Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов  для дистанционного зондирования скорости ветра.
0
m
0
0
m
d
d
m
d
Описание полностью волоконного когерентного лидара непрерывного излучения дано в работе C. J. Karlsson, F. A. Olsson, D. Letalick, and M. Harris, “All-fiber multifunction continuous-wave coherent laser radar at 1.55 μm for range, speed, vibration, and wind measurements”, Appl. Opt. 39(21), 3716–3726 (2000). Этот лидар не является импульсным, поэтому непрерывный зондирующий пучок фокусируется на заданную дистанцию, на которой определяется скорость ветра. Затем пучок должен быть перефокусирован на другую дистанцию и процедура зондирования повторяется. Недостатком данного устройства является его низкая оперативность и невысокое пространственное разрешение, которое по мере удаления от лидара становится хуже. Наиболее близким к заявленному устройству является схема импульсного когерентного лидара, описанная в статье S. Kameyama, T. Ando, K. Asaka, Y. Hirano, and S. Wadaka “Compact all-fiber pulsed coherent Doppler lidar system for wind sensing”, Applied Optics, 46, 1953-1962 (2007), которая содержит источник непрерывного лазерного излучения на частоте ω, акустооптический модулятор (АОМ) на частоте ω, эрбиевый волоконный усилитель (ЭВУ), циркулятор, приёмо-передающий телескоп и балансный фотоприёмник. На приёмнике смешивается излучением лазера на частоте ω с излучением пришедшего из атмосферы эхосигнала на частоте ω + ω + ω , где ω – доплеровский сдвиг частоты при наличии радиальной составляющей скорости ветра. На выходе фотодетектора получается радиочастотный сигнал с частотой ω + ω , который затем оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и далее обрабатывается в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Недостатком данного устройства является присутствие маскирующего сигнала на частоте модуляции, который обусловлен отражением от элементов приемопередающего тракта, индуктивных и кондуктивных электромагнитных помех. Интенсивность маскирующего сигнала сравнима с интенсивностью полезного сигнала и в ряде случаев может превосходить информационный сигнал в разы. Причина в несовершенстве существующих акустооптических модуляторов, которые пропускают небольшую часть непрерывного излучения лазера.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции лидара, обладающей высокой чувствительностью.
Технический результат
Поставленная задача повышения чувствительности устройства решается с помощью умножителя частоты и схемы фазовой подстройки, которые синхронизируют частоту дискретизации АЦП с частотой модуляции акустооптического модулятора.
В модели предлагается добавить электронный модуль, который будет умножать частоту модулятора в 4 раза, осуществлять фазовую подстройку частоты и управлять частотой дискретизации аналого-цифрового преобразователя.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично изображен оптоволоконный когерентный лидар, предназначенный для регистрации радиальной компоненты скорости ветра в атмосфере. Фиг. 1 включает оптическую схему устройства (1-7) и электронные модули (8-14). Соединение электронных модулей показано стрелками (электрические сигналы).
0
m
m
0
0
m
0
m
d
d
0
m
d
d
Устройство состоит из передающей и принимающей частей. Передающая часть имеет лазер 1 непрерывного излучения 1.55 мкм с частотой ω. Волоконный разделитель 2 отводит часть излучения на детектор 8, а основная часть мощности от лазера 1 поступает в акустооптический модулятор 3, который формирует оптический импульс. Управление модулятором 3 осуществляется с помощью драйвера 11, на который поступают импульсы с модуля управления 10. Радиочастотный сигнал с драйвера 11 возбуждает акустическую волну в модуляторе 3 на частоте ω , которая формирует оптический импульс и при этом на выходе частота ω модулятора 3 складывается с частотой ω излучения лазера 1. Затем оптический импульс (ω + ω) идёт на эрбиевый усилитель 4, проходит циркулятор 5 и далее поступает на приёмо-передающий телескоп 6. Рассеянное на перемещающемся атмосферном аэрозоле излучение возвращается обратно на телескоп 6 в виде эхосигнала с частотой ω + ω + ω , где ω – доплеровский сдвиг частоты, зависящий от радиальной скорости ветра. Эхосигнал из атмосферы циркулятором 5 направляется на один вход расщепителя 7, который делит сигнал на две равные части. На другой вход расщепителя 7 подаётся опорное непрерывное излучение (ω) от лазера 1, которое тоже делится пополам. Излучение с выхода расщепителя 7 поступает на вход балансного фотоприёмника 8, который детектирует сигнал разностной частоты ω + ω и ещё исключает синфазный шум. Потом этот радиочастотный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9 и затем в цифровом виде передаётся в модуль спектральной обработки 13. Модуль 13 делит принимаемый сигнал на части, производит спектральную обработку каждой части и накапливает получаемые спектры. После накопления в течение заданного интервала времени спектры из модуля 13 передаются в компьютер 14, где определяется величина доплеровского сдвига частоты ω и рассчитывается величину радиальной скорости ветра вдоль трассы зондирования.
m
Все модули на фиг. 1 за исключением модуля 12 стандартные и составляют известную схему когерентного ветрового лидара. Модуль 12 включает в себя умножитель частоты напряжения модулятора на четыре (4 ω) и схему фазовой подстройки частоты. Модуль 12 осуществляет синхронизацию между акустооптическим модулятором 3 и аналого-цифровым преобразователем 9.
m
На фиг. 2 представлен принимаемый паразитный сигнал (а) на частоте модуляции ω = 80 МГц, полученный аналого-цифровым преобразователем при частоте дискретизации 250 МГц, и его спектр (б). Число значений сигнала равно 64 и, соответственно, число значений спектра равно 32. Из графика спектра видно, что многочисленные спектральные компоненты помехи будут маскировать допплеровское смещение полезного сигнала. Негативное влияние данного эффекта возрастет, если интенсивность маскирующего сигнала будет превышать интенсивность информационного сигнала.
m
m
m
На фиг. 3 тоже представлен принимаемый паразитный сигнал (а) на частоте модуляции ω = 80 МГц, однако, полученный аналого-цифровым преобразователем 9 при частоте дискретизации 4 ω = 320 МГц, и его спектр (б). Здесь частота дискретизации АЦП предлагаемым способом синхронизована с частотой модуляции акустооптического преобразователя 3. Синхронизация осуществляется с помощью умножителя частоты на x4 и схемы фазовой подстройки. Из данного графика видно, что в спектре помехи полностью отсутствуют маскирующие спектральные компоненты, кроме одной на частоте модуляции ω = 80 МГц. Этот факт позволит без особых потерь выделить спектр полезного сигнала на фоне спектра помехи, не подверженного эффекту «размывания» спектра.
Осуществление полезной модели
0
0
m
0
m
d
0
m
d
m
m
Устройство на фиг. 1 использует эффект Доплера, который изменяет частоту рассеянного излучения движущимися в атмосфере частицами. Непрерывное излучение лазера 1 (ω) поступает на модулятор 3, который формирует оптический импульс. Форма и длительность импульса задаётся модулем 10, импульс поступает на вход драйвера 11, который управляет модулятором 3. После модулятора 3 оптический импульс (ω + ω) усиливается модулем 4 и циркулятором 5 направляется на телескоп 6 и уходит в атмосферу. Эхосигнал из атмосферы (ω + ω + ω) циркулятором 5 направляется на расщепитель 7, где он делится пополам и идёт на балансный детектор 8. Часть излучения (ω) с расщепителя 2 через расщепитель 7 тоже делится пополам и идёт на балансный детектор 8. Радиочастотный сигнал разностной частоты (ω + ω) детектируется и направляется на аналого-цифровой преобразователь 9. Частота дискретизации преобразователя 9 синхронизируется с модулятором 3 посредством модуля 12, в котором происходит умножение частоты ω в 4 раза и фазовая подстройка (фиг. 3а) управляющего напряжения, которое задаёт частоту дискретизации АЦП 9. Оцифрованный эхосигнал поступает в модуль 13, где происходит спектральная обработка и накопление спектров. Затем спектры передаются в компьютер 14, где определяется доплеровский сдвиг частоты и рассчитывается профиль радиальной компоненты скорости ветра. В полученном спектре (фиг. 3б) помеха будет присутствовать только на частоте модулятора ω и не будет влиять на доплеровскую компоненту. Контроль модулем управления 10 и модулем спектральной обработки 13 осуществляется с компьютера 14. В свою очередь модуль 10 управляет драйвером 11, и аналого-цифровым преобразователем 9.