[发明专利]用于测量风速的方法

说明书

本发明涉及一种设备，其包括：用于发射称之为发射光束的激光束的部件（12）；用于以预定焦距（D）聚焦发射光束的部件（16）；用于接收被空气中的粒子（18）反射后的发射光束称之为反射光束的部件（20）；用于传输信号的部件（32），由其将发射光束和反射光束间形成干涉的信号传输至信号处理部件（24），由此推断出粒子的速度。发射部件（12）包括激光二极管，接收部件（20）通过自混合与激光二极管组合在一起。焦距（D）为5厘米至2米。

本发明涉及风测量的领域，尤其是在利用激光的情况下。

使用LIDAR(Light Detection And Ranging＝光探测和测距)系统的现有技术风速计都是已知的，具体详见WO 2009/046717。该设备发出激光光束，由光学系统在几十米的焦距处来聚焦该激光束，其目标是一个空气中的粒子在其中被风吹散的测量区。这些粒子反射所接收到的光，并朝光学系统的方向发出光束，称之为反射光束。LIDAR接收被粒子反射的光束，然后处理发射光束和反射光束间所形成的干涉，从而推断出粒子的速度，因为发射光束和反射光束之间的频移由于多普勒效应而取决于该速度。

制造此类发出激光束的设备的所需代价非常高。

本发明的一个目的是提出一种低成本的风速测量设备。

鉴于此目的，本发明的一个目标是一种风速测量设备，包括：

-一种发射部件，用于发出称之为发射光束的激光束，

-一种聚焦部件，用于在预定焦距处聚焦发射光束，

-一种接收部件，用于接收被空气中粒子反射后的发射光束，称之为反射光束，

-一种传输信号部件，用于传输在发射光束和反射光束间形成干涉的信号发送至信号处理部件，以便推断出粒子速度，

其中，发射部件包括激光二极管，接收部件通过自混合与激光二极管组合在一起，焦距为5cm(厘米)至2m(米)。

通过使用激光二极管，能够获得更为经济的测量风速的设备。另外，通过自混合实现反射光束的接收，这是特别吸引人的。自混合也称之为腔内光反馈，并相当于将反射光束作为激光二极管所发出的光束重新输入同一腔体内的设备。通常，用于接收反射光束的部件包括光电二极管，设置在紧挨着激光二极管的后面，并且干涉在激光腔内直接产生然后由光电二极管接收。通过自混合与激光二极管组合在一起的接收部件提供干涉信号的光放大。自混合的使用是有益的，因为激光二极管和光电二极管都是十分廉价便宜的，而且不需要在激光的位置之外设置单独的检测器以及仅仅只接收在反射光束被干涉仪所重新定向后的反射光束。因此，使用紧挨二极管后所设置的光电二极管，而且无需管理与干涉仪相关的对齐问题。该设备还特别紧凑，因为反射光束回到激光二极管的腔体内。这与反射所接收光束的干涉仪的情况有很大的区别，例如，以相对于发射光束的90°角度来反射所接收的光束，这需要在距离激光器的一定距离处设置检测器，因此会占据空间。于是，所提出设备的体积大约为边长为1厘米的立方体，若设备包括信号处理部件，则为边长为10至20厘米的立方体，而装备LIDAR的设备的体积通常大约为边长为50厘米的立方体，重约50kg(公斤)。

值得注意的是，被设备反射光的粒子是空气中的粒子，通常称之为尘埃粒子。这些粒子的直径通常为0.1μm(微米)至10μm。当反射发射光束时所发生的散射是米氏(Mie)散射，相对于适用于分子量级的瑞利散射，米氏(Mie)散射更适用于粒子尺寸。例如，粒子可以是含碳的粒子或离子。

空气中的这些粒子的密度很低，所以很难得到用于分析干涉的连续信号。一般来说，焦距的距离越大，测量越好，因为该设备的存在对空气流动的影响甚微。

另外，包含激光的风速计通常在几十米的距离处聚焦，而发明人产生的想法是以更短的距离进行聚焦，并观察例如聚焦距离为5cm至2m所得到的具有足够强度的足够周期信号，经过处理后提供风速。然而，值得注意的是，该信号是偶然的。