此赋予光束18’的感兴趣区174的中间图像192楔形轮廓。 [0199] 范围成像激光雷达系统10、10iii进一步包括具有输入焦平面66.1及输出焦平面66.2的法布里-珀罗干涉仪66。输入焦平面66.1与中间图像平面178并置以便从其接收经反向散射光28’,经反向散射光28’接着由法布里-珀罗干涉仪66处理且被成像到位于输出焦平面66.2处的检测系统194上。在输入焦平面66.1与输出焦平面66.2之间,法布里-珀罗干涉仪66包括沿着相关联共同光学轴100间隔开的准直透镜70、法布里-珀罗标准具78及成像光学器件88,其中输入焦平面66.1为准直透镜70的焦平面,输出焦平面 66.2为成像光学器件88的焦平面,且在输入焦平面66.1处进入准直透镜70的经反向散射光28’由准直透镜70实质上准直,接着由法布里-珀罗标准具78处理,且最终由成像光学器件88成像到检测系统194上。法布里-珀罗干涉仪66的法布里-珀罗标准具78包括彼此平行且由固定间隙86分离的第一部分反射表面82及第二部分反射表面84。经反向散射光28’穿过法布里-珀罗标准具78的角度取决于经反向散射光28’的光学频率以及间隙86的长度,从而在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2中产生相关联反向散射条纹图案196,其包括多个同心弧形条纹96’--也称为海丁格条纹。反向散射条纹图案196被成像到检测系统194上,检测系统194响应于所述图案而产生多个反向散射电子图像信号198,所述信号接着如下文中所描述由相关联数据处理器116处理以便依据反向散射条纹图案196中的信息产生对应大气数据200集合。 [0200] 举例来说,在一个实施例中,法布里-珀罗标准具78包括一对平面光学窗102--举例来说,由光学玻璃或熔融石英构造而成--经对准而彼此平行且面向彼此并由间隙86彼此间隔开,其中(举例来说),第一部分反射表面82及第二部分反射表面84--例如部分镀银表面或其它部分反射表面--在平面光学窗102的单独面向表面上。或者,第一部分反射表面82及第二部分反射表面84可在平面光学窗102的外侧相对面上,或者第一部分反射表面82及第二部分反射表面84中的一者可在平面光学窗102中的一者的内部面向表面上,且第一部分反射表面82及第二部分反射表面84中的另一者可在平面光学窗102中的另一者的外部面向表面上。在一个实施例中,间隙86为实质上固定的,而在其它实施例中,间隙86可(举例来说)使用响应于与数据处理器116操作地相关联或为其一部分的控制器204的标准具控制致动器202而移动(例如,调整),以便实现可调谐法布里-珀罗标准具78。或者,法布里-珀罗标准具78可由如上文中所描述的固体光学元件104构造而成。 [0201] 在不存在法布里-珀罗标准具78的情况下,相关联准直透镜70及成像光学器件88实现将中间图像平面178成像到由检测系统194检测的输出焦平面66.2上。因此,中间图像平面178上的第一区或点182.1及第二区或点182.2--对应于接收器光学器件176的视场184内的光束18’的最近体积元素180.1及最远体积元素180.2--在输出焦平面66.2上成像为对应第一区或点206.1及第二区或点206.2。更一般来说,假定接收器光学器件 176及光束18’的光学轴186、188之间的视差角θ,则分别地输出焦平面66.2上的区或点 206与光束18’的对应体积元素180之间存在一对一对应性,且因此,输出焦平面66.2上的区或点206与到其的对应标称范围R之间存在一对一对应性,使得与在输出焦平面66.2上--或在由检测系统194检测的相关联的多个对应反向散射电子图像信号198中--的任何区或点206相关联的标称范围R可依据所述区或点206在输出焦平面66.2上的位置而推断出。在存在法布里-珀罗标准具78的情况下,对于相关联经反向散射光28’的相关联频率或波长与法布里-珀罗标准具78的间隙86协作实现相长干涉的那些区或点206,存在反向散射条纹图案196的弧形条纹96’,而对于相关联经反向散射光28’的相关联频率或波长与法布里-珀罗标准具78的间隙86协作实现相消干涉的那些区或点206存在反向散射条纹图案196中的空区298。通过相关联经反向散射光28’的频率或波长、法布里-珀罗标准具78的间隙86及法布里-珀罗标准具78中的入射角来确定弧形条纹96’的位置。 [0202] 举例来说,对于上文中针对图35所描述的条件,图36图解说明具有0.7cm的厚度或间隙86.7及0.85的相关联反射率的固体法布里-珀罗标准具78的所得反向散射条纹图案196的模拟。与相关联中间图像192一样,在接收器光学器件176在最远标称范围RMAX处对焦的情况下,与光束18’的相对较近体积元素180相关联的弧形条纹96’相对于与相对较远体积元素180相关联的那些弧形条纹96’横向展宽,使得反向散射条纹图案196展现类似于中间图像192的轮廓的楔形轮廓,其中相关联空区298的径向大小随相对于法布里-珀罗干涉仪66的光学轴100条纹级的增加而减小。举例来说,可使用相关联固定焦点设定或使用响应于来自控制器204的信号的聚焦控制致动器300设定中间图像192及相关联反向散射条纹图案196针对其对焦的标称范围R以改进在任何特定标称范围R处的相关联范围分辨率的清晰度。 [0203] 可通过改变法布里-珀罗标准具78的间隙86(举例来说,通过响应于来自控制器204的信号的标准具控制致动器202或通过使法布里-珀罗标准具78倾斜)来改变弧形条纹96’及相关联空区298的位置。举例来说,可由标准具控制致动器202响应于来自控制器204的信号而重复地扫描法布里-珀罗标准具78的间隙86以便重复地产生共同地具有与接收器光学器件176的视场184内到光束18’的所有标称范围R相关联的弧形条纹96’的相关联反向散射条纹图案196集合,以便直接实现在从RMIN到RMAX的相关联标称范围R的范围内的任何特定标称范围R处的相关联大气数据200。 [0204] 范围成像激光雷达系统10、10iii实现直接检测从大气的分子24’、大气中的气溶胶24”或两者的组合散射的光,且实现在一系列范围R内直接测量大气24的密度及温度以及其沿接收器光学器件176的光学轴186的方向的速度。如果经从移动的分子24’或气溶胶24”散射,那么经反向散射光28’的频率经多普勒移位,针对相关联法布里-珀罗标准具78中的给定间隙86,借此致使来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散射条纹图案196的相关联弧形条纹96’移位到一位置,在所述位置针对从对应给定标称范围R以给定角度进入法布里-珀罗干涉仪66的经反向散射光28’的对应射线满足相关联相长干涉条件。因此,经反向散射光28’的频率的多普勒移位将取决于与光束18’交互作用的感兴趣区174内大气24的局部速度,且针对不同的多普勒移位量,将由法布里-珀罗干涉仪66产生与对应不同标称范围R相关联的弧形条纹96’,借此致使弧形条纹96’在反向散射条纹图案196内移位--可能相对于彼此,此取决于在感兴趣区174内大气24的速度分布。 [0205] 范围成像激光雷达系统10、10iii进一步并入有滤波器系统72(举例来说,包括如上文中所描述的多个带通滤波器反射镜74)以对由接收器光学器件176接收的经反向散射光28’进行滤波以便防止检测系统194检测背景光。举例来说,在一个实施例集合中,滤波器系统72位于法布里-珀罗干涉仪66内准直透镜70与法布里-珀罗标准具78之间。 [0206] 法布里-珀罗干涉仪66经受机械缺陷及可经由以下方式补偿的热诱发漂移:使用借助分束器光学器件20从光源12’提取且接着在中间图像平面178处作为参考源304输入到法布里-珀罗干涉仪66的实质上单色光170的一部分302进行校准。举例来说,参考图34,根据第一实施例,来自分束器光学器件20的参考源304借助反射镜306引导到法布里-珀罗干涉仪66中。或者,可(举例来说)使用渐变折射率(GRIN)透镜将借助分束器光学器件20从光源12’提取作为参考源304的单色光170的部分302输入到光纤,所述光纤的输出位于中间图像平面178处以便从所述输出照射法布里-珀罗干涉仪66的准直透镜70。因此,对于任一实施例,参考源304从中间图像平面178/输入焦平面66.1上不同于经反向散射光28’的中间图像192的位置308输入到法布里-珀罗干涉仪66,且由法布里-珀罗干涉仪66处理以便在输出焦平面66.2上的对应位置处产生包括一个或一个以上相关联弧形条纹96”的对应参考条纹图案197,所述图案接着由检测系统194检测以便响应于其而产生多个对应参考电子图像信号199,所述信号接着如下文中所描述由相关联数据处理器116连同与来自经反向散射光28’的反向散射条纹图案196相关联的多个反向散射电子图像信号198一起处理。 [0207] 光源12’实现产生充足量的充分窄带单色光170以便实现充足量的经反向散射光28’,使得所得反向散射条纹图案196可以充足信噪比(SNR)由检测系统194检测,使得依据所述图案确定的所得大气数据200在给定准确性阈值内而为准确的且实现在给定时间带宽阈值内的信息时间带宽。举例来说,光源12’可包括一个或一个以上激光器、发光二极管(LED)、闪光灯(举例来说,氙气闪光灯、钠灯或汞灯)。光源12’可为连续式或脉冲式,且不需要一定是相干的。如果光源12’的光谱带宽并非内在地实质上小于待测量的预期最小多普勒移位,那么可借助滤波器310对光源12’的输出进行滤波以便实现产生充分单色光 170以便使得能够充分准确地测量经反向散射光28’的多普勒移位以实现充分准确地解析iii 速度(即,小于给定阈值)。范围成像激光雷达系统10、10 的特定操作波长并非限制性。 举例来说,可使用与正在相关联感兴趣区174中感测的波长交互作用的任何光学波长。 [0208] 或者,范围成像激光雷达系统10、10iii可不构建有准直透镜70及输入望远镜26。接收器光学器件176的物镜透镜可用于如图34中所图解说明的输入望远镜176’。存在如下约束:检测系统68的检测器(即,数字微反射镜装置(DMD)114或相机/CCD)必须位于成像光学器件88的输出焦平面66.2中,输出焦平面66.2为由法布里-珀罗标准具78产生的圆形条纹96为最清晰的地方。对于其中反向散射相对靠近于传感器的大多数情况,反向散射图像将不对焦,但图像中仍存在相关信息。源光束18’与接收器光学器件176的视场 32之间的几何形状与具有输入望远镜26及准直透镜70的系统基本上相同。 [0209] 为插入参考源304,一种方法是使用将参考束16的一小部分302反射到光学路径中同时仅反射经反向散射光信号35的一小部分的分束器。通过取得第一激光束14的一部分并将所述信号耦合到光纤64(所述光纤将所述信号路由到需要其的地方)中来获得参考源304。来自光纤64的输出为发散的且随后由参考路径中的透镜准直。光纤64在参考透镜图像平面中的位置确定参考图像将出现在检测系统68上的何处。参考源304将经定位使得其照射不与经反向散射光信号35重叠。 [0210] 相关联光学器件可经设计使得参考照射图案将足以确定由法布里-珀罗标准具78产生的干涉图案的中心以及条纹的位置。随后使用此信息在对应于经反向散射光信号 35与法布里-珀罗干涉仪66的弧形条纹96’的相交点的范围处从图像提取大气数据200。 [0211] 参考图37,根据用于依据多个反向散射电子图像信号198确定大气的测量的过程3700,在步骤(3702)中,使用多个参考电子图像信号199来表征法布里-珀罗标准具78,其中速度u、分子计数M及背景计数B全部假设为零,关于分子计数M、背景计数B及温度t的偏导数也假设为零。接着,以步骤(3704)开始,针对每一感兴趣弧形条纹96’,在步骤(3706)中,依据预定函数或表给出相关联标称范围Ri,假定正分析的弧形条纹96’在输出焦平面66.2中的位置。接着,在步骤(3708)中,假定弧形条纹96’的相关联测量向量I(Xi),即,随沿着弧形条纹96’的径向距离而变的强度,根据上文中的教示内容求解大气测量中的一者或一者以上:气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B,如下文中将更全面地描述。接着,在步骤(3710)中,如果尚未分析所有感兴趣弧形条纹96’I(Xi),那么以上过程以步骤(3704)重复。否则,在步骤(3712)中,返回在步骤(3708)中分析的弧形条纹 96’I(Xi)中的每一者的一个或一个以上测量的向量U、t、M、A及/或B,连同相关联标称范围R的标称范围向量R,其中标称范围向量的标称范围Ri将取决于相关联速度Ui(响应于多普勒移位)及法布里-珀罗标准具78的间隙86。可接着使用这些向量来确定一个或一* 个以上测量U(r)、t(r)、M(r)、A(r)或B(r)随标称范围R而变的函数(如步骤(3714)所* * * * * * 指示),或在特定标称范围R 处对一个或一个以上测量U(r)、t(r)、M(r)、A(r)或B(r)内插值(如步骤(3716)所指示)。或者,通过(举例来说)借助标准具控制致动器202响应于多普勒移位而调整法布里-珀罗标准具78的间隙86来使标称范围向量R固定,即,与预定标称范围R集合相关联,使得正分析的相关联弧形条纹96’保持在实质上固定位置处,而不论大气24的条件如何。 [0212] 参考图38,根据第一方面,检测系统194.1包括数字微反射镜装置(DMD)114,其包括相关联微反射镜126阵列--举例来说,N个行及M个列的笛卡尔阵列,所述微反射镜中的每一者构成个别可寻址且可控制为至少三种可能相关联像素反射镜旋转状态140、142、312中的一者的可控制像素148。数字微反射镜装置(DMD)114位于法布里-珀罗干涉仪66的成像光学器件88的输出焦平面66.2中以便接收由法布里-珀罗干涉仪66处理的反向散射条纹图案196及参考条纹图案197,在经处理时,所述条纹图案的若干部分被选择性地反A B A B射到一对光电检测器120.1、120.2(举例来说,光电倍增器检测器120.1’、120.2’)上,由所述光电检测器从所述部分检测的互补信号160、162由数据处理器116处理以便实现随着标称范围R依据所述信号确定大气24的相关联测量,其中根据上文中所描述且图13到图 28中所图解说明的方法结合下文中所描述的与范围相依信号处理相关联的特征来处理互补信号160、162,其中反向散射条纹图案196及参考条纹图案197的不与正处理的特定范围相关联的部分通过以下方式来掩蔽:将与所述部分相关联的微反射镜126设定为第三像素A 反射镜旋转状态312以便借助相关联光挡块314阻挡那些部分以不由光电检测器120.1、B 120.2 检测,且在处理参考条纹图案197时类似地掩蔽整个反向散射条纹图案196。 [0213] 数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列中的处于第一像素反射镜旋转状态140中的微反射镜126致使来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散射条纹图案196或参考条纹图案197的撞击于其上的第一部分76’沿第一方向152反射到相关联第A 一物镜透镜154且由其引导到第一光电倍增器检测器120’。类似地,数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列中的处于第二像素反射镜旋转状态142中的微反射镜 126致使来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散射条纹图案196或参考条纹图案197的撞击于其上的第二部分76”沿第二方向156反射到相关联第二物镜透镜158且由其引导到第二B 光电倍增器检测器120’。最后,数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列中的处于第三像素反射镜旋转状态312中的微反射镜126致使来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散射条纹图案196或参考条纹图案197的撞击于其上的第三部分76”’沿第三方向 316反射到光挡块314,光挡块314实现吸收撞击于其上的光。举例来说,在一个实施例中,第三像素反射镜旋转状态312对应于相关联微反射镜126的实质上无旋转的状态,可(举例来说)通过以下方式来实现所述状态:向相关联微反射镜126以及其相关联反射镜地址电极及轭架地址电极施加共同电压,以便在与微反射镜126相关联的所有相关联电极对之间形成相等的静电排斥状态,借此将微反射镜126维持在实质上未经旋转条件下。 [0214] 数字微反射镜装置(DMD)114的微反射镜126为相对高效的,在一个实施例集合中具有接近90%的总体效率。因此,数字微反射镜装置(DMD)114实现将撞击于其上的光以数字方式隔离成两个不相交集合以找出光的正分析的部分,且实现掩蔽所述光的剩余部分。更特定来说,数字微反射镜装置(DMD)114用以询问来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散A 射条纹图案196及参考条纹图案197的若干部分,且与相关联第一光电倍增器检测器120’B 及第二光电倍增器检测器120’协作而实现产生相关联的一对或一对以上的相关联互补信号160、162,每一对互补信号响应于由特定像素反射镜旋转状态图案产生的由数字微反射镜装置(DMD)114反射的相关联的两个不相交光集合中的光子的数目,针对特定测量集合将数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列设定为所述特定像素反射镜旋A B 转状态图案,其中相关联第一光电倍增器检测器120’及第二光电倍增器检测器120’实现计数与由数字微反射镜装置(DMD)114反射的不相交光集合中的每一者相关联的光子的对应数目。 [0215] 在操作中,大气测量系统10、10iii的第三方面首先通过分析参考条纹图案197来校准法布里-珀罗标准具78,且接着通过以下方式依据在一个或一个以上特定标称范围R处或随标称范围R而变的反向散射条纹图案196及参考条纹图案197产生气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B的测量:根据图37中所图解说明且上文中所描述的过程剖析反向散射条纹图案196,以便单独地分析每一感兴趣弧形条纹96’,但使用上文中的方法,通过以下方式来分析反向散射条纹图案196及参考条纹图案197的选定部分:针对由反向散射条纹图案196及参考条纹图案197的在任何给定时间正分析的选定部分照射的微反射镜126子集连续地设定像素反射镜旋转状态140、142的相关联图案150、150.1、150.2、150.3、150.4、150.5,并将剩余微反射镜126设定为第三像素反射镜旋转状态312以便排除反向散射条纹图案196及参考条纹图案197的所述部分以不进行检测,以便响应于所述选定部分而确定气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B的测量,其中根据如上文中所描述的图37的步骤(3712)到(3716)来处理最终结果。因此,在分析参考条纹图案197时,将未由其照射的微反射镜126设定为第三像素反射镜旋转状态312,使得接着根据上文中所描述且图13到图28中所图解说明的方法处理仅来自参考条纹图案197的光。此外,在分析反向散射条纹图案196时,将未由在特定时间正分析的特定弧形条纹96’照射的微反射镜126设定为第三像素反射镜旋转状态312,使得接着根据上文中所描述且图13到图28中所图解说明的方法处理仅来自所述特定弧形条纹96’的光。 [0216] 参考图39,根据第二方面,检测系统194.2与检测系统194.1的第一方面相同,只不过相关联数字微反射镜装置(DMD)114经调适使得其相关联微反射镜126为个别可寻址的且可控制到至少两种可能相关联像素反射镜旋转状态140、142中的一者。数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列中的处于第一像素反射镜旋转状态140中的微反射镜126致使来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散射条纹图案196或参考条纹图案197的撞击于其上的第一部分76’及第二部分76”沿第一方向152反射到相关联第一物镜透镜154且由其引导到光电检测器120(举例来说,光电倍增器检测器120’)。 [0217] 根据与检测系统194.2的第二方面相关联的信号处理的第一方面,在不同时间使用数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列的不同相关联不相交像素反射镜旋转状态来依序反射第一部分76’及第二部分76”。因此,依序而非同时对相关联互补信号160、162进行取样-与检测系统194.2的第一方面形成对比,针对第一方面同时对互补信号160、162进行取样。因此,针对每一个参数,在第一时间点将数字微反射镜装置(DMD)114的与在正处理的区内的第一不相交部分94’相关联的微反射镜126设定为第一像素反射镜旋转状态140以测量第一互补信号160,且在第二时间点将数字微反射镜装置(DMD)114的与在正处理的区内的第二不相交部分94”相关联的微反射镜126设定为第一像素反射镜旋转状态140以测量第二互补信号162。在第一时间点及第二时间点两者期间,将数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列的在正处理的区之外的微反射镜126设定为第二像素反射镜旋转状态142以便致使来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散射条纹图案196或参考条纹图案197的撞击于其上的剩余部分沿第二方向156反射到杂散光挡块314’,杂散光挡块314’实现吸收撞击于其上的光。提供额外杂散光挡块314’以接收从数字微反射镜装置(DMD)114反射的杂散光。针对正检测的参数中的每一者重复此过程。因此,使用与检测系统194.2的第二方面相关联的信号处理第一方面,为了识别N个参数需要总共2N个测量。 [0218] 根据与检测系统194.2的第二方面相关联的信号处理第二方面,在反向散射条纹图案196及参考条纹图案197的每一区内需要仅N+1个测量来识别与所述区相关联的N个参数,其中所述测量中的一者是针对来自整个区的光,且剩余的N个测量是针对与参数中的每一者相关联的不相交部分94’或94”中的一者。接着针对每一参数通过从整个区的对应测量减去不相交部分94’或94”中的所述一者的对应测量来找出与剩余不相交部分94”或94’相关联的信号。 [0219] 因此,通过在第一点将数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126设定为第一像素反射镜旋转状态140以进行来自整个区的光的总信号318的测量来进行所述整个区的测量。接着,针对每一参数,随着对应的不同时间点,在所述时间点将数字微反射镜装置(DMD)114的在正处理的区内的与第一不相交部分94’或第二不相交部分94”相关联的微反射镜126设定为第一像素反射镜旋转状态140以测量对应第一互补信号160或第二互补信号162。在正进行这些测量时,将数字微反射镜装置(DMD)114的相关联微反射镜126阵列的在正处理的区之外的微反射镜126设定为第二像素反射镜旋转状态142以便致使来自法布里-珀罗干涉仪66的反向散射条纹图案196或参考条纹图案197的撞击于其上的剩余部分沿第二方向156反射到光挡块314,光挡块314实现吸收撞击于其上的光。针对N个不同参数中的每一者,通过从总信号318减去所测量的第一互补信号160或第二互补信号162来找出剩余的第二互补信号162或第一互补信号160。 [0220] 参考图40a到图40c,其图解说明大气测量系统10、10iv的第四方面,其与如上文中i所描述的图1及图9a到9b中所图解说明的大气测量系统10、10 的第一方面实质上相同,iv 只不过大气测量系统10、10 的第四方面并入有来自多个相关联最终光收集元件60的多个经反向散射光信号35’。在图40a到图40c中所图解说明的实施例中,来自与沿着对应相关联视线320.1、320.2的两个单独望远镜26、26.1、26.2相关联的对应单独最终光收集元件 60、60.1、60.2的两个经反向散射光信号35’、35.1’、35.2’由作为相关联反向散射信号通道110的对应光纤64、64.1、64.2引导到法布里-珀罗干涉仪66,所述通道在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处成像于对应于相关联经反向散射光信号35’、35.1’、35.2’的相关联图像35”的两个对应区206.1、206.2中。法布里-珀罗干涉仪66在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处依据第一经反向散射光信号35.1’产生第一反向散射条纹图案196.1’且在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处依据第二经反向散射光信号35.2’产生第二反向散射条纹图案196.2’。类似地,参考束16也由作为相关联参考通道108的对应光纤64、64.3作为参考光信号16’引导到法布里-珀罗干涉仪66,所述通道在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处成像于对应于相关联参考光信号16’的相关联图像16”的对应区206.3中,其中法布里-珀罗干涉仪66在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处依据参考光信号16’产生参考条纹图案197’。 [0221] 举例来说,图40b图解说明在不存在法布里-珀罗干涉仪66的情况下在法布里-珀罗干涉仪66的成像平面66.2处经反向散射光信号35’、35.1’、35.2’及参考光信号16’的图像,且图40c图解说明在法布里-珀罗干涉仪66处于适当位置中的情况下所得的相关联第一反向散射条纹图案196.1’及第二反向散射条纹图案196.2’以及参考条纹图案 197’。 [0222] 根据大气测量系统10、10iv的第四方面,根据相关联检测系统194.1、194.2的第一或第二方面,首先通过分析参考条纹图案197’来校准法布里-珀罗标准具78,且接着依据反向散射条纹图案196.1’、196.2’及参考条纹图案197’产生视线相对风速度U、静态温度Temp、分子计数MolCounts、气溶胶计数AeroCounts及背景计数BackCounts的测量,如上文中针对大气测量系统10的第一方面所描述,以针对每一单独反向散射条纹图案196.1’、196.2’响应于所述图案而确定视线相对风速度U、静态温度Temp、分子计数MolCounts、气溶胶计数AeroCounts及背景计数BackCounts的测量。 [0223] 更特定来说,根据相关联检测系统194.1、194.2的第一或第二方面,在分析参考条纹图案197’时,将未由其照射的微反射镜126设定为第三像素反射镜旋转状态312,使得接着根据上文中所描述且图解说明的方法处理仅来自参考条纹图案197’的光。此外,根据相关联检测系统194.1、194.2的第一或第二方面,在分析第一反向散射条纹图案196.1’时,将未由其照射的微反射镜126设定为第三像素反射镜旋转状态312,使得接着根据上文中所描述且图解说明的方法处理仅来自所述特定第一反向散射条纹图案196.1’的光。最后,根据相关联检测系统194.1、194.2的第一或第二方面,在分析第二反向散射条纹图案196.2’时,将未由其照射的微反射镜126设定为第三像素反射镜旋转状态312,使得接着根据上文中所描述且图解说明的方法处理仅来自所述特定第二反向散射条纹图案196.2’的光。 [0224] 还可与其它系统协作地应用处理相关联参考通道108及信号通道110的相关联圆形条纹图案94的不相交部分94’、94”;94.2’、94.2”的方法,所述其它系统实现产生类似于由如上文中所描述的一个或一个以上数字微反射镜装置(DMD)114实现的不相交部分的相关联不相交部分94’、94”;94.2’、94.2”,但所述系统不需要数字微反射镜装置(DMD)114。 [0225] 举例来说,在一个实施例中,可使用液晶装置(LCD)产生相关联不相交部分94’、94”;94.2’、94.2”,所述部分是通过在任何给定时间将LCD的相关联像素的透射图案控制为实现透射对应的选定不相交部分94’、94”;94.2’、94.2”而从相关联基础圆形条纹图案94提取的。举例来说,此可通过用偏光选择性分束器替换LCD中通常使用的偏光器中的一者来实现,其中所述分束器实现透射一个偏光同时反射另一偏光。所述LCD的输出则将由选定不相交图案及其补集(compliment)组成,一者被透射而另一者被反射。 [0226] 作为另一实例,可制作将来自不相交区的光引导到个别区域上的全息光学元件(HOE)。可构造将来自环(举例来说)的光聚焦到其中可定位检测器的单个小区域上的全息光学元件(HOE)。单独的不相交区域将把光引导到不同的检测器,所述检测器接着将用以检测每一不相交图案中的光。 [0227] 作为又一实例,可制作将光以选定图案聚焦到特定区上的微加工反射镜。位于那些区处的检测器接着将把光转换成将经测量及处理的电信号。 [0228] 作为又一实例,可将个别掩模移动到适当位置中以产生不相交图案。可将这些掩模配置在圆盘的边缘周围,且可将旋转到适当位置中的个别掩模或所述掩模布置成线性或二维阵列,且可使用一线性或一对线性致动器将选定掩模移动到适当位置中。 [0229] 或者,可从圆形条纹图案94的电子捕获的图像提取不相交部分94’、94”;94.2’、94.2”,所述图像为待处理的圆形条纹图案94的对应于相关联参考通道108及反向散射信号通道110的对应区的相关联不相交部分94’、94”;94.2’、94.2”的电子或软件集成。 [0230] 举例来说,参考图41a到图41e,大气测量系统10、10v的第五方面与图40a中所图iv解说明的大气测量系统10、10 的第四方面实质上相同,只不过并入有额外反向散射信号通道110以便实现处理来自大气24内的额外交互作用区30、30.3的额外经反向散射光信号35’、35.3’,举例来说,在所有单个共同第二光束18投射到大气24中的情况下。更特定来说,第一交互作用区30.1由第二光束18与相关联第一望远镜26.1的第一视场32.1的相交点界定,第一望远镜26.1具有与第一最终光收集元件60.1协作的第一透镜系统26.1’,第一最终光收集元件60.1实现沿着第一视线320.1看向第二光束18;第二交互作用区30.2由第二光束18与相关联第二望远镜26.2的第二视场32.2的相交点界定,第二望远镜26.2具有与第二最终光收集元件60.2协作的第二透镜系统26.2’,第二最终光收集元件60.2实现沿着第二视线320.2看向第二光束18;且第三交互作用区30.3由第二光束18与第二望远镜26.2的第三视场32.3及与第三最终光收集元件60.3协作的第二透镜系统26.2’的相交点界定,第三最终光收集元件60.3实现沿着第三视线320.3看向第二光束18,其中第三最终光收集元件60.3在第二望远镜26.2的焦平面内从相关联第二最终光收集元件60.2发生位移。 [0231] 第一光纤64.1将来自第一最终光收集元件60.1的所返回光子作为第一经反向散射光信号35.1’引导到准直透镜70的第一前焦平面70.1中的第一位置322.1;第二光纤64.2将来自第二最终光收集元件60.2的所返回光子作为第二经反向散射光信号35.2’引导到准直透镜70的第一前焦平面70.1中的第二位置322.2;第三光纤64.3将来自第三最终光收集元件60.2的所返回光子作为第三经反向散射光信号35.3’引导到准直透镜70的第一前焦平面70.1中的第三位置322.3,且第四光纤64.4将来自参考束16的所返回光子(举例来说,从相关联渐变折射率(GRIN)透镜324输入到其)作为对应参考光信号16’引导到准直透镜70的第一前焦平面70.1中的第四位置322.4,其中第一位置322.1、第二位置322.2、第三位置322.3及第四位置322.4相对于法布里-珀罗干涉仪66的成像光学器件66的光学轴在不同的任意径向及方位位置处。法布里-珀罗干涉仪66在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处依据第一经反向散射光信号35.1’产生第一反向散射条纹图案196.1’、在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处依据第二经反向散射光信号35.2’产生第二反向散射条纹图案196.2’,且在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处依据第三经反向散射光信号35.3’产生第三反向散射条纹图案196.3’。类似地,法布里-珀罗干涉仪66在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处依据参考光信号16’产生参考条纹图案197’。 [0232] 举例来说,图41b图解说明在不存在法布里-珀罗干涉仪66的情况下在法布里-珀罗干涉仪66的成像平面66.2处经反向散射光信号35’、35.1’、35.2’、35.3’及参考光信号16’的图像,且图41c图解说明在法布里-珀罗干涉仪66处于适当位置中的情况下所得的相关联第一反向散射条纹图案196.1’、第二反向散射条纹图案196.2’及第三反向散射条纹图案196.3’以及参考条纹图案197’,所述图案分别在法布里-珀罗干涉仪66的输出焦平面66.2处对应于相关联经反向散射光信号35’、35.1’、35.2’、35.3’的相关联图像35”及相关联参考光信号16’的相关联图像16”的对应相应区206.1、206.2、206.3及206.4处。 [0233] 大气测量系统10、10v的第五方面的检测系统68包括CCD检测系统68’-通常为电子图像捕获装置--其实现从法布里-珀罗干涉仪66的成像平面66.2捕获第一反向散射条纹图案196.1’、第二反向散射条纹图案196.2’及第三反向散射条纹图案196.3’以及参考条纹图案197’的图像326。 [0234] 参考图42a及图42b,接着处理此图像326以将来自圆形条纹图案94的第一反向散射条纹图案196.1’、第二反向散射条纹图案196.2’及第三反向散射条纹图案196.3’以及参考条纹图案197’中的每一者方位压缩为包括经装箱像素330.1、330.2、330.3及330.4的对应线的对应线性条纹图案328.1、328.2、328.3及328.4集合,接着单独地进一步处理所述线性条纹图案中的每一者以根据上文中所描述且图13到图28中所图解说明的方法确定对应相关联不相交部分94’、94”,举例来说,以便实现确定相关联反向散射信号通道110中的每一者的对应大气数据200。举例来说,如图42a及图42b中所图解说明,在一个实施例中,此借助在操作地耦合到相关联CCD检测系统68’的相关联数据处理器116上的软件中实施的圆形装箱算法来实现,所述算法实现对在距分别对应于第一反向散射条纹图案196.1’、第二反向散射条纹图案196.2’及第三反向散射条纹图案196.3’以及参考条纹图案197’的相关联圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的共同中心336特定半径334处的所有像素332求和。 [0235] 从CCD检测系统68’读取每一像素332且通过A/D转换过程对其进行转换。可通过增加CCD检测系统68’在读取循环之间的曝光时间来提高信号与读取噪声的比率,但此以相关联所得空气数据产物的动态频率响应的降低为代价。在识别圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的中心336之后,圆形装箱算法针对圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及 94.4中的每一者对特定圆形条纹图案94.1、94.2、94.3、94.4的距中心336特定半径处的每一像素332的CCD电荷(即,像素值)求和以便针对相应圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及 94.4中的每一者提供经装箱像素330.1、330.2、330.3、330.4的相应相关联线。 [0236] 参考图43,圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4集合的图像326包括N行×M列个像素332的阵列,所述像素中的每一者由CCD检测系统68’捕获且存储于大气测量系统10的相关联数据处理器116的存储器118中。图像326包括四个感兴趣区(ROI)338.1、338.2、338.3及338.4,每一感兴趣区包括含有相关联圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及 94.4且以圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的共同中心336为中心的段340,其中圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的中心336是在相关联大气测量系统10的初始校准或后续重新校准之后即确定的且假设在其操作期间为固定的。举例来说,可通过以下方式来确定中心336:记录相当大量(例如,数千个)圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4并确定中心336的位置--通过以初始猜想开始的迭代或最小平方或与作为待确定的未知数的中心336的坐标的相关--此实现所记录圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4与其以圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的中心336为中心的对应圆形模型的最佳拟合。 [0237] 参考图44a,根据圆形装箱过程4400的第一实施例,在步骤(4402)中,界定K×NROI箱阵列BIN(*,*),其中存储K个元素各自的NROI个向量以保持NROI=4个圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4中的每一者的经圆周装箱值,且将其每一值初始化为零。接着,在步骤(4404)及(4406)中,针对图像326中的像素332的N个行中的每一行i且针对所述像素的M个列中的每一列j,在步骤(4408)中从图像200读取像素180的值Pixel(i,j),且在步骤(4410)中,分别计算所述像素的对应X及Y位置,如下: [0238] xj=j·αx-x0 [0239] yi=i·αy-y0 (26) [0240] 其中αX及αY分别为每像素沿X及Y方向的距离,且x0及y0为中心336相对于图像200的左下角处的Pixel(1,1)的坐标。接着,在步骤(4412)中,将来自步骤(4410)的笛卡尔坐标(xj,yj)变换为圆柱坐标(R,θ),如下: [0241] [0242] [0243] 接着,在步骤(4414)中,如果角度θ在感兴趣区(ROI)204.1、204.2、204.3及204.4内,那么识别相关联感兴趣区ROI,且在步骤(4416)中,由下式给出径向箱索引k: [0244] [0245] 其中β为每像素沿径向方向的距离,且k0为中心336与圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的最靠近所述中心的最近部分之间的像素332的数目。接着,在步骤(4418)中,将相关联像素180的相关联值Pixel(i,j)添加到箱阵列BIN(,)的箱元素BIN(k,ROI),如下: [0246] BIN(k,ROI)=BIN(k,ROI)+Pixel(i,j) (29) [0247] 接着,或以其它方式从步骤(4414)开始,在步骤(4420)中,如果所有像素332已经圆周装箱,那么在步骤(4422)中,在相关联箱阵列BIN(*,NROI)中返回圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4中的每一者的经圆周装箱值。否则,所述过程针对像素332的行及列中的每一者以步骤(4404)及(4406)重复直到所有圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及 94.4被装箱为止。 [0248] 参考图43及图44b,或者,感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’及338.4’可由相应圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的对应相应圆形边界界定,在此情况下,圆形装箱过程4400的步骤(4414)将由步骤(4414′)替换,借此关于特定像素332是否在特定感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’及338.4’中的测试将取决于特定像素332的两个圆柱坐标(R,θ)。 [0249] 参考图45,根据圆形装箱过程4500的第二实施例,不是处理图像200的每一像素180,而是仅处理预界定感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’及338.4’中的那些像素180,其中,举例来说,感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’及338.4’由相应圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4的对应相应圆形边界界定。以步骤(4502)开始,针对每一感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’、338.4’,在步骤(4504)中,将相关联箱元素BIN(*,ROI)初始化为零。接着,在步骤(4506)中,通过N(ROI)的预定值给出特定感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’、338.4’中的像素180的数目。接着,在步骤(4508)中,针对特定感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’、338.4’中的N(ROI)个像素180中的像素m,通过分别来自预定索引阵列j(m,ROI)及i(m,ROI)的预定值在步骤(4510)中给出特定像素180的对应于其相关联X及Y位置的对应列j及行i索引,且通过预定索引阵列k(m,ROI)给出相关联箱阵列BIN(*,ROI)的特定像素180将被装箱到其中的对应元素k。因此,在步骤(4512)中,将第m个像素180装箱到箱阵列BIN(*,ROI)的第k个元素中,如下: [0250] BIN(k(m,ROI),ROI)=BIN(k(m,ROI),ROI)+Pixe(i(m,ROI),j(m,ROI)) (30)[0251] 接着,在步骤(4514)中,如果特定感兴趣区ROI中的所有像素m均已经装箱,那么过程继续步骤(4508)。否则,在步骤(4516)中,如果并非所有感兴趣区(ROI)338.1’、338.2’、338.3’及338.4’均已经装箱,那么过程继续步骤(4502)。否则,在步骤(4518)中,在相关联箱阵列BIN(*,NROI)中返回圆形条纹图案94.1、94.2、94.3及94.4中的每一者的经圆周装箱值。 [0252] 或者,可在由相关联检测系统68进行图像捕获之前通过针对来自圆形条纹图案94的第一反向散射条纹图案196.1’、第二反向散射条纹图案196.2’及第三反向散射条纹图案196.3’以及参考条纹图案197’中的待压缩的每一者使用圆/线干涉仪光学器件(CLIO)来将第一反向散射条纹图案196.1’、第二反向散射条纹图案196.2’及第三反向散射条纹图案196.3’以及参考条纹图案197’在物理上方位压缩成对应线性条纹图案328.1、 328.2、328.3及328.4。举例来说,每一圆/线干涉仪光学器件(CLIO)可根据以全文引用的方式并入本文中的第4,893,003号美国专利的教示内容且根据第7,495,774号美国专利的教示内容(从第22行8列到第50行10列,参考其中包含的图8到图15b,及从第54行 29列到第41行30列,参考其中包含的图35到图39,所有这些以引用的方式并入本文中)来构造及操作。 [0253] 此外,或者,全息光学元件可经调适以将弧形条纹96’变换成对应线性光分布,举例来说,根据以全文引用的方式并入本文中的第6,613,908号美国专利的教示内容。 [0254] 每一望远镜26包括一透镜系统62,且由其收集的光信号35由其最后光收集元件60收集到对应光纤64.2、64.3、64.4中,所述光纤将所返回光子引导到法布里-珀罗干涉仪66的相关联部分及相关联检测系统68以供由所述检测系统处理。来自激光器12及分束器光学器件20的参考束16由单独的最后光收集元件60单独地收集到光纤64.1中,以被引导到法布里-珀罗干涉仪66的单独部分及相关联检测系统68以供由所述检测系统随后处理。举例来说,望远镜26.1、26.2及26.3的最终光收集元件60以及用于收集参考束 16的光收集元件302可包括GRIN透镜或非球面透镜。在一个实施例中,将四条光纤64.1、 64.2、64.3及64.4中的相关联纤维一起捆成光纤束64’,其将激光器12及光学头22操作地耦合到法布里-珀罗干涉仪66。光纤64.1、64.2、64.3及64.4及/或光纤束64’的使用实现简化法布里-珀罗干涉仪66与望远镜26.1、26.2及26.3以及与来自激光器12的参考束16的对准。此外,单独的光纤64可用以将激光器12操作地耦合到光学头22,直接从激光器12的输出耦合到光学头22--其中的后者可在光学头22’的替代实施例中调适以并入第一分束器光学器件20.1--或者从第一分束器光学器件20.1耦合到光学头22或两者,以便实现相对于激光器12封装光学头22的灵活性,此可特别有益于飞机安装形式,针对所述形式光学头22安装在接近于飞机的表面处,以便实现将激光器12安装在飞机内较有利且稳定的环境中。互连激光器12与光学头22的光纤64还实现相关联第一激光束14与光学头22的精确对准,且简化其相关联组件的相关联安装及维护。 [0255] 可视需要调适相关联光纤64、64.1、64.2、64.3、64.4以并入非过度曝光纤维以便减轻因原本可使相关联纤维过度曝光且借此使相关联光纤传输降级的相对高能UV激光所致的降级。此外,从激光器12到光学头22的光纤64可包括一束相关联纤维,每一纤维经调适以将待传输的总光的一部分传输到光学头22,以便减小所述束的每一纤维内的能量密度且借此减轻其降级。举例来说,可使用扩束器扩大第一激光束14以便在多个相关联纤维当中分配其相关联能量。 [0256] 大气测量系统10可经调适而具有多条不同的线性独立视线320以便实现获得相关联向量空气数据产物。举例来说,在三条线性独立视线320、320.1、320.2或320.3的情况下,举例来说,使用三条不同相关联第二激光束18、18.1、18.2、18.3或相关联光束18’、18.1’、18.2’、18.3’及沿着每一第二激光束18或相关联光束18’共同地界定相关联交互作用区30的三个对应相关联望远镜26、26.1、26.2及26.3,可组合地使用来自沿着每一相关联视线320的每一交互作用区30的所得大气数据200以确定沿着任一方向的相对风速度的对应测量V或相对风速度的对应向量测量V。 [0257] 举例来说,参考图12b及图46,根据第一测量过程4602,依据与对应信号通道110.1、110.2或110.3相关联的相关联圆形条纹图案94.1、94.2或94.3的形心和与参考通道108相关联的圆形条纹图案94.4的形心相比的差针对每一视线320.1、320.2或320.3确定沿着相关联望远镜26.1、26.2及26.3的对应相关联视场32的对应视线方向的相对风速度V1、V2或V3。相对于光学轴100的条纹位置与波长直接有关。因此,与信号通道110.1、 110.2或110.3相关联的圆形条纹图案94.1、94.2或94.3和与参考通道108相关联的圆形条纹图案94.4之间的波长差为响应于分子或气溶胶散射而从大气24反向散射的光28的分子/气溶胶多普勒移位的直接测量。通过以下方式来计算针对每一相关联信号通道 110.1、110.2或110.3的相对风速度V1、V2或V3:从参考通道108的对应“视线速度U”可观测量减去相关联视线速度U可观测量,类似地经如此求解,以便提供相关联经校准相对风速度V1、V2或V3。 [0258] 参考图12b及图46,根据第二测量过程4604,依据与信号通道110.1、110.2或110.3相关联的相关联圆形条纹图案94.1、94.2或94.3的圆形条纹96.的分子信号分量 163.2、165.2的积分确定空气密度(即,静态密度ρ)。大气24的密度与分子密度而非气溶胶密度有关。因此,通过对经反向散射光进行光谱解析并将光谱去卷积成相关联分子及气溶胶贡献而将瑞利反向散射与米氏反向散射分离,此实现根据瑞利散射理论依据相关联分子分量响应于其中的光子的总数(即,响应于分子信号分量的积分)而确定大气24的密度。空气越密集,就存在越多的分子将光28散射回到望远镜26以供由相关联检测系统68检测。可观测量MolCounts及AeroCounts内在地实现将光谱去卷积成相关联分子及气溶胶贡献,即,MolCounts是响应于分子贡献的积分,且AeroCounts是响应于气溶胶贡献的积分。因此,静态密度由ρ=C·MolCounts给出,其中C为取决于界定大气测量系统10的参数(即,激光功率、交互作用区、系统的透射性、检测器的增益、望远镜的大小及来自大气分子的反向散射的系数)的以经验确定的常数。 [0259] 参考图12b及图46,根据第三测量过程4606,依据与信号通道110.1、110.2或110.3相关联的相关联圆形条纹图案94.1、94.2或94.3的圆形条纹96.的分子信号分量 163.2、165.2的宽度确定大气24的绝对温度(即,静态温度TS)。大气24的温度影响组成分子的随机热运动,此导致相关联经散射辐射的光谱的相关联热展宽--在光谱学领域中称为“多普勒展宽”,这是因为沿分子整体的所有方向的随机速度--借此增加相关联信号带宽,此在来自法布里-珀罗干涉仪66的相关联圆形条纹图案94.1、94.2或94.3中产生对应较宽的条纹。大气24的绝对温度与此信号带宽直接有关且直接确定为可观测温度t。 [0260] 参考图46,针对飞机400中的空气数据系统的实例,可如下计算各种其它所测量空气数据产物:根据第四测量过程4608,首先使用已知的变换将通过第一测量过程4602针对每一视线320.1、320.2或320.3沿着相关联望远镜26.1、26.2及26.3的对应相关联视场32的对应视线方向确定的相对风速度V1、V2及V3从视线参考帧变换成大气测量系统10的参考帧(xm、ym及zm)且接着变换成飞机400的参考帧(x、y、z),以便在飞机400的参考帧(x、y、z)中提供相对风速度VX、VY及VZ,据此可根据第五测量过程4610依据相对风速度VX、VY及VZ来计算真空速VT。垂直速度H′P由相对风速度的Z分量VZ给出。可根据第六测量过程4612依据相对风速度的Y分量VY及真空速VT计算侧滑。可根据第七测量过程4614依据相对风速度的X分量VX及Z分量VZ计算迎角。气溶胶与总散射比率(ASR)还可作为可观测量AeroCounts与可观测量MolCounts、AeroCounts及BackCounts的总和的比率来计算。参考图47,可接着使用静态密度ρ、静态温度TS、真空速VT、侧滑及迎角的所测量值以使用相关联的已知关系及过程来计算以下所导出值:空气密度比率、静态压力、总压力、压力高度、总温度、声速、马赫数、动态压力、经校准空速、侧滑角压力差及迎角压力差。 [0261] 参考图48,各种大气测量系统10、10i、10ii、10iii、10iv、10v可用于多种应用中,包含:(举例来说)飞机400或UAV 402的飞行控制或飞行数据监视;或者从飞机400.1、400.2、UAV 402、气球404、卫星406或陆基激光雷达系统408监视大气或天气条件。 [0262] 举例来说,图48中所图解说明的飞机400、400.1及UAV 402各自并入有大气测量系统10,所述大气测量系统并入有三条视线320以便实现测量相关联相对风向量以及其它空气数据产物。通常,大气测量系统10可经调适以用于机身应用,举例来说,所述应用可另外并入有用于测量空速的皮托静压管。除空速以外,大气测量系统10还实现以光学方式测量或依据光学测量计算相当大量的空气数据产物,且可经调适以检测风切、尾流、晴空湍流及发动机失速(急停)条件。常见的空气数据产物包含(但不限于):马赫数、真空速、经校准空速、垂直速度、静态密度、静态空气温度、侧滑、迎角、压力高度及动态压力。所述空气数据产物可由飞机飞行计算机直接用于飞行控制目的。大气测量系统10实现可嵌装到机身外壳的机身独立设计,例如,不具有原本可增加机身的雷达横截面及拖曳的突出部,以便实现相对低的可观性及拖曳。大气测量系统10可以相当大的迎角操作。举例来说,配置恰当的大气测量系统10可以90度迎角操作。大气测量系统10可经调适而适于多种机身,举例来说,包含可高度操纵飞机及可盘旋飞机。大气测量系统10实现校准、重新校准或维修可相对廉价的机身独立设计。 [0263] 作为另一实例,图48中所图解说明的飞机400、400.1、400.2、UAV 402及气球404各自并入有经调适而具有多条视线320的大气测量系统10,以便实现实质上同时测量来自沿着相关联视线320中的每一者的一个或一个以上交互作用区30的空气数据产物。举例来说,第一飞机400.1并入有相对于其相关联行进方向横向分布的两条视线320,且第二飞机400.2并入有相对于其相关联行进方向横向分布的五条视线320,以便实现自动地获取可用于监视或预测天气或者用于监视进入到大气中的特定排放物的相当大量的大气数据(例如,密度、温度及风速度)。根据另一实施例,图解说明UAV 402具有实质上沿着其行进方向的视线320,此可实现自动地获取(举例来说)可用于监视或预测天气动态或者用于监视进入到大气中的微粒排放物的动态的相当大量的大气数据(例如,密度、温度及风速度)。通常,多条视线320相对于相关联运载工具或其相关联行进方向的定向并非限制性,即,可使用其它定向或若干定向的组合。 [0264] 作为又一实例,图48中所图解说明的卫星406及陆基激光雷达系统408各自并入有经调适而具有视线320的大气测量系统10,所述视线分别被向下或向上引导到大气中,以便实现测量来自沿着相关联的一个或一个以上视线320中的每一者的一个或一个以上交互作用区30的空气数据产物,举例来说,以便实现自动地获取可用于监视或预测天气或者用于监视进入到大气中的特定排放物的相当大量的大气数据(例如,密度、温度及风速度)。 [0265] 作为又一实例,陆基激光雷达系统408及相关联大气测量系统10可与包括可在方位上旋转的平台412的常平架机构410操作地相关联,平台412经调适以枢转地支撑相关联光学头22以便实现光学头22相对于基座414的竖仰旋转,可在方位上旋转的平台412与基座414操作地相关联。因此,可在方位上旋转的平台412经调适以(举例来说)响应于相关联电机驱动系统而相对于基座414旋转,以便界定光学头22的相关联方位角,且光学头22经调适以(举例来说)响应于相关联电机驱动系统而相对于可在方位上旋转的平台412旋转,以便界定光学头22的相关联仰角。 [0266] 大气测量系统10可应用于晴空湍流的检测、光学空气数据系统、大气气溶胶表征、烟雾检测及生物剂/化学剂检测。采用大气测量系统10的空气数据系统可用于现场火炮射击方向控制、小型武器风力校正、机场湍流监视及船舶导航速度/天气监视。此系统将非常适用于为其中微尺度气流有着显著影响的任何运动事件(例如高尔夫球、足球、棒球等)预测天气。此系统还将适用于风电场现场评定、风电场监视及风力涡轮机控制。 [0267] 举例来说,在到火炮的应用中,大气测量系统10可安装于运载工具上或由操作者载运到将使火炮射击的位置。大气测量系统10接着将测量炮弹将经射击而穿过的大气体积中的大气参数,例如风速度、风方向、温度、密度及压力。这些参数是军事中使用的当代射击方向控制系统的标准输入,举例来说,如在“FM 6-40/MCWP 3-16.4野战火炮手动炮击战术、技术及程序(野战手册)(FM 6-40/MCWP 3-16.4Tactics,Techniques,and Procedures for FIELD ARTILLERY MANUAL CANNON GUNNERY(Field Manual))”中所描述,所述文献以引用的方式并入本文中。通过计及沿着炮弹的飞行路径的这些大气参数,可减小圆概率误差(CEP)且改进准确性。 [0268] 作为另一实例,在到帆船的应用中,大气测量系统10可用以为依靠风获得其推进力的船舶提供风速度、风方向、温度、密度、压力或船舶周围的相关联风场的测量。举例来说,例如在美洲杯中使用的赛艇可从了解其船舶附近的风以及其赛场附近的风中获益。此信息可用以实现修整帆、部署翼板或空气动力推进装置或规划轨迹以便最大限度地利用当前风条件。娱乐用户可类似地使用关于在其船只附近的区中吹的风的信息。 [0269] 作为又一实例,在到运动事件的应用中,大气测量系统10可提供关于局地风的信息以便使得参与者能够相应地进行调适。举例来说,如果有关于风正在球的整个飞行路径上吹的信息或假如一阵风正在接近或即将消失,那么高尔夫球运动员可补偿或利用局地风,以便使得高尔夫球员能够相应地调整其击球或等待更佳条件。即使个别运动员不能获得风信息,其也将有益于广播员向观众展示风的图形、球的轨迹及风如何影响特定击球。大气测量系统10在其它运动场所(例如,棒球或足球)中也为有益的,举例来说,以便使得广播员能够图解说明棒球可能如何已被体育场中的风阻滞或展示风已如何影响足球中的传球、踢悬空球或射门得分,以便增强球迷的观看体验。如果有关于体育场中的风的信息,那么运动员可相应地调整其动作,举例来说,在击高飞球或踢射门得分球时。 [0270] 作为又一实例,在到风诱发建筑物摇摆的控制的应用中,大气测量系统10可提供关于建筑物的风场的预先信息,以便实现对原本在强风中会经受摇摆的高建筑物的风响应或风预期控制。大多数现代高建筑物并入有某种形式的阻尼以控制建筑物在强风中摇摆的程度。大气测量系统10可向相关联控制环路提供预测性分量(前馈),以便实现改进这些阻尼系统的性能。 [0271] 作为又一实例,在到道路安全的应用中,大气测量系统10可用以监视影响桥的风场,以便实现响应于所述风场而对桥结构的有效控制或者实现控制或限制桥上的交通。类似地,大气测量系统10可用以监视沿着其中强风经常地对行者造成危险的区域中的道路的风条件,且向将进入这些区域的驾车者提供实时警示。大气测量系统10可用以检测易有雾道路区域中雾的存在,且在进入这些区域之前向驾车者警示雾的存在。 [0272] 作为又一实例,在到空气污染物的控制及/或散布的应用中,大气测量系统10可用于便携式风测量系统中以便使得负责方能够较准确地预测气载污染物前往的地方且辅助评定所述污染物正被散布或稀释的程度。甚至在不存在界定烟缕的可见气溶胶时,局地风映射连同温度及压力测量也将提供用于预测标称危险区域的模型的输入。 [0273] 作为又一实例,大气测量系统10可用于风洞中以实现风洞内的范围解析气流测量,其可提供风洞内的在一点处、沿着一线或在风洞的体积内的气流的密度及温度以及速度而不会扰乱相关联流场,其中风洞用以测量气流如何与其中正测试的对象交互作用。 [0274] 作为又一实例,大气测量系统10可用于机场处以(举例来说)通过实现检测由大型飞机起飞或着陆产生的晴空湍流)而增强机场安全性,且还提供可影响升降且因此影响在所述机场处操作的飞机的性能的空气温度及密度的测量。 [0275] 作为又一实例,大气测量系统10可用以(举例来说)通过实现映射飞机附近的风且因此给飞行员提供借助其它手段充其量是难以获得的信息而增强飞机安全性。举例来说,在旋翼飞机中,大气测量系统10可提供在旋翼下洗之外的风信息以便帮助飞行员维持在疾风条件下的盘旋。在常规固定翼飞机中,大气测量系统10可提供着陆或起飞期间侧风的测量,且可用以检测飞行期间的晴空湍流。在滑翔机中,大气测量系统10可提供飞机正在其内操作的风场的测量,且可提供对定位上升气流以便保持在空中的辅助。大气测量系统10实现测量(举例来说)出于着陆的目的在一些飞机场处原本不可获得的风速度、空气温度及空气密度。 [0276] 作为又一实例,大气测量系统10可用于(举例来说)通过以下方式而支持空投:监视进行投放的飞机下方的风场以便确定何时投放有效负载,或者借助安装在有效负载上的大气测量系统10监视空中的风场以便实现在下降期间调整相关联降落伞,以便实现控制所得投放位置使得有效负载沉降到比原本可能实现的更靠近于所要投放区域之处。或者,可通过相关联飞机从上方监视风场,且可接着将所得测量传递到有效负载以实现相应地控制一个或一个以上相关联降落伞或减速伞以便控制所得投放位置。 [0277] 作为又一实例,大气测量系统10可用以表征大气。大气测量系统10可用以提供大气16的速度、温度及密度的范围解析测量,其可由气象学家及/或由大气科学家使用,举例来说,以便实现预测或分析天气。 [0278] 作为又一实例,大气测量系统10可用在海洋平台上,举例来说,石油钻探及生产平台,以便提供风速度及方向的范围解析测量,举例来说,以实现使直升飞机着陆,以控制平台在海洋上的位置或以在出现强风或疾风之前提供对一般平台操作的警示。 [0279] 虽然本文中所描述的大气测量系统10、10i、10ii、10iii、10ic、10v已各自并入有法布里-珀罗干涉仪66,但应理解还可代替地使用任何类型的干涉仪,举例来说,包含(但不限于)迈克耳逊(Michelson)干涉仪及其相关联变化形式、泰曼-格林(Twyman-Green)干涉仪或斐索(Fizeau)干涉仪。 |