Оптоволоконный когерентно-импульсный 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
Наиболее близким аналогом 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, приёмопередающий 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 устройства является невозможность повышения точности оценки доплеровского сдвига при сохранении разрешающей способности по дальности. Такое положение связано с тем, что для повышения точности спектрального разрешения по частоте требуется увеличивать длину выборки анализируемого сигнала. Увеличение длины выборки в свою очередь приведет к ухудшению пространственного излучения.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции лидара, обладающей повышенным спектральным разрешением при сохранении пространственного разрешения по дальности.
Технический результат
Поставленная задача, повышения точности оценки доплеровского сдвига частоты без уменьшения пространственной разрешающей способности решается путём установки в лидар дополнительного блока на базе ПЛИС, формирующего в реальном масштабе времени выборку сигнала из 256 отсчетов путем объединения обратно рассеянных сигналов, принятых с одной и той же дальности по 64 отсчета в каждой от последовательности зондирующих импульсов. Затем производится спектральная обработка сформированного таким образом сигнала.
На фиг. 1 схематично изображен известный оптоволоконный когерентный лидар, предназначенный для регистрации радиальной компоненты скорости ветра в атмосфере. Фиг. 1 включает оптическую схему устройства (1-7) и электронные модули (8-12). Соединение электронных модулей показано стрелками (электрические сигналы).
0
m
d
0
m
d
Устройство на фиг. 1 использует эффект Доплера, который изменяет частоту рассеянного излучения движущимися в атмосфере частицами. Непрерывное излучение лазера 1 поступает на модулятор 3, который формирует оптический импульс. Форма и длительность импульса задаётся устройством на базе ПЛИС 11/10, импульс поступает на вход драйвера 12, который управляет модулятором 3. После модулятора 3 оптический импульс 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. Оцифрованный эхосигнал поступает в модуль 10, где происходит формирование мультиплицированной выборки из 256 отсчетов и последующая   спектральная обработка. Затем определяется доплеровский сдвиг частоты и рассчитывается значение радиальной скорости ветра. Для вывода результата измерений скорости ветра устройство может подключаться к компьютеру по интерфейсу USB-2.0.
0
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 12. Акустическая волна в модуляторе 3 имеет частоту ω , которая на выходе складывается с частотой излучения ω. Затем оптический импульс (ω + ω) идёт на усилитель 4, проходит циркулятор 5 и далее идёт на приёмопередающий телескоп 6. Рассеянное на 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 циркулятором направляется на вход расщепителя 7, который делит сигнал на две равные части. На другой вход расщепителя 7 подаётся непрерывное излучение (ω) от лазера 1, мощность которого тоже делится пополам. Излучение с выхода расщепителя 7 поступает на вход балансного фотоприёмника 8, который исключает синфазный шум и детектирует сигнал разностной частоты ω + ω . Затем этот сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9 и затем в цифровом виде передаётся в устройство формирования мультиплицированного сигнала, выполненного на основе программируемой логической интегральной схемы в виде отдельного модуля  11/10. ПЛИС 11/10 имеет двойное обозначение, т.к. она обрабатывает сигнал (10) и управляет (11) другими модулями. ПЛИС управляет работой драйвера модулятора 12 и производит формирование в реальном масштабе времени выборки объемом 256 отсчетов из четырех актов зондирования, выполняет спектральную обработку сигналов, накапливает спектры, определяет величину доплеровского сдвига частоты ω и рассчитывает величину скорости ветра.
m
d
На фиг. 2 представлен принимаемый сигнал (а) на частоте ω + ω = 80 + 5 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 максимум полученной оценки соответствует значению больше 85 МГц из-за низкого разрешения спектра.
m
d
На фиг. 3 тоже представлен принимаемый сигнал (а) на частоте ω + ω = 80 + 5 МГц, полученный аналого-цифровым преобразователем при частоте дискретизации 250 МГц, и его спектр (б). Число значений сигнала равно 256 и, соответственно, число значений спектра равно 128. Из графика спектра видно, что максимум полученной оценки соответствует значению 85 МГц.
m
d
На фиг. 4 тоже представлен принимаемый сигнал (а) на частоте ω + ω = 80 + 5 МГц, полученный аналого-цифровым преобразователем при частоте дискретизации 250 МГц, и его спектр (б). Число значений сигнала равно 256 и, соответственно, число значений спектра равно 128. Временная реализация состоит из 4-х интервалов по 64 значения. При этом фаза между интервалами изменялась случайным образом. Из графика спектра видно, что максимум полученной оценки соответствует значению 85 МГц.