ЛАЗЕРНЫЙ ГЕТЕРОДИННЫЙ ДАЛЬНОМЕР

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, оптическим измерениям расстояний с высокой точностью до топографических объектов или пространственно распределенных атмосферных аэрозолей.
Известен дальномер [1], предназначенный для определения места утечки газообразных углеводородов из техногенных объектов, использующий полупроводниковый лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме на длине волны =1,65±0,01 мкм, излучение которого модулируется в частотном диапазоне 1-100 МГц, подключенный к оптическому усилителю, увеличивающему выходную мощность зондирующего излучения, посылаемого на исследуемый объект, отраженный сигнал от которого поступает через приемный тракт, снабженный блоком стробирования приемника, выделяющим излучение от исследуемого объекта и направляющем информацию по нему в вычислительно управляющий блок. Недостатком, данного дальномера является наличие раздельного приемопередающего тракта, что усложняет юстировку прибора, снижает надежность измерений, увеличивает габариты устройства.
Наиболее близким по технической сущности является лазерный дальномер [2], имеющий в составе передающего волоконнооптического тракта низкокогерентный лазерный источник излучения, оптоволоконный делитель, разделяющий лазерное излучение на зондирующее и опорное излучение, которое по оптоволокну последовательно направляется на модулятор, оптический усилитель, циркулятор, предназначенный для разделения зондирующего и отраженного излучений и через приемопередающий телескоп направляется на исследуемый объект. Рассеянный от исследуемого объекта свет улавливается приемопередающим телескопом и направляется на оптоволоконный сумматор, где складывается с опорным излучением и далее с помощью гетеродинного приемника и вычислительного устройства производится детектирование сигнала. Существенным недостатком данного устройства, является использование низкокогерентного источника излучения, снижающего точность измерений, из-за влияния шумов на детектирование сигнала.
Задачей создания заявленной полезной модели является повышение чувствительности и надежности работы дальномера.
Известен лазерный гетеродинный дальномер, состоящий из блока управления приемопередающего волоконнооптического тракта, передающий тракт которого имеет источник лазерного излучения, оптоволоконный делитель, модулятор, оптический усилитель, циркулятор и приемопередающий телескоп. Дальномер имеет приемный тракт, включающий оптоволоконный сумматор для суммирования опорного излучения с рассеянным излучением, поступающим через приемопередающий телескоп и направления на детектирующий приемник.
В соответствии с полезной моделью, в качестве источника лазерного излучения используется когерентный источник лазерного излучения, в качестве циркулятора используется циркулятор с сохранением поляризации, при этом детектирующий приемник выполняется по балансной схеме.
Схема дальномера основана на системе задающий генератор излучения - усилитель, позволяющий получить высокую мощность выходного излучения с сохранением пространственной и временной когерентности излучения, высококогерентного источника излучения (с шириной линии излучения 15 кГц), что позволяет повысить чувствительность дальномера. Использование волоконного поляризационного циркулятора с высокой изоляцией каналов упрощает схему приемо-передающего канала, поскольку телескоп в данном случае является коаксиальным. Волоконный циркулятор с сохранением поляризации позволяет сохранить пространственную и временную когерентность излучения при его передаче через приемопередающий телескоп.
В качестве гетеродинного приемника используется балансный детектор, который позволяет нивелировать амплитудный шум локального гетеродина, и в целом повышает эффективность приема в 2 раза, по сравнению с традиционным одноэлементным приемником. Балансная схема детектирования улучшает отношение сигнал/шум, учитывая отклонение шума общей моды и автокоррелированное шумовое подавление. Балансный детектор оптимизирован для маленьких постоянных токов и высокого трансимпедансного усиления, используемый схеме активный фильтр низких частот помогает удалить эффект совмещения частот, связанный с высокочастотными процессами преобразования в цифровую форму сигнала.
Преимущества коаксиальной схемы дальномера заключается в отсутствии геометрического фактора, влияющего на эффективность работы во всем диапазоне дистанций. Вся оптическая схема выполнена на основе поляризационно-сохраняющего волокна, что значительно уменьшает габариты системы и повышает ее устойчивость к разъюстировкам в результате температурных воздействий или вибрации.
Использование в передающем тракте лазерного гетеродинного дальномера, между модулятором и оптическим усилителем дополнительного оптоволоконный делителя, позволяет часть зондирующее излучение направлять на стробирующий приемник, связанный с блоком управления, что улучшает управление дальномером и повышает стабильность его работы.
Рис.1 Структурная блок-схема лазерного гетеродинного дальномера.
На чертеже (рис.1.) представлена структурная блок-схема лазерного гетеродинного дальномера, которая включает оптически связанные: источник когерентного излучения 1, построенный на основе DFB полупроводниковый лазера с волоконным выходом и коннектором FС/АРС, оптоволоконные делители лазерного излучения (2, 3, 4), акустооптический модулятор 5, волоконный усилитель с диодной накачкой 6, поляризационный циркулятор 7 для разделения приемного и передающего оптических каналов, приемопередающий телескоп 8. Принимаемый сигнал направляется в приемный модуль гетеродинного приемника 9. Расчеты производятся с помощью программно-аппаратного вычислителя 10. Управление гетеродинным дальномером осуществляется с помощью блока управления приемопередающего тракта 11, который синхронизируется по сигналу от стробирующего приемника 12.
Лазерный гетеродинный дальномер работает следующим образом.
Задающий лазерный источник излучения 1 формирует стабильное, одночастотное непрерывного излучения на длине волны 1558.17 нм с максимальной мощностью не более 20 мВт, которое направляется по волоконнооптическому каналу на делитель 2, с помощью которого делится на зондирующее и опорное излучение. Далее зондирующее излучение направляется на акустооптический модулятор 5, предназначенный для обеспечения частотной разности излучения опорного гетеродина и зондирующего излучения для формирования временного промежутка излучения. После чего зондирующее излучение по волоконнооптическому каналу попадает в волоконный эрбиевый усилитель 6, предназначенный для усиления излучения задающего генератора до выходных мощностей порядка 700 мВт. Затем зондирующее излучение с сохранением поляризации проходит через циркулятор 7, представляющий собой пассивный волоконный оптический элемент, предназначенный для разделения выходного излучения и приемного излучения и через приемо-передающий телескоп 8 направляется на исследуемый объект 13. Отраженный от исследуемого объекта 13 сигнал попадает снова в приемо-передающий телескоп 8, откуда направляется в балансный гетеродинный приемник 9, построенный на основе сбалансированных InGaAs РIN фотодиодов обеспечивающий прием оптического излучения и преобразования оптического сигнала разностной частоты в электрический в диапазоне частот 0-50 МГц.
Полезная модель может быть использована в геодезии, мобильном экологическом мониторинге, картографии, в том числе для картографирования облаков и местности в ночное время.
Источники информации:
1. Патент РФ на ПМ №64779.
2. Патент JР №2007085758.