СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО СИГНАЛА В ДОПЛЕРОВСКИХ ЛИДАРАХ
METHOD OF GENERATING INTERFERENCE SIGNAL IN DOPPLER LIDARS

Изобретение относится к области построения оптической части - доплеровских лидаров, предназначенных для измерения скорости ветра и выявления турбулентных процессов в атмосфере, а именно к вопросу формирования опорного сигнала, необходимого для получения интерференционного сигнала доплеровской частоты. Процесс измерения скорости ветра в лидарах заключается в зондировании атмосферы мощным коротким импульсом света, приеме рассеянного и отраженного света, формировании опорного сигнала, суммировании принимаемого сигнала с опорным сигналом и последующем детектировании результирующего интерференционного сигнала.
Существует большое количество способов формирования интерференционного сигнала, в которых предпринимаются попытки найти эффективные решения ряда наиболее сложных проблем. К их числу относятся получение интерференционного сигнала при коротком зондирующем импульсе и получение оценок частоты доплеровского сигнала в требуемых точках пространственных координат.
В качестве примера можно привести патенты US 2009073417 A1; WO 2007009759 A1; US 2008/0024756 A1, G01S 17/00. В первом патенте рассматривается схема с накачкой лазерного излучателя, через которую одновременно осуществляется прием рассеянного света. Во втором предлагается оптическая схема, в которой осуществляется измерение распределения интенсивности света спекл-структуры изображения в разные моменты времени принимаемого света, а в последнем патенте предлагаются оптические схемы получения квадратурных составляющих доплеровских сигналов. При этом не затрагивается вопрос, каким образом необходимо формировать опорный сигнал, чтобы в течение всего времени распространения зондирующего импульса света можно было получить непрерывный интерференционный сигнал.
Принимаемый лидаром сигнал формируется в основном за счет отражения зондирующего луча от рассеивающих свет аэрозольных частиц в атмосфере и представляет собой импульс света, модулированный по частоте и амплитуде средой, рассеивающей свет. Как правило, это шумоподобный сигнал, имеющий доплеровское смещение частоты, так как он получен от множества рассеивающих свет частиц, распределенных случайным образом. К тому же процесс оценки доплеровской частоты в таком сигнале существенным образом усложняется из-за короткой длительности как самого принимаемого сигнала, так и требуемого времени разрешения пространственной координаты. Поскольку длительность самого зондирующего импульса компактных и надежных лазерных источников составляет порядка 1 наносекунды и менее, то шумовая полоса частот блока обработки сигнала после фотоприемника будет определяться длительностью зондирующего импульса. Кроме того, измерения за такие короткие промежутки времени технически трудно осуществимы и требуют дорогостоящего оборудования.
Известен способ формирования интерференционного сигнала (патент РФ №2338223, выданный 10.11.2008 г., G01S 17/88, и статья этих же авторов: G.G. Matvienko, S.N. Polyakov, and V.K. Oshlakov; Basic Principles of Pulse-Wind Doppler Lidaras with Multitime Coherencse. ISSN 1054-0660X, Laser Physics, 2008, Vol.18, No 11, pp.1246-1250), в котором рассеянный свет от зондирующего импульса интерферирует с опорным сигналом, получаемым путем многократной задержки части зондирующего импульса в отдельных отрезках оптоволоконных линий и последующего суммирования задержанных импульсов путем подстановки их друг за другом. Такая операция названа авторами пространственно-временным мультиплицированием. Однако в реальных устройствах невозможно обеспечить точность и стабильность задержек в разных отрезках оптоволоконных линий задержки. Поэтому нельзя обеспечить стыковку фаз конца предыдущего и начала последующего задержанных импульсов для обеспечения непрерывности фазы результирующего мультиплицированного опорного сигнала, что приводит к появлению скачков фазы. В результате разность фаз сигналов рассеянного света от зондирующего импульса и опорного сигнала целиком переносится на выходной сигнал фотоприемника и измеряемый доплеровский сигнал будет иметь скачки фаз в пределах 0-360 градусов, распределенных случайным образом. В этих условиях доплеровскую частоту можно измерить только в том случае, если за время длительности исходного зондирующего импульса можно будет сформировать не менее двух отсчетов набега фазы измеряемого сигнала. При длительности импульса 1нс такие измерения становятся невозможными, так как фактический набег фазы доплеровского сигнала оказывается меньше 1 градуса уже для частот доплеровского сдвига порядка 3 МГц.
Наиболее близким к заявляемому решению является принятый в качестве прототипа способ формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах, опубликованный в работах: Adrian A. Dorrington, Rainer Kunnemeyer, and Paul M. Danehy "Refrence-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol.40, No. 18, 2001; Juli-Lai Shen and Rainer Kunnemaer, "Amplified refrence pulse storage for low coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol.45, No. 32, 2006. Сущность этого известного способа получения интерференционного сигнала заключается в том, что для опорного сигнала используют импульс, полученный с помощью оптического ответвителя из зондирующего атмосферу импульса. Этот ответвленный импульс многократно повторяется в кольцевой оптоволоконной линии задержки с периодом, равным времени задержки в ней. Задержанные импульсы образуют временную последовательность в виде ряда, которые с помощью ответвителя выделяются и затем суммируются с принимаемым отраженным от атмосферы оптическим сигналом. Полученный в результате суммирования интерференционный сигнал детектируют.
Недостатком этого способа является прерывистость опорного сигнала, что приводит к невозможности непрерывного измерения фазы доплеровского сигнала.
В предлагаемом авторами способе формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах решается задача получения непрерывного опорного оптического сигнала. Это достигается за счет того, что кольцевую оптоволоконную линию задержки делят на две части с помощью дополнительно введенного оптического изолятора, пропускающего свет только в одном направлении, выделяют свет, распространяющийся в обратном направлении от первой части кольцевой оптоволоконной линии задержки с помощью направленного оптоволоконного ответвителя, и используют его в качестве опорного сигнала.
Это позволяет в кольцевой оптоволоконной линии задержки, предназначенной для многократной прокрутки исходной части зондирующего импульса, сформировать непрерывный опорный сигнал в отличие от известного способа, где в качестве опорного сигнала используются короткие сигналы, прошедшие через кольцевую линию задержки в прямом направлении, длительность которых соответствует длительности зондирующего импульса. В предлагаемом изобретении формируется непрерывный опорный сигнал, распространяющийся в обратном направлении от первой части кольцевой оптоволоконной линии задержки. При этом длительность такого опорного сигнала равна удвоенной величине задержки первой части кольцевой оптоволоконной линии до места включения оптического изолятора. В результате сложения опорного и принимаемого рассеянного от аэрозольных частиц в атмосфере света получают непрерывный интерференционный сигнал. Полученный интерференционный сигнал позволяет создать лидар, в котором становится возможным не только непрерывно измерять фазу сигнала доплеровской частоты, но и появляется возможность выбора любого значения пространственного разрешения, которое определяется только временем оценки доплеровской частоты. С другой стороны, благодаря увеличению длительности полученного опорного оптического сигнала можно уменьшить полосу пропускания электронных цепей блока обработки электрического сигнала и тем самым улучшить соотношение сигнал/шум. Это расширяет функциональные возможности аппаратуры и снижает погрешности измерения доплеровской частоты. В этом заключается новизна предлагаемого способа. В работах: Adrian A. Dorrington, Rainer Kunnemeyer, and Paul M. Danehy, "Refrence-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol.40, No. 18, 2001; Juli-Lai Shen and Rainer Kunnemaer, "Amplified refrence pulse storage for low coherence pulsed Doppler lidar,"Appl. Opt. vol.45, No. 32, 2006, приведено описание устройства, реализующего известный способ формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах. Недостатком устройства является дискретность измерения фазы сигнала, так как измерения могут осуществляться только в моменты существования импульса опорного сигнала и чем короче эти импульсы, тем труднее проводить измерения. Это вытекает из недостатков, отмеченных в известном способе.
Ниже приводится описание структурной схемы устройства, выполненного на основе предлагаемого способа. В этом устройстве формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах, выполненном в соответствии с предложенным способом, этот отмеченный выше недостаток устранен. Это достигается за счет того, в кольцевую оптоволоконную линию задержки дополнительно включены оптоволоконный изолятор, пропускающий свет только в одном направлении и разделяющий кольцевую линию на две части, направленный оптоволоконный ответвитель, соединенный входом первичной линии с оставшимся концом вторичной линии второго оптоволоконного ответвителя, выходом - с входом кольцевой оптоволоконной линии задержки, а выход вторичной линии рабочим плечом соединен с оставшимся входом оптического сумматора. При этом выход направленного оптоволоконного ответвителя становится выходом опорного сигнала кольцевой оптоволоконной линии задержки.
Предлагаемый способ формирования интерференционного сигнала в лидарах обладает существенными преимуществами по сравнению с известными аналогами по точности и помехоустойчивости. Он позволяет даже при длительности импульса 1нс произвести измерения набега фазы частоты доплеровского сигнала, так как из любого короткого импульса можно сформировать опорный сигнал любой требуемой длительности. Такой способ позволяет использовать мощные лазеры с любой короткой длительностью зондирующего импульса. Это обстоятельство упрощает и удешевляет как оптическую, так и электронную части устройства, позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум в электронных блоках обработки сигналов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства формирования интерференционного сигнала. На фиг.2 показаны временные последовательности огибающих основных сигналов.
0
вых
вх
r
Структурная схема (фиг.1) содержит лазер 1, формирующий импульс света, первый оптоволоконный ответвитель 2, осуществляющий ответвление части энергии импульса лазера I(t), блок приема-передачи 3, формирующий и излучающий импульс I(t) зондирования и осуществляющий прием отраженного рассеянного света I(t) из атмосферы. Кольцевая оптоволоконная линия задержки 4 содержит последовательно соединенные оптический блок усиления 5, второй оптоволоконный ответвитель 6, направленный оптоволоконный ответвитель 7, который формирует на выходе своего рабочего плеча вторичной линии опорный сигнал I(t), и оптический изолятор 8, разделяющий кольцевую оптоволоконную линию по длине на две части L1 и L2. Оптический сумматор 9, формирующий интерференционный сигнал из суммы рассеянного света и опорного сигнала, соединен своим выходом с входом блока детектирования 10, преобразующего интерференционный сигнал в электрический U(t). При этом ввод ответвленной части энергии импульса лазера в кольцевую оптоволоконную линию задержки осуществляется через вторичную линию второго оптоволоконного ответвителя.
0
sum
r
s
На фиг.2 показаны следующие сигналы: I(t) - на выходе импульсного лазера, I(t) - на выходе второго оптоволоконного ответвителя, I(t) - на выходе направленного оптоволоконного ответвителя, I(t) - затухающий сигнал от атмосферных аэрозольных частиц на выходе оптического блока приема передачи.
0
sum
r
sum
Устройство работает следующим образом. Лазерный импульс света разделяется на две части в первом оптоволоконном ответвителе. Основная часть энергии поступает в блок приема-передачи, где формируется зондирующий импульс, другая часть направляется в кольцевую оптоволоконную линию задержки через второй оптоволоконный ответвитель. Далее ответвленный световой импульс проходит направленный оптоволоконный ответвитель по первичной линии и поступает в оптоволоконную линию, которая разделена на две части с помощью оптоволоконного изолятора 8 (на L1 - до изолятора и L2 - после изолятора), пропускающего свет только в одном направлении. При этом в оптоволоконной линии происходят два процесса: процесс многократной регенерации части импульса лазера I(t) и воспроизведения его в виде временной импульсной последовательности сигналов I(t), распространяющихся в прямом направлении, с периодом, равным времени задержки кольца оптоволоконной линии, и процесс выделения света, распространяющегося в обратном направлении. Как известно, при распространении импульса в волоконной линии свет частично поглощается, а также отражается и рассеивается в обратном направлении. В рассматриваемой схеме указанные процессы будут наблюдаться как в первой части линии L1, так и во второй L2, но оптоволоконный изолятор обратный свет от второй части оптоволоконной линии не пропустит. Поэтому возвращаться будет только свет от первой части, который будет отделяться от прямой волны в направленном оптоволоконном ответвителе и поступать на выход рабочего плеча вторичной линии в виде опорного сигнала I(t). Из этого следует, что требования, предъявляемые к первой и второй частям кольцевой оптоволоконной линии задержки, будут разными. Первую часть необходимо выбирать с высокими потерями, так чтобы интенсивность обратного светового потока была достаточной для получения необходимого уровня опорного сигнала, а вторую часть - без потерь. Как известно, оптоволоконные линии передачи выполняются с минимальными потерями для конкретных длин волн. Поэтому для данного случая необходимо подобрать оптоволоконную линию с требуемым коэффициентом потерь из списка известных типов линий передачи, выпускаемых промышленностью, или же создать такую линию. Для того чтобы избежать переналожения импульсов обратного рассеянного света от каждого последующего импульса I(t), оптоволоконная линия задержки с помощью оптического изолятора 8 делится на две части L1 и L2, так чтобы выполнялось условие τ1≤τ2+ΔT, где τ1 - задержка на длине L1, τ2 - задержка на длине L2, ΔT - длительность входного импульса. Для компенсации потерь светового импульса в конце кольцевой линии установлен оптический блок усиления 5. Коэффициент усиления при этом не должен превышать коэффициент потерь из условия устойчивости работы кольцевой оптоволоконной линии задержки.
Технический результат от использования предлагаемого способа заключается в повышении точности измерений, расширении функциональных возможностей аппаратуры, надежности и стабильности ее работы благодаря формированию непрерывного опорного сигнала от лазерного источника света с любой длительностью импульса. В предлагаемом способе используется непрерывный сигнал обратного рассеянного света от первой части кольцевой линии задержки. При этом получают непрерывный интерференционный сигнал, что позволяет создать лидар, в котором становится возможным непрерывно измерять фазу сигнала доплеровской частоты.
Возможность реализации предлагаемого способа подтверждается широко используемыми измерителями качества волоконно-оптических линий -рефлектометрами, в которых измеряется рассеянный в обратном направлении свет, порождаемый входным импульсом света, распространяющийся в прямом направлении.
Отличие предлагаемого способа от существующих способов заключается в том, что вместо короткого импульсного опорного сигнала, длительность которого равна длительности зондирующего импульса, используется непрерывный сигнал, порождаемый самим коротким импульсом при его распространении в оптоволоконной линии в виде отраженного и рассеянного света.
Лидар, реализующий предложенный метод, может быть изготовлен с использованием существующих в настоящее время узлов и деталей, таких как направленные ответвители, усилители, изоляторы и т.д., серийно выпускаемые известными фирмами (например, Telecommunications Inc. или Thorlabs), в компактной форме.