(57)【要約】本発明は、低コストＬＩＤＡＲシステムに関する。本システムは、接近する風力場の測定のために、風力タービン内に統合されてもよい。一実施形態は、実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されるビーム発生区画と、出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第１の光学デバイスを備えるビーム操向区画であって、該第１の光学デバイスは、第１の偏光ビームスプリッタと光学接続し、該ビーム操向区画は、第１の方向と第２の方向との間で互換的に出力ビームを指向させるために適合される、ビーム操向区画とを備える、ＬＩＤＡＲシステムに関する。
2015517094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＩＤＡＲシステムであって、
−実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されたビーム発生区画と、
−前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第１の光学デバイスを備えるビーム操向区画であって、前記第１の光学デバイスは、第１の偏光ビームスプリッタと光学接続し、前記ビーム操向区画は、第１の方向と第２の方向との間で互換的に前記出力ビームを指向させるために適合されている、ビーム操向区画と
を備え、
前記ＬＩＤＡＲシステムは、前記第１および第２の方向から受射された放射を検出、伝搬、および／または受射するために構成され、前記受射された放射は、前記出力ビームの反対方向に伝搬している、ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２】
前記ビーム発生区画はさらに、非可逆光学要素を備え、前記出力ビームおよび前記受射された放射は、前記非可逆光学要素を通して反対方向に伝搬し得、前記非可逆光学要素は、前記出力ビームおよび前記受射された放射の偏光を回転させるために適合されている、請求項１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３】
前記非可逆光学要素は、前記出力ビームの偏光および前記受射された放射の偏光が、前記非可逆光学要素の片側において相互に実質的に垂直であり、かつ前記非可逆光学要素の反対側において相互に実質的に平行であるように構成されている、請求項２に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４】
前記非可逆光学要素は、前記出力ビームが前記非可逆光学要素を通して伝搬すると、前記出力ビームの偏光を約４５度回転させるように適合されている、請求項２から３のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５】
前記非可逆光学要素は、前記受射された放射が前記非可逆光学要素を通して伝搬すると、前記受射された放射の偏光を約４５度回転させるように適合されている、請求項２から４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６】
ファラデー回転子等の前記非可逆光学要素は、ファラデー効果を用いて、光の偏光を回転させる、請求項２から５のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項７】
前記ビーム操向区画はさらに、前記第２の方向に伝搬する前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第２の光学デバイスを備え、前記第２の光学デバイスは、第２の偏光ビームスプリッタと光学接続し、前記ビーム操向区画は、前記第１の方向、前記第２の方向、および第３の方向間で互換的に前記出力ビームを指向させるために適合されている、請求項１から６のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項８】
前記第１の光学デバイスおよび／または前記第２の光学デバイスは、可逆光学要素として機能することができる、請求項１から７のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項９】
前記ビーム操向区画は、測定体積内の粒子の照明のために、前記出力ビームを前記測定体積に向かって指向させるために適合されている、請求項１から８のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１０】
前記出力ビームを測定体積上に集束させるためのレンズ配列をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１１】
参照ビームを発生させるための手段をさらに備える、請求項１から１０のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１２】
前記参照ビームは、前記出力ビームの反対方向に伝搬している、請求項１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１３】
前記参照ビームは、信号ビームと同軸方向に伝搬している、請求項１１から１２のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１４】
前記第１、第２、および／または第３の方向から受射された放射を検出、伝搬、および／または受射するために適合されている、請求項１から１３のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１５】
前記受射された放射は、前記出力ビームの反対方向に伝搬している、請求項１４に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１６】
参照ビームは、前記受射された放射と同軸方向に伝搬している、請求項１４から１５のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１７】
受射された放射と混合された参照ビームの検出のために適合された検出器をさらに備える、請求項１から１６のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１８】
前記出力ビームの反対方向に伝搬している参照ビームおよび受射された放射を分割するために適合された初期偏光ビームスプリッタをさらに備える、請求項１から１７のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項１９】
前記受射された放射は、前記出力ビームによって照明される測定体積内の粒子から放出または散乱される光を含む、請求項１から１８のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２０】
前記第１および／または第２の光学デバイスは、可変光学リターダである、請求項１から１９のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２１】
前記第１および／または第２の光学デバイスは、回転可能波長板である、請求項１から２０のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２２】
前記第１および／または前記第２の光学デバイスは、可動部品を伴わずに、前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合されている、請求項１から２１のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２３】
前記第１および／または前記第２の光学デバイスは、偏光の２つの具体的状態間で前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合されている、請求項１から２２のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２４】
前記第１および／または前記第２の光学デバイスは、所定の周波数を伴う偏光の２つの具体的状態間で前記出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合されている、請求項１から２３のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２５】
前記周波数は、約１Ｈｚ、例えば、０．０１Ｈｚ〜１ｋＨｚ、例えば、０．０１Ｈｚ〜０．１Ｈｚ、例えば、０．１Ｈｚ〜０．２Ｈｚ、例えば、０．２Ｈｚ〜０．３Ｈｚ、例えば、０．３Ｈｚ〜０．４Ｈｚ、例えば、０．４Ｈｚ〜０．５Ｈｚ、例えば、０．５Ｈｚ〜０．６Ｈｚ、例えば、０．６Ｈｚ〜０．７Ｈｚ、例えば、０．７Ｈｚ〜０．８Ｈｚ、例えば、０．８Ｈｚ〜０．９Ｈｚ、例えば、０．９Ｈｚ〜１Ｈｚ、例えば、１Ｈｚ〜１．５Ｈｚ、例えば、１．５Ｈｚ〜２Ｈｚ、例えば、２Ｈｚ〜３Ｈｚ、例えば、３Ｈｚ〜４Ｈｚ、例えば、４Ｈｚ〜５Ｈｚ、例えば、５Ｈｚ〜６Ｈｚ、例えば、６Ｈｚ〜７Ｈｚ、例えば、７Ｈｚ〜８Ｈｚ、例えば、８Ｈｚ〜９Ｈｚ、例えば、９Ｈｚ〜１０Ｈｚ、例えば、１０Ｈｚ〜１５Ｈｚ、例えば、１５Ｈｚ〜３０Ｈｚ、例えば、３０Ｈｚ〜６０Ｈｚ、例えば、６０Ｈｚ〜１００Ｈｚ、例えば、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚである、請求項２４に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２６】
前記第１の光学デバイスと前記第１の偏光ビームスプリッタとの間の光学接続は、少なくとも部分的に、偏光維持光学導波路によって提供される、請求項１から２５のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２７】
前記第１の光学デバイスと前記第１の偏光ビームスプリッタとの間の光学接続は、少なくとも部分的に、光ファイバ、好ましくは、偏光維持光ファイバによって提供される、請求項１から２６のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２８】
前記出力ビームの偏光を前記偏光維持光学導波路／ファイバの伝搬方向に整合させるための手段をさらに備える、請求項２６から２７のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項２９】
前記ビーム発生区画はさらに、光学経路内に位置する１つ以上の直線偏光子を備える、請求項１から２８のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３０】
前記ビーム発生区画は、コヒーレント光源、例えば、コヒーレントレーザ、例えば、半導体レーザ、例えば、統合された半導体レーザアセンブリを備える、請求項１から２９のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３１】
前記ビーム発生区画は、コリメートされた直線偏光出力を送達するコヒーレント光源を備える、請求項１から３０のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３２】
前記参照ビームは、少なくとも部分的に、光ファイバの第１または第２の端部表面によって発生される、請求項１１から３１のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３３】
前記参照ビームは、少なくとも部分的に、部分的反射鏡によって発生される、請求項１１から３２のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３４】
前記参照ビームの偏光は、前記受射された放射の偏光に実質的に等しい、請求項１１から３３のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３５】
信号プロセッサをさらに備える、請求項１から３４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３６】
前記信号プロセッサは、検出器信号に基づいて、粒子の速度に対応する速度信号を発生させるために適合されている、請求項３５に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３７】
前記信号プロセッサは、風速の判定のために構成されている、請求項３５から３６のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３８】
前記信号プロセッサは、測定体積内の乱れの判定のために構成されている、請求項３５から３７のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項３９】
前記信号プロセッサは、測定体積内の温度の判定のために構成されている、請求項３５から３８のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４０】
前記信号プロセッサは、検出器信号に基づいて、測定体積内の粒子の濃度に対応する濃度信号を発生させるために構成されている、請求項３５から３９のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４１】
前記信号プロセッサは、測定体積内の粒子濃度の判定のために構成されている、請求項３５から４０のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４２】
前記ＬＩＤＡＲシステムは、コヒーレントドップラーＬＩＤＡＲシステムである、請求項１から４１のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４３】
ＬＩＤＡＲシステムであって、
−実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されたビーム発生区画と、
−前記出力ビームを第１の方向に、受射された放射を第２の反対方向に伝搬させるための偏光維持光学導波路と、
−非可逆光学要素であって、前記出力ビームおよび前記受射された放射は、前記非可逆光学要素を通して、反対方向に伝搬し、前記非可逆光学要素は、前記出力ビームおよび前記受射された放射の偏光を回転させるために適合されている、非可逆光学要素と
を備える、ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４４】
前記光学要素は、前記出力ビームの偏光および前記受射された放射の偏光が、前記光学要素の片側において相互に実質的に垂直であり、かつ前記光学要素の反対側において相互に実質的に平行であるように構成されている、請求項４３に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４５】
請求項１から４２のいずれかに記載のシステムの特徴のいずれかをさらに備える、請求項４３から４４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４６】
窓を収容するビーム操向区画と光学接続するビーム発生区画を備えるＬＩＤＡＲシステムであって、出力ビームは、前記窓を通して伝送され、前記ビーム発生区画は、少なくとも１つの光学導波路を通して前記ビーム操向区画に伝送される、加熱光源の光学出力の少なくとも一部を用いる、少なくとも１つの加熱光源を収容し、前記少なくとも１つの加熱光源は、前記窓を加熱するように適合されている、ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４７】
前記光学導波路は、１つ以上の光学ファイバを備える、請求項４６に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４８】
前記出力ビームの波長は、前記加熱光源の波長と異なる、請求項４６から４７のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項４９】
前記加熱光源の波長は、前記ＬＩＤＡＲシステムの検出波長間隔と異なる、請求項４６から４８のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５０】
前記少なくとも１つの加熱光源は、前記窓内において前記加熱光源の光学出力の電磁エネルギーを熱エネルギーに変換することによって、前記窓を加熱するように適合されている、請求項４６から４８のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５１】
前記少なくとも１つの加熱光源は、少なくとも前記窓の一部の凝縮および／または氷結を回避するように適合されている、請求項４６から５０のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５２】
前記窓は、前記出力ビームを集束させるために適合されたレンズである、請求項４６から５１のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５３】
前記窓は、楕円形、例えば、円形である、請求項４６から５２のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５４】
前記窓の円周方向リムは、金属および／または反射コーティングを提供される、請求項４６から５３のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５５】
前記窓の一方または両方の表面は、反射防止コーティングを提供される、請求項４６から５４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５６】
前記加熱光源からの光は、前記窓の２つの表面間で結合される、請求項４６から５５のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５７】
前記加熱光源からの光は、屈折要素、例えば、結合ファセット、拡散板、プリズム、または光導体を用いて、前記窓の２つの表面間で結合される、請求項４６から５６のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５８】
前記屈折要素は、凹面または凸面である、請求項５７に記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項５９】
前記加熱光源からの光は、前記窓の２つの表面間の全内部反射を用いて、前記窓の内側を伝搬するように適合されている、請求項５６から５８のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６０】
窓材料は、前記加熱光源からの光を吸収する１つ以上の元素でドープされている、請求項４６から５９のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６１】
前記ビーム発生区画は、前記ビーム操向区画から物理的に分離されている、請求項４６から６０のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６２】
前記ビーム発生区画は、前記ビーム操向区画から電気的に分離されている、請求項４６から６１のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６３】
前記ビーム操向区画は、電気的に中性である、請求項４６から６２のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６４】
請求項１から４４のいずれかに記載のシステムの特徴のいずれかをさらに備える、請求項４６から６３のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステム。
【請求項６５】
請求項１から６４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステムを備える風力タービン。
【請求項６６】
請求項１から６４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステムを備える風力タービンであって、前記ビーム発生区画は、ナセル内に完全に組み込まれ、前記ビーム操向区画は、少なくとも部分的に、前記ナセルの外側に位置し、前記出力ビームおよび前記受射された放射は、偏光維持光学ファイバを用いて、前記ナセルと前記外側との間で伝送される、風力タービン。
【請求項６７】
請求項１から６４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステムを備える帆船。
【請求項６８】
請求項１から６４のいずれかに記載のＬＩＤＡＲシステムを備える航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストＬＩＤＡＲシステムに関する。本システムは、接近する風力場の測定のために、風力タービン内に統合されてもよい。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
コヒーレントＬＩＤＡＲシステムは、遠隔場所における風速の判定のための魅力的システムである。基本原理は、コヒーレントレーザ光によって照射されると、粒子、例えば、エアロゾル、水滴、粉塵等から後方散乱された光が発生する、ドップラーシフトに関する。粒子移動が、気流に非常に類似するという仮定の下、測定されたドップラー周波数は、それに関する比例風速の計算のために使用されることができる。
【０００３】
ＬＩＤＡＲの広範な使用を阻害している要因は、コスト、電力消費、サイズ、および耐久性である。今日の市販のＬＩＤＡＲシステムは、約２００，０００ＵＳＤかかり、これは、多くの用途が利用されることを阻む価格レベルである。遠隔場所、例えば、海洋風力タービン用地におけるＬＩＤＡＲシステムの使用は、長期間、殆どまたは全く保守を伴わず、かつより低電力消費の動作を要求する。
【０００４】
以前、コヒーレントＬＩＤＡＲシステム内で最も効果かつ複雑であった構成要素は、レーザアセンブリであった。エアロゾルの極端に低い後方散乱係数（約１０−１２）のため、高品質、高電力、コヒーレント光源に大きく依拠する、改良された検出方式が、要求される。低電力消費を伴う、低コスト、コンパクト、かつコヒーレントなＬＩＤＡＲシステムが、統合された半導体レーザアセンブリを採用する、第ＷＯ２００９／０４６７１７号に開示された。しかしながら、本ＬＩＤＡＲシステムは、視程測定に限定され、風力場の判定を妨げる。
【０００５】
視程を超えて、風速測定を拡張可能にするために、ＬＩＤＡＲのプローブビームは、複数の方向に指向されなければならない。これは、３次元コーン内の風速の測定を可能にする回転鏡またはプリズムアセンブリに依拠する、走査式ＬＩＤＡＲによって提供され得る。しかしながら、風力タービンの上部に回転鏡を有することは、耐久性のある解決策ではない。１つ以上のＬＩＤＡＲはまた、回転ハブ内または風力タービンのブレード上に統合され得る。ハブおよびブレードの回転は、プローブビームが風力タービンの正面のコーンを走査することを確実にするが、回転移動は、実際には、ＬＩＤＡＲの動作要件と互換性がない。第ＷＯ０３／０４８８０４号は、プローブビームを複数の方向に指向させるために光学スイッチを採用する、ＬＩＤＡＲシステムを開示している。しかしながら、光学スイッチの特性は、長いコヒーレンス長を伴う高価なレーザ源が使用されることを要求し、低コストの統合された半導体レーザアセンブリの使用を阻む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００９／０４６７１７号
【特許文献２】国際公開第ＷＯ０３／０４８８０４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要約）
市場は、したがって、依然として、視程測定に限定されない、低コストの耐久性のあるＬＩＤＡＲシステムを必要としている。これは、ＬＩＤＡＲシステムであって、実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されるビーム発生区画と、出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第１の光学デバイスを備える、ビーム操向区画であって、該第１の光学デバイスは、第１の偏光ビームスプリッタと光学接続し、該ビーム操向区画は、第１の方向と第２の方向との間で互換的に出力ビームを指向させるために適合される、ビーム操向区画とを備える、システムを開示する、本発明の一実施形態によって達成され得る。
【０００８】
偏光ビームスプリッタの派生特徴は、入射ビームを異なる線形偏光の２つのビームに分割する、すなわち、ビーム伝搬方向が、入射ビームの偏光に依存することである。本発明は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の本特徴を利用する、すなわち、入射ビームの偏光を制御することによって、伝搬の方向が、制御されることができる。ＬＩＤＡＲシステム内に組み込まれると、出力ビームの方向は、それによって、ビームの偏光が制御可能である場合、可変である。光の偏光は、機械的受動構成要素によって、すなわち、可動部品を伴わずに、制御可能であるため、本発明による、ＬＩＤＡＲシステムは、測定体積内を移動する粒子の速さおよび方向の判定のために、耐久性のある低コストＬＩＤＡＲを可能にし、それによって、例えば、風力タービンの正面において、風力場のリアルタイム判定を可能にする。第ＷＯ２０１２／０１９８７１号は、測定体積内の粒子の速度ベクトルを判定するための方法を開示している。第ＷＯ２０１２／０１９８７１号は、参照することによって本明細書に全体として組み込まれる。
【０００９】
本発明のさらなる側面は、ＬＩＤＡＲシステムであって、実質的直線偏光出力ビームを発生させるために適合されるビーム発生区画と、出力ビームを第１の方向に、受射された放射を第２の反対方向に伝搬させるための偏光維持光学導波路と、それを通して、出力ビームおよび受射された放射が、反対方向に伝搬する、非可逆光学要素であって、出力ビームおよび受射された放射の偏光を回転させるために適合される、非可逆光学要素とを備える、システムに関する。そのような非可逆光学要素の実施例は、ファラデー効果によって、光の偏光を回転させる、ファラデー回転子である。ファラデー回転は、非可逆光学伝搬の実施例である。同一のファラデー媒体を通して直線偏光ビームを後方反射させることによって、媒体を通した前方通過においてビームが被った偏光変化が元に戻ることはない。非可逆光学要素は、好ましくは、出力ビームの偏光および受射された放射の偏光が、光学要素の片側において、相互に実質的に垂直であり、かつ光学要素の反対側において、相互に実質的に平行であるように構成される。これは、受射された放射および／または参照ビームが、検出目的のために分割される必要があるときに利用され得る。
【００１０】
ＬＩＤＡＲシステムでは、プローブ光は、典型的には、測定体積に向かって指向され、受射された放射は、検出器によって受射されるように、システムを通して後方に伝搬する。ＬＩＤＡＲシステムは、典型的には、屋外で動作するため、システムの構成要素は、典型的には、天候から保護され、プローブビームおよび受信される信号は、ある種の窓を通して伝搬している。変化する気象条件では、窓に凝縮が発生するリスクがあり、これは、窓の透明度を著しく低下させ得る。本問題は、ある種の電気熱源を窓に接続させ、窓を保温し、凝縮を回避することによって、非常に容易に解決され得る。しかしながら、電気的に接続された窓は、不利である状況があり得る。例えば、ＬＩＤＡＲシステムが、風力タービン内に設置されるときである。プローブビームは、ブレードの正面の測定体積に向かって、すなわち、ナセルの上部、側部、または底部から、選択的に放出されなければならない。しかしながら、ＬＩＤＡＲシステムの電子的に駆動される構成要素は、稲妻が頻繁に生じ得る、ナセルの外側に設置される場合、不利益な状態に置かれるであろう。したがって、好ましくは、ＬＩＤＡＲシステム、例えば、ビーム発生区画の電子的に駆動される構成要素が、ナセルの内側に設置される一方、稲妻によって影響を受けない、単純光学構成要素、例えば、窓を含む、ビーム操向区画は、ナセルの外側に設置され得る。しかし、電気的に中性である、ビーム操向区画を用いれば、窓を加熱させるために電力がいらない、したがって、凝縮は、問題となり得ない。したがって、本発明のさらなる側面は、ＬＩＤＡＲシステムであって、それを通して、出力ビームが伝送される、窓を収容する、ビーム操向区画と光学接続する、ビーム発生区画を備え、ビーム発生区画は、少なくとも１つの光学導波路を通してビーム操向区画に伝送される、加熱光源の光学出力の少なくとも一部を用いる、少なくとも１つの加熱光源を収容し、該少なくとも１つの加熱光源は、該窓を加熱するように適合される、システムに関する。したがって、基本概念は、加熱光源が、窓内において、加熱光源の光学出力の電磁エネルギーを熱エネルギーに変換することによって、窓を加熱するように適合されるというものである。
【００１１】
本発明のさらなる側面は、本開示されるＬＩＤＡＲシステムを備える、風力タービンに関する。特に、ビーム発生区画は、ナセル内に完全に組み込まれ、ビーム操向区画は、少なくとも部分的に、ナセルの外側に位置し、出力ビームおよび受射された放射は、偏光維持光学ファイバを用いて、ナセルと外側との間で伝送される、本開示されるＬＩＤＡＲシステムを備える、風力タービンに関する。
【００１２】
本発明のさらなる側面は、本開示されるＬＩＤＡＲシステムを備える、帆船に関する。本発明のなおもさらなる側面は、本開示されるＬＩＤＡＲシステムを備える、航空機に関する。
【００１３】
ＬＩＤＡＲ背景
コヒーレントＬＩＤＡＲの基本原理は、３５年以上前に遡る。“Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ  Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ  ｆｏｒ  Ｃｏａｘｉａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｔｈａｔ  Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  １０，  Ｎｏ．７，  Ｊｕｌｙ  １９７１，  Ｃ．Ｍ．  Ｓｏｎｎｅｎｓｃｈｅｉｎ  ａｎｄ  Ｆ．Ａ．Ｈｏｒｒｉｇａｎを参照されたい。その用途は、従来、科学的な関心、例えば、大気物理学の範囲内であった。しかしながら、今日、ＬＩＤＡＲは、ますます、実践的産業用途に関連しつつある。そのような実施例の１つは、風力タービンの制御に関するものである。より高い効率の必要性によって、風力タービン産業は、設置された風力タービンあたりの抽出される電気エネルギーの観点から、性能を改善するために、過去数十年にわたって、翼幅を継続的に増加させることを余儀なくされている。しかしながら、翼幅の増加は、特に、強風および風の乱れによって課される実質的機械負荷につながる。風上の数十メートルの風速予測のためのコンパクトであり、耐久性があり、かつ安価なコヒーレントＬＩＤＡＲデバイスは、風力タービンの最適化および保護を可能にするであろう。実際の風速測定と風が実際に風力タービンに到達した時間との間の時間遅延は、例えば、翼のピッチを変更することによって、翼の負荷を保護するために使用されることができる。別の実施例は、着陸する航空機によって発生される旋風検出である。航空機の着陸（または、離陸）頻度は、主に、前の航空機によって発生された旋風から危険が生じないことを確実にするように、安全域によって判定される。旋風監視のためのコヒーレントＬＩＤＡＲの使用は、本安全周期が最小限にされ、したがって、利用率、それによって、空港の収容能力を増加させることを可能にする。
【００１４】
連続波（ＣＷ）コヒーレントＬＩＤＡＲは、実際のプローブ体積を限定するために使用される望遠鏡の集束特性に依拠する。プローブ体積の幅は、集束領域内のレーザビームの直径（すなわち、焦点ビームウエスト）によって限定される。ビーム軸に沿ったプローブ体積の長さは、ほぼ焦点深度または集束レーザビームのレイリー長の２倍に限定される。ＣＷ  ＬＩＤＡＲシステムから１００メートルの距離に集束されるＣＷ  ＬＩＤＡＲの場合、プローブ体積の幅は、典型的には、約１センチメートルであり、プローブ体積の長さは、波長および集束光学（望遠鏡）に応じて、約１０メートルである。パルス状システムの場合、プローブ体積の幅は、ＣＷ  ＬＩＤＡＲの場合と同一であるが、プローブ体積の長さは、ｃＴ／２および焦点深度の小さい方によって与えられる（Ｔは、放出されるパルス幅であり、ｃは、光の速さである）。
【００１５】
ＬＩＤＡＲシステムにおいて使用されるレーザ源からのＣＷ出力電力は、検出されるべき十分な後方散乱光を取得するために、約１ワットであるべきである。ホモダイン検出技法は、第１に、光源のコヒーレンス長が、本質的に、プローブ体積までの距離の２倍、例えば、典型的風力タービン用途の場合、２００メートルであることを要求する。これは、約２００ＴＨｚの中心周波数に対して、わずか１００ｋＨｚのレーザスペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）に対応する。第２に、レーザビームの空間コヒーレンスは、二次検出器からの最大ビート信号の発生を確実にするように、理想的ガウスビームに近似すべきである。ビート信号は、参照信号と後方散乱およびドップラーシフト信号との間の周波数差によって特徴付けられる。最後に、レーザの相対強度雑音（ＲＩＮ）は、検出器におけるビート信号を区別するために十分に低くあるべきである。第ＷＯ２００９／０４６７１７号は、統合された半導体レーザアセンブリを用いて、これらの品質を得る方法について説明している。第ＷＯ２００９／０４６７１７号は、したがって、参照することによって全体として組み込まれる。
【００１６】
用語「ヘテロダイン検出」は、多くの場合、光学干渉法に関連して使用されるが、用語「ホモダイン検出」は、参照ビーム（局部発振器）が、変調プロセス、すなわち、標的による散乱前に、信号ビームと同一の源から導出されることを示すために、本開示全体を通して使用される。
【００１７】
ここで、本発明が、図面を参照して、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明による、ＬＩＤＡＲシステムの斜視図である。
【図２】図２は、直線偏光子が追加された、図１のシステムである。
【図３】図３は、本発明による、多指向性ＬＩＤＡＲシステムの斜視図であり、出力ビームは、２つの異なる方向に指向される。
【図４】図４は、本発明による、多指向性ＬＩＤＡＲシステムの斜視図であり、出力ビームは、３つの異なる方向に指向される。
【図５】図５は、偏光状態が示される、図３のシステムである。
【図６】図６は、ファイバ結合加熱光源と窓／レンズとの間の結合の斜視図である。
【図７】図７および８は、伸縮自在レンズ間にＰＢＳを伴わない、本発明による、多指向性ＬＩＤＡＲシステムの斜視図である。
【図８】図７および８は、伸縮自在レンズ間にＰＢＳを伴わない、本発明による、多指向性ＬＩＤＡＲシステムの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（発明の詳細な説明）
本発明の一実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、コヒーレントドップラーＬＩＤＡＲシステムである。
【００２０】
本ＬＩＤＡＲシステムの基本構成は、出力ビームを２つの方向、すなわち、第１および第２の方向に指向させることである。しかしながら、原理は、より多くの偏光制御光学デバイスおよびより多くのＰＢＳを追加することによって、多重化されてもよい。したがって、本発明のさらなる実施形態では、ビーム操向区画はさらに、第２の方向に伝搬する出力ビームの偏光を制御可能に交互させるための第２の光学デバイスを備え、該第２の光学デバイスは、第２の偏光ビームスプリッタと光学接続し、該ビーム操向区画は、第１の方向、第２の方向、および第３の方向間で互換的に出力ビームを指向させるために適合される。３つの方向を用いて、出力ビームは、３Ｄ測定体積に指向されることができる。しかしながら、より多くの出力ビーム方向、例えば、第４、第５、第６、第７、第８、第９、および第１０方向が、追加されてもよい。各付加的対の偏光制御デバイスおよびＰＢＳは、１つまたは２つの新しい方向を提供することができる。より多くの方向を追加する本原理は、図４に図示される。
【００２１】
ＬＩＤＡＲシステムでは、ビーム操向区画は、典型的には、測定体積内の粒子の照明のために、出力ビームを測定体積に向かって指向させるために適合される。本システムはさらに、出力ビームを測定体積上に集束させるためのレンズ配列を備えてもよい。標的は、入射光と相互作用し、標的からの光の散乱、吸収、および／または放出をもたらすことが可能な任意の物体であってもよい。測定体積内の標的は、例えば、エアロゾル、例えば、水液滴、粉塵等、粒子、分子、原子、測定体積の幅より大きい物体の表面等であってもよい。本開示全体を通して、用語「粒子」は、エアロゾル、分子、原子等を含む。
【００２２】
ＬＩＤＡＲシステムはまた、典型的には、参照ビームを発生させるための手段を備える。好ましくは、参照ビームは、少なくとも、受信される信号ビームと同軸方向に、かつ同一の方向に、および可能性として、また、出力ビームの反対方向に、伝搬している。参照ビームは、少なくとも部分的に、部分反射鏡によって発生されてもよい。参照ビームは、代替として、少なくとも部分的に、光ファイバの第１または第２の端部表面によって発生されてもよい。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、該第１、第２、および／または第３の方向から受射された放射を検出、伝搬、および／または受射するために適合される。受射された放射は、例えば、出力ビームによって照明される測定体積内の粒子から放出される光を含み得る。受射された放射は、好ましくは、出力ビームの反対方向に伝搬している。ＬＩＤＡＲシステムはさらに、受射された放射と混合された参照ビームの検出のために適合される検出器を備えてもよい。本発明の好ましい実施形態では、参照ビームの偏光は、受射された放射の偏光に実質的に等しい。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムはさらに、両方とも出力ビームの反対方向に伝搬している参照ビームおよび受射された放射を分割するために適合される、初期偏光ビームスプリッタを備える。
【００２５】
本発明の一実施形態では、第１および／または第２の光学デバイスは、可逆偏光交互光学デバイスとして機能してもよい。偏光されたビームが、同一の可逆偏光交互光学デバイスを通して後方に反射されるとき、デバイスを通したその前方通過においてビームが被った偏光変化は、ビームの偏光状態および偏光交互光学デバイスの構成に応じて、元に戻されてもよい。可変光学リターダは、少なくとも、ビームが直線偏光である場合、可逆偏光交互光学デバイスとして機能することができる。本発明の一実施形態では、第１および／または第２の光学デバイスは、可変光学リターダである。波長板は、光学リターダの実施例であり、回転可能波長板は、可変光学リターダの実施例である。直線偏光ビームを、例えば、半波長板に印加すると、直線偏光ビームとして現れるが、その偏光（平面）は、入射ビームの偏光（平面）に対して回転される。したがって、ＰＢＳと併用されると、出力ビームは、対応して、波長板を回転させることによって、２つの異なる方向に指向され得る。
【００２６】
可変光学リターダの別の実施例は、液晶分子の溶液で充填された透明セルから成る、液晶可変光学リターダである。セル壁の２つの平行面は、電圧が、セルにわたって印加され得るように、透明伝導性フィルムでコーティングされる。液晶分子の配向は、印加された電圧の不在下、整合層によって判定される。ＡＣ電圧が印加されると、分子は、電圧の印加されたｒｍｓ値に基づいて、そのデフォルト配向から変化するであろう。故に、光の直線偏光ビーム内の位相オフセットが、印加される電圧を変動させることによって能動的に制御されることができる、すなわち、印加される電圧を変動させることによって、入射直線偏光ビームの偏光は、制御可能に回転されることができる。本可変光学リターダの主要利点は、可動部品がないことである。したがって、本発明のさらなる実施形態では、第１および／または第２の光学デバイスは、可動部品を伴わずに、出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合される。好ましくは、第１および／または第２の光学デバイスは、好ましくは、所定の周波数を伴う偏光の２つの具体的状態間で、出力ビームの偏光を制御可能に交互させるために適合される。可変光学リターダはまた、光ファイバ内に統合されてもよく、本ファイバを通して伝搬する直線偏光ビームにおける位相オフセットは、例えば、光ファイバと接触する圧電要素によって制御されることができる。そのような溶液の利点は、ＬＩＤＡＲシステムの光学経路のより大きな部分が、光ファイバの内側で伝搬し続けることができることである。
【００２７】
該周波数は、約１Ｈｚ、例えば、０．０１Ｈｚ〜１ｋＨｚ、例えば、０．０１Ｈｚ〜０．１Ｈｚ、例えば、０．１Ｈｚ〜０．２Ｈｚ、例えば、０．２Ｈｚ〜０．３Ｈｚ、例えば、０．３Ｈｚ〜０．４Ｈｚ、例えば、０．４Ｈｚ〜０．５Ｈｚ、例えば、０．５Ｈｚ〜０．６Ｈｚ、例えば、０．６Ｈｚ〜０．７Ｈｚ、例えば、０．７Ｈｚ〜０．８Ｈｚ、例えば、０．８Ｈｚ〜０．９Ｈｚ、例えば、０．９Ｈｚ〜１Ｈｚ、例えば、１Ｈｚ〜１．５Ｈｚ、例えば、１．５Ｈｚ〜２Ｈｚ、例えば、２Ｈｚ〜３Ｈｚ、例えば、３Ｈｚ〜４Ｈｚ、例えば、４Ｈｚ〜５Ｈｚ、例えば、５Ｈｚ〜６Ｈｚ、例えば、６Ｈｚ〜７Ｈｚ、例えば、７Ｈｚ〜８Ｈｚ、例えば、８Ｈｚ〜９Ｈｚ、例えば、９Ｈｚ〜１０Ｈｚ、例えば、１０Ｈｚ〜１５Ｈｚ、例えば、１５Ｈｚ〜３０Ｈｚ、例えば、３０Ｈｚ〜６０Ｈｚ、例えば、６０Ｈｚ〜１００Ｈｚ、例えば、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚであってもよい。
【００２８】
本発明の一実施形態では、第１の光学デバイスと第１の偏光ビームスプリッタとの間の光学接続は、少なくとも部分的に、偏光維持光学導波路によって提供される。さらなる実施形態では、第１の光学デバイスと第１の偏光ビームスプリッタとの間の光学接続は、少なくとも部分的に、光ファイバ、好ましくは、偏光維持光ファイバ、例えば、ＰａｎｄａタイプＰＭファイバによって提供される。可能性として考えられる第２、第３等の光学デバイスと第２、第３等のＰＢＳとの間の接続の場合も同様である。ＬＩＤＡＲシステムはさらに、出力ビームの偏光を偏光維持光学導波路／ファイバの伝搬方向に整合させるための手段を備えてもよい。
【００２９】
本発明の一実施形態では、ビーム発生区画はさらに、光学経路内に位置する、１つ以上の偏光子、好ましくは、吸収型偏光子、例えば、１つ以上の直線偏光子、例えば、１つ以上の４５度直線偏光子を備える。これは、光学経路内の任意の望ましくない偏光状態が吸収されることを確実にするのに役立ち得る。
【００３０】
本発明の一実施形態では、ビーム発生区画はさらに、それを通して、出力ビームおよび受射された放射が、反対方向に伝搬する、非可逆光学要素であって、出力ビームおよび受射された放射の偏光を回転させるために適合される、非可逆光学要素を備える。そのような非可逆光学要素の実施例は、ファラデー効果によって、光の偏光を回転させる、ファラデー回転子である。偏光されたビームを同一のファラデー媒体を通して後方反射させることは、媒体を通したその前方通過においてビームが被った偏光変化を元に戻すことにならない。非可逆光学要素は、好ましくは、出力ビームの偏光および受射された放射の偏光が、非可逆光学要素の片側において、相互に実質的に垂直であり、かつ非可逆光学要素の反対側において、相互に実質的に平行であるように構成される。非可逆光学要素のさらなる利点は、迷光の十分な抑制を可能にし、光源として制限されたコヒーレンス時間を伴う、低コスト半導体レーザの使用を可能にすることである。非可逆光学要素はさらに、出力ビームが該非可逆光学要素を通して伝搬すると、出力ビームの偏光を約４５度回転させるように適合されてもよい。同様に、非可逆光学要素は、受射された放射が該非可逆光学要素を通して伝搬すると、受射された放射の偏光を約４５度回転させるように適合されてもよい。さらに、非可逆光学要素は、参照ビームが該非可逆光学要素を通して伝搬すると、参照ビームの偏光を約４５度回転させるように適合されてもよい。例えば、ファラデー回転子の形態において、非可逆光学要素を有する利点は、ＬＩＤＡＲの大部分が、単一光学軸に沿って伝搬されることが可能にされ得ることである。
【００３１】
本発明の一実施形態では、ビーム発生区画は、コスト効果的解決策であり得る、コヒーレント光源、例えば、コヒーレントレーザ、例えば、半導体レーザ、例えば、統合された半導体レーザアセンブリを備える。好ましくは、ビーム発生区画は、コリメートされた直線偏光出力を送達するコヒーレント光源を備える。
【００３２】
測定体積からの後方散乱信号のドップラーシフトの測定は、粒子の速度の判定のために使用されることができる。したがって、本発明のさらなる実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムはさらに、信号プロセッサを備えてもよい。信号プロセッサは、検出器信号に基づいて、粒子の速度に対応する速度信号を発生させるために適合されてもよい。信号プロセッサはさらに、風速、測定体積内の乱れ、測定体積内の温度、および／または測定体積内の粒子濃度の判定のために構成されてもよい。後方散乱されたドップラーシフト信号の振幅は、測定体積内の粒子の濃度の判定のために使用されてもよい。したがって、信号プロセッサはさらに、検出器信号に基づいて、測定体積内の粒子の濃度に対応する濃度信号を発生させるために構成されてもよい。
【００３３】
粒子流の不在下、すなわち、速度は、ゼロまたは非常に遅い状況下では、ドップラー周波数は、ゼロとなり、振幅は、検出プロセスから生じる他のＤＣ信号のため、抽出が困難となるであろう。これを克服するための方法の１つは、出力ビームおよび／または参照ビームを周波数シフトさせるために、システム内に周波数シフト要素、例えば、音響光学変調器を含むことであり得る。それによって、周波数バイアスが、周波数シフト要素によって誘発された周波数シフトに対応する、受信される信号に追加されてもよい。
【００３４】
検出器によって出力される検出器信号は、例えば、参照ビームと、測定体積内の標的の移動によって発生されるドップラーシフトに対応する、標的から放出される光との間の周波数差を含有し得る。風速測定の場合、例えば、空気中に懸濁するエアロゾルおよびその後の風の動きに基づいて、乱れ情報が、抽出されることができる。
【００３５】
測定体積内に常駐する媒体が、ガスである場合は、レイリー散乱が、プローブされることができる。レイリー散乱は、励起光ビームとガスの分子との間の弾性相互作用から生じる。その場合、ドップラースペクトルの幅は、ガスの温度に対応する。したがって、ガスの温度が、長距離で測定され得る。エアロゾルからの後方散乱信号と比較して、レイリー散乱信号は、通常、数桁小さく、具体的ガス成分および励起波長に大きく依存することに留意されたい（レイリー散乱は、マイナス４の累乗に対する波長の関数である）。着目する特殊ガス成分は、酸素、窒素、二酸化炭素、およびＮＯｘガスであり得る。
【００３６】
前述のように、本発明のさらなる側面は、ＬＩＤＡＲシステムであって、それを通して、出力ビームが伝送される、窓を収容する、ビーム操向区画と光学接続する、ビーム発生区画を備え、ビーム発生区画は、少なくとも１つの光学導波路を通してビーム操向区画に伝送される、加熱光源の光学出力の少なくとも一部を用いる、少なくとも１つの加熱光源を収容し、該少なくとも１つの加熱光源は、該窓を加熱するように適合される、システムに関する。
【００３７】
好ましくは、該少なくとも１つの加熱光源は、窓内において、加熱光源の光学出力の電磁エネルギーを熱エネルギーに変換することによって、該窓を加熱するように適合される。例えば、該少なくとも１つの加熱光源は、熱源として光学電力のみを使用して、窓の少なくとも一部の凝縮を回避するように適合されてもよい（すなわち、曇り防止システム）。好ましくは、光学導波路は、１つ以上の光学ファイバを備える。出力ビームの波長は、好ましくは、加熱光源の波長と異なる。ＬＩＤＡＲシステムは、典型的には、ある波長間隔において動作し、それに敏感である、検出器を提供される。したがって、好ましくは、加熱光源の波長は、ＬＩＤＡＲシステムの検出波長間隔と異なる。例えば、ＩｎＧａＡｓ系検出器は、波長間隔約８００−１７００ｎｍに敏感であり、加熱光源の波長は、したがって、眼の安全性が問題とならない、本範囲外、例えば、１７００ｎｍを上回るように選択されるべきである。加熱光源の波長はさらに、ガラス中の典型的不純物の吸収スペクトル、例えば、ＯＨ吸収の範囲内であるように選択されてもよい。
【００３８】
窓は、「通常」の光学透明窓であってもよく、またはＬＩＤＡＲシステム内のレンズ、例えば、出力ビームを集束させるために適合されるレンズであってもよい。窓は、好ましくは、楕円形、例えば、円形である。窓は、好ましくは、第１および第２の表面を提供される。窓の一方または両方の表面は、反射防止コーティングを提供されてもよい。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態では、加熱光源からの光は、窓の２つの表面間で結合される。加熱光源からの光は、次いで、窓の２つの表面間の全内部反射を用いて、窓の内側を伝搬することができる。本伝搬の際、光学電力は、例えば、窓内の不純物による吸収のため、少なくとも部分的に、窓内において、熱に変換される。ガラスが、高光学品質である場合、不純物の存在は、低くあり得るが、光が、全表面からの内部反射によって、窓の内側を伝搬するため、光は、容易に出射せず、ビーム経路が比較的に長くなることを確実にし、それによって、ある程度の光の吸収を確実にする。窓材料はさらに、加熱光源からの光を吸収する１つ以上の元素でドープされ、窓内で消散される熱への光学電力の変換を増加させてもよい。
【００４０】
加熱光源からの光は、屈折要素、例えば、結合ファセット、プリズム、または光導体を用いて、窓の２つの表面間で結合されてもよい。屈折要素は、好ましくは、光が、より広い出射角にわたって、窓内に分散されるように、凹面である。光が窓の円周方向境界を通して出射しないように防止するために、本境界は、金属および／または反射コーティングを提供されてもよい。円周方向境界はまた、ある種のリムを提供されてもよく、リムの内側は、反射性であり、例えば、金属封入リム、可能性として、コーティングされたリムである。したがって、光は、窓内に後方反射されることができ、熱は、境界／リム内で消散され、それによって、窓を加熱するのに役立ち得る。
【００４１】
ビーム発生区画は、ビーム操向区画から物理的に分離されてもよい。さらに、ビーム発生区画は、ビーム操向区画から電気的に分離されてもよい。さらに、ビーム操向区画は、電気的に中性であってもよい。本発明の本側面はさらに、本明細書に記載のＬＩＤＡＲシステム特徴のいずれかを備えてもよい。
【００４２】
図面の詳細な説明
図１は、ファラデー回転子３の形態の非可逆要素を伴う、本発明による、単指向性ＬＩＤＡＲシステムを図式的に図示する。半導体レーザアセンブリ１は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２を通して完全に伝送される、直線偏光出力ビームを提供する。ファラデー回転子３は、出力ビームの偏光を約４５度回転させる。部分的に、反射鏡４は、ある割合の出力ビームを後方反射させるようにコーティングされる。後方反射ビーム、すなわち、参照ビームは、ファラデー回転子を通して後方に、すなわち、出力の反対方向に伝送される。参照の偏光は、ここで、ファラデー回転子の非可逆伝搬特性のため、ファラデー回転子によって、さらに４５度回転される。結果として、初期ＰＢＳ２に入射するときの参照ビームの偏光は、出力ビームの偏光に垂直であり、参照ビームは、したがって、ＰＢＳ２の表面によって完全に反射される。参照ビームは、レンズ８によって、検出器９上に集束される。
【００４３】
レーザ光学出力、すなわち、出力ビームの大部分は、参照窓４を通して、線形偏光された光として伝送され、集束レンズ５を用いて、偏光維持光ファイバ６に集束される。出力ビームは、次いで、望遠鏡レンズ７を用いて、測定体積（図示せず）上に集束される。望遠鏡の焦点距離は、システムの測定距離を設定する。測定体積内の粒子またはエアロゾルは、速度成分を伝送される出力ビームの伝搬経路に沿って指向させる。測定体積からの後方散乱およびドップラーシフト信号ビームは、送信機部品内でも使用される、同一のレンズ７によって受射され、光ファイバ６、レンズ５、および参照窓４を通して、後方伝送される。受射された放射の偏光は、全体を通して保存されているが、ファラデー回転子３を通して伝搬するとき、受射された放射の偏光は、さらに４５度回転される。受射された放射の偏光は、参照ビームの偏光と整合される。初期偏光ビームスプリッタ３は、次いで、受射された放射を完全に反射させ、精密に整合させ、集束レンズ８を通して、参照ビームを追従させ、両ビームを検出器９上に集束させる。検出器の表面は、若干、傾斜され、システムの光学経路内を後方伝搬するいかなる後方反射も回避してもよい。
【００４４】
受射された放射および参照ビームは、検出器表面上に時変光学干渉信号を形成し、これは、検出器における検出プロセスとともに、受射された放射のドップラー周波数のホモダイン検出を形成する。検出手段は、光学信号を電気ドップラー信号に変換する。検出器９からの電気ドップラー信号は、さらに増幅され、信号プロセッサ（図示せず）によってフーリエ分析されることができる。
【００４５】
単一半導体レーザのみ、ドップラー信号を検出するために必要とされる十分な光学電力を発生させるために必要である。ＰＢＳ２およびファラデー回転子６の組み合わせは、ビームダイレクタとして作用し、参照ビームおよび受射された放射からの全光学電力を検出器９に向かって指向させる。また、偏光ビームスプリッタ２およびファラデー回転子４の同一の組み合わせは、光学アイソレータとして作用し、いかなる戻り光学電力もレーザ１に向かって伝搬しないように防止する。
【００４６】
図２は、光学経路内のいかなる望ましくない偏光状態も吸収されることを確実にするために、付加的直線偏光子１０を伴う、図１の設定に対応する。直線偏光子は、ある方向に伝搬する出力ビームおよび反対方向に伝搬する受射された放射および参照ビームから、望ましくない偏光状態を除去するであろうことに留意されたい。図２では、直線偏光子は、ファラデー回転子と鏡４との間の光学経路内に位置するが、光学経路内の任意の場所内に位置してもよく、いくつかの直線偏光子は、光学経路内に置かれてもよい。図２では、直線偏光子は、ファラデー回転子が出力ビームの偏光を約４５度回転させたことを図示するために、約４５度に配向されたワイヤグリッドとともに図示される。
【００４７】
図３は、本発明による、多指向性ＬＩＤＡＲシステムの斜視図を示す。図２に図示されるシステムと比較して、可変光学リターダ１１、ＰＢＳ１２、および付加的レンズ７’は、光学経路内に挿入されている。光学リターダ１１は、出力ビームの偏光が波長板の角度に対して回転される、回転可能波長板、または電圧がリターダにわたって印加されると、出力ビームの偏光が回転される、液晶系光学リターダであってもよい。ＰＢＳ１２と併用されると、可変光学リターダは、出力ビームが、ＰＢＳ１２およびレンズ７を通して伝送されるか、またはＰＢＳ上に反射され、レンズ７’を通して持続するかを選択することができる。したがって、ＬＩＤＡＲシステムは、可変光学リターダ１１を経由して、光の偏光を制御することによって、出力ビームを２つの方向に指向させている。
【００４８】
本原理は、図４に図示されるように、一般化されることができる。付加的ＰＢＳ１３および付加的可変光学リターダ１１’を光学経路内に挿入することによって、出力ビームのより多くの方向が、選択されることができる。第１の可変光学リターダ１１は、出力ビームが、
１）ＰＢＳ１３を通り、レンズ５を通り、ＰＭ光ファイバ６内に伝搬し、ＰＢＳ１２に反射し、かつ出力ビームの第１の方向である、レンズ７を通して持続するか、
または出力ビームが、
２）ＰＢＳ１３から、第２の可変光学リターダ１１’を通して反射される、
ように、２つの状態間で偏光を切り替える。
【００４９】
本第２の可変光学リターダ１１’は、再び、２つの状態間で偏光を切り替え、第２のＰＢＳ１２’と併せて、レンズ７’を通る出力ビームの第２の方向およびレンズ７’’を通る出力ビームの第３の方向を選択することができる。出力ビームの第４の方向は、第３の可変光学リターダをＰＢＳ１３とレンズ５との間に置き、ＰＢＳ１２と協働することによって提供されることができる。付加的レンズ７’’’（図示せず）もまた、必要とされるであろう。
【００５０】
図５は、偏光の状態が示される、図３における設定の「機能」図である。図５に示される偏光の軸は、例証的目的のために任意に選択され、すぐ右にも図示されるように、挿入された絵文字を介して図示される。出力ビームは、はっきりと描かれた線で図示される一方、参照ビームおよび受射された放射は、点線で図示される。ビームの伝搬方向は、矢印で示される。参照ビームと受射された放射を区別するために、参照ビームは、参照ビーム発生器４から反射される。
【化１】
2015517094.tif 000003
【００５１】
最初に、光源１から放出された出力ビームを辿る。出力ビームは、ここでは、絵文字を介して、水平平面において発振するように図示される、直線偏光光として、レーザ１から放出される。ＰＢＳ２を通して通過後、出力ビームの偏光は、水平平面において発振している。出力ビームが、ファラデー回転子３を通して伝搬すると、出力ビームの偏光は、対応する絵文字によって図示されるように、約４５度右に回転される。ファラデー回転子もまた、偏光を約４５度左に回転させるように適合され得る。直線偏光子１０および鏡４は、出力ビームの偏光を変化させない。可変光学リターダ１１は、絵文字によって図示されるように、２つの直交状態「１」と「２」との間で出力ビームの偏光を切り替える。ＰＭファイバ６は、偏光に影響を及ぼさずに、両状態「１」および「２」を伝送させる。「１」状態は、ＰＢＳ１２およびレンズ７を通して、出力ビームの第１の方向に伝送される。直交「２」状態は、ＰＢＳ１２から、レンズ７’を通して、出力ビームの第２の方向に反射される。
【００５２】
測定体積から受射される放射は、レンズ７、７’に隣接する絵文字に図示されるように、出力ビームと同一の偏光を有する。受射された放射は、光ファイバおよび可変光学リターダ１１を通して、後方伝搬する。リターダは、非可逆光学要素ではない。この場合、それぞれ、水平および垂直平面に発振している、受射された放射の２つの直交状態「１」および「２」は、４５度偏光状態に戻されるでろう。受射された放射が、非可逆ファラデー回転子を通して伝搬するとき、受射された放射の偏光は、さらに４５度回転され、それによって、対応する絵文字に図示されるように、垂直平面において発振するであろう。受射された放射は、したがって、初期ＰＢＳ２から、検出器内に反射されるであろう。
【００５３】
鏡４によって発生される参照ビームも同様である。本反射は、４５度偏光を維持する。参照ビームが、非可逆ファラデー回転子を通して伝搬するとき、参照ビームの偏光が、さらに４５度回転され、それによって、対応する絵文字に図示されるように、垂直平面において発振するであろう。参照ビームは、したがって、初期ＰＢＳ２から、検出器内に反射されるであろう。
【００５４】
図５から、ファラデー回転子の片側では、出力ビームの偏光、受射された放射、および参照ビームは、整合される一方、ファラデー回転子の反対側では、出力ビームの偏光は、受射された放射の偏光および参照ビームに垂直であることが分かる。
【００５５】
図面から、光ファイバ後では、構成要素は、単純に光学である一方、光ファイバ前には、電気的および／または機械的に駆動された構成要素、例えば、光源１、検出器９、ファラデー回転子３、および可変光学リターダ１１が存在することが分かる。したがって、本ＬＩＤＡＲシステムを風力タービン内に統合するとき、電気的および／または機械的に駆動された構成要素は、ナセルの内側に統合されることができる一方、単純光学構成要素、例えば、ＰＢＳおよびレンズ７、７’は、ナセルの外側、例えば、風力タービンの上部に位置することができる。ＬＩＤＡＲシステムの２つの区画間の光学接続は、１つ以上のＰＭ光ファイバを備える、耐候性光学ケーブルによって提供される。したがって、本発明は、低コスト可撓性ＬＩＤＡＲシステムを提供する。
【００５６】
いくつかの事例では、ＰＢＳを高度に収束または高度に発散するビーム内に置くことは、ＬＩＤＡＲの集束能力に不利であり得る。図７および８は、本問題に対処する実施例を示す。図７では、ＰＢＳ１２は、望遠鏡レンズ１２後に置かれる一方、図８では、ＰＢＳは、レンズ５の前に置かれる。図８における設定は、必然的に、付加的レンズ５’がレンズ７’と対合することを要求する。したがって、図７および８では、ＰＢＳ１２は、レンズ５および７（または、５’および７’）の伸縮自在構成間のビーム経路内に位置しない。図７および８は、ビーム経路内に光学ファイバを伴わない、本発明によるＬＩＤＡＲシステムの実施例を示すことに留意されたい。同様に、図５、７、および８はまた、光学軸に沿った偏光状態を示す、機能図を示す。
【００５７】
図５、７、および８から明白であるように、ファラデー回転子の形態における非可逆光学要素の採用は、ＬＩＤＡＲの大部分が、単一光学軸、すなわち、図５、７および８における偏光ビームスプリッタ２と１２との間の単一光学軸に沿って伝搬することを可能にする。
【００５８】
図６は、ＬＩＤＡＲシステムの出射窓の光学加熱、すなわち、本質的に、曇り防止および／または氷結防止システムに関する。加熱光源２１は、ファイバ２２からの光を、ＬＩＤＡＲシステムの通常窓またはレンズであり得る、窓２３に分散させる、屈折要素２４に接続された光ファイバケーブル２２に結合される。円形窓２３は、内側が反射性であるリム２６を提供される。加熱光源２１から生じる光は、次いで、例えば、ビーム経路２７によって実施例として示される、２つの窓表面間の全内部反射を用いて、窓２３の内側を伝搬する、または光は、例えば、ビーム経路２８によって示されるように、直接、窓を通して伝搬し、リム２８の内側に反射され得る。加熱光源２１からの光が、窓２３の内側を伝搬するとき、光は、窓２１内に徐々に吸収される。吸収された光の一部は、窓２３内に熱として消散される。全内部反射およびリムにおける反射によって、窓２３に入射する光は、最終的に、吸収のため消失するまで、長い有効経路を進行し、したがって、窓内の熱への光中の光学エネルギーの効果的変換を確実にするであろう。光ファイバを使用することによって、ある種の電力を要求する光源２１は、窓２３から物理的に分離されることができる。したがって、窓２３の加熱および曇り防止／氷結防止は、電力が利用不可能または非好適である場所、例えば、風力タービンのナセルの上部にも提供されることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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