Sistema LIDAR coherente basado en láser y amplificador semiconductor.

Un sistema LIDAR coherente monoestático que comprende:

- un conjunto de láser semiconductor integrado configurado para emisión de un haz de medición de radiación electromagnética dirigido hacia un volumen de medición para iluminación de partículas en el volumen de medición,

- un generador de haz de referencia para generación de un haz de referencia,

- un detector para generación de una señal de detector mediante la mezcla del haz de referencia con la luz emitida desde las partículas en el volumen de medición iluminado por el haz de medición y

- un procesador de señal para generar una señal de velocidad que corresponde a la velocidad de las partículas en base a la señal del detector

en donde el conjunto de láser semiconductor integrado es un amplificador de potencia de oscilador maestro (MOPA) que tiene un láser semiconductor y un amplificador semiconductor cónico integrados en el mismo sustrato o el conjunto de láser semiconductor integrado es un láser semiconductor cónico.

Sistema LIDAR coherente basado en láser y amplificador semiconductor La presente invención se refiere a un sistema LIDAR (Detección Y Oscilación de Luz) coherente compacto, fiable y de bajo coste para la determinación remota de la velocidad del viento, detección de la concentración de partículas y/o temperatura basado en una fuente de luz todo semiconductor y métodos relacionados.

Un sistema LIDAR coherente es un sistema atractivo para la determinación de la velocidad del viento de línea de vista en ubicaciones remotas. El principio básico se refiere al desplazamiento Doppler que la luz retrodispersada a partir de aerosoles genera cuando se irradia por luz de láser coherente. Bajo la suposición de que los movimientos de aerosoles se parecen estrechamente al flujo de aire, se puede usar la frecuencia Doppler medida para el cálculo de una velocidad del viento proporcional a esta.

No solamente los aerosoles, tales como gotitas de agua, polvo, etc., pueden proporcionar la señal retrodispersada desplazada Doppler, sino también partículas únicas.

Una LIDAR coherente de onda continua (CW) depende de las propiedades de enfoque del láser para confinar el volumen de sonda real. La anchura del volumen de sonda se confina por el diámetro del haz láser en la región enfocada (es decir, la región confocal) . La longitud del volumen de sonda a lo largo del eje del haz está confinada aproximadamente por la longitud de Rayleigh del haz de láser enfocado. Para una LIDAR de CW enfocada a una distancia de cien metros del sistema LIDAR de CW, la anchura del volumen de sonda es típicamente del orden de un centímetro y la longitud del volumen de sonda es del orden de diez metros dependiendo de la longitud de onda y la óptica de enfoque (el telescopio) . Para sistemas pulsados la anchura del volumen de sonda es la misma que para el caso LIDAR de CW, pero la longitud del volumen de sonda se da por la longitud espacial del pulso emitido.

Los principios básicos de la LIDAR coherente se fechan más de 35 años atrás, véase "Signal-to-Noise Relationships for Coaxial Systems that Heterodyne Backscatter from the Atmosphere", Applied Optics, Vol. 10, Nº 7, julio de 1971, C.M. Sonnenschein y F.A. Horrigan. Las aplicaciones han sido tradicionalmente de interés científico, por ejemplo dentro de la física de la atmósfera. No obstante, hoy en día la LIDAR ha llegado a ser más y más relevante para aplicaciones industriales prácticas. Un ejemplo tal es para el control de turbinas eólicas. La necesidad de mayor eficiencia ha forzado a la industria de turbinas eólicas a aumentar continuamente la envergadura de la aleta durante las últimas décadas a fin de mejorar el rendimiento en términos de energía eléctrica extraída por turbina eólica instalada. No obstante un aumento de la envergadura de la aleta conduce a una carga mecánica sustancial impuesta por vientos fuertes y por las turbulencias del viento en particular. Un dispositivo LIDAR coherente compacto, robusto y barato, para predicción de la velocidad del viento decenas de metros contra el viento permitirá una optimización y protección de la turbina eólica. El retardo de tiempo entre la medición de la velocidad del viento real y el tiempo donde el viento real alcanzó la turbina eólica se puede usar para proteger la carga de las aletas, por ejemplo cambiando el paso de la aleta. Otro ejemplo es la detección del vórtice generado por el aterrizaje de aeronaves. La frecuencia de aterrizaje (o despegue) de aeronaves está determinada en primer lugar por un margen de seguridad para asegurar ningún peligro de vórtices generados por la aeronave previa. Usar un LIDAR coherente para vigilancia de vórtice permite minimizar este periodo de seguridad, aumentando de este modo la intensidad de tráfico y por ello la capacidad del aeropuerto.

Factores prohibitivos para un uso generalizado de LIDAR son el coste, el consumo de potencia, el tamaño y la robustez. Los sistemas LIDAR disponibles comercialmente de hoy en día cuestan aproximadamente 200 K dólares de EE.UU., un nivel de precio que excluye que muchas aplicaciones sean explotadas. El uso de sistemas LIDAR en lugares remotos, tales como parques de turbinas eólicas mar adentro requiere una operación con poco o sin mantenimiento durante largos periodos de tiempo así como menor consumo de potencia.

"Single-Particle laser Doppler anemometr y at 1.55 m", Applied Optics, Vol. 40, Nº 6, de Michael Harris, Guy N. Pearson et al. describe un sistema LIDAR de CW para mediciones de la velocidad del viento. El componente de velocidad de línea de vista se determina por la medición del desplazamiento de frecuencia de la luz dispersada a partir de pequeñas películas en la atmósfera que se suponen que son barridas a lo largo a la misma velocidad que el viento. El desplazamiento de frecuencia se mide convenientemente por detección heterodina en la que la luz retrodispersada recibida se mezcla con un haz de oscilador local de referencia. La velocidad del viento entonces se infiere a partir de la frecuencia de batido resultante. El láser comprende una fuente de láser semiconductor que opera a una longitud de onda de 1, 55 m que se amplifica a alrededor de 1 Vatio por un amplificador de potencia de fibra dopada con Erbio en una configuración de amplificador de potencia de oscilador maestro (MOPA) . El oscilador maestro es un láser de In/P de cavidad extendida y su anchura de línea se midió para ser de alrededor de 20 KHz por el método auto heterodino retardado.

También existe un producto LIDAR coherente de CW comercial en el mercado [Quinetic]. Este sistema usa un oscilador de anillo de fibra bombeado por diodo seguido por un amplificador de fibra dopada con Erbio bombeado por diodo para obtener un haz adecuado a 1, 55 m.

Aunque el término detección heterodina se usa a menudo en conexión con interferometría óptica, el término detección homodina se usa en toda la presente descripción para indicar que el haz de referencia (el oscilador local)

se deriva a partir de la misma fuente que el haz de señal antes del proceso de modulación, es decir, la dispersión por el objetivo.

Por lo tanto, hay una necesidad de sistemas LIDAR coherentes baratos y robustos que abran nuevas aplicaciones industriales como se trató anteriormente.

El componente más caro y complicado en un sistema LIDAR coherente hoy en día es el conjunto de láser. Debido a un coeficiente de retrodispersión extremadamente bajo de los aerosoles (~10-12) se requiere un esquema de detección refinado que depende en gran medida de recursos de luz coherentes, de alta calidad, de alta potencia. La potencia de salida de CW del conjunto de láser debería ser del orden de 1 Vatio a fin de obtener suficiente luz retrodispersada a ser detectada. La técnica de detección homodina requiere en primer lugar que la longitud de coherencia de la fuente de luz sea esencialmente dos veces la distancia al volumen de la sonda, por ejemplo 200 metros para aplicaciones de turbina eólica típicas. Esta corresponde a una mínima mitad de anchura completa (FWHM) del espectro del láser de solamente unos pocos 100 kHz respecto a una frecuencia central de alrededor de 200 THz. En segundo lugar, la coherencia espacial del haz láser debería estar cerca de la de un haz gaussiano ideal, para asegurar la generación de una señal de batido máxima desde el detector cuadrático. La señal de batido se refiere a la diferencia de frecuencia entre la señal de referencia y la señal retrodispersada - y desplazada Doppler. Finalmente, el ruido de intensidad relativa (RIN) del láser debería ser menor que la señal de batido en el detector. Todas estas cualidades normalmente se encuentran solamente en láseres caros, voluminosos en CO2 como por ejemplo se describe en "Coherent Doppler Lidar for Measurements of Wind Fields", Actas del IEEE, Vol. 77, Nº 3, MARZO de 1989, Robert T. Menzies and R. Michael Hardety o, en Osciladores Maestros seguidos por un Amplificador de Potencia (MOPA) . Típicamente, el oscilador maestro es un láser de fibra o diodo láser en una configuración de cavidad externa y el amplificador de potencia es una fibra dopada con Erbio bombeada con un módulo de bomba de diodo de alta potencia. El sistema MOPA es complicado usando ópticas caras, voluminosas y desintegradas. Otro sensor de viento Doppler láser que comprende un MOPA es conocido a partir de HARRIS M ET AL.: "CONTINUOUS-WAVE BISTATIC LASER DOPPLER WIND SENSOR", APPLIED OPTICS, OSA, SOCIEDAD ÓPTICA DE AMÉRICA, WASHINGTON, DC, vol. 40, nº 9, 20 de marzo de 2001 (20-03-2001) , páginas 1501-1506, XP001066006, ISSN: 0003-6935.

Por lo tanto, hay una necesidad de un sistema LIDAR coherente que se puede basar en un conjunto de láser semiconductor barato, robusto, integrado.

Según... [Seguir leyendo]

1. Un sistema LIDAR coherente monoestático que comprende:

- un conjunto de láser semiconductor integrado configurado para emisión de un haz de medición de radiación electromagnética dirigido hacia un volumen de medición para iluminación de partículas en el volumen de medición, -un generador de haz de referencia para generación de un haz de referencia, -un detector para generación de una señal de detector mediante la mezcla del haz de referencia con la luz emitida desde las partículas en el volumen de medición iluminado por el haz de medición y -un procesador de señal para generar una señal de velocidad que corresponde a la velocidad de las partículas en base a la señal del detector en donde el conjunto de láser semiconductor integrado es un amplificador de potencia de oscilador maestro (MOPA) que tiene un láser semiconductor y un amplificador semiconductor cónico integrados en el mismo sustrato o el conjunto de láser semiconductor integrado es un láser semiconductor cónico.

2. Un sistema LIDAR coherente monoestático según la reivindicación 1, en donde el procesador de señal está configurado además para determinación de la velocidad del viento.

3. Un sistema LIDAR coherente monoestático según la reivindicación 1 o 2, en donde el procesador de señal está configurado además para determinación de turbulencias en el volumen de medición.

4. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el procesador de señal está configurado además para determinación de la temperatura en el volumen de medición.

5. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el procesador de señal está configurado para generar una señal de concentración que corresponde a la concentración de las partículas en el volumen de medición en base a la señal del detector.

6. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el procesador de señal está configurado para determinación de la concentración de partículas en el volumen de medición.

7. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende una fibra óptica para transmisión del haz de medición entre el conjunto de láser semiconductor integrado y una salida óptica del sistema LIDAR.

8. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el generador de haz de referencia es un divisor de haz para dividir el haz emitido por el conjunto de láser semiconductor integrado en el haz de referencia y el haz de medición dirigido hacia el volumen de medición.

9. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, en donde el generador de haz de referencia es el conjunto de láser semiconductor integrado que está configurado para emitir el haz de referencia y el haz de medición.

10. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende un filtro espacial para filtrar el haz de referencia reduciendo por ello los componentes espaciales no gaussianos del haz de referencia.

11. Un sistema LIDAR coherente monoestático según la reivindicación 10, que además comprende una lente de Fourier colocada en el trayecto de propagación del haz de referencia y en donde el filtro espacial está colocado en el plano de Fourier de la lente de Fourier para reducción de los componentes espaciales no gaussianos del haz de referencia.

12. Un sistema LIDAR coherente monoestático según la reivindicación 10 u 11, en donde el filtro espacial comprende una apertura, el tamaño de la cual se hace coincidir con el tamaño del detector.

13. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que además comprende un combinador de haz para combinar el haz de referencia con la luz emitida desde el objetivo.

14. Un sistema LIDAR coherente monoestático según la reivindicación 13, en donde el haz de medición está polarizado p y el divisor de haz y el combinador de haz es una unidad que comprende

- una ventana de Brewster que está recubierta para transmitir luz polarizada p a partir del conjunto de láser semiconductor integrado y para reflejar la luz polarizada s, -una placa óptica birrefringente de cuarto de onda para conversión de la luz polarizada p en luz polarizada circular 9 5

para formar el haz de medición y conversión de luz polarizada circular a partir de las partículas en luz polarizada s para reflexión por la ventana de Brewster, en donde el divisor de haz comprende un reflector para reflexión de una parte del haz de medición para formar el haz de referencia y para dirección del haz de referencia de vuelta a través de la placa de cuarto de onda para reflexión hacia el detector.

15. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el conjunto de láser semiconductor integrado se opera en respuesta a una señal desde el detector para optimización de la salida del láser.

16. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un dispositivo de limpieza de haz con una fibra monomodo que forma el haz de medición.

17. Un sistema LIDAR coherente monoestático según la reivindicación 20, en donde el dispositivo de limpieza de haz comprende una lente de enfoque, un orificio y una lente de colimación.

18. Un sistema LIDAR coherente monoestático según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un elemento de desplazamiento de frecuencia para el desplazamiento de frecuencia del haz de medición

o el haz de referencia.

19. Una turbina eólica que comprende un sistema LIDAR coherente según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

20. Un barco de vela que comprende un sistema LIDAR coherente según cualquiera de las reivindicaciones 1 -19.

21. Un método para la determinación de la velocidad de partículas basada en luz dispersada por partículas, que comprende los pasos de

- emitir un haz de medición de radiación electromagnética y transmitir el haz a través de una óptica de formación de imágenes hacia un volumen de medición para iluminación de partículas en el volumen de medición, -generar un haz de referencia, -mezclar el haz de referencia con luz retrodispersada emitida desde las partículas en el volumen de medición iluminado por el haz de medición para generación de una señal de velocidad que corresponde a la velocidad de las partículas, la luz retrodispersada recibida a través de la misma óptica de formación de imágenes que transmiten el haz de medición, en donde el paso de emisión de un haz de medición comprende una provisión de un conjunto de láser semiconductor integrado que comprende un amplificador o láser semiconductor cónico o un láser semiconductor y un amplificador semiconductor cónico integrado en el mismo sustrato para la emisión del haz de medición.

22. Un método según la reivindicación 21, en donde el paso de generar un haz de referencia, comprende el paso de dividir el haz emitido por el láser semiconductor en el haz de referencia y el haz de medición dirigido hacia el volumen de medición.

23. Un método según cualquiera de las reivindicacione.

2. 22, que además comprende el paso de mezclar el haz de referencia con luz emitida a partir de las partículas en el volumen de medición iluminadas por el haz de medición para generación de una señal de temperatura que corresponde a la temperatura en el volumen de medición.

24. Un método según cualquiera de las reivindicacione.

2. 23, que además comprende el paso de mezclar el haz de referencia con luz emitida a partir de las partículas en el volumen de medición iluminadas por el haz de medición para generación de una señal de concentración que corresponde a la concentración de las partículas en el volumen de medición.

25. Un método según cualquiera de las reivindicacione.

2. 24, que además comprende el paso de filtrar espacialmente el haz de referencia reduciendo por ello los componentes espaciales no gaussianos del haz de referencia.

26. Un método según cualquiera de las reivindicacione.

2. 25, que además comprende el paso de realizar una limpieza del haz mediante la provisión de una fibra monomodo que forma el haz de medición.

27. Un método según cualquiera de las reivindicacione.

2. 26, que además comprende el paso de ajustar el paso de las palas de una turbina eólica en respuesta a la señal de velocidad determinada.

28. Un método según cualquiera de las reivindicacione.

2. 27, que además comprende el paso de equilibrar un barco de vela en respuesta a la señal de velocidad determinada.