范围成像激光雷达

申请号 CN201080021309.9 申请日 2010-05-15 公开(公告)号 CN102439393B 公开(公告)日 2014-08-20
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;
摘要 由 流体 介质(16)的由实质上单色光(14)的束(18)照射的一部分散射的光(32)是接收在标称地沿着相对于所述束(18)而沿不同方向(θ)定向的轴(36)的视场(34)内且由干涉仪(44)处理以产生对应条纹图案(60),所述对应条纹图案(60)经检测及处理以产生所述流体介质(16)的在多个不同范围(R)处的至少一个测量(A、M、u、t、B、p、Ts、V、ASR,68)。
权利要求

1.一种对流体介质进行遥感的方法,其包括:
a.从所述流体介质的一部分接收经散射光,其中所述经散射光是沿着第一实质上单色光束产生的,所述第一实质上单色光束沿着第一轴投射到所述流体介质中,且所述接收所述经散射光的操作标称地沿着相对于所述第一轴而沿不同方向定向的第二轴;
b.形成穿过干涉仪的所述经散射光的图像,其中所述经散射光的所述图像包括第一多个条纹,且所述第一多个条纹中的每一条纹与所述流体介质的所述部分的在不同范围处的不同部分相关联;
c.检测所述经散射光的所述第一多个条纹的所述图像的至少一部分以便产生多个对应经检测信号
d.分析所述第一多个条纹中的体现在所述多个经检测信号中的至少第一条纹,以便在所述流体介质的在第一范围处的第一部分内确定所述流体介质的至少一个测量;及e.分析所述第一多个条纹中的体现在所述多个经检测信号中的至少第二条纹,以便在所述流体介质的在至少第二范围处的至少第二部分内确定所述流体介质的至少一个测量,其中所述流体介质的所述第一部分不同于所述流体介质的所述第二部分,且所述第一范围不同于所述第二范围。
2.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括:
a.从所述实质上单色光的源接收所述实质上单色光的一部分作为参考源;及b.检测所述参考源,其中所述分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹及分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的操作是响应于从所述参考源检测到的至少一个对应参考信号。
3.根据权利要求2所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述检测所述参考源的操作包括检测所述参考源的强度。
4.根据权利要求2所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括:
a.形成穿过所述干涉仪的所述参考源的图像,其中所述参考源的所述图像包括至少第二条纹;及
b.处理所述至少所述第二条纹,其中所述分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹及分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的操作是响应于所述处理所述至少所述第二条纹的操作。
5.根据权利要求4所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括在形成穿过所述干涉仪的所述经散射光的所述图像及穿过所述干涉仪的所述参考源的所述图像之前使所述参考源的所述实质上单色光与所述经散射光交错。
6.根据权利要求5所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括在所述使所述参考源的所述实质上单色光与所述经散射光交错的操作之前掩蔽所述参考源的一部分,以便防止在穿过所述干涉仪的所述经散射光及所述参考源的所述图像中所述第一多个条纹与所述至少所述第二条纹有实质性的重叠。
7.根据权利要求6所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述掩蔽所述参考源的所述部分的操作包括阻挡所述参考源的所述部分以免透射到所述干涉仪。
8.根据权利要求6所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述掩蔽所述参考源的所述部分的操作包括以可控方式将所述参考源的所述部分反射远离所述干涉仪。
9.根据权利要求5所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括在所述使所述参考源的所述实质上单色光与所述经散射光交错的操作之前掩蔽所述经散射光的一部分,以便防止在穿过所述干涉仪的所述经散射光的所述图像及穿过所述干涉仪的所述参考源的所述图像中所述第一多个条纹与所述至少所述第二条纹有实质性的重叠。
10.根据权利要求5所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括在所述使所述参考源的所述实质上单色光与所述经散射光交错的操作之前扩散及扩张所述参考源的所述实质上单色光的度分集。
11.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括产生所述第一实质上单色光束并沿着所述第一轴将所述第一实质上单色光束投射到所述流体介质中。
12.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括在所述形成穿过所述干涉仪的所述经散射光的所述图像的操作之前对所述经散射光进行准直
13.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述至少所述第一条纹及所述至少所述第二条纹中的每一者为弧形形状的,所述方法进一步包括对所述至少所述第一条纹及所述至少所述第二条纹进行方位压缩以便形成相关联线性条纹图案,其中所述检测所述第一多个条纹的所述图像的至少一部分的操作包括检测所述相关联线性条纹图案的至少一部分。
14.根据权利要求13所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述对所述至少所述第一条纹及所述至少所述第二条纹进行方位压缩的操作包括对对应于所述第一多个条纹的所述图像的所述多个经检测信号的至少一部分进行装箱,以便产生表示所述至少所述第一条纹及所述至少所述第二条纹的对应的至少一个经检测信号集合。
15.根据权利要求13所述的对流体介质进行遥感的方法,其中在所述检测所述第一多个条纹的所述图像的至少所述部分的操作之前借助圆/线干涉仪光学器件或全息光学元件来执行所述对所述至少所述第一条纹及所述至少所述第二条纹进行方位压缩的操作。
16.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气。
17.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质的与所述流体介质的所述第一及第二部分中的至少一者相关联的所述至少一个测量包括所述流体介质的速度。
18.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质的与所述流体介质的所述第一及第二部分中的至少一者相关联的所述至少一个测量包括所述流体介质的温度
19.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质的与所述流体介质的所述第一及第二部分中的至少一者相关联的所述至少一个测量包括所述流体介质的密度
20.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括界定包括所述干涉仪的作为所述第一多个条纹的基础的光学响应的模型的第一函数,其中所述第一函数并入有响应于所述流体介质的至少一个参数,所述检测所述图像的操作包括响应于所述图像的强度分布而产生一图像数据集合,所述分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹及分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的操作中的至少一者是根据对所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹或所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的对应于所述流体介质的对应部分的对应条纹数据的函数拟合过程,其中所述函数拟合过程包括确定所述第一函数的与所述对应条纹数据相关联的所述至少一个参数,使得所述第一函数至少近似所述图像数据集合的对应于所述对应条纹数据的一部分,且所述流体介质的在所述流体介质的所述对应部分内的所述至少一个测量是响应于与所述对应条纹数据相关联的所述至少一个参数。
21.根据权利要求20所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气,且所述第一函数是响应于以下各项:响应于由所述大气中的气溶胶散射的光子的数目、响应于由所述大气中的分子散射的光子的数目、由背景辐射产生的光子的数目、所述大气的速度的量值及所述大气的温度。
22.根据权利要求20所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括
a.从所述实质上单色光的源接收所述实质上单色光的一部分作为参考源;及b.检测所述参考源,其中所述分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹及分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的操作是响应于从所述参考源检测到的至少一个对应参考信号,其中所述第一函数包括与所述干涉仪的至少一个缺陷有关的至少一个项,所述方法进一步包括响应于所述至少一个对应参考信号而表征与所述至少一个缺陷有关的所述至少一个项。
23.根据权利要求1所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括
a.界定包括所述干涉仪的作为所述第一多个条纹的基础的光学响应的模型的第一函数,其中所述第一函数并入有响应于所述流体介质的至少一个参数,
b.界定作为所述第一函数关于对应的一个所述至少一个参数的偏导数的至少一个第二函数,其中所述检测并分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹及检测并分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的操作集合中的至少一者是根据对所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹或所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的对应于所述流体介质的对应部分的对应条纹数据的积分与求解过程,其中所述积分与求解过程包括:
i.选择性地对所述对应条纹数据的至少一个部分进行积分,其中响应于所述至少一个第二函数的值与对应阈值的关系而选择所述对应条纹数据的所述至少一个部分,其中所述至少一个第二函数对应于所述对应的一个所述至少一个参数,且所述选择性地对所述对应条纹数据的所述至少一个部分进行积分的操作实现产生对应经积分信号值;
ii针对待识别的每一所述至少一个参数重复所述选择性地对所述对应条纹数据的所述至少一个部分进行积分的操作,以便实现产生一经积分信号值集合,其中所述经积分信号值集合包括针对待识别的每一所述至少一个参数的第一及第二互补信号的集合或所述第一及第二互补信号中的对应于每一所述对应的一个所述至少一个参数的至少一者与由所述对应条纹数据整体的积分产生的经积分信号值的组合,所述第一互补信号对应于所述对应条纹数据的第一部分的所述对应经积分信号值,针对所述第一部分所述至少一个第二函数超过第一阈值,且所述第二互补信号对应于所述对应条纹数据的第二部分的所述对应经积分信号值,针对所述第二部分所述至少一个第二函数小于第二阈值;及iii.依据所述经积分信号值集合确定所述第一函数的与所述对应条纹数据相关联的所述至少一个参数,其中所述流体介质的在所述流体介质的所述对应部分内的所述至少一个测量是响应于与所述对应条纹数据相关联的所述至少一个参数。
24.根据权利要求23所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气,且所述第一函数是响应于以下各项:响应于由所述大气中的气溶胶散射的光子的数目、响应于由所述大气中的分子散射的光子的数目、由背景辐射产生的光子的数目、所述大气的速度的量值及所述大气的温度。
25.根据权利要求23所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气,且所述第一函数为I(phi)=A*H(phi,mA)+M*H(phi,mM)+B*T^2/(1-R^2)的形式,其中I为所述第一多个条纹的所述图像的所述部分的响应于phi的强度,phi为响应于对应于所述大气的速度的一个所述至少一个参数且响应于所述第一多个条纹的径向尺寸的函数,A为表示由所述大气中的气溶胶颗粒散射的光子的数目的一个所述至少一个参数,mA为所述气溶胶颗粒的分子质量,M为表示由所述大气中的分子散射的光子的数目的一个所述至少一个参数,mM为所述分子的分子质量,B为表示来自所述大气的背景光子的数目的一个所述至少一个参数,T为与所述干涉仪相关联的透射率,R为与所述干涉仪相关联的反射率,且H为响应于所述干涉仪的至少一个缺陷测量且响应于一个响应于所述大气的温度的所述至少一个参数的函数。
26.根据权利要求23所述的对流体介质进行遥感的方法,其进一步包括:
a.从所述实质上单色光的源接收所述实质上单色光的一部分作为参考源;及b.检测所述参考源,其中所述分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第一条纹及分析所述第一多个条纹中的所述至少所述第二条纹的操作是响应于从所述参考源检测到的至少一个对应参考信号,且所述第一函数包括与所述干涉仪的至少一个缺陷有关的至少一个项,所述方法进一步包括响应于所述对应参考信号而表征与所述至少一个缺陷有关的所述至少一个项。
27.根据权利要求23所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述第一及第二阈值取决于所述至少一个参数。
28.根据权利要求23所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述选择性地对所述对应条纹数据的所述至少一个部分进行积分的操作包括选择性地将与所述对应条纹数据相关联的光的至少一个部分反射到至少一个光电检测器,其中所述至少一个光电检测器产生所述对应经积分信号值。
29.根据权利要求28所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述选择性地将与所述对应条纹数据相关联的光的所述至少一个部分反射到所述至少一个光电检测器的操作包括将与所述对应条纹数据相关联的光的所述至少一个部分的第一不相交部分反射到第一光电检测器以产生所述第一互补信号,并将与所述对应条纹数据相关联的光的所述至少一个部分的第二不相交部分反射到第二光电检测器以产生所述第二互补信号。
30.根据权利要求28所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述选择性地将与所述对应条纹数据相关联的光的所述至少一个部分反射到所述至少一个光电检测器的操作包括将与所述对应条纹数据相关联的光的所述至少一个部分的第一及第二不相交部分中的一者反射到共同的一个所述至少一个光电检测器,以便实现产生对应的所述第一互补信号或所述第二互补信号。
31.根据权利要求11所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气,且从空中运载工具执行所述产生所述第一实质上单色光束及从所述大气的所述部分接收所述经散射光的操作,且所述大气在所述大气的所述第一及第二部分中的每一者内的所述至少一个测量实现产生用于控制所述空中运载工具的空气数据。
32.根据权利要求11所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气,且从空中运载工具执行所述产生所述第一实质上单色光束及从所述大气的所述部分接收所述经散射光的操作,且所述大气在所述大气的所述第一及第二部分中的每一者内的所述至少一个测量实现监视所述大气。
33.根据权利要求11所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气,且从涡轮机的外壳或所述风力涡轮机的旋转部分的中心轴中的至少一者执行所述产生所述第一实质上单色光束及从所述大气的所述部分接收所述经散射光的操作,且所述大气在所述大气的所述第一及第二部分中的每一者内的所述至少一个测量实现控制所述风力涡轮机。
34.根据权利要求11所述的对流体介质进行遥感的方法,其中所述流体介质包括大气,且从地面站执行所述产生所述第一实质上单色光束及从所述大气的所述部分接收所述经散射光的操作,且所述大气在所述大气的所述第一及第二部分中的每一者内的所述至少一个测量提供监视或预测所述大气中的至少一种天气条件。
35.一种用于对流体介质进行遥感的系统,其包括:
a.第一实质上单色光束,其沿着第一轴投射到所述流体介质中;
b.干涉仪,其经配置以沿着所述第一实质上单色光束的一部分从所述流体介质接收所述第一实质上单色光束的经散射光;
c.接收器光学器件集合及成像光学器件集合中的至少一者,其中所述接收器光学器件集合及所述成像光学器件集合中的所述至少一者包括接收所述经散射光所沿着的光学轴,所述接收器光学器件集合在存在的情况下在所述干涉仪与所述第一实质上单色光束的所述部分之间操作,所述成像光学器件集合与所述干涉仪操作地相关联或为所述干涉仪的一部分,所述成像光学器件集合实现响应于所述经散射光而产生来自所述干涉仪的第一多个条纹的图像,其中所述第一多个条纹的所述图像位于所述成像光学器件集合的焦平面处,且所述光学轴相对于所述第一轴而沿不同方向定向;及
d.至少一个检测器,其与所述成像光学器件集合操作地相关联,其中所述至少一个检测器实现检测所述第一多个条纹的所述图像,且所述第一多个条纹中的不同条纹与所述流体介质的沿着所述第一实质上单色光束的所述部分的不同部分相关联。
36.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述第一实质上单色光束包括紫外线光。
37.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括用以产生所述第一实质上单色光束的光源
38.根据权利要求37所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述光源包括激光器
39.根据权利要求37所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括滤波器,所述滤波器与所述光源协作以便实现使投射到所述流体介质中的所述第一实质上单色光束为实质上单色的。
40.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括操作地耦合到所述至少一个检测器的处理器,其中所述处理器实现响应于所述至少一个检测器检测所述第一多个条纹的所述图像的第一部分而确定所述流体介质的在所述流体介质的第一部分内的至少一个测量,且所述处理器实现响应于所述至少一个检测器检测所述第一多个条纹的所述图像的第二部分而确定所述流体介质的在所述流体介质的第二部分内的至少一个测量。
41.根据权利要求40所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括用以产生所述第一实质上单色光束的脉冲式激光源,其中所述处理器与所述脉冲式激光源同步以便实现从所述至少一个检测器获取参考信号及至少一个经散射光信号两者。
42.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述干涉仪包括与所述成像光学器件集合协作的法布里-珀罗标准具,所述成像光学器件集合位于所述法布里-珀罗标准具与相关联检测系统的操作表面之间,且所述检测系统包括所述至少一个检测器。
43.根据权利要求40所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述干涉仪包括与所述成像光学器件集合协作的法布里-珀罗标准具,所述成像光学器件集合位于所述法布里-珀罗标准具与相关联检测系统的操作表面之间,所述检测系统包括所述至少一个检测器,且所述法布里-珀罗标准具包括由间隙分离的多个部分反射表面,且所述间隙的大小可响应于所述处理器而控制。
44.根据权利要求42所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括准直透镜,所述准直透镜与所述干涉仪操作地相关联且经定位使得由所述干涉仪接收的所述经散射光首先由所述准直透镜接收到。
45.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括与所述干涉仪协作的带通滤波器。
46.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述接收器光学器件集合经定位使得由所述干涉仪接收的所述经散射光首先由所述接收器光学器件集合接收到。
47.根据权利要求44所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述接收器光学器件集合经定位使得由所述干涉仪接收的所述经散射光首先由所述接收器光学器件集合接收到,所述接收器光学器件集合及所述准直透镜相对于彼此经配置以便实现其之间的中间图像平面,所述接收器光学器件集合经配置以在所述中间图像平面中形成所述经散射光的中间图像,且与所述成像光学器件集合协作的所述准直透镜经配置以在所述成像光学器件集合的所述焦平面中形成所述中间图像的图像,所述图像与所述检测系统的所述操作表面实质上重合。
48.根据权利要求47所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述接收器光学器件集合相对于所述准直透镜经配置以便满足关于所述中间图像平面的辛普弗鲁格条件。
49.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述至少一个检测器包括成像器,所述成像器具有与来自所述干涉仪的所述图像实质上重合的操作表面,且所述成像器实现产生表示所述图像的电子信号。
50.根据权利要求49所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述成像器包括CCD相机,且由所述CCD相机产生的所述电子信号包括所述图像的像素化表示。
51.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述至少一个检测器包括相关联检测系统的至少一个光电检测器,且所述检测系统进一步包括数字微反射镜装置DMD,其中所述数字微反射镜装置DMD包括多个微反射镜,所述多个微反射镜中的每一微反射镜包括一反射表面,所述多个微反射镜包括定位成与来自所述干涉仪的所述图像实质上重合的多个反射表面,每一微反射镜可定位成多种像素反射镜旋转状态中的任一者,所述数字微反射镜装置DMD相对于所述至少一个检测器经配置使得所述多个微反射镜中的处于所述多种像素反射镜旋转状态中的至少一者中的每一所述微反射镜实现将所述图像的光反射到对应的一个所述至少一个光电检测器。
52.根据权利要求51所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括光挡,其中所述多种像素反射镜旋转状态包括至少两种像素反射镜旋转状态,所述多个微反射镜中的处于所述多种像素反射镜旋转状态中的第一者中的每一所述微反射镜实现将所述图像的光反射到所述对应的一个所述至少一个光电检测器,且所述多个微反射镜中的处于所述多种像素反射镜旋转状态中的第二者中的每一所述微反射镜实现将所述图像的光反射到所述光挡块。
53.根据权利要求52所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述多种像素反射镜旋转状态包括至少三种像素反射镜旋转状态,且所述多个微反射镜中的处于所述多种像素反射镜旋转状态中的第三者中的每一所述微反射镜实现将所述图像的光反射到另一所述至少一个光电检测器。
54.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括第一分束器光学器件,所述第一分束器光学器件经配置以在所述第一实质上单色光束与所述流体介质交互作用之前接收所述第一实质上单色光束,其中所述第一分束器光学器件实现由所述第一实质上单色光束的一部分产生所述实质上单色光的参考源,所述参考源的所述实质上单色光由所述至少一个检测器单独地检测以便提供与所述第一多个条纹中的与所述流体介质的所述不同部分相关联的所述不同条纹的所述检测协作地使用的至少一个相关联参考信号。
55.根据权利要求54所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述参考源的所述实质上单色光由单独的所述至少一个检测器检测,其中所述单独的所述至少一个检测器包括实现检测所述参考源的所述实质上单色光的强度的光电检测器。
56.根据权利要求54所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述参考源的所述实质上单色光在由所述至少一个检测器进行的所述单独的检测之前被引导穿过所述干涉仪,且所述成像光学器件集合实现响应于所述参考源的所述实质上单色光而产生来自所述干涉仪的第二多个条纹的图像,其中所述第二多个条纹的所述图像位于所述成像光学器件集合的所述焦平面处。
57.根据权利要求44所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括:
a.第一分束器光学器件,其经配置以在所述第一实质上单色光束与所述流体介质交互作用之前接收所述第一实质上单色光束,其中所述第一分束器光学器件实现由所述第一实质上单色光束的一部分产生所述实质上单色光的参考源;及
b.光纤,其中所述参考源的所述实质上单色光被引导穿过所述光纤到达所述准直透镜的焦平面并穿过所述准直透镜到达所述干涉仪,且所述成像光学器件集合实现响应于所述参考源的所述实质上单色光而产生来自所述干涉仪的第二多个条纹的图像,其中所述第二多个条纹的所述图像位于所述成像光学器件集合的所述焦平面处。
58.根据权利要求56所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括第二分束器光学器件,其中所述第二分束器光学器件实现组合所述参考源的所述实质上单色光与所述第一实质上单色光束的所述经散射光以便形成由所述干涉仪接收的经组合光信号。
59.根据权利要求58所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述参考源的所述实质上单色光由所述第二分束器光学器件的部分反射表面接收。
60.根据权利要求58所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述参考源的所述实质上单色光透射穿过所述第二分束器光学器件的部分反射表面。
61.根据权利要求56所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述第一多个条纹的所述图像与所述第二多个条纹的所述图像分离。
62.根据权利要求58所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述第一多个条纹的所述图像与所述第二多个条纹的所述图像交错。
63.根据权利要求62所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括间置于所述参考源与所述第二分束器光学器件之间的第一掩模,其中所述第一掩模经成形以便阻挡所述第二多个条纹以免与所述第一多个条纹有甚至非实质性的重叠。
64.根据权利要求63所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述第一掩模包括至少一个不透明区,所述至少一个不透明区在位于所述参考源与所述第二分束器光学器件之间的原本透明的元件上。
65.根据权利要求63所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括间置于所述流体介质与所述第二分束器光学器件之间的第二掩模,其中所述第二掩模经成形以便阻挡所述第一多个条纹以免与所述第二多个条纹有甚至非实质性的重叠。
66.根据权利要求63所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述第一掩模包括位于所述参考源与所述第二分束器光学器件之间的数字微反射镜装置DMD,其中所述数字微反射镜装置DMD的多个微反射镜被设定为第一像素反射镜旋转状态以便实现朝向所述第二分束器光学器件反射所述参考源的所述实质上单色光,且所述数字微反射镜装置DMD的所述微反射镜中的由所述参考源照射的剩余部分被设定为另一像素反射镜旋转状态以便将撞击于其上的光反射远离所述第二分束器光学器件。
67.根据权利要求62所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述第一实质上单色光束为脉冲式,且由所述至少一个检测器进行的检测是相对于所述实质上单色光的所述第一束的脉冲而定时的,以便实现使所述至少一个检测器在检测所述第一多个条纹之前检测所述第二多个条纹。
68.根据权利要求62所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述参考源进一步包括与积分球协作的旋转扩散器,来自所述第一分束器光学器件的所述参考源的所述实质上单色光被引导到所述积分球中且从所述积分球的内部表面反射,且来自所述第一分束器光学器件的所述参考源的所述实质上单色光透射穿过所述旋转扩散器。
69.根据权利要求35所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括多个接收器光学器件集合,所述多个接收器光学器件集合实现从所述流体介质的多个不同区接收多个不同经散射光信号,所述多个不同经散射光信号中的每一者包括不同的所述经散射光,其中所述多个接收器光学器件集合中的每一接收器光学器件集合相对于对应实质上单色光束的轴而沿不同方向定向,所述多个不同经散射光信号中的对应经散射光信号由所述对应实质上单色光束产生。
70.根据权利要求69所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括沿着对应轴投射到所述流体介质中的至少第二实质上单色光束,其中相对于所述第一实质上单色光束而沿不同方向定向的至少第一接收器光学器件集合经配置以从所述流体介质的由所述第一实质上单色光束照射的一部分接收经散射光;且相对于所述至少所述第二实质上单色光束而沿不同方向定向的至少第二接收器光学器件集合经配置以从所述流体介质接收源自于所述至少所述第二实质上单色光束的所述经散射光。
71.根据权利要求69所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述多个接收器光学器件集合中的至少两个不同接收器光学器件集合经配置以从所述流体介质的共同区接收所述经散射光,且所述至少两个不同接收器光学器件集合中的每一者相对于照射所述流体介质的所述共同区的对应的所述实质上单色光束而沿不同方向定向。
72.根据权利要求69所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其中所述多个不同经散射光信号由实现产生所述第一多个条纹的多个集合的共同的所述干涉仪处理。
73.根据权利要求72所述的用于对流体介质进行遥感的系统,其进一步包括棱锥形反射器,所述棱锥形反射器包括多个不同反射表面,所述多个不同反射表面中的每一者在所述棱锥形反射器的不同侧上,其中所述多个不同反射表面中的每一反射表面朝向所述干涉仪反射不同的所述经散射光的不同经散射光信号,以便实现产生所述多个条纹的所述多个集合中的不同集合。

说明书全文

范围成像激光雷达

[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。上文所识别申请案中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。 [0003] 技术领域
[0004] 本发明大体来说涉及一种大气测量系统,其测量大气体积中的例如速度、风方向、温度密度及压等大气参数。此外,本发明涉及干涉测量领域,其中法布里-珀罗干涉仪将条纹图案成像到数字微反射镜装置上以与一个或一个以上相关联光电检测器协作而对所述条纹图案进行取样,以便确定与所述条纹图案相关联的至少一个度量。
[0005] 背景技术
[0006] 在现有技术中,第7,064,817号美国专利揭示一种用以确定光检测与测距(LIDAR)系统的发射器及接收器视场的对准的方法。此方法可用以确定发射器束的远场强度分布以及所发射激光束指向随时间的变化、温度或可影响LIDAR系统组件的共对准的其它环境变量。
[0007] 第7,352,476号美国专利揭示一种用于大气的性质的远程测量的装置,更特定来说揭示一种用以检测大气湍流的装置。所述装置使用由空气对激光束的反向散射而依LIDAR原理操作。所述装置包括:激光发射源;用于收集由所述发射源照射的目标所反向散射的经反向散射束的光学构件,所述经反向散射束实质上以所述发射源的波长为中心;及用于产生由所述经反向散射束产生的干涉条纹的构件。
[0008] 第7,148974号美国专利揭示一种用于使用光检测与测距(LIDAR)作为基准光学检测技术来追踪移动代理的移动及位置的方法。通过分析在光学系统的视场内进行的一系列光学测量的时间历史而追踪所述代理的位置。此提供移动代理的位置的测绘(时间+3-D)或(时间+2-D)。
[0009] JP 2001-264232针对提供一种适合于检测包含在大体积的流体(介质)中且具有数微米(μm)到亚微米(μm)或数纳米(nm)的大小的颗粒的轨迹的颗粒测量方法及其装置。此颗粒测量方法的特征在于:由宽激光束辐照区及两个凸透镜通过包含相干多波长光的激光束的平行扫描形成宽测量场、使测试流体在激光束辐照区中流动,以及同时执行依据流体在宽测量场中的颗粒的光散射或光学衍射图案区别颗粒的多种形状及大小及依据热偏斜光谱测定测量每一组成的颗粒大小及现有位置两者。
[0010] 发明内容
[0011] 所主张的发明针对一种大气测量系统,其测量大气体积中的例如风速度、风方向、温度、密度及压力等大气参数。特定来说,所主张的发明并入有法布里-珀罗干涉仪,其 用于将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处于相关联像素反射镜旋转状态图案中的微反射镜阵列,所述微反射镜实现与一个或一个以上相关联光电检测器协作而对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。
[0012] 更具体来说,在至少一个实施例中,所主张的发明针对用于处理来自法布里-珀罗干涉仪的条纹图案的结构及方法,其包括:借助法布里-珀罗干涉仪响应于入射于其上的至少一个光信号而产生圆形条纹图案的至少一个部分,其中所述圆形条纹图案的所述至少一个部分由来自所述至少一个光信号的光形成;将来自所述法布里-珀罗干涉仪的所述圆形条纹图案的所述至少一个部分成像到数字微反射镜装置(DMD)上,其中所述数字微反射镜装置(DMD)包括布置成阵列的多个微反射镜,其中所述多个微反射镜中的每一微反射镜构成可旋转地定位成多种不同像素反射镜旋转状态的像素,且所述多种不同像素反射镜旋转状态中的每一像素反射镜旋转状态对应于所述微反射镜的特定相关联旋转位置;及处理所述圆形条纹图案的所述至少一个部分。
[0013] 所述处理所述圆形条纹图案的所述至少一个部分包含:设定所述阵列的所述多个微反射镜中的每一者的所述像素反射镜旋转状态以便在对应的至少一个时间点形成至少一个相关联像素反射镜旋转状态图案,其中每一所述至少一个相关联像素反射镜旋转状态图案包括所述多个微反射镜的多个子集,其中针对所述多个子集中的每一子集,将所述子集的每一所述微反射镜设定为共同的所述像素反射镜旋转状态,且将不同的所述子集的所述微反射镜设定为不同的所述像素反射镜旋转状态;针对所述多个微反射镜的每一所述子集,从所述多个微反射镜的所述子集的所述多个微反射镜反射所述圆形条纹图案的所述至少一个部分的所述光的对应部分,其中所述光的对应于所述多个微反射镜的不同的所述子集的不同对应部分是根据与所述多个微反射镜的所述子集相关联的所述像素反射镜旋转状态而沿不同方向反射;针对所述多个微反射镜的多个所述子集中的每一者,检测所述光的在所述至少一个时间点从所述多个微反射镜的每一所述子集反射的所述对应部分;及处理所述对应的互补经检测信号集合以便实现表征入射于所述法布里-珀罗干涉仪上的所述至少一个光信号。
[0014] 所述检测所述光的所述对应部分的操作包括:针对共同的所述相关联像素反射镜旋转状态图案单独地检测所述光的不同的所述对应部分,其中所述光的所述不同的所述对应部分相对于彼此为相对不相交的且共同地构成所述光的不相交部分集合,且所述单独地检测所述光的所述不同的所述对应部分的操作实现产生对应的互补经检测信号集合;或针对在不同时间点的不同的所述相关联像素反射镜旋转状态图案依序检测所述光的不同的所述对应部分,其中所述光的所述不同的所述对应部分相对于彼此为相对不相交的且共同地构成所述光的不相交部分集合,且所述检测所述光的不同的所述对应部分的操作实现产生对应的互补经检测信号集合。
[0015] 附图说明
[0016] 图1a图解说明范围成像激光雷达系统的第一方面的第一实施例集合;
[0017] 图1b图解说明光束的第一实施例的横向横截面;
[0018] 图1c图解说明光束的第二实施例的横向横截面;
[0019] 图1d图解说明范围成像激光雷达系统的法布里-珀罗干涉仪的第二方面; [0020] 图2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; [0021] 图3图解说明来自交互作用区的经散射光的图像与输入到图1a中所图解说明的范围成像激光雷达系统的第一方面的法布里-珀罗干涉仪的相关联参考束的合成物的实例;
[0022] 图4图解说明从图1a中所图解说明的范围成像激光雷达系统的第一方面的法布里-珀罗干涉仪输出且输入到所述第一方面的相关联检测系统的条纹图案的图像的实例,所述检测系统处理图3中所图解说明的图像;
[0023] 图5a图解说明图4中所图解说明的条纹图案的信号强度随图像距离而变的曲线图;
[0024] 图5b图解说明信号强度随从激光雷达系统到交互作用区的范围而变的曲线图,其对应于图5a中所图解说明的曲线图;
[0025] 图6图解说明范围成像激光雷达系统的法布里-珀罗干涉仪的第三方面; [0026] 图7a及图7b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;
[0027] 图8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; [0028] 图9a图解说明圆形装箱过程的第一方面的流程图
[0029] 图9b图解说明图9a中所图解说明的圆形装箱过程的第一方面的替代决策框; [0030] 图10图解说明圆形装箱过程的第二方面的流程图;
[0031] 图11a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; [0032] 图11b图解说明来自与不同速度相关联的两个经散射信号的来自法布里-珀罗标准具的条纹;
[0033] 图11c图解说明与由法布里-珀罗标准具处理的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;
[0034] 图12图解说明用于依据来自法布里-珀罗干涉仪的信号确定大气测量的数据分析过程的框图
[0035] 图13图解说明法布里-珀罗干涉仪的周期透射函数;
[0036] 图14图解说明范围成像激光雷达系统的各种方面的框图;
[0037] 图15图解说明包封法布里-珀罗标准具的热室组合件的分解图;
[0038] 图16图解说明并入于图15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;
[0039] 图17图解说明并入于图15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;
[0040] 图18图解说明并入于图15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;
[0041] 图19图解说明用于借助范围成像激光雷达系统确定所测量空气数据产物的过程的 流程图;
[0042] 图20图解说明用于借助范围成像激光雷达系统确定所导出空气数据产物的过程的流程图;
[0043] 图21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; [0044] 图22图解说明范围成像激光雷达系统的第一方面的第二实施例,其并入有不具有相关联准直透镜的法布里-珀罗干涉仪;
[0045] 图23图解说明范围成像激光雷达系统的第二方面的实施例,其并入有相关联检测系统的第二方面,其适合于确定不取决于相对风速度的大气测量;
[0046] 图24a图解说明范围成像激光雷达系统的相关联检测系统的第三方面的第一实施例;
[0047] 图24b图解说明用于图24a中所图解说明的实施例中的数字微反射镜装置(DVD)的平面图;
[0048] 图25图解说明数字微反射镜装置的像素元件;
[0049] 图26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;
[0050] 图27图解说明关于图11a的强度分布的速度的偏导数;
[0051] 图28图解说明关于图11a的强度分布的温度的偏导数;
[0052] 图29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;
[0053] 图30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;
[0054] 图31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;
[0055] 图32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;
[0056] 图33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;
[0057] 图34a到34e分别图解说明穿过图29到图33中所图解说明的互补反射图案的径向横截面;
[0058] 图35如同在图27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11a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; [0059] 图36如同在图27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11a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; [0060] 图37图解说明蒙特-卡罗模拟过程的流程图;
[0061] 图38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;
[0062] 图39图解说明遗传算法过程的流程图;
[0063] 图40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; [0064] 图41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; [0065] 图42图解说明范围成像激光雷达系统的相关联检测系统的第三方面的第二实施例;
[0066] 图43图解说明范围成像激光雷达系统的第三方面的实施例;
[0067] 图44图解说明范围成像激光雷达系统的第四方面的实施例;
[0068] 图45图解说明范围成像激光雷达系统的第五方面的实施例;
[0069] 图46图解说明范围成像激光雷达系统的第六方面的实施例;
[0070] 图47图解说明范围成像激光雷达系统的第七方面的实施例;
[0071] 图48图解说明由图46中所图解说明的范围成像激光雷达系统的第六方面产生的多个条纹图案的第一方面;
[0072] 图49图解说明由图46中所图解说明的范围成像激光雷达系统的第六方面产生的多个条纹图案的第二方面;
[0073] 图50a图解说明范围成像激光雷达系统的第八方面的第一实施例,其并入有相关联掩模系统的第一方面及相关联检测系统的第一方面;
[0074] 图50b图解说明与图50a中所图解说明的范围成像激光雷达系统相关联的经扩充参考光束的横向横截面;
[0075] 图50c图解说明在穿过与图50a中所图解说明的范围成像激光雷达系统相关联的掩模之后的经扩充参考光束的横向横截面;
[0076] 图50d图解说明由图50a中所图解说明的范围成像激光雷达系统的法布里-珀罗干涉仪在从其移除相关联法布里-珀罗标准具的情况下将产生的图像,其对应于进入法布里-珀罗干涉仪的光信号的图像;
[0077] 图50e图解说明来自图50a中所图解说明的范围成像激光雷达系统的法布里-珀罗干涉仪的图像;
[0078] 图51a图解说明在穿过与由用于处理来自多个相关联感兴趣的光信号的范围成像激光雷达系统的第八方面的第一变化形式产生的多个条纹图案的第一方面相关联的掩模之后的经扩充参考光束的横向横截面;
[0079] 图51b图解说明来自范围成像激光雷达系统的法布里-珀罗干涉仪的与图51a中所图解说明的图像相关联的图像;
[0080] 图52a图解说明在穿过与由用于处理来自多个相关联感兴趣的光信号的范围成像激光雷达系统的第八方面的第二变化形式产生的多个条纹图案的第二方面相关联的掩模 之后的经扩充参考光束的横向横截面;
[0081] 具体实施方式
[0082] 图52b图解说明来自范围成像激光雷达系统的法布里-珀罗干涉仪的与图52a中所图解说明的图像相关联的图像;
[0083] 图53a图解说明在穿过与由用于处理来自多个相关联感兴趣的光信号的范围成像激光雷达系统的第八方面的第三变化形式产生的多个条纹图案的第三方面相关联的掩模之后的经扩充参考光束的横向横截面;
[0084] 图53b图解说明来自范围成像激光雷达系统的法布里-珀罗干涉仪的与图53a中所图解说明的图像相关联的图像;
[0085] 图54a图解说明范围成像激光雷达系统的第八方面的第二实施例,其并入有相关联掩模系统的第一方面及相关联检测系统的第三方面;
[0086] 图54b到54e图解说明与范围成像激光雷达系统的第八方面的第二实施例相关联的各种图像,其对应于第八方面的第一实施例的图50d到50g的对应图像;
[0087] 图55a到55e图解说明范围成像激光雷达系统的第八方面的第三实施例,其并入有相关联掩模系统的第二方面及相关联检测系统的第三方面;
[0088] 图56图解说明范围成像激光雷达系统的各种应用;
[0089] 图57图解说明与风力涡轮机协作的范围成像激光雷达系统的第一实施例;且 [0090] 图58图解说明与风力涡轮机协作的范围成像激光雷达系统的第一实施例。 [0091] 参考图1a,根据第一方面,范围成像激光雷达系统10、10i并入有实现产生至少实质上单色光14的光源12,光14穿过相关联源光学器件20并由其作为光束18投射到大气16中。举例来说,源光学器件20可包括透镜组合件20’,透镜组合件20’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,以便照射大气16内可由范围成像激光雷达系i
统10、10 检测的交互作用区22,其中交互作用区22内的束宽度确立范围成像激光雷达系i
统10、10 的相关联横向空间分辨率极限。举例来说,参考图1b,源光学器件20可经配置以便实现(举例来说)圆形或椭圆形横截面的具有有限宽度w及深度d的笔状光束18’,以便限制相关联交互作用区22的相关联宽度w及深度d。作为另一实例,参考图1c,源光学器件20可经配置以便实现片状光束18”--举例来说,使用包括圆柱形光学器件--具有有限深度d但经扩展宽度w--的源光学器件20,举例来说,以便实现具有对应经扩展宽度w的相关联交互作用区22,以便实现探测大气16的扩展的区。
[0092] 接收器光学器件24集合(举例来说,从光束18横向偏移的望远镜24’)实现将光束18的一部分成像到中间图像平面26上,以便实现光束18内的体积元素28与中间图像平面26中的对应相关联区或点30的一对一映射。更特定来说,光束18照射交互作用区22内的大气16的分子16’或气溶胶16”或者其组合,所述分子或气溶胶或者其组合又散射光束18的单色光14。接收器光学器件24的视场34内的所得经散射光32由其 收集且被成像到中间图像平面26上。接收器光学器件24从光束18横向偏移且指向光束18,使得接收器光学器件24的光学轴36相对于光束18的光学轴38倾斜成相关联视差θ。因此,光束18的成像到中间图像平面26上的对应区或点30上的每一体积元素28对应于从中间图像平面26到光束18的光学轴38上与对应体积元素28相关联的点40的不同标称范围R。因此,中间图像平面26上对应于接收器光学器件24的视场34内的光束18的体积元素28的每一区或点30对应于一不同标称范围R。因此,中间图像平面26中的中间图像42的不同区或点30对应于到光束18的不同标称范围R,且因此对应于到其在交互作用区22内的相关联体积元素28的不同标称范围R。举例来说,如图1a中所图解说明,接收器光学器件
24的视场34内的光束18的位于距中间图像平面26最近标称范围RMIN处的最近体积元素
28.1在中间图像平面26上成像为对应第一区或点30.1,且接收器光学器件24的视场34内的光束18的位于距中间图像平面26最远标称范围RMAX处的最远体积元素28.2在中间图像平面26上成像为对应第二区或点30.2。此外,来自不同体积元素28的经散射光32以相对于中间图像平面26的对应不同入射角成像到其上。到交互作用区22的范围R由相关联光束18及对应接收器光学器件24的几何形状界定。接收器光学器件24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28,其在中间图像平面26中的对应图像(即,中间图像平面26上的对应区或点30)将是未聚焦的且因此为模糊的。在特定应用需要或必需的情况下,可任选地借助相关联经散射光32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22内的范围R。
[0093] 范围成像激光雷达系统10、10i进一步包括具有输入焦平面44.1及输出焦平面44.2的法布里-珀罗干涉仪44。输入焦平面44.1与中间图像平面26并置以便从其接收经散射光32,经散射光32接着由法布里-珀罗干涉仪44处理且被成像到位于输出焦平面
44.2处的检测系统46上。在输入焦平面44.1与输出焦平面44.2之间,法布里-珀罗干涉仪44包括沿着相关联共同光学轴53间隔开的准直透镜48、法布里-珀罗标准具50及成像光学器件52,其中输入焦平面44.1为准直透镜48的焦平面,输出焦平面44.2为成像光学器件52的焦平面,且在输入焦平面44.1处进入准直透镜48的经散射光32由准直透镜
48实质上准直,接着由法布里-珀罗标准具50处理,且最终由成像光学器件52成像到检测系统46上。法布里-珀罗干涉仪44的法布里-珀罗标准具50包括彼此平行且由固定间隙58分离的第一部分反射表面54及第二部分反射表面56。经散射光32穿过法布里-珀罗标准具50的角度取决于经散射光32的光学频率以及间隙58的长度,从而在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中产生相关联散射条纹图案60,其包括多个同心弧形条纹
62’--也称为海丁格条纹,举例来说,如图2中针对经完全照射的法布里-珀罗干涉仪44所图解说明。散射条纹图案60被成像到检测系统46上,检测系统46响应于所述图案而产生多个散射电子图像信号64,所述信号接着如下文中所描述由相关联数据处理器66处理以便依据散射条纹图案60中的信息产生对应大气数据68集合。
[0094] 举例来说,在一个实施例中,法布里-珀罗标准具50包括一对平面光学窗70--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58彼此间隔开,其中(举例来说),第一部分反射表面54及第二部分反射表面56--例如部分表面或其它部分反射表面--在平面光学窗70的单独面向表面上。或者,第一部分反射表面54及第二部分反射表面56可在平面光学窗70的外侧相对面上,或者第一部分反射表面54及第二部分反射表面56中的一者可在平面光学窗70中的一者的内部面向表面上,且第一部分反射表面54及第二部分反射表面56中的另一者可在平面光学窗70中的另一者的外部面向表面上。在一个实施例中,间隙58为实质上固定的,而在其它实施例中,间隙58可(举例来说)使用响应于与数据处理器66操作地相关联或为其一部分的控制器72的标准具控制致动器74而移动(例如,调整),以便实现可调谐法布里-珀罗标准具50。 [0095] 参考图1d,或者,法布里-珀罗标准具50可包括固体光学元件76--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54及第二部分反射表面56的平面平行面78,所述第一及第二部分反射表面由构成固体光学元件76的长度的间隙
58.1分离。
[0096] 参考图2,对于经完全照射的法布里-珀罗标准具50,所得的相关联圆形条纹图案80呈以成像光学器件52的光学轴53为中心的闭合同心圆形图案80’的形式。举例来说,图2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经散射光信号32’图解说明典型的圆形条纹图案80。从分子散射的光散布在图2中的圆形条纹图案80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80。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2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80确定风速度、密度及温度。
[0097] 举例来说,参考图3,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24(针对此,在接收器光学器件24的视场34内到光束18的范围R介于分别从到最近体积元素28.1的RMIN=8米至到最远体积元素28.2的RMAX=500米的范围内,其中接收器光学器件24在最远体积元素28.2处聚焦)图解说明中间图像平面26中的经模拟图像。因此,如图3中所图解说明,中间图像平面26中对应于最远体积元素28.2的第二区或点30.2是最锐聚焦的,且中间图像平面26中对应于最近体积元素28.1的第一区或点30.1是最模糊的,其中模糊量及因此中间图像平面26中所述第一区或点与第二区或点之间的区或点30的相关联大小随从第二区或点30.2到第一区或点30.1的对应相关联标称范围R的减小而增加,借此赋予光束18的交互作用区22的相关联中间图像42楔形轮廓。 [0098] 在不存在法布里-珀罗标准具50的情况下,相关联准直透镜48及成像光学器件52实现将中间图像平面26成像到由检测系统46检测的输出焦平面44.2上。因此,中间图像平面26上的第一区或点30.1及第二区或点30.2--对应于接收器光学器件24的视场
34内的光束18的最近体积元素28.1及最远体积元素28.2--在输出焦平面44.2上成像为对应第一区或点82.1及第二区或点82.2。更一般来说,假定接收器光学器件24及光束18的光学轴36、38之间的视差角θ,则分别地输出焦平面44.2上的区或点82与光束18的对应体积元素28之间存在一对一对应性,且因此,输出焦平面44.2上的区或点82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44.2上--或在由检测系统46检测的相关联的对应散射电子图像信号64中--的任何区或点82相关联的标称范围R可依据所述区或点82在输出焦平面44.2上的位置而推断出。在存在法布里-珀罗标准具50的情况下,对于相关联经散射光32的相关联频率或波长与法布里-珀罗标准具50的间隙58协作实现相长干涉的那些区或点82,存在散射条纹图案60的弧形条纹62’,而对于相关联经散射光32的相关联频率或波长与法布里-珀罗标准具50的间隙58协作实现相消干涉的那些区或点82存在散射条纹图案60中的弧形空区84。弧形条纹62’的位置由相关联经散射光32的频率或波长、法布里-珀罗标准具50的间隙58及法布里-珀罗标准具
50中的入射角确定。
[0099] 举例来说,对于上文中针对图3所描述的条件,图4图解说明具有0.7cm的厚度或间隙58.1及0.85的相关联反射率的固体法布里-珀罗标准具50的所得散射条纹图案60的模拟。与相关联中间图像42一样,在接收器光学器件24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28相关联的弧形条纹62’相对于与相对较远体积元素28相关联的那些弧形条纹横向展宽,使得散射条纹图案60展现类似于中间图像42的轮廓的楔形轮廓,其中相关联弧形空区84的径向大小随相对于法布里-珀罗干涉仪44的光学轴53条纹级的增加而减小。图5a图解说明散射条纹图案60沿着其穿过光学轴53的截面的强度随输出焦平面44.2中的距离而变的曲线图,其在图5b中变换为散射条纹图案60的强度随标称范围R而变的曲线图。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74的信号的聚焦控制致动器86设定中间图像42及相关联散射条纹图案60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。 [0100] 可通过改变法布里-珀罗标准具50的间隙58(举例来说,通过响应于来自控制器
74的信号的标准具控制致动器72或通过使法布里-珀罗标准具50倾斜)来改变弧形条纹
62’及相关联空区84的位置。举例来说,可由标准具控制致动器72响应于来自控制器74的信号而重复地扫描法布里-珀罗标准具50的间隙58以便重复地产生共同地具有与接收器光学器件24的视场34内到光束18的所有标称范围R相关联的弧形条纹62’的相关联散射条纹图案60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68。
[0101] 范围成像激光雷达系统10、10i实现直接检测从大气的分子16’、大气中的气溶胶16”或两者的组合散射的光,且实现直接测量大气16的密度及温度以及其沿接收器光学器件24的光学轴36的方向的速度。举例来说,根据瑞利(Rayleigh)散射,相对短波长光由大气的分子16’散射。根据米氏(Mie)散射,光还可由大气中的气溶胶16”散射。瑞利散射通常是指具有小于光的波长的大约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,范围成像激光雷达系i i
统10、10 因此响应于大气中引起由范围成像激光雷达系统10、10 检测的光的相关联散射i
的那些分子16’的性质--例如,速度、密度及温度。此外,范围成像激光雷达系统10、10可实现在洁净空气中(即,在具有不多于可忽略量的气溶胶16”的大气中)的操作,其实质上仅取决于分子散射。如果经从移动的分子16’或气溶胶16”散射,那么经散射光32的频率经多普勒移位,针对相关联法布里-珀罗标准具50中的给定间隙58,借此致使来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60的相关联弧形条纹62’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44的经散射光32的对应射线满足相关联相长干涉条件。因此,经散射光32的频率的多普勒移位将取决于与光束18交互作用的交互作用区22内大气16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44产生与对应不同标称范围R相关联的弧形条纹62’,借此致使弧形条纹
62’在散射条纹图案60内移位--可能相对于彼此,此取决于在交互作用区22内大气16的速度分布。
[0102] 范围成像激光雷达系统10、10i进一步并入有滤波器系统88以对由接收器光学器件24接收的经散射光32进行滤波以便防止检测系统46检测到背景光。举例来说,参考图1a、1d及图6,在一个实施例集合中,滤波器系统88位于法布里-珀罗干涉仪44内准直透镜48与法布里-珀罗标准具50之间。举例来说,参考图6,在一个实施例中,滤波器系统88并入有具有相关联滤波器通带的八个带通滤波器反射镜88’,所述滤波器通带以光源12的操作频率为中心。滤波器系统88展现出高带外拒斥以及低带内衰减,且滤波器系统88的带宽足够窄以便实质上滤除或移除所收集经散射光32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88经调适以便实现对在感兴趣频带之外(例如,高于或低于光源12的标称中心频率大于大约2纳米)的光频率的最大滤波。
[0103] 法布里-珀罗干涉仪44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92从光源12提取且接着在中间图像平面26处作为参考源94输入到法布里-珀罗干涉仪44的实质上单色光14的参考束部分90进行校准。举例来说,参考图1a,根据第一实施例,来自分束器光学器件92的参考源94借助反射镜96引导到法布里-珀罗干涉仪44中。参考图6,根据第二实施例,可(举例来说)使用渐变折射率(GRIN)透镜
100将借助分束器光学器件92从光源12提取作为参考源94的单色光14 的参考束部分90输入到光纤98,所述光纤的输出位于中间图像平面26处以便从所述输出照射法布里-珀罗干涉仪44的准直透镜48。因此,对于任一实施例,参考源94从中间图像平面26/输入焦平面44.1上不同于经散射光32的中间图像42的位置102输入到法布里-珀罗干涉仪44,且由法布里-珀罗干涉仪44处理以便在输出焦平面44.2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62”的对应参考条纹图案104,所述图案接着由检测系统46检测以便响应于其而产生对应参考电子图像信号106,所述信号接着如下文中所描述由相关联数据处理器66连同与来自经散射光32的散射条纹图案60相关联的散射电子图像信号64一起处理。
[0104] 光源12实现产生充足量的充分窄带单色光14以便实现充足量的经散射光32,使得所得散射条纹图案60可以充足信噪比(SNR)由检测系统46检测,使得依据所述图案确定的所得大气数据68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108对光源12的输出进行滤波以便实现产生充分单色光14以便使得能够充分准确地测量经散射光32的多普勒移位以实现充分准确地解析速度(即,小于给定阈值)。i
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交互作用区22中感测的波长交互作用的任何光学波长。
[0105] 举例来说,在一个实施例中,单色光14包括使用激光源12产生的处于大约266nm的波长下的紫外线(UV)激光。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。由于臭及分子氧对大部分自然266nm光的吸收而存在相对少的处于此频率下的自然背景光。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。范围成像激光雷达系统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22中感测的波长交互作用的任何光学波长。
[0106] 举例来说,Nd:YAG激光器12.1可在相对高的功率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1064nm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。举例来说,这些二次、三次及/或四次谐波产生器可并入于Nd:YAG激光器12.1中、自由空间耦合到Nd:YAG激光器12.1或借助光纤与Nd:YAG激光器12.1耦i合。因此,并入有Nd:YAG激光器12.1的范围成像激光雷达系统10、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。
[0107] 散射条纹图案60及参考条纹图案104的弧形条纹62’、62”在由检测系统46检测之前以光学方式或者在检测期间或之后以电子方式或通过软件进行圆周积分(Φ)或横向积分(Y),以便分别实现对应的经检测图像信号I(X)及I0(X),所述信号表示随穿过对应散射条纹图案60及参考条纹图案104的径向距离而变的总辐射测量计数。所得的经检测图像信号I(X)及I0(X)接着如下文中所描述由数据处理器66处理以便在交互作用区22内产生大气16的随标称范围R而变或在特定标称范围R处的一个或一个以上测量。
[0108] 一般来说,取决于如何处理所得的散射电子图像信号64及参考电子图像信号106,根据第一方面,检测系统46可包括:一维或二维光电检测器阵列,举例来说,电荷耦合装置(CCD)或电荷注入装置(CID);或者对应阵列的个别光电检测器,举例来说,光电导、光伏、光电发射、热辐射计或热电堆光电检测器,即,一般来说为将光子转换为对应电信号的任一装置。可与相关联光源12协作地调适特定检测系统46,以便实现增加相关联信噪比(SNR)。举例来说,与连续式光源12协作,可使用相对高敏感度、低噪声、低带宽的检测器,以便实现比在对应相对较高带宽检测器的情况下实现的高的信噪比(SNR),以便实现相对较精确的相关联测量。或者,检测系统46可包括相机,所述相机具有用于正处理的图像中的每一者的至少一个阵列的同心圆弓形光电检测器。
[0109] 举例来说,在一个实施例中,为了处理散射条纹图案60,范围成像激光雷达系统i10、10 并入有线性光电检测器阵列或线性阵列的光电检测器,其中,参考图4,阵列中的每一光电检测器或光电检测器元件沿输出焦平面44.2的Y方向110为充分宽的,以便实现将所有光子积累于给定相关联X位置处,且阵列中的每一光电检测器或光电检测器元件沿输出焦平面44.2的X方向112为充分窄的,以便实现产生关于X具有充足分辨率的对应的一维散射电子图像信号64以求出具有充足准确性(即,在给定阈值内的准确性)的相关联测量,其中X维度对应于到大气16的正在光束18内测量的相关联体积元素28的标称范围R。
i
类似地,经调适以处理参考条纹图案104、范围成像激光雷达系统10、10 的一个实施例并入有类似线性光电检测器阵列或线性阵列的光电检测器,其中阵列中的每一光电检测器或光电检测器元件沿输出焦平面44.2的Y’方向110为充分宽的,以便实现将所有光子积累于给定相关联X’位置处,且阵列中的每一光电检测器或光电检测器元件沿输出焦平面44.2的X’方向112为充分窄的,以便实现产生关于X’具有充足分辨率的对应的一维参考电子图像信号106以充分准确地表征法布里-珀罗标准具50,以便实现求出具有充足准确性(即,在给定阈值内的准确性)的相关联测量。
[0110] 作为另一实例,在另一实施例中,为了处理散射条纹图案60及参考条纹图案104i两者,范围成像激光雷达系统10、10 并入有二维光电检测器阵列或二维阵列的光电检测器,其实现产生相关联的二维散射电子图像信号64及参考电子图像信号106,举例来说,可接着以电子方式或通过数据处理器66中的过程对所述信号进行积分,举例来说, [0111] 连同来自参考条纹图案104的参考光信号105一起实质上同时地处理来自相关联交互作用区22中的每一者的经散射光信号32’,以便实现校准范围成像激光雷达系统10并维持范围成像激光雷达系统10的校准,且以便实现确定相关联空气数据产物,例如大气16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光源12的波长漂移,那么在进行经散射光信号32’的多普勒移位及所得波长移位的测量时可能出现误差。范围成像激光雷达系统10实现对来自数据的光源12的波长漂移进行自动补偿,因为来自经散射光信号32’的每一测量均使用来自与参考源94相关联的参考光信号105的对应测量加以校正。
[0112] 根据第一方面,相关联检测系统46.1实现在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中捕获散射条纹图案60及参考条纹图案104的图像114。举例来说,在一个实施例中,检测系统46.1包括电子相机,举例来说,CCD检测系统46.1’。
[0113] 参考图7a及图7b,接着通过相关联装箱过程处理此图像114以将相关联散射条纹L图案60及参考条纹图案104方位压缩成对应的相关联线性散射条纹图案60 及参考条纹图L
案104 以给出对应线性经装箱像素116集合,接着由数据处理器66依据所述集合确定与经散射光信号32’中的每一者相关联的对应大气数据68。举例来说,在图7a及图7b中针viii
对根据下文中所描述的第八方面的范围成像激光雷达系统10、10 来图解说明此过程,其中包括来自四个单独对应交互作用区22的与参考条纹图案104交错的四个单独经散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3、60.4。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46.1’的相关联数据处理器66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散射条纹图案60.1、第二散射条纹图案60.2、第三散射条纹图案
60.3及第四散射条纹图案60.4以及与其交错的划分成四个单独的对应参考条纹图案部分
104.1、104.2、104.3、104.4的参考条纹图案104的相关联圆形条纹图案80的共同中心122特定半径120处的所有像素118求和。
[0114] 从CCD检测系统46.1’读取每一像素118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46.1’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80的中心122之后,圆形装箱算法针对圆形条纹图案80、60.1、60.2、60.3、60.4、104.1、104.2、104.3、104.4中的每一者对特定圆形条纹图案80的距中心122特定半径处的每一像素118的CCD电荷(即,像素值)求和,以便针对相应圆形条纹图案80、60.1、60.2、60.3、60.4、
104.1、104.2、104.3、104.4中的每一者提供相应的相关联线性经装 箱像素116集合。 [0115] 参考图8,圆形条纹图案80集合的图像114包括N行×M列个像素118的阵列,所述像素中的每一者由CCD检测系统46.1’捕获且存储于范围成像激光雷达系统10的相关联数据处理器66的存储器124中。图像114包括八个感兴趣区(ROI)126.1到126.8,每一感兴趣区包括对应圆形条纹图案60.1、60.2、60.3、60.4、104.1、104.2、104.3、104.4中的一者且围绕圆形条纹图案80的共同中心122定位,其中圆形条纹图案80的中心122是在相关联范围成像激光雷达系统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122:记录相当大量(例如,数千个)圆形条纹图案80并确定中心122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122的坐标的相关--此实现所记录圆形条纹图案80与其以圆形条纹图案80的中心122为中心的对应圆形模型的最佳拟合。
[0116] 参考图9a,根据圆形装箱过程900的第一实施例,在步骤(902)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=8个圆形条纹图案80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(904)及(906)中,针对图像114中的像素118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(908)中从图像114读取像素118的值Pixel(i,j),且在步骤(910)中,分别计算所述像素的对应X及Y位置,如下:
[0117] xj=j·αX-x0
[0118] yi=i·αy-y0 (1)
[0119] 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122相对于图像114的左下角处的Pixel(1,1)的坐标。接着,在步骤(912)中,将来自步骤(910)的笛卡尔坐标(xj,yj)变换为圆柱坐标(R,θ),如下:
[0120]
[0121]
[0122] 接着,在步骤(914)中,如果角度θ在感兴趣区(ROI)126.1到126.8内,那么识别相关联感兴趣区ROI 126,且在步骤(916)中,由下式给出径向箱索引k:
[0123]
[0124] 其中β为每像素沿径向方向的距离,且k0为中心122与圆形条纹图案80的最靠近所述 中心的最近部分之间的像素118的数目。接着,在步骤(918)中,将相关联像素118的相关联值Pixel(i,j)添加到箱阵列BIN(*,NROI)的箱元素BIN(k,ROI),如下: [0125] BIN(k,ROI)=BIN(k,ROI)+Pixel(i,j) (4)
[0126] 接着,或以其它方式从步骤(914)开始,在步骤(920)中,如果所有像素118已经圆周装箱,那么在步骤(922)中,在相关联箱阵列BIN(*,NROI)中返回圆形条纹图案80中的每一者的经圆周装箱值。否则,所述过程针对像素118的行及列中的每一者以步骤(904)及(906)重复直到所有圆形条纹图案80均被装箱为止。
[0127] 参考图8及图9b,或者,感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’可由相应圆形条纹图案80的对应相应边界界定,在此情况下,圆形装箱过程900的步骤(914)将由步骤(914’)替换,借此关于特定像素118是否在特定感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’中的测试将取决于特定像素118的两个圆柱坐标(R,θ)。
[0128] 参考图10,根据圆形装箱过程1000的第二实施例,不是处理图像114的每一像素118,而是仅处理预界定感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’中的那些像素118,其中,举例来说,感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’由相应圆形条纹图案80的对应相应圆形边界界定。以步骤(1002)开始,针对每一感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’,在步骤(1004)中,将相关联箱元素BIN(*,ROI)初始化为零。接着,在步骤(1006)中,通过N(ROI)的预定值给出特定感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’中的像素118的数目。接着,在步骤(1008)中,针对特定感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’中的N(ROI)个像素118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(1010)中给出特定像素118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118将被装箱到其中的对应元素k。因此,在步骤(1012)中,将第m个像素118装箱到箱阵列BIN(*,ROI)的第k个元素中,如下:
[0129] BIN(k(m,ROI),ROI)=BIN(k(m,ROI),ROI)+Pixel(i(m,ROI),j(m,ROI)) (5) [0130] 接着,在步骤(1014)中,如果特定感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’中的所有像素m均已经装箱,那么过程继续步骤(1008)。否则,在步骤(1016)中,如果并非所有感兴趣区(ROI)126.1’到126.8’均已经装箱,那么过程继续步骤(1002)。否则,在步骤(1018)中,在相关联箱阵列BIN(*,NROI)中返回圆形条纹图案80中的每一者的经圆周装箱值。 [0131] 在一个实施例中,将与参考条纹图案104相关联的圆形条纹图案80、104.1、L104.2、 104.3、104.4装箱成单个共同线性参考条纹图案104,而在其它实施例中,将与参考条纹图案104相关联的圆形条纹图案80、104.1、104.2、104.3、104.4装箱成单独的相关L L L L L
联线性参考条纹图案104、104.1、104.2、104.3、104.4 或者部分地组合成较少数目个相L
关联线性参考条纹图案104。
[0132] 作为又一实例,在又一实施例中,范围成像激光雷达系统10、10i并入有多个圆/线干涉仪光学器件(CLIO)元件128,其实现以光学方式对散射条纹图案60及参考条纹图案104进行积分以便产生可接着由(举例来说)如上文中所描述的对应线性光电检测器阵列或线性阵列的光电检测器检测的对应线性分布的相关联条纹图案。举例来说,将在法布里-珀罗干涉仪44的相对于光学轴53的完全相对的部分上针对每一圆形条纹图案80、60.1、60.2、60.3、60.4、104.1、104.2、104.3、104.4使用单独的圆/线干涉仪光学器件(CLIO)元件128,其中每一圆/线干涉仪光学器件(CLIO)元件128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。
[0133] 作为又一实例,在又一实施例中,范围成像激光雷达系统10、10i并入有全息光学元件128’,其经调适以将弧形条纹62’、62”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6,313,908号美国专利的教示内容),但经调适使得将与散射条纹图案60相关联的弧形条纹62’变换成第一线性光分布,且将与参考条纹图案104相关联的弧形条纹62”变换成第二线性光分布,其中第一及第二线性分布为不同的且由(举例来说)如上文中所描述的相关联检测系统46的对应的第一及第二线性光电检测器阵列或线性阵列的光电检测器检测。
[0134] 将参考电子图像信号106及散射电子图像信号64传输到数据处理器66,所述数据处理器处理参考电子图像信号106以表征法布里-珀罗标准具50,且其接着依据与弧形条纹62’相关联的散射电子图像信号64确定大气16的一个或一个以上范围相依测量-在一个或一个以上给定范围处或随范围而变,其中每一弧形条纹62’对应于不同的相关联标称范围R且单独地经分析。更特定来说,散射电子图像信号64提供足以确定大气16的以下测量的信息:气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B,其中分子计数M实现产生大气密度的测量。如下文中更全面地描述,单独地分析来自每一弧形条纹62’的数据,以便确定在给定标称范围R或标称范围R集合处或随标称范围R而变的以下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。通过以下方式来确定所述测量:将所测量参考电子图像信号106与法布里-珀罗标准具50的关于所述测量参数化的参数化模型非线性拟合,以便表征法布里-珀罗标准具50;及接着将和不同弧形条纹62’相关联的所测量散射电子图像信号64与法布里-珀罗标准具50的关于待确定的测量(即,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)参数化的参数化模型非线性拟合,以便确定在与所述特定弧形条纹62’相关联的标称范围R处的那些测量的值。
[0135] 图11a中图解说明圆形条纹图案80的强度的径向曲线图。参考图11b,其图解说明圆形条纹图案80的单个圆形条纹80’的强度的径向横截面的展开图,第一条纹130对应于零风(即,零速度)条件,且第二条纹132对应于非零风条件,其中将第一条纹130及第二条纹132两者图解说明为分别展现气溶胶信号分量130.1、132.1及分子信号分量130.2、132.2两者。参考光信号105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
11b中所图解说明的气溶胶信号分量130.1。
[0136] 针对待建模的单个相关联条纹,由法布里-珀罗标准具50处理的经散射光信号32’的光谱形状具有图11c中所图解说明的定性形式,其中分子散射的光(即,分子分量
132.2)展现展宽的光谱形状,而气溶胶散射的光(即,气溶胶分量132.1)产生几乎等同于所透射激光的形状的尖峰。在这两个分量下面的是来自经散射日光的背景信号,在图11c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50处理的参考光信号105的光的对应光谱形状与气溶胶分量132.1的光谱形状实质上相同。
[0137] 范围成像激光雷达系统10实现直接检测从大气的分子16’、大气中的气溶胶16”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,根据瑞利散射,相对短波长激光能量由大气的分子散射。根据米氏散射,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大约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,范围成像激光雷达系统10因此响应于大气中引起由范围成像激光雷达系统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,范围成像激光雷达系统10实现在洁净空气中(即,在具有不多于可忽略量的气溶胶16”的大气中)的操作,其实质上仅取决于分子散射。
[0138] 参考图12,使用非线性最小平方技术来对由范围成像激光雷达系统10产生的散射条纹图案60的图像114进行建模。通过在与Nd:YAG激光器12.1协作使用时关断相关联激光播种器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)的情况下或在从法布里-珀罗干涉仪44移除法布里-珀罗标准具50的情况下测量条纹图案60’来提供杂散光及背景辐射的分布。在与Nd:YAG激光器12.1协作使用时接通激光播种器208以便实现实质上单频率操作的情况下以其它方式测量散射条纹图案60。由法布里-珀罗干涉仪44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50(例如,相关联固体光学元件76)的缺陷以及来自分子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。
[0139] 理想法布里-珀罗标准具50的透射T由里函数给出,所述函数如下且如在赫南德兹G.(Hernandez,G.)的“法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot interferometers)”(剑桥:剑 桥 大 学 出 版 社(Cambridge:Cambridge University Press),1986)及 沃 恩J.M.(Vaughan,J.M.)的“法布里-珀罗干涉仪:历史、理论、实践与应用(The Fabry-Perot Interferometer:History,Theory,Practice and Applications)”(英国布里斯托尔:A.希尔格(A.Hilger),1989)中所描述,所述文件两者均以引用的方式并入本文中: [0140]
[0141] 其中L为每板损耗(吸收及散射),R为板反射率,且M为干涉级。方程式(6)描述图13中所图解说明的周期透射函数。峰值之间的分离称为自由光谱范围且和第一部分反射表面54与第二部分反射表面56之间的间隙58、58.1负相关,使得相对大的间隔产生相对小的自由光谱范围。法布里-珀罗干涉仪44的分辨率由条纹的半高全宽(FWHH)确定,其又确定法布里-珀罗干涉仪44的瑞利解析能力。法布里-珀罗干涉仪44的精细度是界定为自由光谱范围(FSR)与FWHH的比率的无单位量。精细度界定可在两个共振峰值之间的范围中的可解析元素的数目,且表示法布里-珀罗干涉仪44的敏感度。在不存在任何缺陷的情况下,精细度主要与反射率有关。举例来说,0.80的反射率给出14的精细度,且0.90的反射率给出30的精细度。在存在缺陷的情况下,精细度及峰值透射率两者减小。除非在设计法布里-珀罗系统时仔细注意缺陷,否则精细度及通过量可实质上小于预期值且可不利地使所测量结果有偏差。为将缺陷并入到仪器模型中,可将方程式(6)写成等效的级数形式,如下:
[0142]
[0143] 方程式(7)是艾里函数的有用形式,因为其实现与展宽函数的相对容易的卷积。干涉级M由下式给出:
[0144] M=2μtνcosθ (8)
[0145] 其中μ为第一部分反射表面54与第二部分反射表面56之间的材料的折射率,t为有效间隙58、58.1,ν为光的波数,且θ为法布里-珀罗标准具50中的响应于成像光学器件52的焦距及检测系统46的大小的入射角。可如下对可对来自标准条件集合及法线入射的t、ν及θ的扰动进行建模:
[0146] t=t0+Δt (9)
[0147] ν=ν0+Δν (10)
[0148]
[0149] 可接着将干涉级写为如下:
[0150]
[0151] 其中已保留仅一次项,且可进一步将其表达为如下:
[0152] M=Mo+ΔM (13)
[0153] 其中
[0154] M0=2μt0ν0 (14)
[0155] 且
[0156] 量1/2μt0为使干涉级改变1所需的波数改变,且界定为自由光谱范围ΔνFSR,其产生:
[0157]
[0158] 在不失一般性的情况下,M0可为整数且因此T(M)=T(ΔM)。
[0159] 实际的仪器具有影响其行为且可通过用于表征装置的模型中的展宽函数而计及的缺陷。这些展宽函数为众所周知的且由可与基本法布里-珀罗艾里函数求卷积以给出以下一般结果的概率函数集合表示:
[0160]
[0161] 其中展宽函数Dn取决于缺陷或展宽过程的量值而对透射T进行滤波且依据以下乘积计算:
[0162]
[0163] 其中dqn为第q个展宽函数Gq--下文中所描述--与方程式(7)的仪器模型的卷积的第n个元素。卷积积分界定为如下:
[0164]
[0165] 其中T(M(n)-δ’)为法布里-珀罗无穷级数项。
[0166] 可使用简化计法来实现更紧凑的表示,其中
[0167]
[0168]
[0169] 使得可将艾里函数写为如下:
[0170]
[0171] 展宽函数Gq计及分别由多普勒移位、激光宽度、散射展宽及湍流运动中的每一者产生的展宽,如下文中针对方程式(18)中的Nq=3所给出。
[0172] 多普勒展宽:因平均空气运动所致的多普勒移位由下式给出:
[0173]
[0174] 其中Δν为多普勒移位,ν1为激光波数,Uh为沿观看方向的水平风速度,且Φ为与光束18在其穿过大气16时所做出的天顶的角度,其中Uh sinΦ为视线相对风速度U。因此,方程式(22)实现视线相对风速度U与多普勒移位Δν之间的关系。
[0175] 激光光谱宽度展宽:假设激光的光谱形状具有高斯形式,如下:
[0176]
[0177] 其中Δν1为激光的1/e宽度,其中激光脉冲的持续时间越短,相关联展宽函数就越宽,此导致法布里-珀罗标准具50的精细度降低。
[0178] 散射展宽:因由分子散射诱发的展宽所致的对法布里-珀罗干涉仪44的透射T的影响不同于由气溶胶散射诱发的展宽的影响。因此,在针对法布里-珀罗干涉仪44的透射T的分子分量TMol及气溶胶分量TAero的相应对应模型中分别使用不同的展宽函数Gq来 计及分子散射及气溶胶散射。
[0179] 分子散射介质因相关联随机运动而展宽信号。分子具有高斯展宽函数,如下: [0180]
[0181] 其中ΔνG为1/e宽度且由下式给出:
[0182]
[0183] 或
[0184]
[0185] 其中k为波尔兹曼常数,m为大气中的分子的平均质量,Temp为以开氏度计的静态绝对温度,且 为平均分子重量
[0186] 气溶胶展宽函数具有如下的洛伦兹(Lorentzian)形式,举例来说,如在以下文献中所描述:斐戈G.(Fiocco,G.)及德沃夫J.B.(DeWolf,J.B.)的“来自大气成分的激光回波的频谱及空气的气溶胶含量的确定(Frequency spectrum of laser echoes from atmospheric constituents and determination of aerosol content of air)”( 大气科学杂志(Journal of Atmospheric Sciences),第25卷,第3期,1968年5月,第488-496页);以及贝内德蒂-米开兰杰利G.(Benedetti-Michelangeli,G.)、康戈杜奇F.(Congeduti,F.)及斐戈G.的“由多普勒光学雷达进行的较低对流层中的气溶胶运动及风速度的测量(Measurement of aerosol motion and wind velocity in the lower troposphere by Doppler optical radar)”(大气科学杂志,第29卷,第5期,1972年7月,第906-910页),所述参考文献两者均以引用的方式并入本文中:
[0187]
[0188] 其中半宽度αA由下式给出:
[0189]
[0190] 气溶胶诱发的展宽分量的光谱宽度与分子诱发的展宽分量相比极其窄,且在大多数情况下比激光脉冲窄得多,使得气溶胶散射本质上充当δ函数且不取决于温度。 [0191] 湍流运动展宽:除分子及气溶胶的随机运动以外,模型还允许散的随机运动(即, 湍流),其中此展宽由相对简单的高斯形状表示,如下:
[0192]
[0193] 其中
[0194]
[0195] 且UT为特性湍流速度,其为与视线相对风速度U无关的预界定的常数。在一些实施例中,此项被忽略,因为其与温度并无区别,使得方程式(24)及(29)的影响彼此并无区别。
[0196] 除上文中所描述的那些展宽函数Gq以外,还可利用其它展宽函数Gq,举例来说,以便计及成像光学器件52的散焦
[0197] 分别针对参考光信号105及经散射光信号32’的线性经装箱像素116集合的值分别针对对应参考光信号105及经散射光信号32’提供法布里-珀罗干涉仪44的对应透射测量T′。每一透射测量T′为一N元素向量,其中所述向量的每一元素n对应于不同波长或对应干涉级。元素值以测量计数为单位;举例来说,其中一个测量计数等于由检测系统46捕获的一个光电子。透射测量T′为来自法布里-珀罗干涉仪44的数据的测量,可如上文中所描述根据方程式(6)到(30)对其进行建模,如图11c及图13所表示,其中图11c图解说明图13中所图解说明的每一条纹的更精细尺度的细节。因此,透射测量T′(以来自检测系统46的经装箱值的总计数为单位)可经建模为相关联分子计数、气溶胶计数及背景计数的和,如下:
[0198] T=TMol(Temp,U)·MolCounts+TAero(U)·AeroCounts+TBack·BackCounts (31) [0199] 其中TMol(Temp,U)·MolCounts为法布里-珀罗干涉仪44的透射T的由分子散射产生的分量,其为温度及视线相对风速度U的函数;TAero(U)·AeroCounts为法布里-珀罗干涉仪44的透射T的由气溶胶散射产生的分量,其不受温度影响而是取决于视线相对风速度U;且TBack·BackCounts为法布里-珀罗干涉仪44的透射T的由杂散光及背景产生的分量,其中TBack在整个仪器中为连续统分布或照射轮廓,其是在依据在关断激光播种器208的情况下法布里-珀罗干涉仪44的响应校准仪器期间测量的,其表示来自法布里-珀罗干涉仪44的将由背景照射产生的相关联光谱分布。在范围成像激光雷达系统10的操作期间,连续统分布TBack是从存储于存储器中的预测量值获得的,且分量TMol及TAero是使用适当的相关联展宽项依据方程式(21)计算的。法布里-珀罗干涉仪44的透射T的上 述分量中的每一者是以由检测系统46的元件收集的电荷产生的计数为单位。使用分别适于分子散射分量及气溶胶散射分量的展宽函数借助方程式(21)来评估分布TMol(Temp,U)、TAero(U)。在实践中,当评估方程式(21)时,将相关联无穷级数截尾以忽略相对不重要值的高次项,其中截尾水平为预定的或在级数的元素的累加期间确定的。
[0200] 因此,借助方程式(31)的非线性模型对法布里-珀罗干涉仪44的透射T进行建模,所述模型由表征特定测量(即,表征特定透射测量T′)的第一参数P集合(或向量)及在法布里-珀罗干涉仪44的操作期间假设为常数的第二参数Q(其值是在校准期间确定的)集合参数化。参考图12,第一参数P(称为可观测量)集合包含以下元素:视线相对风速度U、静态温度Temp、分子计数MolCounts、气溶胶计数AeroCounts及散射计数BackCounts。第二参数Q包含法布里-珀罗标准具50的间隙58、58.1(t)、折射率μ(对于气隙为1)及反射率R、来自光源12的单色光14的标称波数ν(或波长λ)、成像光学器件52的焦点性质(即,方程式(8)中的θ)及连续统分布TBack。
[0201] 可观测量P可作为使以下X2优值函数最小化的参数P的值来确定:
[0202]
[0203] 此确定使用(举例来说)非线性最小平方过程的列文伯格-夸尔特(Levenberg-Marquardt)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 Veterling)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。在方程式(32)中,T′(n)为第n个经装箱像素116’的值,且T(M(n),P,Q)为来自方程式(31)的透射模型T的值。
[0204] 因此,针对范围成像激光雷达系统10,透射模型T在以下意义上为超定的:检测系统46的元件N的数目(即,每通道经装箱像素的数目)具有比可观测量P的数目高的维度。针对本文中所描述的范围成像激光雷达系统10实施例,存在5个可观测量P。
[0205] 在逆海森方法中,X2的梯度由下式给出:
[0206]
[0207] 且海森由下式近似:
[0208]
[0209] 其中对于所述5个可观测量,k=1到5。
[0210] 接着通过求解以下线性方程式集合来求解可观测量:
[0211]
[0212] 其中δPl为待加到可观测量向量Pl的当前近似的向量增量。此方程式组可表示为:
[0213] A·δP=B (36)
[0214] 其中A为海森矩阵,δP为待加到可观测量P的当前近似的可观测量增量的向量,且B为梯度向量。可如下求解此方程式组:-1
[0215] δP=A ·B (37)-1
[0216] 其中A 为逆海森矩阵。2
[0217] 逆海森方法在X 优值函数可由二次型局部近似时为适合的。如果二次型为相对不良的局部近似,那么可使用最速下降公式来找出可观测量P的增量δP,如下: [0218] δPl=常数×βk (38)
[0219] 列文伯格-马夸尔特方法实现逆海森方法与最速下降方法的组合,其中方程式(35)中的海森矩阵由下式替换:
[0220]
[0221]
[0222] 且方程式(35)及(38)两者由以下式替换:
[0223]
[0224] 其解由下式给出:
[0225] δP=A′-1·B (41)
[0226] 其中A′的元素由a′jk给出。
[0227] 列文伯格-马夸尔特方法以可观测量向量P的初始猜想开始,此后计算X2(P,Q),且选择λ的初始值(例如,λ=0.001)。接着迭代过程以方程式(41)的δP的求解及2 2 2
X(P+δP,Q)的评估开始。如果X(P+δP,Q)≥X(P,Q),那么使λ增加(例如)到10倍,
2 2
且重复迭代。否则,如果X(P+δP,Q)<X(P,Q),那么使λ减小(例如)到1/10,且重复迭代。 继续对可观测量向量P的迭代,直到满足停止准则为止,举例来说,在第一或第二次
2
X 减小可忽略量时,且在最终解的情况下,方法朝向逆海森方法逆转。
[0228] 在计算X2的梯度时所使用的透射模型T的梯度的分量及海森矩阵给出如下且以数值方式计算:
[0229]
[0230]
[0231]
[0232]
[0233]
[0234]
[0235] 当处理参考光信号105时,假设可观测量MolCounts及BackCounts为零值,且还假设方程式(43)、(46)及(45)分别关于MolCounts、BackCounts及Temp的偏导数为零。 [0236] X2优值函数中的σ2(n)加权项为第n个测量通道(即,干涉级或波长)的相关联方差,其包含所收集信号的方差与和来自检测系统46的噪声相关联的方差的组合。所收集光子展现泊松噪声统计。因此,对于在单个通道上收集的Signal(n)光子/计数/光电子,相关联方差等于信号级,如下:
[0237] σSignal2(n)=Signal(n) (47)
[0238] 其中Signal(n)为分子分量、气溶胶分量及背景分量的和,即:
[0239] Signal(n)=Molecular(n)+Aerosol(n)+Background(n) (48)
[0240] 使得Signal(n)为来自方程式(31)的预测值。总方差为信号方差与检测器的方差的组合,如下:
[0241] σ2(n)=Signal(n)+NoiseDetector(n)2 (49)
[0242] 其中,对于CCD检测系统46.1,检测器噪声为每一检测器通道上的相关联读取噪声。
[0243] 或者,可使用其它非线性建模或非线性编程技术或例如非线性估计或卡尔曼滤波等其它技术来估计可观测量P。
[0244] 参考图14,根据其它实施例,范围成像激光雷达系统10包括激光器12’作为光源12,举例来说,在一个实施例中,为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,其中在形成光源12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,使得光源12的带宽与相关联法布里-珀罗干涉仪44的带宽一样窄或比其窄,其中法布里-珀罗干涉仪44的带宽与其精细度有关。
[0245] 来自激光器12’的实质上单色光14由分束器光学器件92划分成参考源94及光束18,其中的后者在一些实施例中可由束转向光学器件210(举例来说,并入有分束反射镜、棱镜、其组合或某种其它类型的分束器)进一步划分成多个光束18,每一不同光束18沿不同的方向引导到大气16中。经散射光信号32′及参考源94各自首先由准直器212(例如准直透镜48)准直,接着由如上文中所描述的滤波器系统88进行滤波,且接着由相关联法布里-珀罗标准具50处理,相关联法布里-珀罗标准具50的输出由相关联成像光学器件
52作为相关联圆形条纹图案80成像到相关联检测系统46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的范围成像激光雷达系统10,光学元件将并入有针对355纳米调谐的UV级熔融土衬底及标准抗反射涂层。
[0246] 来自法布里-珀罗标准具50的圆形条纹图案80的几何形状响应于其操作间隙58、58.1,假如控制间隙58、58.1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50同时处理的参考束94实现对等同地影响法布里-珀罗标准具50的所有部分的热漂移进行补偿,但如果法布里-珀罗标准具50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,根据范围成像激光雷达系统10的一个方面,通过包封在热控制包壳214中来使法布里-珀罗标准具50热稳定以便防止圆形条纹图案80的热诱发漂移。
[0247] 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50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50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50的结构的影响间隙58、58.1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。
[0248] 参考图15到图18,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16及图17,法布里-珀罗标准具50包括固体光学元件76--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76的热膨胀系数以便实现防止或实质上消除固体光学元件76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。
[0249] 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50的固体光学元件76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76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76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。
[0250] 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经散射光信号32′及参考光信号105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。
[0251] 参考图14,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46对相关联图像的获取的同步,借此排除对原本将实现将经散射光信号32’及参考光信号105选通到检测系统46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46.1’的情况下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66。同步器294可经调适以产生用于控制激光器12’及检测系统46两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46中的任一者产生的定时脉冲中继到检测系统46及激光器12’ 中的另一者。 [0252] 范围成像激光雷达系统10可在气溶胶存在时利用气溶胶,但并不依赖于其存在。
范围成像激光雷达系统10的参考光信号105及经散射光信号32′可用于直接测量速度、真空速、垂直速度、迎角、侧滑角、静态密度、静态温度及气溶胶与总散射比率(ASR)。依据这些数据产物,可直接计算以下量:经校准空速、马赫数、静态压力、总压力、动态压力、压力高度、空气密度比率、总温度、迎角、压力差及侧滑角压力差。使用来自法布里-珀罗干涉仪
44的条纹数据直接计算风速度、密度及温度。鉴于束转向光学器件210的相关联几何形状的基本知识,从这三个基本测量导出其它空气数据产物。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。
[0253] 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--与范围成像激光雷达系统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--所述算法还针对与相关联接收器光学器件24观看的每一对应体积元素28相关联的每一特定相关联方向确定分子及气溶胶散射、背景辐射以及大气16的温度对条纹图案的贡献。
[0254] 举例来说,参考图11b及图19,根据第一测量过程1902,依据与对应经散射光信号32’相关联的相关联散射条纹图案60的形心和与参考光信号105相关联的圆形条纹图案
80的形心相比的差确定沿着对应方向的相对风速度Vi。相对于光学轴53的条纹位置与波长直接有关。因此,与经散射光信号32’相关联的圆形条纹图案80和与参考光信号105相关联的圆形条纹图案80之间的波长差为响应于分子或气溶胶散射而从大气16散射的光32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经散射光信号32’的相对风速度Vi:从参考光信号105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Vi。
[0255] 参考图11b及图19,根据第二测量过程1904,依据与经散射光信号32’相关联的相关联圆形条纹图案80的圆形条纹80’的分子信号分量130.2、132.2的积分确定空气密度(即,静态密度ρ)。大气16的密度与分子密度而非气溶胶密度有关。因此,通过对经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散射与米氏散射分离,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16的密度。空气越密集,就存在越多的分子将光32散射回到望远镜24’以供由相关联检测系统46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为取决于界定范围成像激光雷达系统10的参数(即,激光功率、交互作用区、系统的透射、检测器的增益、望远镜24’的大小及来自大气分子16’的散射的系数)的以经验确定的常数。
[0256] 参考图11b及图19,根据第三测量过程1906,依据与经散射光信号32’相关联的相关联圆形条纹图案80的圆形条纹80’的分子信号分量130.2、132.2的宽度确定大气16的绝对温度(即,静态温度TS)。大气16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44的相关联圆形条纹图案80中产生对应较宽的条纹。大气16的绝对温度与此信号带宽直接有关且直接确定为可观测量温度t。
[0257] 参考图19,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1908,使用已知的变换首先将通过第一测量过程1902沿着对应相关联方向确定的相对风速度Vi从视线参考变换成范围成像激光雷达系统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1910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1912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1914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的和的比率来计算。参考图20,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。 [0258] 更特定来说,参考图21,根据用于依据散射电子图像信号64确定大气的测量的过程2100,在步骤(2102)中,使用参考电子图像信号106来表征法布里-珀罗标准具50,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(2104)开始,针对每一感兴趣弧形条纹62’,I(Xi),在步骤(2106)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62’,I(Xi)在输出焦平面44.2中的位置。接着,在步骤(2108)中,假定弧形条纹62’的测量向量I(Xi),如上文中所描述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(2110)中,如果尚未分析所有感兴趣弧形条纹62’,I(Xi),那么以上过程以步骤(2104)重复。否则,在步骤(2112)中,返回在步骤(2108)中分析的弧形条纹62’,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50的间隙58。*
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(2114)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(2116)所指示)。或者,通过(举例来说)借助标准具控制致动器72响应于多普勒移位而调整法布里-珀罗标准具50的间隙58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62’保持在实质上固定位置处,而不论大气16的条件如何。
[0259] 参考图22,根据第一方面的第二实施例,范围成像激光雷达系统10、10‘i 可不构建有准直透镜48及输入望远镜24’。在检测系统46的检测器46’位于成像光学器件52的输出焦平面44.2--其为由法布里-珀罗标准具50产生的圆形条纹80’为最清晰的地方--中的情况下,当经散射光信号32′相对靠近传感器时,散射条纹图案60的所得图像114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24的视场34之间的几何形状与具有输入望远镜24’及准直透镜48的系统基本上相同。
[0260] 从第一分束器光学器件92反射来自光源12的实质上单色光14的参考束部分90以便产生耦合到相关联光纤98中的相关联参考源94,所述光纤将信号路由到需要其的地方。来自光纤98的输出为发散的且随后由相关联透镜134准直,且接着使用第二分束器光学器件136与经散射光32组合,所述第二分束器光学器件将来自参考源94的实质上单色光14的相对小的部分作为相关联参考光信号105反射到法布里-珀罗干涉仪44中同时使经散射光32的相当大的部分透射穿过其以作为经散射光信号32’进入到法布里-珀罗干涉仪44中。
[0261] 光纤98在透镜134的图像平面中的位置确定参考光信号105的相关联图像114将出现在检测系统46上的何处。在一个实施例中,参考光信号105的图像114经定位以便在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中不与相关联经散射光信号32’重叠。在另一viii实施例中,根据下文中更全面描述的范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面,参考光信号105的图像114经定位以便与相关联经散射光信号32’重叠,其中参考光信号105的与经散射光信号32’重叠的部分由透镜134与第二分束器光学器件136之间的 相关联掩模138阻挡。
[0262] 相关联光学器件可经设计使得参考光信号105将足以确定由法布里-珀罗干涉仪44产生的干涉图案的中心以及相关联弧形条纹62’、62”的位置。
[0263] 参考图23,根据第二方面,可根据相关联检测系统46.2的第二方面调适范围成像ii激光雷达系统10、10 以借助检测器140测量参考源94的总体强度而非经由法布里-珀罗干涉仪44处理参考束,举例来说,以便实现减少借助法布里-珀罗干涉仪44处理的信号的总数。此布置在正借助其测量的相关联大气数据68不取决于相对风速度时将为适合的,所述测量中的后者是使用法布里-珀罗干涉仪44响应于参考光信号105的频移的测量而校ii
准。举例来说,图23中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、10 将适合于测量静态密度ρ及静态温度TS中的任一者或两者,或者适合于实现从其导出静态空气压力、总空气温度、声速、空气密度比率或压力高度中的一者或一者以上。
[0264] 参考图24a及图24b,范围成像激光雷达系统10的相关联检测系统46.3、46.3’的第三方面的第一实施例并入有数字微反射镜装置(DMD)142,所述装置包括相关联微反射镜144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可个别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148、150、152中的一者的可控像素146。数字微反射镜装置(DMD)142位于法布里-珀罗干涉仪44的成像光学器件52的输出焦平面44.2中以便接收由法布里-珀罗干涉仪44处理的散射条纹图案60及参考条纹图案104,在经处理时,所述条纹图案的若干部分被选择性地反射到一对光电检测器A B A’ B’
154、154(举例来说,光电倍增器检测器154 、154 )上,由所述光电检测器从所述部分检测的互补信号156、158由数据处理器66处理以便实现依据所述信号确定大气16的随标称范围R而变的相关联测量。
[0265] 数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144阵列中的处于第一像素反射镜旋转状态148中的微反射镜144致使来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60或参考条纹图案104的撞击于其上的第一部分160’沿第一方向162反射到相关联第一物镜A’透镜164且由其引导到第一光电倍增器检测器154 。类似地,数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144阵列中的处于第二像素反射镜旋转状态150中的微反射镜144致使来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60或参考条纹图案104的撞击于其上的第二部分160”沿第二方向166反射到相关联第二物镜透镜168且由其引导到第二光电倍增器B’
检测器154 。最后,数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144阵列中的处于第三像素反射镜旋转状态152中的微反射镜144致使来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60或参考条纹图案104的撞击于其上的第三部分160”’ 沿第三方向170反射到光挡块172,光挡块172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152对应于相关联微反射镜144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144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144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144维持在实质上未经旋转条件下。
[0266] 数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144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)142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)142用于询问来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条A’
纹图案60及参考条纹图案104的若干部分,且与相关联第一光电倍增器检测器154 及第二B’
光电倍增器检测器154 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156、
158,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)142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)142的相关联微反射镜144阵列设定为所述特定像素反射镜旋转状态图A’ B’
案,其中相关联第一光电倍增器检测器154 及第二光电倍增器检测器154 实现计数与由数字微反射镜装置(DMD)142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。 [0267] 举例来说,还参考图25及图26,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 Device: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)142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144的阵列,所述阵列中的每一微反射镜144由悬置于操作地耦合到共同CMOS衬底178的一对顺应性扭转铰链或挠曲件176上的轭架174机械支撑。每一微反射镜144可响应于微反射镜144的拐角部分144.1、144.2与两个相关联抬高反射镜地址电极180.1、
180.2中的一者之间的静电吸引且响应于轭架174.1的两个相对部分174.1、174.2中的对应一者与两个相关联轭架地址电极182.1、182.2中的一者之间的静电吸引而旋转成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144及轭架174电连接的偏置复位总线184向微反射镜144及轭架174施加第一电压且向反射镜地址电极180.1、180.2 中的一者及轭架地址电极182.1、182.2中的对应一者施加第二电压而使微反射镜144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180.1与轭架地址电极182.1彼此电连接,第二对应反射镜地址电极180.2与轭架地址电极182.2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180.1、180.2及轭架地址电极182.1、182.2与微反射镜的对应部分144.1、144.2及轭架的对应部分174.1、
174.2之间的吸引。
[0268] 举例来说,参考图26,在经由相关联偏置复位总线1841向第一微反射镜1441及1 1
相关联轭架174 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180.1 且施
1 1
加到相关联第一轭架地址电极182.1 的第二电压致使第一微反射镜144 的第一拐角部分
1 1 1
144.1 静电吸引到相关联第一反射镜地址电极180.1 且致使相关联轭架174 的第一相对
1 1 1
部分174.1 静电吸引到相关联第一轭架地址电极182.1,借此致使第一微反射镜144 旋转到第一像素反射镜旋转状态148,举例来说,针对特定商业实施例所述状态在图26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184 向第二微反射镜144 及相关联轭架174 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180.2 且施加到相关联第二轭架地址电极182.2 的
2 2
第三电压致使第二微反射镜144 的第二拐角部分144.2 静电吸引到相关联第二反射镜地
2 2 2
址电极180.2 且致使相关联轭架174 的第二相对部分174.2 静电吸引到相关联第二轭架
2 2
地址电极182.2,借此致使第二微反射镜144 旋转到第二像素反射镜旋转状态150,举例来说,针对特定商业实施例所述状态在图26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174的尖端186接触相关联偏置复位总线184上的对应焊盘位点188,且焊盘位点188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144复位到平坦状态或使微反射镜144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
144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。 [0269] 商业数字微反射镜装置(DMD)142包括微反射镜144阵列,其介于从含有总共约五十万微反射镜144的640×480个微反射镜144的阵列到含有总共超过两百万微反射镜
144的2048×1080个微反射镜144的阵列的范围内。所述阵列的每一微反射镜144表示相关联像素反射镜旋转状态148、150、152图案190的一个像素146,其中每一像素可响应于来自数据处理器66的信号而独立控制或编程。
[0270] 从与望远镜24’的视场34相关联的交互作用区22接收的相关联经散射光信号32’ 的经散射光信号32’由法布里-珀罗干涉仪44处理以产生相关联散射条纹图案60,所述相关联散射条纹图案接着由数字微反射镜装置(DMD)142分离成不相交部分60’、60”,所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154 及第二光电倍增器检测器B’
154 检测。参考光信号105由同一法布里-珀罗干涉仪44同时或依序处理以产生相关联参考条纹图案104,所述相关联参考条纹图案接着由数字微反射镜装置(DMD)142或单独对应数字微反射镜装置(DMD)(未图解说明)分离成不相交部分104’、104”,所述不相交部分A’ B’
接着由对应的相关联第一光电倍增器检测器154 及第二光电倍增器检测器154 或由单独的第一及第二光电倍增器检测器集合(未图解说明)检测。使用与参考光信号105相关联的所得互补信号156、158来实现校准与经散射光信号32’相关联的大气测量。因此,范围成像激光雷达系统10使用法布里-珀罗干涉仪44直接检测来自经散射激光能量的信息,其中单独地检测散射光信号32’及参考光信号105中的每一者,且可接着使用来自参考光信号105的信息来校准相关联经散射光信号32’。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16中的分子及气溶胶散射的激光的非相干多普勒移位。
[0271] 法布里-珀罗干涉仪44的响应在文献中有大量证明,举例来说,如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)中所描述,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44的单个波长的条纹图案的理想强度分布由下式给出
[0272]
[0273] 其中
[0274]
[0275] 其中T为法布里-珀罗标准具50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50的间隙58、58.1的厚度,λ为源的波长,θ为穿过法布里-珀罗标准具50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:
[0276]
[0277] 其中
[0278]
[0279] 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。
[0280] 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16交互作用的参考源94来校准缺陷系数Dn,k。只要范围成像激光雷达系统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经散射光信号32’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光信号105的信号,且通过使用理想信号Hideal--举例来说,由方程式(50.1)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(60.1)、(60.2)及(61)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范围成像激光雷达系统10的实践必不可少的。
[0281] 针对含有气溶胶及分子两者的大气16且针对经调适以对整个圆形条纹图案80进行取样的范围成像激光雷达系统10,相关联的总响应由下式给出:
[0282]
[0283] 其中I为到达光电检测器154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16透射到范围成像激光雷达系统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(52)的偏倒数而分别给出系统对每一相应变量的敏感度,如下:
[0284]
[0285]
[0286]
[0287] 且 (53.4)
[0288]
[0289] 其中
[0290]
[0291] 举例来说,图11a图解说明在整个圆形条纹图案80上随半径而变的来自方程式(52)的总条纹响应I,且图27及图28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(53.3)及(53.4)给出。
[0292] 在图27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192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194为在窄气溶胶贡献192之外的相对宽的区。气溶胶贡献192的变化致使其中心196随气溶胶的密度改变而扩展及收缩,如图11b中所图解说明。图
28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。
[0293] 通常,范围成像激光雷达系统10实现对散射条纹图案60及参考条纹图案104的单独部分(举例来说,不相交部分60’、64”、104’、104”)进行取样、收集及积分,且接着使用针对不同的不相交部分60’、64”、104’、104”的集合中的每一者的所得相关联信号(举例来说,互补信号156、158)来确定表征相关联散射条纹图案60的变量或参数的值。散射条纹图案60及参考条纹图案104由数字微反射镜装置(DMD)142进行取样,其中根据特定图案190来控制相关联微反射镜144的像素反射镜旋转状态148、150、152,使得处于第一像素反射镜旋转状态148中的微反射镜144实现将来自散射条纹图案60或参考条纹图案104的第一不相交部分60’、104’的光反射到第一物镜透镜164, 所述第一物镜透镜将所述光聚A’
焦到第一光电倍增器检测器154 上,所述第一光电倍增器检测器实现对来自散射条纹图案
60或参考条纹图案104的第一不相交部分60’、104’的光进行积分以便产生第一互补信号
156;且使得处于第二像素反射镜旋转状态150中的微反射镜144实现同时将来自散射条纹图案60或参考条纹图案104的第二不相交部分60”、104”的光反射到第二物镜透镜168,B’
所述第二物镜透镜将所述光聚焦到第二光电倍增器检测器154 上,所述第二光电倍增器检测器实现对来自散射条纹图案60或参考条纹图案104的第二不相交部分60”、104”的光进行积分以便产生第二互补信号158。针对散射条纹图案60的N个不同不相交部分60’、60”集合中的每一不同集合且针对参考条纹图案104的一个不相交部分104’、104”集合重复此过程以便实现产生N个对应的互补信号156、158集合,可依据所述集合表征多达N个不同变量或参数。
[0294] 举例来说,根据第一方面,关于以下N=5个变量来表征散射条纹图案60: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(51.1)、(51.2)及(52)所提供,此表征使用数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144的对应的N=5个不同像素反射镜旋转状态148、150、152图案190,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190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148、150、152图案190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(53.1)到(53.5)的正负号)而选择的。举例来说,图29到图33分别为数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144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148、150、152图案190的实例,如分别由方程式(53.1)到(53.5)的正负号所给出,其中图29到图33中的黑色区为对应方程式(53.1)到(53.5)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)142经控制到第一像素反射镜旋转状态148;且图29到图33中的白色区为对应方程式(53.1)到(53.5)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)142经控制到第二像素反射镜旋转状态150。图34a到34e分别图解说明穿过图29到图33中所图解说明的对应图案的从每一像素反射镜旋转状态148、150、152图案190的中心向外的径向横截面。
[0295] 更特定来说,图29图解说明数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.1的实例,其是基于方程式(53.1)的值的符号,用于响应于气溶胶计数A的测量而获得对应的第一互补信号156.1、158.1集合,其中在图34a中图解说明穿过图29中所图解说明的像素反射镜旋转状态图案190、 190.1的从其中心向外的径向横截面。此外,图30图解说明数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.2的实例,其是基于方程式(53.2)的值的符号,用于响应于分子计数M的测量而获得对应的第二互补信号156.2、158.2集合,其中在图34b中图解说明穿过图30中所图解说明的像素反射镜旋转状态图案190、190.2的从其中心向外的径向横截面。另外,图31图解说明数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.3的实例,其是基于方程式(53.3)的值的符号,用于响应于速度u的测量而获得对应的第三互补信号156.3、158.3集合,其中在图34c中图解说明穿过图31中所图解说明的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.3的从其中心向外的径向横截面。另外,图32图解说明数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.4的实例,其是基于方程式(53.4)的值的符号,用于响应于温度t的测量而获得对应的第四互补信号
156.4、158.4集合,其中在图34d中图解说明穿过图32中所图解说明的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.4的从其中心向外的径向横截面。另外,图33图解说明数字微反射镜装置(DMD)142的微反射镜144的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、
190.5的实例,其是基于方程式(53.5)的值的符号,用于响应于温度t的测量而获得对应的第五互补信号156.5、158.5集合,其中在图34e中图解说明穿过图33中所图解说明的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.5的从其中心向外的径向横截面。
[0296] 应注意,用于气溶胶计数A的测量的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.1为用于分子计数M的测量的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.2的子集,且像素反射镜旋转状态148、150、152图案190、190.1到190.5中的每一者在数学上独立于其它者,使得这些图案190、190.1到190.5概不可通过其它像素反射镜旋转状态148、A
150、152图案190、190.1到190.5的叠加而构造。因此,来自第一光电检测器154 及第二B
光电检测器154 的针对来自经散射光信号32’的圆形条纹图案80的五个互补信号156.1到156.5、158.1到158.5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。
[0297] 通常,在空间上独立的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190的任一集将起作用,然而,并非所有的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190都提供相同的预期误差。像素反射镜旋转状态148、150、152图案190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,鉴于范围成像激光雷达系统10的光学响应的相关联模型而选择像素反射镜旋转状态148、150、152图案 190,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156、158。依据如方程式(53.1)到(53.5)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27及图28,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。
[0298] 根据第二方面,可与第一方面一样地调适图案190,但在将方程式(53.1)到(53.5)的结果映射到对应图案190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190,举例来说,如图35及图36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(53.3)。更特定来说,图35针对光电检测器上具有三个级的圆形条纹图案80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148、150、152图案190.3,其叠加于如方程式(53.3)所给出的总条纹响应I关于速度u的偏导数上,其中图34c中所图解说明的对应像素反射镜旋转状态148、150、152图案190.3具有三个正区及四个负区,使得在第一像素A反射镜旋转状态148中微反射镜144的三个完整环将朝向第一光电检测器154 倾斜,且在B
第二像素反射镜旋转状态150中四个完整环将朝向第二光电检测器154 倾斜。图31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36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148、150、152图案190.3。针对与背景计数B相关联的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190.5,偏导数为常数,因此相关联的像素反射镜旋转状态148、150、
152图案190.5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148、150、152图案190.5可简单地通过参数化比例阈值将径向域划分A
为二,使得将高于阈值的所有半径成像到第一光电检测器154 上且将低于阈值的半径成像B
到第二光电检测器154.2 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190.1、190.2及190.4。
[0299] 数字微反射镜装置(DMD)142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148、150、152图案190.3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148、150、152图案190.3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148、150、152图案190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148、150、152图案190而不同,以便实现再平衡范围成像激光雷达系统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。
[0300] 时间曝光加权及像素反射镜旋转状态148、150、152图案190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(70)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到最佳的候选者。 [0301] 一旦确立用于产生像素反射镜旋转状态148、150、152图案190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148、150、152图案190、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 [0302]
[0303] 此允许在任一相点 处的强度近似为
[0304] I≈I0+J[ΔA,ΔM,Δu,Δt,B]T (55)
[0305] 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148、150、152图案190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148、150、
152图案190,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148、150、152图案190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。
[0306]
[0307] 此方程式(56)针对任一像素反射镜旋转状态148、150、152图案190集合(例如图34a到34e、图40或图41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
[0308]
[0309] 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
[0310]
[0311] 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37中所图解说明的蒙特-卡罗程序。 [0312] 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38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:
[0313] 实例性线性成本函数
[0314]
[0315] 实例性高斯多变量函数
[0316]
[0317] 实例性对数函数
[0318] J(σ)=log(<ω,σ>n+γ) (59.3)
[0319] 图38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38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。
[0320] 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148、150、152图案190。举例来说,在遗传算法程序中,将图37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148、150、152图案190(或阈值)及时间分数的候选集合的变异子代”,如图39中所图解说明。
[0321] 一个令人感兴趣的点是,不需要产生与法布里-珀罗干涉仪44一起使用的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190,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148、150、152图案190在代数上独立,使得像素反射镜旋转状态148、150、152图案190均无法作为集合中的其它像素反射镜旋转状态148、150、152图案190的线性组合而构造。
[0322] 参考图40,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148、150、152图案190集合。
[0323] 此外,像素反射镜旋转状态148、150、152图案190并不一定必须为径向对称的。虽然法布里-珀罗干涉仪44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148、150、152图案190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148、150、152图案190的值视为处于第一像素反射镜旋转状态148或第二像素反射镜旋转状态150中的像素的分数(或概率)。图41中展示此像素反射镜旋转状态148、
150、152图案190,其中灰度值意味着0与1之间的概率。
[0324] 可接着使用对应像素反射镜旋转状态148、150、152图案190集合的互补信号156、158的测量集合来估计来自范围成像激光雷达系统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(51.1到51.2)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50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50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Hideal=H0(Φ)的傅里叶展开及参考信号Href(Φ)的傅里叶展开为
[0325] 且 (60.1)
[0326]
[0327] 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
[0328]
[0329] 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50的间隙58、58.1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50的温度来获得法布里-珀罗标准具50的折射率。在使用近似于方程式(56)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
[0330]
[0331] 及测量的向量
[0332]
[0333] 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:
[0334] Mj+1=Mj+Wjδx (64)T
[0335] 其中δx=[δA,δu,δB]。回想起相位由下式给出
[0336]
[0337] 速度项应为零,然而,法布里-珀罗标准具50的间隙58、58.1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T程式(64)以得出更新[δA,δd,δB]。这些更新接着界定考虑总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50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。 [0338] 类似相关技术是将参考条纹与由经散射大气响应产生的条纹图案的傅里叶变换系数划分开。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148、150、152图案190.1到190.5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148、150、152图案190。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
148、150、152图案190。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)142可同时以一个像素反射镜旋转状态148、150、152图案190集合将大气响应成像且以另一像素反射镜旋转状态148、150、152图案190集合将参考条纹图案成像。
[0339] 一种用于依据经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(56)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:
[0340] 将在每一像素反射镜旋转状态148、150、152图案190的情况下进行的测量视为向量:
[0341]
[0342] 假设
[0343]
[0344] 为返回信号的估计,假定在方程式(50到52)中所描述的模型。如方程式(56)中所描述,此模型的雅可比为:
[0345]
[0346] 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:
[0347] Y(x)≈Y(x0)+W·(x-x0) (69)
[0348] 可形成针对模型与数据的不匹配的成本函数:
[0349]
[0350] 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(57)中。
[0351] 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(68)中所给出的成本函数的梯度简单地为 [0352] ▽F(x)=WTQ-1(Y(x0)-M+W·(x-x0)) (71)
[0353] 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:
[0354] (WTQ-1W+λ·diag(WTQ-1W))·δ=WTQ-1(M-Y(x0)) (72)
[0355] 其中
[0356] δ=(xj+1-xj), (73)
[0357] 且经由下式更新正则化参数:
[0358]
[0359] 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。
[0360] 范围成像激光雷达系统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)142的微反射镜144。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A’ B’的背景信号的第一光电倍增器检测器154 及第二光电倍增器检测器154 。而且,范围成像激光雷达系统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;范围成像激光雷达系统10可计及并开拓由于热展宽所致的已知效应;范围成像激光雷达系统10可同时测量速度、温度、气溶胶及分子分量,且范围成像激光雷达系统10可适应改变的环境以始终基于最高敏感度而产生测量。
[0361] 然而,此系统受到数个限制,第一为第一光电倍增器检测器154A’及第二光电倍增B’器检测器154 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
148、150、152图案190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148、150、152图案190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,可借助范围成像激光雷达系统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。
[0362] 范围成像激光雷达系统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44系统中,此响应为存在大量现象学模型的条纹集。范围成像激光雷达系统10并入有与法布里-珀罗干涉仪44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)142。这些经分割测量是使用像素反射镜旋转状态148、150、152图案190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范围成像激光雷达系统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。
[0363] 当数字微反射镜装置(DMD)142变得可以具有两个以上可编程角度状态时,存在改进范围成像激光雷达系统10的将来可能性。在此情况下,可使数字微反射镜装置(DMD)142步进经过一角度范围,且通过使用光电倍增器检测器154’阵列而一次观测更多的像素反射镜旋转状态148、150、152图案190。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148、150、152图案190。
[0364] 在操作中,范围成像激光雷达系统10的相关联检测系统46.3的第三方面首先通过分析参考条纹图案104来校准法布里-珀罗标准具50,且接着通过以下方式依据散射条纹图案60及参考条纹图案104产生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21中所图解说明及上文中所描述且图27到图41及图12中所图解说明的过程剖析散射条纹图案60,以便使用上文中的方法单独地分析每一感兴趣弧形条纹62’,以通过以下方式来分析散射条纹图案60及参考条纹图案104的选定部分:针对由散射条纹图案60及参考条纹图案104的在任何给定时间正分析的选定部分照射的微反射镜144子集连续地设定像素反射镜旋转状态148、150的相关联图案190、190.1、190.2、190.3、190.4、190.5,并将剩余微反射镜144设定为第三像素反射镜旋转状态152以便阻止散射条纹图案60及参考条纹图案104的所述部分被检测到,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21的步骤(2112)到(2116)来处理最终结果。更特定来说,在分析参考条纹图案104时,将未由其照射的微反射镜144设定为第三像素反射镜旋转状态152,使得接着如上文中所描述处理仅来自参考条纹图案104的光,A B且将剩余光反射到光挡块172以便使其经阻挡而不由光电检测器154、154 检测。此外,在分析散射条纹图案60时,将未由在特定时间正分析的特定弧形条纹62’照射的微反射镜
144设定为第三像素反射镜旋转状态152,使得接着如上文中所描述处理仅来自所述特定A
弧形条纹62’的光,且将剩余光反射到光挡块172以便使其经阻挡而不由光电检测器154、B
154 检测。
[0365] 参考图42,相关联检测系统46.3、46.3”的第三方面的第二实施例与相关联检测系统46.3、46.3’的第三方面的第一实施例相同,只不过相关联数字微反射镜装置(DMD)142经调适使得其相关联微反射镜144为可个别寻址的且可控制为至少两种可能相关联像素反射镜旋转状态148、150中的一者。数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144阵列中的处于第一像素反射镜旋转状态148中的微反射镜144致使来自法布 里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60或参考条纹图案104的撞击于其上的第一部分198’及第二部分198”沿第一方向162反射到相关联第一物镜透镜164且由其引导到光电检测器154(举例来说,光电倍增器检测器154’),其中第一部分198’及第二部分198”是在不同时间使用数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144阵列的不同相关联像素反射镜旋转状态148、150而依序反射的。依序而非同时地对对应的相关联信号200、202进行取样-与相关联检测系统46.3、46.3’的第三方面的第一实施例形成对比,针对所述第一实施例同时对相关联互补信号156、158进行取样。数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144阵列中的处于第三像素反射镜旋转状态150中的微反射镜144致使来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60或参考条纹图案104的撞击于其上的第三部分198”’沿第二方向166反射到光挡块172,光挡块172实现吸收撞击于其上的光。
[0366] 根据与相关联检测系统46.3、46.3”的第三方面的第二实施例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)142的相关联微反射镜144阵列的不同相关联像素反射镜旋转状态148、150依序反射第一部分198’及第二部分198”,其中关于相关联检测系统46.3、46.3’的第三方面的第一实施例来说第一部分198’及第二部分198”为相对不相交的,使得所得信号200、202对应于原本将由相关联检测系统46.3、46.3’的第三方面的第一实施例取样的互补信号156、158。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)142的在正处理的区内的与散射条纹图案60的第一不相交部分60’或参考条纹图案104的第一不相交部分104’相关联的微反射镜144设定为第一像素反射镜旋转状态148以测量第一互补信号156,且在第二时间点将数字微反射镜装置(DMD)142的在正处理的区内的与散射条纹图案60的第二不相交部分60”或参考条纹图案104的第二不相交部分104”相关联的微反射镜144设定为第一像素反射镜旋转状态148以测量第二互补信号158。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)142的相关联微反射镜144阵列的在正处理的区之外的微反射镜144设定为第二像素反射镜旋转状态150以便致使来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60或参考条纹图案104的撞击于其上的剩余部分沿第二方向166反射到杂散光挡块172’,杂散光挡块172’实现吸收撞击于其上的光。提供额外杂散光挡块172’以接收从数字微反射镜装置(DMD)142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,使用与相关联检测系统46.3、46.3”的第三方面的第二实施例的第二方面相关联的信号处理的第一方面,为了识别N个参数需要总共2N个测量。
[0367] 根据与相关联检测系统46.3、46.3”的第三方面的第二实施例相关联的信号处理的 第二方面,在散射条纹图案60或参考条纹图案104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60’、104’或60”、104”中的一者。接着针对每一参数通过从整个区的总信号203的对应测量减去不相交部分60’、104’或60”、104”中的所述一者的对应测量来找出与剩余不相交部分60”、104”或60’、104’相关联的信号,或者通过求解直接基于N+1个测量而非对应的2N个互补信号的方程式组来识别N个参数。
[0368] 因此,通过在第一点将数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144设定为第一像素反射镜旋转状态148以将来自整个区的光的总信号203作为第一信号200及第二信号202中的一者进行测量而进行所述整个区的总信号203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)142的在正处理的区内的与第一不相交部分60’、104’或第二不相交部分60”、104”相关联的微反射镜144设定为第一像素反射镜旋转状态148以测量第一信号200及第二信号202中对应于第一互补信号156或第二互补信号158中的另一者。在正进行这些测量时,将数字微反射镜装置(DMD)142的相关联微反射镜144阵列的在正处理的区之外的微反射镜144设定为第二像素反射镜旋转状态150以便致使来自法布里-珀罗干涉仪44的散射条纹图案60或参考条纹图案104的撞击于其上的剩余部分沿第二方向166反射到光挡块172,光挡块172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203减去所测量的第一互补信号
156或第二互补信号158来找出剩余的第二互补信号158或第一互补信号156,或者直接使用第一信号200及第二信号202来求出N个参数。
[0369] 还可与其它系统协作地应用结合对应总信号203处理相关联散射条纹图案60及参考条纹图案104的不相交部分60’、60”、104’、104”或不相交部分60’、60”、104’、104”中的一者的方法,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)142实现的不相交部分的相关联不相交部分60’、60”、104’、104”,但所述系统不需要数字微反射镜装置(DMD)142。
[0370] 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60’、60”、104’、104”,所述部分是通过将LCD的相关联像素的透射图案控制为实现在任何给定时间透射对应的选定不相交部分60’、60”、104’、104”而从相关联基础散射条纹图案60或参考条纹图案104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。 [0371] 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。
[0372] 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。
[0373] 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。
[0374] 或者,可从散射条纹图案60或参考条纹图案104的电子捕获的图像114提取不相交部分60’、60”、104’、104”,随后通过使用如上文中所描述的电子或软件积分或装箱来压缩所述图案--或其待处理的对应于相关联经散射光信号32’及参考光信号105的对应区。举例来说,可使用相关联检测系统46.1的第一方面(举例来说,使用电子相机,例如CCD检测系统46.1’)捕获图像114,举例来说,根据上文中所描述且图7a到图10中所图解说明的方法或者使用如上文中所描述的圆/线干涉仪光学器件(CLIO)元件128或全息光学元L L
件128’由所述图像形成对应线性散射条纹图案60 及参考条纹图案104。接着以电子方式L L
或通过软件提取对应线性散射条纹图案60 及参考条纹图案104 的相关联不相交部分60’、
60”、104’、104”,且接着根据上文中所描述且图27到图41及图12中所图解说明的方法对其进行处理,举例来说,以便实现针对相关联经散射光信号32’中的每一者确定对应大气数据68。
[0375] 参考图43,根据第三方面,范围成像激光雷达系统10、10iii与范围成像激光雷达i系统10、10 的第一方面实质上相同,只不过可通过以下方式来减小中间图像42中的近范围模糊:相对于接收器光学器件24定向法布里-珀罗干涉仪44且特定来说定向其准直透镜48,使得中间图像平面26满足辛普弗鲁格(Scheimpflug)条件,借此光束18的光学轴
38、接收器光学器件24的有效透镜24”的平面204及中间图像平面26全部关注于共同相交点206(也称为辛普弗鲁格相交)。减小中间图像42中的模糊实现减小输出焦平面44.2中散射条纹图案60沿Y方向110的宽度,借此简化相关联检测系统46的要求,举例来说,以便使得能够使用线性光电检测器阵列或线性阵列的光电检测器。
[0376] 参考图44,根据第四方面,范围成像激光雷达系统10、10iv类似于图22中所图解 i,说明的范围成像激光雷达系统10、10 的第一方面的第二实施例,但并入有图24a中所图解说明的相关联检测系统46.3、46.3’的第三方面的第一实施例、与法布里-珀罗干涉仪44协作的准直透镜48、用于接收经散射光32的输入望远镜24’,且其中经散射光32及参考源94相对于相关联第二分束器光学器件136并置。经散射光32的相当大的部分从第二分束器光学器件136反射,且来自参考源94的参考光信号105透射穿过第二分束器光学器件136,i,
其中参考源94体现为与根据范围成像激光雷达系统10、10 的第一方面的第二实施例所图解说明及所描述的参考源实质上相同。
[0377] 在一个实施例中,参考光信号105的图像114经定位以便在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中不与相关联经散射光信号32’重叠。在另一实施例中,根据下文中viii
更全面描述的范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面,参考光信号105的图像114经定位以便与相关联经散射光信号32’重叠,其中参考光信号105的与经散射光信号32’重叠的部分由透镜134与第二分束器光学器件136之间的相关联掩模138阻挡。在又一实施例中,光源12为脉冲式,举例来说,脉冲式Nd:YAG激光器12.1,且与光源12同步地对相关联检测系统46--举例来说,使用快速CCD检测系统46.1’而非如所图解说明的相对较慢基于DVD的检测系统46.3--进行取样,以便实现在接收经散射光信号32’及此后接着接收处理的经散射光信号32’之前首先捕获参考光信号105。
[0378] 参考图45,根据范围成像激光雷达系统10、10v的第五方面,多个单独接收器300、300.1、300.2经调适以与共同光束18协作,其中每一接收器300、300.1、300.2包括根据上文中所描述的范围成像激光雷达系统10的上述方面中的任一者构造及操作的接收器光学器件24、法布里-珀罗干涉仪44及检测系统46的相关联组合,其中与每一接收器300、
300.1、300.2相关联的参考源94均从共同光束18获得。来自接收器300、300.1、300.2的散射电子图像信号64及参考电子图像信号106由数据处理器66根据根据上文中所描述的范围成像激光雷达系统10的上述方面中的任一者且根据图21中所图解说明的过程2100单独地处理,以便实现针对接收器300、300.1、300.2中的每一者产生在一个或一个以上选定标称范围R处或随标称范围R而变的气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B中的一个或一个以上测量的集合。更特定来说,在一个实施例中,针对每一接收器300、
300.1、300.2产生在一个或一个以上选定标称范围R处或随标称范围R而变的速度u、u1、u2的单独测量,其中共同光束18的频率的相关联多普勒移位取决于大气16沿接收器300、
300.1、300.2的方向301、301.1、301.2的速度u。接着,速度u、u1、u2的单独测量结合地实现确定在一个或一个以上选定标称范围R处或随标称范围R而变的速度向量U的测量,以便实现确定大气16内的速度场。举例来 说,可在风洞中使用范围成像激光雷达系统10、v
10 的第五方面以实现探测其中的流场的速度场而不会扰乱所述流场。
[0379] 参考图46,根据范围成像激光雷达系统10、10vi的第六方面,从共同光源12产生多个光束18、18.1、18.2、18.3,所述光源由对应分束器302.1、302.2集合及反射镜304分布成所述光束。举例来说,不同光束18、18.1、18.2、18.3可沿不同方向或在不同位置处引导到大气16中,举例来说,以便实现探测大气的不同部分或以便实现探测范围成像激光雷达vi vi系统10、10 相对于大气16的速度向量U,举例来说,在范围成像激光雷达系统10、10 用作运载工具(举例来说,飞机)中的光学空气数据系统的情况下。举例来说,在一个实施例集合中,分束器302.1、302.2及反射镜304中的一者或一者以上的姿态或位置可由与数据处理器66操作地相关联或为其一部分的控制器74控制以便实现控制相关联光束18、18.1、
18.2、18.3中的一者或一者以上的位置或定向。在一些实施例中,范围成像激光雷达系统vi
10、10 可并入有与对应光束18、18.1、18.2、18.3中的一者或一者以上相关联的一个或一个以上源光学器件20、20.1、20.2、20.3集合,以便实现对一个或一个以上光束18、18.1、
18.2、18.3进行整形并设定其大小及发散度。多个接收器光学器件24、24.1、24.2、24.3经调适以在相关联接收器光学器件24、24.1、24.2、24.3的对应视场34、34.1、34.2、34.3内从对应光束18、18.1、18.2、18.3中的一者或一者以上的对应交互作用区22、22.1、22.2、22.3接收经散射光32,其中每一接收器光学器件24、24.1、24.2、24.3相对于对应光束18、18.1、
18.2、18.3定向成对应视差角θ、θ1、θ2、θ3,使得相关联交互作用区22、22.1、22.2、22.3跨越相当大范围的标称范围R。每一接收器光学器件24、24.1、24.2、24.3集合经调适以将对应交互作用区22、22.1、22.2、22.3成像于位于共同法布里-珀罗干涉仪44的输入焦平面44.1处的共同中间图像平面26上的不同位置处。举例来说,来自接收器光学器件24、
24.1、24.2、24.3的经散射光32由相关联反射镜306.1、306.2、306.3集合反射到中间图像平面26上。此外,借助分束器光学器件92从光源12提取实质上单色光14的参考束部分
90,且接着将其作为参考源94输入于中间图像平面26上不同于来自接收器光学器件24、
24.1、24.2、24.3中的每一者的中间图像82的位置的位置处。参考源94由法布里-珀罗干涉仪44处理以产生对应参考条纹图案104,且来自接收器光学器件24、24.1、24.2、24.3中的每一者的中间图像82由法布里-珀罗干涉仪44处理以产生对应散射条纹图案60、60.1、
60.2、60.3。
[0380] 参考图47,根据第七方面,范围成像激光雷达系统10、10vii经调适以实现在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2处的相关联图像114中使经散射光信号32’与参考 光信号105交错,举例来说,如图7a及图8中针对四个单独的相关联经散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3、60.4所图解说明,但图47中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、vii
10 将提供四个经散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3、60.4中的仅两者。范围成像激光雷vii viii
达系统10、10 的第七方面并入有在下文中更全面描述的范围成像激光雷达系统10、10的第八方面中使用的参考源94’的第二方面。通常,参考源94’的第二方面使用与积分球
310协作的旋转扩散器308--其由电机309驱动--以便实现相关联参考光信号105的相当大的角度分集。第二分束器光学器件136使参考光信号105与相关联经散射光信号32’交错,其中参考光信号105的原本将覆盖经散射光信号32’的部分在通过第二分束器光学器件136与经散射光信号32’组合之前被第一掩模138阻挡,使得参考光信号105与经散射光信号32’在所得图像114中相对于彼此为不相交的。
[0381] 范围成像激光雷达系统10、10vii的第七方面包括棱锥形图像组合器312,其实现在图像114中将经散射光信号32’彼此分离,举例来说,将经散射光信号32’彼此均匀地分离,如在图7a及图8中所图解说明。更特定来说,棱锥形图像组合器312包括多个反射面314,其中的每一者实现将不同的经散射光信号32’反射到第二掩模316中,第二掩模316经配置以阻挡经散射光信号32’的原本将与参考光信号105重叠的部分。更特定来说,范vii
围成像激光雷达系统10、10 并入有包括第三分束器光学器件318的相关联束转向光学器件210,第三分束器光学器件318将来自光源12的光束18划分成由一系列相关联反射镜
320引导到大气16的单独区中的第一光束18.1及第二光束18.2。范围成像激光雷达系统vii
10、10 进一步并入有具有引导于大气16内沿着第一光束18.1及第二光束18.2的单独第一交互作用区22.1及第二交互作用区22.2处的相关联的第一光学轴36.1及第二光学轴
36.2的第一接收器光学器件24.1及第二接收器光学器件24.1,所述第一及第二接收器光学器件实现从所述区接收对应的相关联第一经散射光32.1及第二经散射光32.2,所述光由多个相关联反射镜322引导到棱锥形图像组合器312的对应第一反射面314.1及第二反射面314.2。在一个实施例中,反射面314为平坦的,而在另一实施例中,反射面314为还实现对相关联的所得散射条纹图案60、60.1、60.2进行方位压缩的圆锥形圆/线干涉仪光学器件(CLIO)元件128。
[0382] 参考图48,根据第一方面,由图46中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、10vi的第六方面产生的多个散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中相对于彼此平移,而参考图49,根据第二方面,由图46中所图解说明的范vi围成像激光雷达系统10、10 的第六方面产生的多个散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3相对于法布里-珀罗干涉仪44的光学轴53而相对于彼此旋转。散射条纹图案60、 60.1、
60.2、60.3中的每一者的单独弧形条纹62’由数据处理器66根据上述方法中的任一者单独地处理以便实现针对在相关联接收器光学器件24、24.1、24.2、24.3的相关联视场34、
34.1、34.2、34.3内的交互作用区22、22.1、22.2、22.3中的每一者产生在一个或一个以上选定标称范围R处或随标称范围R而变的气溶胶计数A、分子计数M、速度u、温度t及背景计数B中的一个或一个以上测量的集合。
[0383] 参考图50a,根据第八方面的第一实施例,范围成像激光雷达系统10、10viii’类似于iii图43中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、10 的第三方面,但代替地并入有参考源
94’的第二方面且明确地并入有相关联检测系统46.1的第一方面。根据参考源94’的第二方面,从第一分束器光学器件92散发的参考束部分90被从其引导到参考照射器324,举例来说,所述参考照射器包括与相对位于掩模138、138.1后面且照射掩模138、138.1的积分球310组合的相关联旋转扩散器308。旋转扩散器308产生减少参考束中的斑纹因此提供均匀照射所必需的相位分集。因此,参考照射器324实现产生均匀及扩散参考束90’,举例来说,如图50b中所图解说明,所述参考束接着被引导穿过掩模138、138.1的第一方面,所述掩模阻挡均匀及扩散参考束90’的一部分以免其透射穿过所述掩模,从而产生经掩蔽参考束90.1”的对应第一实施例,所述经掩蔽参考束接着从第二分束器光学器件136的部分反射表面136.1反射、接着穿过法布里-珀罗干涉仪44的准直透镜48并由其准直、穿过相关联滤波器系统88、接着穿过相关联法布里-珀罗标准具50,且最终穿过法布里-珀罗干涉仪44的相关联成像光学器件52。经散射光信号32’透射穿过第二分束器光学器件136、接着穿过法布里-珀罗干涉仪44的准直透镜48并由其准直、穿过相关联滤波器系统88、接着穿过相关联法布里-珀罗标准具50,且最终穿过法布里-珀罗干涉仪44的相关联成像光学器件52。在不存在法布里-珀罗标准具50的情况下,与准直透镜48协作的成像光学器件52实现在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中产生经掩蔽参考束90.1”的图像
114”,其中掩模138、138.1的对应图像图解说明于图50c中。类似地,在不存在法布里-珀罗标准具50的情况下,与准直透镜48协作的成像光学器件52实现在法布里-珀罗干涉仪
44的输出焦平面44.2中产生经散射光信号32’的图像114’。参考图50c,根据第一方面,掩模138、138.1包括不透明区138’及剩余透明区138”,其中不透明区138’经定大小以便在轮廓上--在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中--对应于相关联经散射光信号32’的图像114’。参考图50d,在不存在相关联法布里-珀罗标准具50的情况下在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中的假想图像分别图解说明经散射光信号32’的图像114’及经掩蔽参考束90.1”的图像114”在其中的不相交区326、328。
[0384] 掩模138、138.1经配置及对准以便实现掩蔽来自均匀及扩散参考束90’的所有光,所述光在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2处的图像原本将与经散射光信号32’的对应图像114’重叠。因此,在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2内,与经散射光信号32’的图像114’相关联的区326内的光仅仅来自经散射光32,且与输出焦平面
44.2的剩余区328相关联的光仅仅来自均匀及扩散参考束90’。
[0385] 可以各种方式实施实现照射掩模138的参考照射器324。举例来说,在一个实施例中,旋转扩散器308可用将跨越积分球310的内侧扫描窄激光束的扫描反射镜替换。在另一实施例中,积分球310可由单个或多个扩散器替换。在又一实施例中,可采用光学器件来实现掩模138的均匀照射。
[0386] 参考图50e,在法布里-珀罗标准具50处于适当位置中的情况下,法布里-珀罗干涉仪44在输出焦平面44.2(即,成像光学器件52的焦平面)中产生两个条纹集合,如下:与均匀及扩散参考束90’相关联的区328中的相关联参考条纹图案104的第一条纹集合
330,及与经散射光信号32’相关联的区326中的散射条纹图案60的第二条纹集合332,其中每一条纹集合330、332是响应于法布里-珀罗标准具50的透射函数而产生的。均匀及扩散参考束90’提供为均匀且在广度上充足以便完全照射落在检测系统46、46.1上的第一条纹集合330的照射图案。另外,如上文中所描述根据范围成像激光雷达系统10的上述方面中的任一者处理第一条纹集合330及第二条纹集合332。
[0387] 范围成像激光雷达系统10、10viii可在一个或一个以上相关联光束18的情况下扩充有与共同法布里-珀罗干涉仪44协作的额外接收器光学器件24集合--举例来说,类似v-vii于图45到图47中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、10 的第五到第七方面,但使viii
用图50a中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面的第一实施例的参考照射器324、掩模138及第二分束器光学器件136。对于具有产生与三个不同散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3相关联的对应的三个不同第二条纹集合332.1、332.2、332.3的三viii
个经散射光信号32.1’、32.2’、32.3’的此范围成像激光雷达系统10、10 的实例,参考图
51a到图53b,散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3及相关联掩模138、138.1的相关联不透明i’ ii’ iii’
区138 、138 及138 可相对于彼此布置成各种定向以由法布里-珀罗干涉仪44进行处理。
[0388] 举例来说,图51a图解说明与具有三个散射信号通道的范围成像激光雷达系统viii.a i’ ii’ iii’ a10、10 一起使用的具有三个不透明区138 、138 及138 的掩模138、138.1 的实例,针对此,参考图51b,在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中,相关联的三个不同散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3相对于彼此平移,且其中散射条纹图案中的一者60.2’ 相对于另两个散射条纹图案602.1’、60.3’翻转,其中相对于图50a中所图解说明的范围成像viii
激光雷达系统10、10 的第八方面的第一实施例,图51a在位置上对应于图50c,且图51ba
在位置上对应于图50e。掩模138、138.1 经配置(即,经定大小及经成形)及对准以便实现掩蔽来自均匀及扩散参考束90’的所有光,所述光在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2处的图像原本将与经散射光信号32.1’、32.2’、32.3’的对应图像114’重叠。因此,在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2内,经散射光信号32.1’、32.2’、32.3’的图像114’的区326内的光仅仅来自其相关联经散射光32,且与输出焦平面44.2的剩余区
328相关联的光仅仅来自均匀及扩散参考束90’。
[0389] 作为另一实例,图52a图解说明与具有三个散射信号通道的范围成像激光雷达系viii.b i’ ii’ iii’ b统10、10 一起使用的具有三个不透明区138 、138 及138 的掩模138、138.1 的实例,针对此,参考图52b,在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2中,相关联的三个不同散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3相对于彼此旋转且彼此相交,使得每一者跨越直径图viii
像空间的相当大部分,其中相对于图50a中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、10的第八方面的第一实施例,图52a在位置上对应于图50c,且图52b在位置上对应于图50e。
b
掩模138、138.1 经配置(即,经定大小及经成形)及对准以便实现掩蔽来自均匀及扩散参考束90’的所有光,所述光在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2处的图像原本将与经散射光信号32.1’、32.2’、32.3’的对应图像114’重叠。因此,在法布里-珀罗干涉仪
44的输出焦平面44.2内,经散射光信号32.1’、32.2’、32.3’的图像114’的区326内的光仅仅来自其相关联经散射光32,且与输出焦平面44.2的剩余区328相关联的光仅仅来自均匀及扩散参考束90’。
[0390] 作为又一实例,图53a图解说明与具有三个散射信号通道的范围成像激光雷达系viii.c i’ ii’ iii’ c统10、10 一起使用的具有三个不透明区138 、138 及138 的掩模138、138.1 的实例,针对此,参考图53b,相关联的三个不同散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3相对于彼此旋转,每一者彼此分离,从成像光学器件52的光学轴53向外径向延伸,其中相对于图50aviii
中所图解说明的范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面的第一实施例,图53a在位置c
上对应于图50c,且图53b在位置上对应于图50e。掩模138、138.1 经配置(即,经定大小及经成形)及对准以便实现掩蔽来自均匀及扩散参考束90’的所有光,所述光在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2处的图像原本将与经散射光信号32.1’、32.2’、32.3’的对应图像114’重叠。因此,在法布里-珀罗干涉仪44的输出焦平面44.2内,经散射光信号
32.1’、32.2’、32.3’的图像114’的区326内的光仅仅来自其相关联经散射光32,且与输出焦平面44.2的剩余区328相关联的光仅仅来自均匀及扩散参 考束90’。
[0391] 对于图51a到图53b中所图解说明的实施例中的每一者,经散射条纹图案60、60.1、60.2、60.3中的每一者的单独弧形条纹62’由数据处理器66根据上文中所描述的范viii.a viii.c
围成像激光雷达系统10、10 到10 的第八方面的多通道变化形式单独地处理以便实现针对在相关联接收器光学器件24的相关联视场34内的交互作用区22、22.1、22.2、22.3中的每一者产生在一个或一个以上选定标称范围R处或随标称范围R而变的视线相对风速度U、静态温度Temp、分子计数MolCounts、气溶胶计数AeroCounts及背景计数BackCounts中的一个或一个以上测量的集合。
[0392] 参考图54a到54e,其图解说明范围成像激光雷达系统10、10viii”的第八方面的第二实施例,其与图50a到50e中所图解说明的第二实施例相同,只不过相关联检测系统46是根据图24a及图44中所图解说明的检测系统46.3的第三方面的第一实施例。因此,相关联的所得第一条纹集合330及第二条纹集合332是根据上文中所描述的与图27到图41、图12及图19到图21相关联的方法进行处理的。
[0393] 参考图55a到55e,其图解说明范围成像激光雷达系统10、10viii”’的第八方面的第viii”三实施例,其与上文中所描述的范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面的第二实施例viii”’
实质上相同,只不过范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面的第三实施例并入有掩viii’
模系统138’的第二方面,所述掩模系统包括替换范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面的第二实施例的掩模138、130.1的可编程掩模138.2,其中可编程掩模138.2包括第二数字微反射镜装置(DMD)334及相关联第二光挡块336。第二数字微反射镜装置(DMD)334相对于参考照射器324及第二分束器光学器件136定向,使得在第二数字微反射镜装置(DMD)334的相关联微反射镜144处于第一像素反射镜旋转状态338中时,来自均匀及扩散参考束90’的入射于其上的光朝向第二分束器光学器件136反射且从第二分束器光学器件
136的部分反射表面136.1反射到法布里-珀罗干涉仪44中,且在第二数字微反射镜装置(DMD)334的相关联微反射镜144处于第二像素反射镜旋转状态340中时,来自均匀及扩散参考束90’的入射于其上的光朝向第二光挡块336反射且被其实质上吸收。因此,将第二viii’ viii”
数字微反射镜装置(DMD)334的将在位置上与在范围成像激光雷达系统10、10 、10 的第八方面的第一及第二实施例中使用的掩模138、138.1的第一方面的不透明区138’重合的微反射镜144设定为第二像素反射镜旋转状态340以便阻挡均匀及扩散参考束90’的对应部分,且将第二数字微反射镜装置(DMD)334的剩余微反射镜144设定为第一像素反射镜viii’ viii”
旋转状态338以便产生对应于范围成像激光雷达系统10、10 、10 的第八方面的第一及第二实施例的经掩蔽参考 束90.1”的经掩蔽参考束90.2”。另外,范围成像激光雷达系viii” viii”
统10、10 的第八方面的第三实施例发挥与范围成像激光雷达系统10、10 的第八方面的第二实施例相同的作用,其中图55b到55e分别对应于图54b到54e.
[0394] 参考图56,范围成像激光雷达系统10、10i到10viii的各种方面可用于多种应用中,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。 [0395] 举例来说,图56中所图解说明的飞机400、400.1及UAV 402各自并入有范围成像激光雷达系统10,所述范围成像激光雷达系统并入有三条视线36’以便实现测量相关联相对风向量以及其它空气数据产物,其中每一视线36’是沿着对应相关联接收器光学器件24的相关联光学轴。通常,范围成像激光雷达系统10可经调适以用于机身应用,举例来说,所述应用可以其它方式并入有用于测量空速的皮托静压管。除空速以外,范围成像激光雷达系统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。范围成像激光雷达系统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。范围成像激光雷达系统10可以相当大的迎角操作。举例来说,配置恰当的范围成像激光雷达系统10可以90度迎角操作。范围成像激光雷达系统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。范围成像激光雷达系统10实现校准、重新校准或维修可相对廉价的机身独立设计。
[0396] 作为另一实例,图56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36’的范围成像激光雷达系统10,以便实现实质上同时测量来自沿着相关联视线36’中的每一者的一个或一个以上交互作用区22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36’,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36’,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36’,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)。一般来说,多条视线36’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。
[0397] 作为又一实例,图56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36’的范围成像激光雷达系统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条或一条以上视线36’中的每一者的一个或一个以上交互作用区22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)。
[0398] 作为又一实例,陆基激光雷达系统408及相关联范围成像激光雷达系统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束转向光学器件210以便实现束转向光学器件210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,以便界定束转向光学器件210的相关联方位角,且束转向光学器件210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,以便界定束转向光学器件
210的相关联仰角。
[0399] 根据上述方面10i到10viii中的任一者的范围成像激光雷达系统10可用于任何光学遥感情形。举例来说,范围成像激光雷达系统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。范围成像激光雷达系统10可用于提供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/天气监视的空气数据。范围成像激光雷达系统10还可用于提供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)预测天气的空气数据。范围成像激光雷达系统10还可用于提供用于风电场现场勘察、评定及优化、风电场监视、尾流效应测量及分析、风力涡轮机控制以及风电场与电网管理的天气预报的空气数据。 [0400] 举例来说,在到火炮的应用中,范围成像激光雷达系统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。范围成像激光雷达系统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“FM6-40/MCWP3-16.4野战火炮手动炮击战术、技术及程序(野战手册)(FM 6-40/MCWP 3-16.4 Tactics,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。
[0401] 作为另一实例,在到帆船的应用中,范围成像激光雷达系统10可用于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。 [0402] 作为又一实例,在到运动事件的应用中,范围成像激光雷达系统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。范围成像激光雷达系统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。 [0403] 作为又一实例,在到风诱发建筑物摇摆的控制的应用中,范围成像激光雷达系统
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。范围成像激光雷达系统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。
[0404] 作为又一实例,在到道路安全的应用中,范围成像激光雷达系统10可用于监视影响桥的风场,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,范围成像激光雷达系统10可用于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。范围成像激光雷达系统10可用于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。
[0405] 作为又一实例,在到空气污染物的控制及/或散布的应用中,范围成像激光雷达系统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。 [0406] 作为又一实例,范围成像激光雷达系统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密度及温度以及气流的速度而不会扰乱相关联流场,其中风洞用于测量气流如何与其中正测试的对象交互作用。
[0407] 作为又一实例,范围成像激光雷达系统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,且还提供可影响在所述机场处操作的飞机的升降且因此影响性能的空气温度及密度的测量。
[0408] 作为又一实例,范围成像激光雷达系统10可用于(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,范围成像激光雷达系统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,范围成像激光雷达系统10可提供着陆或起飞期间侧风的测量,且可用于检测飞行期间的晴空湍流。在滑翔机中,范围成像激光雷达系统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。范围成像激光雷达系统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。
[0409] 作为又一实例,范围成像激光雷达系统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范围成像激光雷达系统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。 [0410] 作为又一实例,范围成像激光雷达系统10可用于表征大气。范围成像激光雷达系统10可用于提供大气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。
[0411] 作为又一实例,范围成像激光雷达系统10可用在海洋及湖泊浮标以及其它海洋平台(举例来说,离岸风电场的现场评定及优化、石油钻探及生产平台)上,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。
[0412] 参考图57及图58,图解说明根据上述方面中的任一者的范围成像激光雷达系统10, 其与相关联风力涡轮机416协作,以便实现测量与风力涡轮机416的操作相关联的大气数据68(举例来说,在距风力涡轮机416多个范围R处的多个速度、温度或密度测量),以便实现评定目前及近期的大气条件两者,所述大气条件的大气数据68可用于控制风力涡轮机416以便实现优化由其产生的电力或防止对其的风致损坏。举例来说,图57图解说明相关联范围成像激光雷达系统10附接到风力涡轮机416的外壳或短舱418的第一实施例,且图57图解说明其中相关联范围成像激光雷达系统10安装在风力涡轮机416的外壳或短舱418内且从风力涡轮机416的可旋转部分内或经由所述部分(举例来说,从风力涡轮机416的空心轴420内或经由所述空心轴)操作的第二实施例。举例来说,在第一及第二实施例两者中,范围成像激光雷达系统10包括沿多个对应不同方向的多个光束18.1、
18.2、18.3及具有多条对应视线36.1’、36.2’、36.3’的多个对应接收器光学器件24、24.1、
24.2、24.3,所述视线与对应相关联光束18.1、18.2、18.3协作而实现多个相关联交互作用区22.1、22.2、22.3(每一交互作用区跨越一系列的范围R)且共同地实现测量大气16的不同区。在图57及图58中所图解说明的第一及第二实施例中,相关联范围成像激光雷达系统10相对于风力涡轮机416为相对固定的。或者,可在大气16内扫描相关联交互作用区
22.1、22.2、22.3。举例来说,在图58中所图解说明的范围成像激光雷达系统10的第二实施例中,相关联光束18.1、18.2、18.3及相关联接收器光学器件24、24.1、24.2、24.3可经配置以随风力涡轮机416旋转且借此在一个或一个以上圆锥形表面路径上扫描相关联交互作用区22.1、22.2、22.3。替代地或另外,可使用与风力涡轮机416协作的陆基激光雷达系统408以类似地提供相关联大气数据68。
[0413] 应理解,范围成像激光雷达系统10可与实现在用光束18照射时产生可检测经散射光32的任何流体介质一起使用,所述介质包含(但不限于)在管道中流动的非大气气体及在管道、沟渠或喷射器中流动的液体。举例来说,范围成像激光雷达系统10还可用于测量管道或沟渠中的水流,或用于实现测量海用运载工具的速度或海用运载工具在其上或在其内操作的水的相关联条件。
[0414] 虽然本文中所描述的范围成像激光雷达系统10、10i到10viii已各自并入有法布里-珀罗干涉仪44,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。
[0415] 此外,虽然本文中所描述的范围成像激光雷达系统10、10i到10viii已被图解说明为具有实现检测经反向散射的经散射光32的相关联几何形状,但应理解,范围成像激光 i viii雷达系统10、10 到10 还可或替代地并入有实现检测经横向散射光32或经正向散射光i viii
32的相关联几何形状。另外,虽然本文中所描述的范围成像激光雷达系统10、10 到10已被图解说明为实现响应于沿着接收器光学器件24的光学轴36的范围R(举例来说,到接收器光学器件24或检测系统46的范围R)的范围响应测量,但也可通过几何变换而关于沿着光束18的光学轴38或任何其它轴测量的范围来表征范围响应测量。
[0416] 尽管已在前文详细说明中详细描述且在附图中图解说明了特定实施例,但所属领域的技术人员将了解可鉴于本发明的总体教示内容开发对那些细节的各种修改形式及替代方案。应理解,本文中对术语“或”的任何提及既定意指“包含或”或者所谓的“逻辑或”,其中如果A或B为真或者如果A及B两者为真,那么表达“A或B”为真。此外,还应理解,除非另外指示或除非物理上不可能,否则上述实施例及方面可彼此结合使用且并不相互排斥。因此,所揭示的特定布置既定仅为说明性,而非限制本发明的范围,本发明的范围是所附权利要求书所赋予的完全广度及其任何及所有等效内容。
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