用于差分吸收和背景距离测量的激光雷达系统的制作方法

1.本发明涉及一种适于进行差分吸收测量和背景距离测量的激光雷达系统，并涉及一种使用该系统以测量化合物的量的方法。


背景技术：

2.使用差分吸收测量来评估包含在测量区域中的化合物的量乃是广为知晓的技术，为此，对于不对应于化合物吸收带的辐射的第一频率，以及对应于化合物吸收带的辐射的第二频率，对向测量区域发射的辐射的吸收进行了测量。因此，有必要在两个频率下向测量区域发射辐射，并比较每个频率测量的吸收水平。这种测量方法通常称为ipda，即「综合路径差分吸收」。此方法还需要对测量区域的深度预先了解，例如，存在于测量区域背景中的障碍物所在的距离。
3.使用激光雷射系统执行此类ipda测量是有利的，特别是因为此类系统提供的检测灵敏度和分析检测信号的能力十分卓越。因此，是否能够使用由光纤制成的激光雷射系统是一个重要课题，因为此类系统具有较小的的尺寸和重量，更高的能源效率，并且此类系统的坚固性对于其所包含的光学组件之间的对准损失具有抵抗性。
4.然而，ipda测量需要满足以下需求：
[0005]-必须能够以不同的光学频率值，相对于可能影响测量区域内容的变化，以足够快的连续方式发射至少两种辐射。更精确地说，必须以相对于测量区域内容的变化足够高的重复频率发射两种辐射脉冲，并允许分析检测信号，例如以大于1khz(千赫)的重复频率；
[0006]-两种辐射，一种在被测化合物吸收带之外的辐射，以及一种对应于其吸收带之一的辐射，两者必须以足够的各自能量发射；
[0007]-对应于化合物的吸收带之一的辐射必须具有足够窄的光谱线宽，以便在确定化合物的吸收时提供足够的准确度。特别是，当辐射的中心波长约为1.6μm(微米)时，对应于化合物的吸收带之一的辐射光谱宽度可能需要小于100mhz(兆赫)；以及
[0008]-以极短的辐射脉冲来特征化飞行时间以测量背景障碍物的分离距离，通常单一持续时间小于约100ns(纳秒)。
[0009]
但众所皆知的是，光纤中受激的布里元散射现象限制了由光纤制成的激光雷达系统可发射的辐射脉冲的峰值功率，导致了该些光纤激光雷达系统的最大范围距离受到限制。
[0010]
发明目的
[0011]
考虑到该些限制，本发明的一个目的是提供一种新颖的激光雷达系统，其可执行ipda测量并确定与测量区域背景中存在的障碍物的分离距离，并可使用光纤加以实现。
[0012]
更具体地，本发明旨在提供一种激光雷达系统，其使用至少一根光纤来传输所发射的辐射，但对于此系统，其扩展或消除了由受激布里元散射而导致的峰值功率限制。


技术实现要素：

[0013]
为了实现本目的或其他目的，本发明的第一方面提供了一种激光雷达系统，其适用于在两个不同的光学频率之间执行差分吸收测量，以及测量由存在于发生吸收的测量区域的背景中的障碍物起算的分离距离。本发明的激光雷达系统包括：
[0014]-激光源组件，适用于在两个光学频率中的任一个上产生辐射；
[0015]-强度调节装置，适用于将脉冲包络线形应用于每个辐射，包括脉冲持续时间和脉冲光功率值；以及
[0016]-发射控制器，适用于控制强度调节装置。
[0017]
在本发明说明书文中，脉冲光功率可理解为表示特征化每个脉冲强度的值，所述数值可对应于脉冲的峰值功率，或在整个脉冲持续时间内评估的平均功率，可理解的是，在恒定的持续时间和脉冲形状下，峰值功率值和平均功率值一者的增加可作为另一者的函数。
[0018]
根据本发明，激光雷达系统被适配，因此，于激光雷达系统的操作期间，激光雷达系统适用于沿执行差分吸收测量与背景障碍物的分离距离测量的目标方向发射，辐射发射序列包括：
[0019]-在多个第一时间间隔期间，辐射发射在光谱上位于两个光频中的第一光频，其具有第一光谱宽度、第一脉冲持续时间和第一脉冲光功率值；以及
[0020]-在多个第二时间间隔期间，辐射发射在光谱上位于两个光频中的第二光频，其具有第二光谱宽度、第二脉冲持续时间和第二脉冲光功率值。
[0021]
多个第一时间间隔和多个第二时间间隔可以形成辐射发射序列中的任何连续，在两个第二时间间隔之间具有任意数量的第一时间间隔，反之亦然。或者，辐射发射序列可以包括位于第二光频附近的两个脉冲之间的位于第一光频附近的任意数量的脉冲，反之亦然。
[0022]
此外，辐射发射序列具有以下特点：
[0023]
多个第一光谱宽度和多个第二光谱宽度为在多个第一时间间隔和多个第二时间间隔期间对应于多个不相交的光谱间隔的辐射发射，第一光谱宽度大于第二光谱宽度；
[0024]
第一脉冲光功率值大于第二脉冲光功率值；并且
[0025]
第一脉冲持续时间比第二脉冲持续时间短。
[0026]
此种激光雷达系统可由光纤制成，特别是它的激光源组件可以是mopfa类型，即「主振荡器功率光纤放大器(master oscillator power fiberamplifier)」。对于这种mopfa类型的激光雷达系统，首先会产生具有所需光谱宽度的辐射脉冲，并根据所需的包络线形状进行调节，然后该些脉冲会在发射到外部之前被放大。
[0027]
由于第一光谱宽度大于第二光谱宽度，第一脉冲光功率值可以选择为高或非常高，而无受激布里元散射效应，此种效应会出现在用于建立此类激光雷达系统的光纤中，而对该系统的操作或使用进行干扰。
[0028]
为了在ipda测量中使用，在多个第一时间间隔内的辐射发射选择为在测量所涉及的化合物的吸收带之外。在多个第一时间间隔期间的此种辐射发射可进一步用于估计与存在于测量区域背景中的障碍物的分离距离。此种遥测测量法乃是通过确定在多个第一时间间隔内发射的辐射脉冲的飞行时间来进行，可用于激光雷达系统和背景障碍物之间的往
返。在该些第一时间间隔内，更大的光谱宽度和更短的脉冲持续时间所实现的高脉冲光功率可使与背景障碍物间的分离距离更准确地估计。在多个第二时间间隔期间的辐射发射则是选择为在化合物的吸收带之一内。在多个第二时间间隔期间，在估计化合物的量时，脉冲的较低光谱宽度可提供更高的准确度。在第二光频附近的多个第二时间间隔期间发射的辐射与第一光频附近的多个第一时间间隔期间发射的辐射之间，根据激光雷达系统所确定的吸收率并考量到与背景障碍物的分离距离的估计值，可估计出化合物的量。
[0029]
优选地，发射控制器可选择以下特征中的一个或多个：
[0030]-辐射发射序列的重复频率可在1khz和50khz之间；
[0031]-多个第一时间间隔可具有介于10ns和200ns之间的单独持续时间，优选地介于50ns和100ns之间；
[0032]-多个第二时间间隔可具有介于0.1μs(微秒)和10μs之间的单独持续时间，优选地介于0.5μs和5μs之间；
[0033]-在多个第一时间间隔期间，由测量区域中的激光雷达系统所发射的辐射的第一光谱宽度可以在100mhz和2000mhz之间，优选地在500mhz和1000mhz之间；以及
[0034]-在多个第二时间间隔期间，由测量区域中的激光雷达系统所发射的辐射的第二光谱宽度可以在10mhz和200mhz之间，优选地在50mhz和100mhz之间。
[0035]
最后，激光源组件可被适配为使得在测量区域中的激光雷达系统所发射的辐射分别在多个第一时间间隔期间和多个第二时间间隔期间具有多个第一光频值和多个第二光频值，对应于1.3μm和1.8μm之间的波长，特别是1.5μm和1.6μm之间，或位于2μm附近。此种波长域特别适用于测量包含在测量区域中的二氧化碳的量。
[0036]
此外，本发明的激光雷达系统包括检测路径，检测路径适用于对反向散射辐射进行独立检测、处理与分析，反向散射辐射对应于第一光频和第二光频，并分别对应于在多个第一时间间隔和多个第二时间间隔期间的发射。
[0037]
可能地，激光雷达系统还可包括计算单元，该计算单元从检测路径的输入端连接至检测路径的至少一个输出端。基于检测路径产生的分析信号，计算单元适用于提供与背景障碍物的分离距离和测量区域中所含化合物的量的估计值。
[0038]
取决于本发明可能的不同实施例，特别是取决于在激光源组件中使用的不同类型的多个激光振荡器以在两个光频中的每一个产生辐射，第一光谱宽度及/或第二光谱宽度可以是固有的或由专用的光谱加宽装置产生。固有的光谱宽度可理解为表示由相应的激光振荡器所产生的辐射的光谱宽度。换言之，在第一种情况下，在多个第一时间间隔及/或多个第二时间间隔期间发射的多个脉冲的光谱宽度会对应于相应激光振荡器的光谱宽度。否则，激光雷达系统还包括：
[0039]-光谱加宽装置，其用于修改由激光源组件所产生的至少一种辐射的光谱宽度。
[0040]
在本发明的第一实施例中，发射控制器适用于控制激光来源组件、强度调节装置与适当的光谱加宽装置，因此，在辐射发射序列中，在多个第一辐射脉冲内，两个光频中的第一光频仅与第一光谱宽度、第一脉冲持续时间与第一脉冲光功率值相关联，但不包括第二光谱宽度、第二脉冲持续时间与第二脉冲光功率值。在与多个第一辐射脉冲分开的多个第二辐射脉冲内，两个光频中的第二光频仅与第二光谱宽度、第二脉冲持续时间和第二脉冲光功率值相关联，不包括第一光谱宽度、第一脉冲持续时间与第一脉冲光功率值。
[0041]
关于第一实施例，激光雷达系统可以具有一种设置，其中激光源组件包括第一激光振荡器，适用于产生第一光频的辐射，以及第二激光振荡器，适用于产生具有第二光谱宽度的第二光频的辐射。光谱加宽装置包括相位调节器，其设置于由第一激光振荡器产生的辐射的路径中，并由发射控制器控制以向由第一激光振荡器产生的激光辐射提供第一光谱宽度。此外，激光雷达系统还包括光学开关，其由发射控制器控制以传输源自相位调节器的辐射或由第二激光振荡器产生的辐射至发射光路下游部分，源自相位调节器的辐射与由第二激光振荡器产生的辐射共用发射光路下游部分，发射光路下游部分包括强度调节装置。
[0042]
根据对于本发明的第一实施例的可能的另一种设置，激光源组件相似地包括第一激光振荡器，适用于产生第一光频的辐射，以及第二激光振荡器，适用于产生具有第二光谱宽度的第二光频(ν2)的辐射。光谱加宽装置又包括相位调节器，其设置于由第一激光振荡器产生的辐射的路径中，并由发射控制器控制以向由第一激光振荡器产生的辐射提供第一光谱宽度。然而，在此设置中，强度调节装置包括第一强度调节器，其设置于源自相位调节器的辐射的路径中，并由发射控制器控制以对源自相位调节器的辐射有效。强度调节装置还包括第二强度调节器，其设置于由第二激光振荡器产生的辐射的路径中，并由发射控制器控制以对由第二激光振荡器产生的辐射有效。再者，激光雷达系统还包括光耦合器，其适用于将源自第一强度调节器和第二强度调节器的辐射传输至发射光路下游部分，源自第一强度调节器的辐射与源自第二强度调节器(22)的辐射共用发射光路下游部分。
[0043]
对于上述两种设置，发射光路的下游部分可包括光辐射放大器，或光辐射放大链，其可由发射控制器控制以根据本发明的技术特征以为辐射发射序列产生第一光功率值和第二光功率值。
[0044]
本发明的第二实施例是上述第一实施例的替代方案。在第二实施例中，发射控制器适用于控制激光源组件、光谱加宽装置与强度调节装置，因此，辐射发射序列包括一系列辐射脉冲，其在光谱上位于两个光频的第一光频(ν1)或第二光频(ν2)。对于第一光频和对于第二光频，具有相同包络线形的所有辐射脉冲包括第一脉冲持续时间，在此期间辐射发射具有第一光谱宽度和第一脉冲光功率值，以及包括第二脉冲持续时间，在此期间辐射发射具有第二光谱宽度和第二脉冲光功率值(p2)，第一脉冲持续时间短于第二脉冲持续时间，并且第一脉冲持续时间于每个辐射脉冲中在第二脉冲持续时间之前或之后。
[0045]
对于本发明，大致来说，激光雷达系统可以实施光纤技术。
[0046]
对于本发明，大致来说，激光雷达系统可包括适配的偏振装置，当在多个第一时间间隔或多个第二时间间隔期间发射辐射时，其可使得由激光雷达系统向测量区域发射的辐射具有正交的偏振，尤其是相反的圆偏振。于此情况下，检测路径包括偏振分束器，作为反向散射辐射的偏振的函数，其设置为将反向散射的辐射传输至第一检测器，其可在包括与第一光谱宽度结合的第一光频的第一光谱区间具有灵敏度，或传输至第二检测器，其可在包括与第二光谱宽度结合的第二光频的第二光谱区间具有灵敏度。可能地，若此两检测器的共同灵敏度光谱区间包括与第一光谱宽度组合的第一光频和与第二光谱宽度组合的第二光频，则此两检测器可为相同。
[0047]
本发明的第二个方面提供了一种用于测定在目标方向上存在的化合物的量的方法，其特征在于：
[0048]-选择如上述第一方面的激光雷达系统，使得化合物在第一光频下的吸收容量值
低于在第二光频处的吸收容量值；
[0049]-激光雷达系统朝向目标方向设置，以便根据辐射发射序列向可能含有化合物的测量区域发射辐射，并触发激光雷达系统的操作；
[0050]-与存在于测量区域背景中的障碍物的分离距离是根据与第一光频相关的反向散射辐射估算的，分离距离对应于多个第一时间间隔的发射；以及
[0051]-测量区域中包含的化合物的量，在激光雷达系统和背景障碍物之间的脉冲路径上累积，可分别地依据与在第一光频和第二光频下的反向散射辐射相关的强度值进行估计，分别对应于辐射发射序列中的多个第一时间间隔和多个第二时间间隔，反向散射辐射已可被激光雷达系统的检测路径检测到。
[0052]
优选地，与存在于测量区域的背景中的障碍物的分离距离是基于飞行时间来估算，飞行时间是为了与第一光频相关的反向散射辐射而量测。于此情况下，根据与第一光频相关的反向散射辐射所估计的与存在于测量区域的背景中的障碍物的分离距离，结合分别与在第一光频和第二光频下检测到的反向散射辐射相关的强度值，并分别对应多个第一时间间隔和多个第二时间间隔的发射，可用于估计测量区域中在脉冲路径上累积所含化合物的量。
[0053]
本发明的测量方法所涉及的化合物可以是二氧化碳或co2、甲烷或ch4、一氧化二氮或n2o、以及水或h2o中的任一种。
[0054]
最后，实施本发明的不同条件如下：
[0055]-第一实施条件：激光雷达系统安装于地球表面，以测量存在于激光雷达系统和障碍物之间的化合物的量；
[0056]-第二实施条件：激光雷达系统设置于飞行中的飞行器上，并指向地球表面的地理区域，以测量相对于激光雷达系统在地理区域内与地球表面的分离距离，并测量存在于激光雷达系统和相同地理区域的地球表面之间的化合物的量；
[0057]-第三实施条件：激光雷达系统安装在环绕地球轨道的卫星上，并指向地球表面的地理区域，以测量相对于激光雷达系统在地理区域内与地球表面的分离距离，并测量存在于激光雷达系统和相同地理区域的地球表面之间的化合物的量。
[0058]
对于第二和第三实施条件，激光雷达系统所指向的地理区域中的地球表面可作为存在于测量区域背景中的障碍物。
附图说明
[0059]
当阅读下方的详细描述时，本发明的其他特征和优势将显而易见，该些详细描述仅作为示例并且以非限制性的方式提出，请参考以下附图：
[0060]
图1a示出了如本技术中可能的第一实施例中实施的第一辐射发射序列的光谱变化；
[0061]
图1b示出了图1a的第一辐射发射序列的发射光功率变化；
[0062]
图2a示出了如本技术中可能的第二实施例中实施的第二辐射发射序列的光谱变化；
[0063]
图2b示出了图2a的第二辐射发射序列的发射光功率变化；
[0064]
图3a是根据本技术的激光雷达系统的发射路径的框图，其适于产生图1a和图1b的
第一辐射发射序列；
[0065]
图3b示出了与图3a的系统相比的发射路径的第一变体的框图，用于根据本技术的另一激光雷达系统，同样用于产生图1a和图1b的第一辐射发射序列；
[0066]
图3c示出了与图3a的系统相比的发射路径的第二变体的框图，用于根据本技术的又一个激光雷达系统，同样用于产生图1a和图1b的第一辐射发射序列；
[0067]
图3d示出了与图3a的系统相比的发射路径的第三变体的框图，用于根据本技术的又一个激光雷达系统，同样用于产生图1a和图1b的第一辐射发射序列；
[0068]
图3e示出了与图3a的系统相比的发射路径的第四变体的框图，用于根据本技术的又一个激光雷达系统，同样用于产生图1a和图1b的第一辐射发射序列；
[0069]
图4a是根据本发明的又一个激光雷达系统的发射路径的框图，其再次适用于产生图1a和图1b的第一辐射发射序列；
[0070]
图4b示出了与图4a的系统相比的发射路径变体的框图，用于根据本技术的又一个激光雷达系统，并且其也适用于产生图1a和图1b的第一辐射发射序列；
[0071]
图5a是根据本发明的又一种激光雷达系统的发射路径框图，其适用于产生图2a和图2b的第二辐射发射序列；
[0072]
图5b示出了与图5a的系统相比的发射路径的变体的框图，用于根据本技术的又一个激光雷达系统，并且再次适用于产生图2a和图2b的第二辐射发射序列；
[0073]
图6a是根据本发明的激光雷达系统的检测路径的框图；
[0074]
图6b示出了与图6a的系统相比的检测路径的变体的框图；
[0075]
图6c示出了与图6a的系统相比的检测路径的另一种变体的框图；以及
[0076]
图6d示出了与图6a的系统相比的检测路径的又一种变体的框图。
具体实施方式
[0077]
为了清楚起见，图1a、图1b、图2a和图2b中表示的元件的尺寸既不对应于实际尺寸，也不对应于实际尺寸比率。此外，所有元件在附图中仅象征性地表示，并且在不同附图中指示的相同附图标记表示相同元件或具有相同功能的元件。
[0078]
在图1a、图1b、图2a和图2b中，x轴标识为辐射发射序列期间的时间，用t表示，所述序列由光谱上位于第一光频(记作ν1)附近或位于第二光学频率(记作ν2)附近的辐射脉冲组成。δt1和δt2分别表示在这些辐射发射序列期间多个第一时间间隔和多个第二时间间隔的持续时间。在图1a和图2a中，对于相关的发射序列的每个时间，y轴标识了光发射频率的值，记作ν。在图2a和图2b中，y轴表示辐射的瞬时发射功率，记作p。一般来说，指定为元件符号1的辐射脉冲在光谱上位于光频率ν1附近，并且都假定为彼此相同。类似地，指定为元件符号2的辐射脉冲在光谱上位于光频率ν2附近，并且也被假定为彼此相同。为了将本发明应用于两个不同光频之间的化合物的差分吸收的测量，所有辐射脉冲1和2都在可能含有待测定量的化合物的测量区域的方向上发射。光发射频率ν1旨在化合物的吸收带之外选择，而光发射频率ν2旨在该化合物的多个吸收带之一内选择。在所涉及的化合物为二氧化碳的情况下，可选择光发射频率ν1等于190.81thz，其对应于等于1572.2nm的波长值λ1，而光传输频率可以选择为等于190.84thz，对应于等于1572.02nm的波长值λ2。
[0079]
图1a和图1b涉及可用于实施本发明的相同的第一辐射发射序列。于此第一发射序
列中，所有辐射脉冲1都具有光谱宽度δν1和发射峰值功率p1的第一共同值，并且具有等于δt1的脉冲持续时间。类似地，该相同发射序列的所有辐射脉冲2具有光谱宽度δν2和发射峰值功率p2的第二共同值，并且具有等于δt2的脉冲持续时间。发射峰值功率值p1和p2对应于由根据本发明的激光雷达系统发射的辐射，使得该发射辐射在测量区域的方向上远离激光雷达系统，特别是在激光雷达系统内部的最终光学放大之后。对于此第一辐射发射序列，多个单一持续时间δt1的多个脉冲1对应于本说明的一般部分中介绍的多个第一时间间隔，多个单一持续时间δt2的多个脉冲2对应于多个第二时间间隔。由于与多个脉冲2相比，多个脉冲1的频谱展宽更大，即δν1》δν2，由于激光雷达系统的光纤中发生的受激布里元散射(记作p
sbs
)，发射峰值功率值p1可大于功率极限，而发射峰值功率值p2可小于相同的功率极限p
sbs
。
[0080]
图2a和图2b涉及相同的第二辐射发射序列，其也可用于实施本发明。在这样的第二发射序列中，向可能含有待测化合物量的测量区域发射的所有辐射脉冲1和2具有相同的包络线形状，其可在每个脉冲的光频率处转置，后者在多个脉冲1的ν1和多个脉冲2的ν2之间交替。在每个脉冲1、2内，该包络线形状包括持续时间δt1的第一时间间隔，在该时间间隔期间，脉冲1或2的辐射具有光谱宽度值δν1和发射峰值功率值p1，与持续时间为δt2的第二时间间隔，在此期间脉冲1或2的辐射具有光谱宽度值δν2和发射峰值功率值p2。多个第一时间间隔和多个第二时间间隔之间的时间顺序可在每个脉冲内颠倒，每个时间间隔都有与其相关的光谱宽度和发射峰值功率值，并且多个第一时间间隔和多个第二时间间隔也可能被每个脉冲内的中间包络线图案形状分开。如上所述，与受激布里元散射效应相关联的功率极限p
sbs
可小于发射峰值功率值p1并且大于发射峰值功率值p2。
[0081]
对于第一发射序列(图1a和图1b)和第二发射序列(图2a和图2b)，在多个持续时间δt1期间的光频ν1的辐射发射用于确定与背景障碍物的分离距离。在第二辐射发射序列的情况下，多个脉冲1对应于多个持续时间δt2的多个部分具有光谱宽值δν2和发射峰值功率值p2，可能无法用于估计与背景障碍物的分离距离。然而，除了多个脉冲1对应于多个持续时间δt1的部分之外，多个脉冲2对应于多个持续时间δt1的多个部分具有光谱宽值δν1和发射峰值功率值p1，也可以选择性地用于确定与背景障碍物的分离距离。
[0082]
第二个脉冲序列大致上可以是分别在光频ν1或ν2附近每个脉冲1或2的光功率都具有陡峭的上升边缘，其光谱范围很宽，使得可以执行遥测测量，随后光功率缓慢下降且光谱变窄，而适用于差分吸收测量。
[0083]
对于此二辐射发射序列，第一发射序列可根据图1a和图1b所示，第二发射序列则可根据图2a和图2b所示，以下数值为非限制性示例：
[0084]
脉冲重复频率可在1khz(千赫)和50khz之间，
[0085]
δt1可以在50ns和100ns之间，
[0086]
δt2可以在0.5μs和5μs之间，
[0087]
δν1可以在500mhz和1000mhz之间，
[0088]
δν2可以在50mhz和100mhz之间，
[0089]
p1可以大于200w，以及
[0090]
p2可以大于50w。
[0091]
因此，第一时间间隔的持续时间δt1可以短于第二时间间隔的持续时间δt2。此
外，第一光谱宽度值δν1可大于第二光谱宽度值δν2，且第一发射峰值功率值p1可大于第二发射峰值功率值p2。接着，由于第一光谱宽度值δν1增加了，数值p1分布在比数值p2分布的范围更宽的发射光谱间隔上。因此，数值p1可以大于用于建立激光雷达系统的光纤所对应的受激布里元散射阈值p
sbs
。优选地，可以选择数值p2小于或等于该受激布里元散射阈值，以限制在多个单独持续时间δt2的多个第二时间间隔期间发射辐射的过程中的能量效率损失。
[0092]
下方将描述根据本技术的若干激光雷达系统架构，其被设计为如上所述的发射辐射序列。该些架构的描述仅限于其主要组件的组织，可以理解的是，本领域技术人员了解该些组件是可商购的，并且将知晓如何没有困难地或无需任何创造性地将其组合成所描述的架构。此外，应当理解的是，为了清楚起见，于此不会描述将在该些架构中使用但与本发明的原理无直接相关并且通常使用的附加组件。下方描述的所有该些激光雷达系统架构都可有利地使用光纤技术或集成光路技术来加以实现，以生产所使用的光学、光电和互连组件。在显示发射路径结构的图中，元件标号50表示发射控制器，其记作ctrl并连接到发射路径的部件以产生具有期望特性的辐射发射序列。当将产生的辐射发射序列提供给本领域技术人员时，发射控制器50实施的控制模式在本领域技术人员的能力范围内。
[0093]
图3a示出了根据本发明的激光雷达系统的第一种可能的发射路径架构，其设计为产生根据图1a和图1b的辐射发射序列。元件标号10表示激光源，通常称为激光振荡器，它能够产生光频率ν1的连续激光光束。例如，它可以是激光二极体或光纤激光器。由激光源10产生的激光光束被发送通过相位调节器11，记作mod.phase，其光谱宽度为δν1。于此况下，这是一种激光源外部的相位调节。例如，相位调节器11可以是一种光电调节器。二进制信号的随机产生器，通常称为「伪随机二进制序列(pseudo-random binary sequence)」的首字母缩写词prbs，或射频噪声产生器，又或是以「任意波形产生器(arbitrary waveform generator)」的首字母缩写词awg为人所知的任意波形发电机，可以连接到相位调节器11的电器控制输入端。在相位调节器11的替代控制模式中使用的模式由元件标号11c表示，并记作generator。当使用prbs产生器时，其会在随机或伪随机序列中产生等于-π或π的相位跳跃。相位调节器11的输出端可以有利地与光学切趾滤波器(未示出)相关联，以消除该种光谱加宽方法在直接来自相位调节器11的辐射频谱中所产生的次级波瓣。在使用awg产生器的情况下，可以对产生器进行编程以产生各种波形，例如一系列斜波，其斜率在连续的斜坡之间随机变化。或者，可以对产生器进行编程以产生正弦或若干正弦分量的线性组合的电气控制信号。用于相位调节器11的电气控制信号的其他形式也可以替代地使用，应当理解，本领域技术人员能了解如何选择这种电气控制信号的特性，以便为离开调节器相位11的辐射提供具有频谱宽度δν1的期望的光谱包络线形状。产生器11c可被发射控制器50选择性地激活以产生多个脉冲1，或者可以连续地激活。元件标号20表示另一个激光源，即，另一个激光振荡器，其可产生另一连续的激光光束，其光频为ν2，直接具有光谱宽度δν2。例如，激光源20可以是光纤激光器的类型。事实上，由于本发明的光谱宽度δν2很低，其可由激光源20直接或固有地提供，即，不使用任何专门用于产生该光谱宽度值的附加组件。两个激光源10和20构成了本叙述的一般部分所指定的激光源组件。接着，分别源自相位调节器11和激光源20的两个辐射被注入到记作commutator的光学开关30的两个输入端中。在多个第一时间间隔及/或多个第二时间间隔期间，并根据用于在光频ν1和光频ν2的辐射脉冲之间交替的
所需顺序，这可以是一个2x1的光学开关，其可由发射控制器50控制以输出在其两个输入端中的一个或另一个输入端接收到的辐射。或者，光学开关30可以由光纤y型耦合器代替，例如具有50/50的强度比和可选的偏振保持，或由偏振耦合器代替，例如立方体型的偏振分束器。然后，从光学开关30输出的辐射被引入强度调节器31，其记作mod.i nt.，并由发射控制器50控制，使得最终向测量区域发射的辐射在持续时间δt1的多个第一时间间隔期间具有瞬时功率值p1，其中光频更接近数值ν1，且在持续时间δt2的多个第二时间间隔期间具有瞬时功率值p2，其中光频更接近数值ν2。强度调节器31可以是光电或声电或半导体光学放大器的类型。如众所知的，如此的强度调节器可与内部控制器结合，或者可以与插入于该强度调节器和发射控制器50之间的外部控制器相关联。源自强度调节器31的辐射接着被传输到光学放大组件32，或光学放大链32，其记作ampl.，以实际产生发射光功率值p1和p2。最后，源自光学放大组件32的辐射通过激光雷达系统的发射路径的输出光学器件33传输到测量区域，并记作opt。
[0094]
激光雷达系统的几种替代架构可以出自图3a中的架构，每次使用以下等效原理中的至少一种，应用于图3a的发射路径架构：
[0095]-如果激光源10是光谱宽度值为δν1且可产生光频ν1的激光束的类型，例如图3a的激光源20用于光谱宽度值δν2，接着省略相位调节器11，使得来自激光源10的激光光束可直接传输到光学开关30，如同对激光源20一样。如此可获得如图3b的配置；
[0096]-当激光源10是可调谐的类型时，用于将光谱宽度δν1赋予在光频ν1附近发射的辐射的电气控制信号可以直接施加到可调谐激光源10的控制输入端，此种获得所需光谱宽度的模式有时称为内部相位调节，这与使用激光源外部的相位调节器相反，如图3a所示。内部调节激光源可以是，例如，激光二极体，其在增益区注入的电流可以用低调节幅度进行调节，或dbr(distributed bragg reflector)二极体，对其可以调节注入相位、光栅或半导体光学放大区域。附加地或替代地，以从激光源内部的方式获得所需光谱宽度的这此种方法也可以应用于激光源20，当后者本身是可调类型时，可以获得光谱宽度δν2。因此，获得了图3c的配置，其中元件标号11c和21c表示连接到可调谐激光源10和20的各自的控制输入端的调节信号产生器；
[0097]-两个独立的外部相位调节器可以同时使用，一个于位激光源10和光学开关30之间，为以光频ν1发射的辐射提供光谱宽度δν1，如图3a所示。另一个位于激光源20和光学开关30之间，以向以光频ν2发射的辐射提供光谱宽度δν2。因此，获得了图3d的配置，其中元件标号11和21表示分别与激光源10和20相关联的两个外部相位调节器，而元件标号11c和21c表示相位调节信号产生器，其连接到相位调节器11和21各自的控制输入端；以及
[0098]-可用于对由激光源10和20在光频ν1和ν2分别产生的两种辐射有效的单相调节器。于此情况下，来自两个激光源10和20的激光光束可直接传输到光学开关30的输入端，并且单相调节器位于光学开关30的输出端和强度调节器31的输入端之间。接着，可以上述的方式之一控制该单相调节器，以在光学开关30传输具有光频ν1的辐射的多个第一时间间隔期间产生光谱宽度δν1，并在多个第二时间间隔期间产生光谱宽度δν2，其中光学开关30可传输具有光频率ν2的辐射。因此，获得了图3e的配置，其中元件标号34表示外部相位调节器，为光频ν1和ν2的两个辐射所共有，而元件标号34c表示相位调节信号产生器，与该相位调节器34的控制输入端连结。
[0099]
图4a的实施例可以从图3a的实施例中获得，通过调节位于单独路径联合的上游的光频ν1和ν2附近的辐射强度，以产生该辐射。位于光频ν1附近的辐射生成路径与图3a相同，但增加了强度调节器12。类似地，位于光频ν2附近的辐射生成路径与图3a相同，但增加了强度调节器22。两个强度调节器12和22可由发射控制器50以与产生器11c产生的调节信号在时间上相关的方式来加以控制。尤其是，两个强度调节器12和22可产生传输时间窗口，该窗口将各个持续时间δt1的多个第一时间间隔和各个持续时间δt2的多个第二时间间隔限制为期望的重复频率。对于这样的实施例，位于两个光频ν1和ν2附近的独立辐射生成路径可以使用耦合器35在发射路径的下游部分的方向上组合，该下游部分由两个光频共享并且包括光学放大组件32。耦合器35可以是传统的y型耦合器，或者，也可以是偏振耦合器，其能够将确定的偏振分配给在多个第一个时间间隔期间传输的辐射，每个持续时间为δt1，及将确定的正交偏振分配给在多个第二个时间间隔期间传输的辐射，其持续时间为δt2。例如，平行于固定方向的线性偏振可由偏振耦合器35赋予在各个持续时间δt1的多个第一时间间隔期间传输的辐射，及垂直于固定方向的线性偏振可以由偏振耦合器35赋予在各个持续时间δt2的多个第二时间间隔期间传输的辐射。
[0100]
图4b中的实施例可以与图4a中的实施例相同的方式获得，但其是基于图3d中的实施例而非图3a中的实施例。通过应用相同的方法，本领域技术人员将能够推导出本发明的其他可能的实施例，例如，通过将图3b、图3c或图3e中的单一强度调节器替换为两个强度调节器，分别专用于位于两个光频ν1和ν2附近的辐射。
[0101]
图3a-图3e和图4a-图4b中的所有实施例均适用于产生依据图1a和图1b的辐射发射序列。
[0102]
与图3a-图3e和图4a-图4b的实施例不同，在图5a和图5b的实施例中使用的相位调节在持续时间δt1和δt2的多个时间间隔期间分别获得期望的光谱宽度δν1和δν2，所述相位调节为两个光频ν1和ν2所共享。接着，可使用单相调节器，所述调节器位于组合在一起光学开关或光耦合器的下游，在发射路径的共享下游部分，光束分别来自两个激光源10和20。如此，可以降低激光雷达系统的成本。
[0103]
图5a和图5b的实施例适用于产生根据图2a和图2b的辐射发射序列。
[0104]
在图5a的实施例中，相位调节和强度调节都在分别来自激光源10和20的辐射的光路结合处下游执行。光路的结合由开关30实现，相位调节由相位调节器34产生，强度调节由强度调节器31产生。相位调节信号产生器34c也可以是如前述的类型之一：prbs产生器、rf噪声产生器或awg产生器。开关30、相位调节信号产生器34c和强度调节器31都可以由发射控制器50同步控制。
[0105]
在图5b的实施例中，从激光源10和20单独发出的辐射使用两个单独的调节器进行强度调节，这两个调节器由元件标号12和22表示。发出的强度调节辐射可由发射路径的共享下游部分中的耦合器35引入。耦合器35也可以是如上所述的y型耦合器或偏振耦合器。发射路径的下游部分包括相位调节器34、光学放大组件32和输出光学器件33。
[0106]
图6a示出了可以在根据本发明的激光雷达系统中使用的第一检测路径架构。元件标号40表示检测路径的多个输入光学器件，记作opt.，其功能是收集与激光雷达系统产生的辐射发射序列对应的部分反向散射辐射。辐射的收集部分被引导至光学传感器43上，记作detect.opt.，并会产生一个电气检测信号，其强度是检测到的辐射部分的功率的函数。
光学传感器43可以直接检测模式或以相干检测模式实现。例如，具有直接检测功能的光学传感器可由与跨阻抗放大器相关联的光电二极管组成，具有相干检测的光学传感器，也称为外差检测，需要将由多个输入光学器件40收集的反向散射辐射与由激光源组件产生的部分辐射混合。光学传感器43的电气输出连接至分析链512的输入端，记作analys.，其处理由传感器43传送的电气信号，而不管每个电信号是对应于脉冲1还是脉冲2。
[0107]
图6b显示了第二个检测路径架构，其使用两个不同的分析链，分别专用于多个辐射脉冲1和多个辐射脉冲2。电气开关44记作comm.elec.，根据分别对应于辐射发射序列中的多个第一时间间隔或多个第二时间间隔的检测电气信号的部分，然后将电气检测信号引导至两个单独的分析链51和52，其记作analys.1和analys.2。为此，电气开关44的操作同步可由发射控制器50控制。因此，分析链51可专用于各个持续时间δt1的多个第一时间间隔，并可设计成确定在其数量待确定的化合物的光谱吸收带之外的测量区域的残余量吸收，并确定与位于该测量区域背景中的障碍物的分离距离。独立地，分析链52可专用于各个持续时间δt2的多个第二时间间隔，并且设计成确定测量区域在化合物的光谱吸收带中的吸收。未示出的计算模块可根据由两个分析链51和52所确定的吸收水平以及与背景障碍物的分离距离来产生对化合物量的评估。
[0108]
图6c示出了第三种可能的检测路径架构，其中两个光学传感器41和42，记作detect.opt.1和detect.opt.2，可分别产生电气检测信号，这些电气检测信号分别传输到分析链51和52。第三种架构的一个优点是可以使用不同灵敏度水平的光学传感器41和42，并分别适应反向散射辐射的相关部分的相应瞬时功率值：传感器51的多个各个持续时间δt1的多个第一时间间隔中的p1，以及传感器52的多个各个持续时间δt2的多个第二时间间隔中的p2。于此情况下，由输入光学器件40收集的反向散射辐射被光学开关45导向传感器41或传感器42。该光学开关45的操作由发射控制器50控制。对于该第三检测路径架构来说，发射路径的耦合器35可以是具有50/50比例的y型耦合器类型。
[0109]
图6b-图6c的三种检测路径架构均与图3a-图3e、图4a-图4b的架构变体兼容，而图5a-图5b则是用于发射路径。
[0110]
最后，图6d示出了第四种可能的检测路径架构，其中图6c的光学开关45被偏振分束器46替代，记作sep.polar.，其以辐射的线性偏振为基础。用于检测路径的该第四架构兼容于用于发射路径的实施例，其中耦合器35的类型为偏振耦合器，如上所述。
[0111]
一般来说，在检测路径中使用的光学传感器或多个光学传感器中的至少一个具有足够短的响应时间以允许基于多个持续时间δt1期间发射的辐射来估计与背景障碍物的分离距离。
[0112]
此外，检测路径的每个分析链的输出可连接到计算单元(未示出)，计算单元适用于基于由一个或两个分析链产生的信号以提供与背景障碍物的分离距离的估计值与测量区域中存在并在脉冲路径上累积的化合物的量。这种计算单元可以可选地集成到激光雷达系统中。
[0113]
应当理解的是，可以在修改如以上详述的实施例的次要方面的同时复制本发明，但仍然应保留至少一些引用的优点。尤其是可以使用具有等效功能的光学元件来代替所提到的元件。此外，在不具有创造性的情况下，本领域所属技术人员可采用以下修改作为替代方案：
[0114]-一个相同的光频切换激光源，其可用于产生在光频ν1和ν2下的多个脉冲；
[0115]-单独的光学放大器，其可用于在光频ν1和ν2下的多个脉冲；
[0116]-为了产生辐射发射序列，光频ν1下的多个脉冲和光频ν2下的多个脉冲的交错可以在对每个脉冲进行相位调节及/或强度调节之前或之后执行；以及
[0117]-为了产生辐射发射序列，光频ν1下的多个脉冲和光频ν2下的多个脉冲的交错可以在脉冲的光学放大之前或之后执行。
[0118]
最后，所引用的所有数值仅用于说明，并可能根据要确定的化合物的量而改变。