СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА
METHOD OF LASER PROBING OF REMOTE OBJECT

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.
Известны способы лазерного зондирования удаленных объектов для получения информации об их дальности и других характеристиках. Известен способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта [1]. Этот способ позволяет, в частности, определять высоту летательного аппарата над подстилающей поверхностью, а при достаточно высокой частоте зондирований - снимать профиль подстилающей поверхности. Данный способ реализуется, например, лазерным высотомером-дальномером ДЛ-1 с помощью полупроводникового импульсного лазера [2]. Указанный прибор предназначен для измерения расстояния до естественных объектов и определения профиля подстилающей поверхности с высокой точностью и разрешающей способностью. Однако низкая мощность полупроводникового лазера не позволяет обеспечить дальность действия более 1000 м.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ лазерного зондирования удаленного объекта, включающий посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта [3]. Дальность лазерного зондирования при этом может достигать 20000 м и более.
Недостатком указанного способа является его практическая непригодность для регистрации формы отраженного объектом сигнала, которая может нести важную информацию о протяженности объекта вдоль трассы зондирования (так, при съемке профиля подстилающей поверхности форма отраженного сигнала характеризует высоту растительности). Этот недостаток вызывается двумя причинами. Первая из них - необходимость регистрации структуры принимаемого сигнала практически на протяжении всей трассы зондирования от прибора до зондируемого объекта или, в лучшем случае, на ограниченном отрезке трассы, на котором по априорным данным находится объект. Эта величина может достигать нескольких десятков и сотен метров, что требует большого объема памяти при регистрации сигнала. Вторая причина - необходимость осуществлять одновременное измерение дальности и регистрации формы сигнала. В этом случае электрические наводки, неизбежные в процессе измерения дальности, искажают принимаемый сигнал и не позволяют регистрировать его форму с достаточной точностью.
Задачей изобретения является одновременное определение с максимальной точностью пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры.
s
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе лазерного зондирования удаленного объекта, включающем посылку на объект лазерного импульса с помощью лазера в режиме модулированной добротности, регистрацию момента посылки Т1, прием отраженного удаленным объектом излучения, регистрацию момента приема Т2 и определение временного интервала Т=Т2-Т1, по которому судят о дальности до объекта, после момента Т2 посылают на объект второй лазерный импульс, регистрируют момент его посылки Т3, формируют временной интервал Т'=Т-ΔТ и, начиная с момента времени Т4=Т3+Т', регистрируют форму принимаемого сигнала в течение времени t=2r/c+ΔТ, где r - максимально возможная протяженность объекта вдоль трассы зондирования; с - скорость света; ΔТ=2Δr/с; Δr - протяженность отрезка трассы перед объектом, подлежащая анализу.
s
Для регистрации формы принимаемого сигнала в течение времени t можно регистрировать выборочные значения принимаемого сигнала с периодом выборки δt<2δr/с, где δr - минимально разрешаемый элемент зондируемого объекта.
изл
Для формирования первого и второго лазерных зондирующих импульсов можно подавать на лазер избыточную энергию накачки, обеспечивающую возможность излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и включать добротность дважды в течение одного цикла накачки с интервалом Т=Т3-Т1.
изл
макс
макс
При использовании лазера с пассивной модуляцией добротности накачку производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Т=2R/2, где R - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей.
На чертеже представлена временная диаграмма процесса зондирования.
s
s
В направлении объекта посылают первый лазерный зондирующий импульс 1, принимают первый отраженный объектом импульс 2, затем посылают второй зондирующий импульс 3 и принимают второй отраженный импульс 4. При превышении первым 1 и вторым 3 зондирующими импульсами порога 5 формируют соответственно первый 6 и второй 7 стартовые сигналы. При превышении первым отраженным импульсом 2 порога 8 формируют стоповый импульс 9. Регистрируют моменты формирования первого и второго стартовых сигналов Т1 и Т3 и момент формирования первого стопового сигнала Т2. Определяют интервал времени Т между моментами Т1 и Т2. Затем, начиная с момента Т3, формируют временной интервал Т' и по его окончании в момент времени Т4 регистрируют отрезок 10 реализации принятого сигнала длительностью t. Например, при определении структуры нижней границы облаков глубина подлежащей регистрации облачной структуры r=50 м, а протяженность подоблачного слоя, влияющего на результаты анализа, Δr=20 м. Тогда ΔТ=2Δr/с=133 нс, а величина исследуемого интервала t=2r/c+ΔТ=467 нс.
s
s
Сигнал на временном отрезке t можно представить последовательностью выборок с аналого-цифровым преобразованием каждой выборки. Например, при дискретности 10 нс для приведенного примера с величиной t=467 нс объем полученного массива данных составляет 47 выборок.
изл
изл
При реализации способа с помощью твердотельного импульсного лазера с модулированной добротностью возможно излучение двух зондирующих импульсов за один цикл накачки лазера. Для этого подают на лазерный излучатель энергию накачки, достаточную для излучения двух лазерных импульсов за один цикл накачки, и дважды включают добротность с интервалом Т=Т3-Т1. При использовании управляемых затворов (например, электрооптического затвора) управляющий сигнал на открывание затвора подают дважды с интервалом T.
изл
макс
макс
Возможно также излучение двух зондирующих импульсов за один цикл накачки при использовании лазера с фототропным затвором. Для этого накачку производят с такой интенсивностью, чтобы после самопроизвольного излучения первого лазерного импульса дальнейшая активизация лазера, достаточная для его повторного срабатывания, продолжалась не менее времени Т=2R/с, где R - верхнее значение диапазона измеряемых дальностей, а с - скорость света.
Данный способ позволяет максимально сократить длительность регистрируемой реализации принимаемого сигнала за счет синхронизации начала процесса регистрации с началом сигнала. Способ позволяет также начинать регистрацию сигнала с некоторым опережением ΔТ, необходимым, если представляет интерес характер возникновения и нарастания сигнала. Поскольку при повторном зондировании пороговая обработка принимаемого сигнала может не проводиться, процесс регистрации сигнала не сопровождается помехами, возникающими при пороговой обработке и формировании стопового импульса. Это повышает качество регистрации сигнала. Благодаря минимизации интервала дискретизации и точной его привязке к регистрируемому сигналу предельно упрощается регистрирующая аппаратура и необходимый объем памяти.
макс
изл
Использование для зондирования импульсного лазера с модулированной добротностью позволяет предельно сократить интервал между первым и вторым зондированиями, что повышает достоверность регистрации данных. Так при зондировании лесного массива с летательного аппарата при максимальной высоте полета R=3000 м интервал между излучениями может составлять Т=20 мкс. При скорости летательного аппарата 200 км/ч за это время он переместится на 1 мм, то есть результаты измерения дальности до объекта и регистрации его профиля получаются практически из одной точки. При одноимпульсном зондировании это было бы невозможно.
Предлагаемый способ лазерного зондирования удаленного объекта обеспечивает одновременное определение пространственной структуры зондируемого объекта и дальности до него при минимальном объеме аппаратуры и максимальной точности.
Источники информации
1. В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», М., 1973 г., с.189.
2. "Техномир" №1 (31), 2009 г., с.48.
3. В.А. Волохатюк, В.М. Кочетков, P.P. Красовский "Вопросы оптической локации" Изд. "Советское радио", М., 1971 г., с.177, 196 - прототип.