RU2545498C1 - Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar - Google Patents
Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar Download PDFInfo
- Publication number
- RU2545498C1 RU2545498C1 RU2013149843/28A RU2013149843A RU2545498C1 RU 2545498 C1 RU2545498 C1 RU 2545498C1 RU 2013149843/28 A RU2013149843/28 A RU 2013149843/28A RU 2013149843 A RU2013149843 A RU 2013149843A RU 2545498 C1 RU2545498 C1 RU 2545498C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- photodetector
- laser
- doppler
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области построения доплеровских ЛИДАРОВ и лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС), предназначенных для измерения скорости ветра и выявления турбулентных процессов в атмосфере.The invention relates to the field of construction of Doppler LIDARs and laser Doppler speed meters (LDIS), designed to measure wind speed and detect turbulent processes in the atmosphere.
Суть работы доплеровских систем заключается в формировании одного или нескольких зондирующих пучков и приеме рассеянного света от различных объектов, таких, например, как аэрозольные частицы, рассеивающие и отражающие объекты. Практически все подобные оптические системы представляют собой интерферометр различной конфигурации, в которых непременным условием реализации является наличие опорного оптического сигнала. Таким образом, задача измерения доплеровской частоты сводится к построению интерферометра, представляющего собой сложную и дорогостоящую аппаратуру.The essence of the work of Doppler systems is the formation of one or more probe beams and the reception of scattered light from various objects, such as, for example, aerosol particles, scattering and reflecting objects. Almost all such optical systems are interferometers of various configurations, in which the presence of a reference optical signal is an indispensable condition for implementation. Thus, the task of measuring the Doppler frequency is reduced to the construction of an interferometer, which is a complex and expensive equipment.
Описания таких систем приведены в ряде статей и монографий, например Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1988. 512 с., Werner Ch. at all, Wind infrared Doppler lidar instrument, Opt. Eng. V.40, №1, 2001, p.115-125., 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, 977-992.), Gordienko V.M. at all, Wind Doppler lidar with 1,5 mkm fiber laser, Laser Phis. Lett. 5, №5, 2008, 390-393., Смалихо И.Н., Рам Ш. Измерения когерентными доплеровскими лидарами параметров самолетных вихрей. Оптика атмосферы и океана, 21, №11, 2008., Василенко Ю.Г., Дубнищев Ю.Н., Соболев B.C., Коронкевич В.П. и др. Лазерные доплеровские измерители скорости. Новосибирск, НАУКА СО АН, 1975, Коронкевич В.П., Соболев B.C. Дубнищев Ю.Н., Лазерная интерферометрия. Новосибирск, НАУКА СО АН, 1984, Ринкевичус Б.С. Лазерная диагностика потоков. М.: издательство МЭИ, 1990. Стр.138-23, а также патентов, например Патент РФ 2338223 «Способ формирования мультиплицированной временной когерентности оптической волны и устройство для его осуществления», МПК G01S 17/88, Патент РФ №2365942 «Способ определения скорости рассеивающего пространственно распределенного объекта и доплеровский низкокогерентный лидар для его осуществления», МПК G01S 17/95, G01S 17/95. Патент №2434247 «Способ формирования сигнала в доплеровских лидарах», МПК G01S 17/88.Descriptions of such systems are given in a number of articles and monographs, for example, Doviak R., Zrnich D. Doppler radars and meteorological observations. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1988.512 p., Werner Ch. at all, Wind infrared Doppler lidar instrument, Opt. Eng. V.40, No. 1, 2001, p. 115-125., 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, 977-992.), Gordienko V.M. at all, Wind Doppler lidar with 1,5 mkm fiber laser, Laser Phis. Lett. 5, No. 5, 2008, 390-393., Smalikho IN, Ram Sh. Measurements of the parameters of aircraft vortices by coherent Doppler lidars. Optics of the atmosphere and ocean, 21, No. 11, 2008., Vasilenko Yu.G., Dubnischev Yu.N., Sobolev B.C., Koronkevich V.P. and other Laser Doppler speed meters. Novosibirsk, SCIENCE SB AN, 1975, Koronkevich V.P., Sobolev B.C. Dubnischev Yu.N., Laser interferometry. Novosibirsk, SCIENCE SB AS, 1984, Rinkevichus B.S. Laser diagnostics of flows. M .: MEI publishing house, 1990. P.138-23, as well as patents, for example, RF Patent 2338223 “Method for generating a multiplied temporal coherence of an optical wave and a device for its implementation”, IPC G01S 17/88, RF Patent No. 2365942 “Method for determining the speed of a scattering spatially distributed object and the Doppler low coherent lidar for its implementation ”, IPC G01S 17/95, G01S 17/95. Patent No. 2434247 “Method of signal formation in Doppler lidars”, IPC G01S 17/88.
Основной недостаток таких схем - необходимость построения оптического интерферометра, получения контрастной картины интерференции, которую трудно сформировать в случае дальней зоны зондирования, сложность самой схемы интерферометра, наличие большого низкочастотного пьедестала, большой уровень низкочастотных шумов, зависимость точности измерений от степени когерентности источника излучения.The main disadvantage of such schemes is the need to build an optical interferometer, to obtain a contrast pattern of interference, which is difficult to form in the case of a far-field sensing, the complexity of the interferometer scheme, the presence of a large low-frequency pedestal, a large level of low-frequency noise, and the dependence of the measurement accuracy on the degree of coherence of the radiation source.
Известно техническое решение с использованием интерферометра, представленное в патенте РФ №2365942 «Способ определения скорости рассеивающего пространственно распределенного объекта и доплеровский низкокогерентный лидар для его осуществления», МПК G01S 17/95, опубликован 27.08.2009. Объект зондируют импульсной оптической когерентной волной, сигнальную волну, рассеянную объектом и имеющую доплеровское смещение спектра, и опорную волну затем подвергают внутриволоконному смешению, причем одну из волн подвергают еще и предварительной частотной модуляции, и направляют волны в фотоприемник и полученную частотную характеристику фототока фотоприемника используют для определения компоненты скорости объекта в направлении его зондирования.A known technical solution using an interferometer is presented in RF patent No. 2365942 "Method for determining the speed of a scattering spatially distributed object and Doppler low coherent lidar for its implementation", IPC G01S 17/95, published on 08.27.2009. The object is probed by a pulsed optical coherent wave, the signal wave scattered by the object and having a Doppler shift of the spectrum, and the reference wave are then subjected to intra-fiber mixing, moreover, one of the waves is also subjected to preliminary frequency modulation, and the waves are directed to the photodetector and the obtained frequency response of the photodetector is used for determining the velocity component of the object in the direction of its sounding.
Недостатком данного технического решения является невозможность измерений в случае дальней зоны зондирования, а также сложность оптической схемы лидара, так как и в этом случае необходим опорный оптический сигнал и, следовательно, соответствующий интерферометр.The disadvantage of this technical solution is the impossibility of measurements in the case of a far sensing zone, as well as the complexity of the lidar optical scheme, since in this case a reference optical signal is also necessary and, therefore, a corresponding interferometer.
Известно техническое решение, используемое в лазерном радаре, основанном на методе с применением амплитудной модуляцией и без применения интерферометра (Патент CN 102798866 «Laser radar system and compound distance-measuring and speed- measuring method adopting sine-wave amplitude modulation and phase pulse code modulation of same", МПК G01S 17/32, G01S 7/483, опубликован 2012-11-28), выбранный в качестве прототипа. Метод основан на осуществлении модуляции зондирующего луча лазера по интенсивности излучения, приеме рассеянного излучения, детектировании принятого излучения и преобразовании выходного сигнала фотодетектора в два квадратурных сигнала доплеровской частоты. Наличие импульсной модуляции в прототипе вынуждает авторов указанного патента использовать очень сложный алгоритм оценки частоты получаемого сигнала.A technical solution is known that is used in a laser radar based on the method with amplitude modulation and without the use of an interferometer (Patent CN 102798866 "Laser radar system and compound distance-measuring and speed-measuring method adopting sine-wave amplitude modulation and phase pulse code modulation of same ", IPC G01S 17/32, G01S 7/483, published 2012-11-28), selected as a prototype. The method is based on the modulation of the probe laser beam by radiation intensity, reception of scattered radiation, detection of received radiation and conversion of the output signal photo detector in dv quadrature Doppler signal. Availability of pulse modulation in the prior art forces the authors of this patent the use of very sophisticated algorithm estimates the received signal frequency.
Такой подход ограничивает возможности лазерного радара, так как для повышения его разрешающей способности модуляция должна осуществляться на высоких частотах (желательно в гигагерцовом диапазоне), что практически невозможно реализовать для большинства мощных лазеров. Кроме этого отличие состоит в том, что в указанном патенте применяется дополнительная импульсная модуляция излучения для определения дальности до исследуемой области измерений. Далее в указанном патенте доплеровская частота (измеряемая скорость ветра) оценивается с помощью частотного дискриминатора путем обработки сигнала с одного из двух перемножителей, что не позволяет определять направление вектора скорости.This approach limits the capabilities of the laser radar, since in order to increase its resolution, the modulation should be carried out at high frequencies (preferably in the gigahertz range), which is almost impossible to implement for most powerful lasers. In addition, the difference lies in the fact that in this patent an additional pulsed modulation of radiation is used to determine the distance to the studied measurement area. Further, in this patent, the Doppler frequency (measured wind speed) is estimated using a frequency discriminator by processing a signal from one of two multipliers, which does not allow determining the direction of the velocity vector.
Недостатком известного технического решения является невозможность определения направления ветра, сложный алгоритм оценки частоты сигнала, получаемого от аэрозолей атмосферы или других лоцируемых объектов.A disadvantage of the known technical solution is the inability to determine the direction of the wind, a complex algorithm for estimating the frequency of the signal received from aerosols of the atmosphere or other located objects.
Перед авторами стояла задача разработать способ определения скорости и направления ветра и некогерентный доплеровский лидар для его осуществления, позволяющие определить скорость и направление ветра, не прибегая к построению интерферометра в оптическом диапазоне частот с лазером высокой когерентности.The authors were faced with the task of developing a method for determining the speed and direction of the wind and incoherent Doppler lidar for its implementation, which allow determining the speed and direction of the wind without resorting to constructing an interferometer in the optical frequency range with a high coherence laser.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения скорости и направления ветра, включающем использование некогерентного доплеровского лидара, содержащего лазер, передающий телескоп и приемную оптику, модулятор излучения лазера, генератор, фотодетектор, первый и второй перемножители, фазовращатель, первый и второй низкочастотный фильтры, прием рассеянного излучения, детектирование принятого излучения и преобразование выходного сигнала фотодетектора в два квадратурных сигнала доплеровской частоты, некогерентный доплеровский лидар дополнительно снабжают фильтром первой гармоники выходного сигнала фотодетектора, включенным между фотодетектором и входами первого и второго перемножителей, двухканальным аналого-цифровым преобразователем, электрически связанным с первым и вторым низкочастотными фильтрами, а модулятор излучения лазера выполняют осуществляющим модуляцию зондирующего луча лазера непрерывным гармоническим сигналом по амплитуде поля, далее дополнительно фильтруют выходной сигнал фотодетектора, а модуляцию зондирующего луча лазера осуществляют непрерывным гармоническим сигналом по амплитуде поля, доплеровскую частоту определяют по формулеThe problem is solved in that in a method for determining wind speed and direction, including the use of an incoherent Doppler lidar containing a laser, a transmitting telescope and receiving optics, a laser radiation modulator, a generator, a photodetector, the first and second multipliers, a phase shifter, the first and second low-pass filters, receiving scattered radiation, detecting the received radiation and converting the output signal of the photodetector into two quadrature signals of Doppler frequency, incoherent Doppler The lidar is additionally equipped with a filter of the first harmonic of the output signal of the photodetector connected between the photodetector and the inputs of the first and second multipliers, a two-channel analog-to-digital converter electrically connected to the first and second low-pass filters, and the laser radiation modulator performs modulation of the probe laser beam by a continuous harmonic signal by the amplitude of the field, then further filter the output signal of the photodetector, and the modulation of the probe laser beam is carried out a continuous harmonic signal according to the field amplitude, the Doppler frequency is determined by the formula
ΩDn=Т-1Arctg[Im(Zn*Zn+1)/Re(Zn*Zn+1)],Ω Dn = T -1 Arctan [Im (Z n * Z n + 1 ) / Re (Z n * Z n + 1 )],
где Zn и Zn+1 - отсчеты мгновенных значений комплексного сигнала с выходов аналого-цифрового преобразователя, Т - известный период дискретизации сигнала по времени, звездочка означает операцию комплексного сопряжения, скорость определяют по формулеwhere Z n and Z n + 1 are the samples of the instantaneous values of the complex signal from the outputs of the analog-to-digital converter, T is the known sampling period of the signal by time, an asterisk means the operation of complex conjugation, the speed is determined by the formula
V=ΩDnC/2Ωм,V = Ω Dn C / 2Ω m ,
где C - скорость света, a Ωм - круговая частота модуляции, причем двухканальный аналого-цифровой преобразователь выполнен подключающимся к компьютеру.where C is the speed of light, a Ω m is the circular frequency of the modulation, and the two-channel analog-to-digital converter is made connecting to the computer.
Способ реализуется с помощью некогерентного доплеровского лидара, включающего лазер, передающий телескоп, приемную оптику, модулятор излучения лазера, генератор, фотодетектор, первый и второй перемножители, фазовращатель, первый и второй низкочастотные фильтры, который дополнительно содержит фильтр первой гармоники выходного сигнала фотодетектора, включенный между фотодетектором и входами первого и второго перемножителей, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, электрически связанный с первым и вторым низкочастотным фильтром, а модулятор излучения лазера выполнен осуществляющим модуляцию зондирующего луча лазера непрерывным гармоническим сигналом по амплитуде поля, причем двухканальный аналого-цифровой преобразователь выполнен подключающимся к компьютеру.The method is implemented using an incoherent Doppler lidar, including a laser, a transmitting telescope, receiving optics, a laser radiation modulator, a generator, a photo detector, a first and second multiplier, a phase shifter, a first and second low-pass filters, which further comprises a filter for the first harmonic of the photodetector output signal included between photodetector and inputs of the first and second multipliers, two-channel analog-to-digital converter, electrically connected to the first and second low-pass filter rum, and the laser radiation modulator is made modulating the probe laser beam by a continuous harmonic signal in field amplitude, and the two-channel analog-to-digital converter is made connecting to a computer.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении пространственного разрешения, повышении стабильности и надежности измерений, увеличении дальности зондирования исследуемой зоны, а также в упрощении оптической схемы конструкции, расширении ассортимента устройств данного назначения.The technical effect of the proposed technical solution is to increase spatial resolution, increase stability and reliability of measurements, increase the sensing range of the studied area, as well as simplify the optical design scheme, expand the range of devices for this purpose.
Заявляемый способ определения скорости и направления ветра реализуется с помощью некогерентного доплеровского лидара, устройство которого поясняется блок-схемой, представленной на фиг.1, где 1 - лазер, 2 - модулятор излучения лазера, 3 - передающий телескоп, 4 - приемная оптика, 5 - генератор, 6 - фазовращатель, 7 - фотодетектор, 8 - фильтр первой гармоники, 9 - первый перемножитель, 10 - второй перемножитель, 11 - первый низкочастотный фильтр, 12 - второй низкочастотный фильтр, 13 - двухканальный аналого-цифровой преобразователь, 14 - компьютер, 15 - kj направление вектора зондирующего луча, 16 - ks направление вектора рассеянного света, 17 - V вектор скорости.The inventive method for determining the speed and direction of the wind is implemented using an incoherent Doppler lidar, the device of which is illustrated in the block diagram shown in figure 1, where 1 is a laser, 2 is a laser radiation modulator, 3 is a transmitting telescope, 4 is a receiving optics, 5 is generator, 6 - phase shifter, 7 - photodetector, 8 - first harmonic filter, 9 - first multiplier, 10 - second multiplier, 11 - first low-pass filter, 12 - second low-pass filter, 13 - two-channel analog-to-digital converter, 14 - computer, 15 - k j to the right probe vector, 16 - k s direction of the scattered light vector, 17 - V velocity vector.
На фиг.2 представлены: Спектры модулирующей функции (слева) и напряженности модулированного оптического поля (справа) (а), Спектр отраженного (рассеянного) поля (б), Спектр сигнала на выходе фотодетектора (в), Спектр сигнала на выходе перемножителя (г).Figure 2 presents: Spectra of the modulating function (left) and the intensity of the modulated optical field (right) (a), the spectrum of the reflected (scattered) field (b), the spectrum of the signal at the output of the photodetector (c), the spectrum of the signal at the output of the multiplier (g) )
На Фиг.3 представлена осциллограмма сигнала, полученного с помощью заявляемого некогерентного доплеровского лидара при движении отражающего объекта в исследуемой зоне.Figure 3 presents the waveform of the signal obtained using the inventive incoherent Doppler lidar during the movement of the reflecting object in the study area.
Заявляемый способ определения скорости и направления ветра, основанный на использовании некогерентного доплеровского лидара, работает следующим образом. Лазер 1 генерирует лазерное излучение, далее модулятор излучения лазера 2, питаемый генератором 5, осуществляет модуляцию зондирующего луча лазера непрерывным гармоническим сигналом по амплитуде поля. С помощью передающего телескопа 3 модулированное излучение лазера направляется в исследуемую зону пространства, содержащую рассеивающие аэрозоли или другие движущиеся объекты. Отраженный или рассеянный ими свет улавливается приемной оптикой 4 и направляется ею на фотодетектор 7. На выходе фотодетектора 7 появляется сигнал частоты модуляции плюс или минус доплеровская частота, пропорциональная скорости движения объекта в исследуемой зоне. Фильтр 8, включенный между фотодетектором и входами первого и второго перемножителей 9, 10, выделяет первую гармонику этого сигнала. Далее ее частоту сравнивают с частотой модулирующего сигнала путем перемножения каждого их них на квадратурные сигналы, создаваемые генератором 5 и фазовращателем 6, путем их перемножения в радиочастотных перемножителях 9, 10. Таким образом, после фильтрации результатов перемножения с помощью низкочастотных фильтров 11 и 12 на их выходе появляется комплексный сигнал подлежащей измерению доплеровской (разностной) частоты в виде двух квадратурных компонент. Двухканальный аналого-цифровой преобразователь 13, выполненный подключающимся к компьютеру 14, преобразует комплексный сигнал в цифровую форму. Далее доплеровскую частоту определяют по формулеThe inventive method for determining the speed and direction of the wind, based on the use of incoherent Doppler lidar, works as follows. The laser 1 generates laser radiation, then the
ΩDn=Т-1Arctg[Im(Zn*Zn+1)/Re(Zn*Zn+1)],Ω Dn = T -1 Arctan [Im (Z n * Z n + 1 ) / Re (Z n * Z n + 1 )],
где Zn и Zn+1 - отсчеты мгновенных значений комплексного сигнала с выходов аналого-цифрового преобразователя, Т - известный период дискретизации сигнала по времени, звездочка означает операцию комплексного сопряжения, а скорость объекта в исследуемой зоне определяют по формулеwhere Z n and Z n + 1 are the samples of the instantaneous values of the complex signal from the outputs of the analog-to-digital converter, T is the known sampling period of the signal by time, an asterisk means the operation of complex conjugation, and the speed of the object in the studied area is determined by the formula
V=ΩDnC/2Ωм,V = Ω Dn C / 2Ω m ,
где С - скорость света, a Ωм - круговая частота модуляции.where C is the speed of light, and Ω m is the circular modulation frequency.
Рассмотрим далее теоретическое обоснование предложенного способа определения скорости и направления ветра. В соответствии с изложенным выше зондирующий луч должен представлять собой модулированное излучение лазера, по амплитуде его поля непрерывным гармоническим сигналом. Тогда модулирующая функция должна иметь следующий видConsider the theoretical justification of the proposed method for determining the speed and direction of the wind. In accordance with the foregoing, the probe beam should be a modulated laser radiation, in the amplitude of its field by a continuous harmonic signal. Then the modulating function should have the following form
где m - индекс модуляции, а омега ее частота.where m is the modulation index, and omega is its frequency.
В этом случае поле зондирующего луча представляется следующим образом:In this case, the field of the probe beam is represented as follows:
Если m=1, то оно примет видIf m = 1, then it will take the form
Как следует из этого выражения, спектр сигнала состоит из трех гармоник, как показано на Фиг.2а. Доплеровский сдвиг частоты каждой гармоники в нерелятивистском случае для зондирующего излучения с длиной волны λ выражается известным соотношениемAs follows from this expression, the signal spectrum consists of three harmonics, as shown in Fig.2A. The Doppler frequency shift of each harmonic in the nonrelativistic case for probing radiation with a wavelength λ is expressed by the known relation
где V - вектор скорости 17, ks - направление вектора рассеянного света 16, ki - направление вектора зондирующего луча 15, k - разностный вектор, равный (ks-ki). С учетом того, что модуль волнового вектора |ki|=|ks|=2π/λ доплеровскую частоту можно представить, какwhere V is the velocity vector 17, k s is the direction of the scattered light vector 16, k i is the direction of the probe beam vector 15, k is the difference vector equal to (k s -k i ). Given the fact that the modulus of the wave vector | k i | = | k s | = 2π / λ, the Doppler frequency can be represented as
где ω - частота зондирующего излучения, равная 2πС/λ, φ - угол между вектором скорости и вектором k, λ - длина волны зондирующего поля, С - скорость света, а коэффициент K равенwhere ω is the probe radiation frequency equal to 2πС / λ, φ is the angle between the velocity vector and the vector k, λ is the wavelength of the probe field, C is the speed of light, and the coefficient K is
Таким образом, для любого значения частоты гармоники зондирующего поля выражение для доплеровской частоты будет иметь видThus, for any value of the harmonic frequency of the probing field, the expression for the Doppler frequency will have the form
Учитывая последнее выражение, можно записать значения доплеровских сдвигов частоты для каждой спектральной составляющей амплитудно-модулированного колебания в виде:Given the last expression, we can write the values of Doppler frequency shifts for each spectral component of the amplitude-modulated oscillation in the form:
С учетом этого выражения для частоты каждой гармоники рассеянного излучения примет видGiven this expression, for the frequency of each harmonic of the scattered radiation takes the form
Спектр этого сигнала представлен на Фиг.2б. Разность между новой центральной частотой и новыми боковыми частотами составляет теперьThe spectrum of this signal is presented in Fig.2b. The difference between the new center frequency and the new side frequencies is now
Из этого соотношения следует, что боковые спектральные составляющие приобретают сдвиг по частоте относительно несущей частоты на одинаковую величину, а это означает, что поле рассеянного света остается строго амплитудно-модулированным колебанием, но теперь его частота модуляции будет смещена на новую доплеровскую частоту, также пропорциональную скоростиFrom this relation it follows that the lateral spectral components acquire a frequency shift with respect to the carrier frequency by the same amount, which means that the scattered light field remains a strictly amplitude-modulated oscillation, but now its modulation frequency will be shifted to a new Doppler frequency, also proportional to the speed
где Λ=2πС/Ω длина волны, соответствующая частоте модуляции.where Λ = 2πС / Ω is the wavelength corresponding to the modulation frequency.
При этом величина доплеровского сдвига не зависит от несущей частоты ω и определяется только частотой модуляции Ω.Moreover, the magnitude of the Doppler shift does not depend on the carrier frequency ω and is determined only by the modulation frequency Ω.
Теперь определим сигнал на выходе фотодетектора. Для этого, как и ранее найдем выражение для рассеянного поля. Исходя из выражений (3) и (11)-(13), получим выражения для каждой гармоники рассеянного поляNow we define the signal at the output of the photodetector. For this, as before, we find the expression for the scattered field. Based on expressions (3) and (11) - (13), we obtain the expressions for each harmonic of the scattered field
Сигнал на выходе фотодетектора, с учетом того, что фотодетектор реагирует на квадрат модуля суммарного поля, получим в видеThe signal at the output of the photodetector, given the fact that the photodetector reacts to the square of the module of the total field, we obtain in the form
Из этого выражения следует, что выходной сигнал фотодетектора содержит, во-первых, компоненты, колеблющиеся с новой частотой, смещенной на доплеровскую частоту, пропорциональную измеряемой скорости, а, во - вторых, не только первую, но и вторую гармонику этой частоты. Соответствующий спектр сигнала (19) представлен на Фиг.2в.It follows from this expression that the output signal of the photodetector contains, firstly, components oscillating with a new frequency shifted by a Doppler frequency proportional to the measured velocity, and, secondly, not only the first, but also the second harmonic of this frequency. The corresponding signal spectrum (19) is shown in FIG.
Далее предполагается использовать только первую гармонику этого сигнала, так как ее амплитуда в четыре раза превышает амплитуду второй. Операция выделения выполняется узкополосным фильтром, включенным на выходе фотоприемника. Сигнал после фильтра приобретает видFurther, it is supposed to use only the first harmonic of this signal, since its amplitude is four times the amplitude of the second. The selection operation is performed by a narrow-band filter included in the output of the photodetector. The signal after the filter takes the form
Знаки плюс или минус в этом выражении определяются направлением движения ветра или другого лоцируемого объекта.The plus or minus signs in this expression are determined by the direction of movement of the wind or other located object.
Дальнейшая обработка получаемого сигнала заключается в переносе его спектра в область нулевых частот путем умножения на квадратурные сигналы модулирующей функции, низкочастотной фильтрации результата и получении двух компонент комплексного сигнала новой доплеровской частоты ΩD=KΩFurther processing of the received signal consists in transferring its spectrum to the region of zero frequencies by multiplying the modulating function by quadrature signals, low-pass filtering the result, and obtaining two components of the complex signal of the new Doppler frequency Ω D = KΩ
Спектр этих сигналов представлен на Фиг.2г. Оценки этой новой доплеровской частоты определяют по формулеThe spectrum of these signals is presented in FIG. The estimates of this new Doppler frequency are determined by the formula
где Zn и Zn+1 - отсчеты мгновенных значений комплексного сигнала с выходов аналого-цифрового преобразователя, Т - известный период дискретизации сигнала по времени, а звездочка означает операцию комплексного сопряжения.where Z n and Z n + 1 are the samples of the instantaneous values of the complex signal from the outputs of the analog-to-digital converter, T is the known signal sampling period in time, and the asterisk means the operation of complex pairing.
Знак этой частоты определяет направление ветра. Если этот знак плюс, то вектор скорости направлен к лазеру, а если минус, то от лазера. После того, как измерена доплеровская частота, скорость ветра определяется по формулеThe sign of this frequency determines the direction of the wind. If this sign is plus, then the velocity vector is directed to the laser, and if it is minus, then from the laser. After the Doppler frequency is measured, the wind speed is determined by the formula
V=ΩDnC/2Ωм,V = Ω Dn C / 2Ω m ,
где C - скорость света, a Ωм - круговая частота модуляции.where C is the speed of light, and Ω m is the circular modulation frequency.
В отличие от обычных доплеровских систем здесь скорость ветра определяется через частоту модуляции и соответствующую ей частоту доплеровского смещения, не через несущую частоту лазера и соответствующую ей доплеровскую частоту.Unlike conventional Doppler systems, here the wind speed is determined through the modulation frequency and the corresponding frequency of the Doppler shift, not through the carrier frequency of the laser and the corresponding Doppler frequency.
Как следует из вышеизложенного анализа, предложенная конструкция некогерентного доплеровского лидара не содержит интерферометра оптических полей, что позволяет использовать любой источник света для формирования зондирующего луча. Это обстоятельство является большим преимуществом предложенной конструкции некогерентного доплеровского лидара, так как не требуется лазер с высокой когерентностью.As follows from the above analysis, the proposed design of the incoherent Doppler lidar does not contain an optical field interferometer, which allows the use of any light source for the formation of a probe beam. This circumstance is a great advantage of the proposed design of an incoherent Doppler lidar, since a laser with high coherence is not required.
В качестве примера оценим значение доплеровской частоты для случая, когда скорость исследуемого объекта составляет 100 м/с, частота модуляции Ω=2π109 Гц, а угол φ=2π.As an example, we estimate the value of the Doppler frequency for the case when the speed of the investigated object is 100 m / s, the modulation frequency is Ω = 2π10 9 Hz, and the angle is φ = 2π.
Экспериментальное подтверждение работоспособности заявляемого некогерентного доплеровского лидара. Эксперимент был выполнен с помощью действующего макета заявляемого некогерентного доплеровского лидара. Осциллограмма сигнала с его выхода, полученная при перемещении рассевающего объекта со скоростью 1 м/с, представлена на Фиг.3. Значение его частоты соответствует доплеровской частоте, которая определяется формулой (15), что подтверждает правильность предлагаемого способа оценки скорости ветра или других движущихся объектов и работоспособность предлагаемого лидара.Experimental confirmation of the health of the claimed incoherent Doppler lidar. The experiment was performed using the current layout of the inventive incoherent Doppler lidar. The waveform of the signal from its output, obtained by moving the scattering object at a speed of 1 m / s, is presented in Figure 3. The value of its frequency corresponds to the Doppler frequency, which is determined by the formula (15), which confirms the correctness of the proposed method for estimating the speed of wind or other moving objects and the operability of the proposed lidar.
Claims (4)
ΩDn=Т-1Arctg[Im(Zn*Zn+1)/Re(Zn*Zn+1)],
где Zn и Zn+1 - отсчеты мгновенных значений комплексного сигнала с выходов аналого-цифрового преобразователя, Т - известный период дискретизации сигнала по времени, звездочка означает операцию комплексного сопряжения, скорость определяют по формуле
V=ΩDnC/2Ωм,
где C - скорость света, a Ωм - круговая частота модуляции.1. A method for determining wind speed and direction, including the use of an incoherent Doppler lidar containing a laser, a transmitting telescope and receiving optics, a laser radiation modulator, a generator, a photo detector, first and second multipliers, a phase shifter, first and second low-pass filters, scattered radiation reception, detection the received radiation and converting the output signal of the photodetector into two quadrature signals of Doppler frequency, characterized in that the incoherent Doppler lidar complements they are equipped with a filter of the first harmonic of the output signal of the photodetector connected between the photodetector and the inputs of the first and second multipliers, a two-channel analog-to-digital converter electrically connected to the first and second low-pass filters, and the laser radiation modulator performs modulation of the probe laser beam by a continuous harmonic signal in field amplitude additionally filter the photodetector output signal, and the Doppler frequency is determined by the formula
Ω Dn = T -1 Arctan [Im (Z n * Z n + 1 ) / Re (Z n * Z n + 1 )],
where Z n and Z n + 1 are the samples of the instantaneous values of the complex signal from the outputs of the analog-to-digital converter, T is the known sampling period of the signal in time, an asterisk means the operation of complex conjugation, the speed is determined by the formula
V = Ω Dn C / 2Ω m ,
where C is the speed of light, and Ω m is the circular modulation frequency.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013149843/28A RU2545498C1 (en) | 2013-11-07 | 2013-11-07 | Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013149843/28A RU2545498C1 (en) | 2013-11-07 | 2013-11-07 | Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2545498C1 true RU2545498C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53295413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013149843/28A RU2545498C1 (en) | 2013-11-07 | 2013-11-07 | Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2545498C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655040C1 (en) * | 2017-08-16 | 2018-05-23 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минромторг России) | Doppler scanning lidar of an onboard basing |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2254975A (en) * | 1991-03-29 | 1992-10-21 | Raytheon Co | Apparatus and method for detecting wind direction |
| US6181412B1 (en) * | 1998-06-18 | 2001-01-30 | Agence Spatiale Europeene | Incoherent doppler laser detection and ranging system |
| RU2335786C1 (en) * | 2006-12-25 | 2008-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | Atmospheric lidar (versions) |
| RU2365942C1 (en) * | 2008-02-05 | 2009-08-27 | Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН | Way of determination of disseminating spatially distributed object speed and doppler low-coherent lidar for its realisation |
| RU2434247C1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-11-20 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН | Method of generating interference signal in doppler lidars |
| RU2011100397A (en) * | 2011-01-11 | 2012-07-20 | Учреждение Российской академии наук Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения РАН (RU) | METHOD FOR DETERMINING WIND SPEED |
| RU121379U1 (en) * | 2012-02-17 | 2012-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | DEVICE FOR REMOTE WIND SPEED MEASUREMENT |
| CN102798866A (en) * | 2012-08-14 | 2012-11-28 | 哈尔滨工业大学 | Laser radar system and compound distance-measuring and speed-measuring method adopting sine-wave amplitude modulation and phase pulse code modulation of same |
-
2013
- 2013-11-07 RU RU2013149843/28A patent/RU2545498C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2254975A (en) * | 1991-03-29 | 1992-10-21 | Raytheon Co | Apparatus and method for detecting wind direction |
| US6181412B1 (en) * | 1998-06-18 | 2001-01-30 | Agence Spatiale Europeene | Incoherent doppler laser detection and ranging system |
| RU2335786C1 (en) * | 2006-12-25 | 2008-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | Atmospheric lidar (versions) |
| RU2365942C1 (en) * | 2008-02-05 | 2009-08-27 | Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН | Way of determination of disseminating spatially distributed object speed and doppler low-coherent lidar for its realisation |
| RU2434247C1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-11-20 | Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН | Method of generating interference signal in doppler lidars |
| RU2011100397A (en) * | 2011-01-11 | 2012-07-20 | Учреждение Российской академии наук Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения РАН (RU) | METHOD FOR DETERMINING WIND SPEED |
| RU121379U1 (en) * | 2012-02-17 | 2012-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" | DEVICE FOR REMOTE WIND SPEED MEASUREMENT |
| CN102798866A (en) * | 2012-08-14 | 2012-11-28 | 哈尔滨工业大学 | Laser radar system and compound distance-measuring and speed-measuring method adopting sine-wave amplitude modulation and phase pulse code modulation of same |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655040C1 (en) * | 2017-08-16 | 2018-05-23 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минромторг России) | Doppler scanning lidar of an onboard basing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106707291B (en) | Double-frequency linear frequency modulation coherent wind lidar | |
| JP6806347B2 (en) | Optical distance measuring device and measuring method | |
| US9778362B2 (en) | Relative speed measuring doppler LiDAR | |
| JP7169642B2 (en) | Optical measuring device and measuring method | |
| JP7074311B2 (en) | Optical distance measuring device and measuring method | |
| US10436569B2 (en) | Interferometric distance measurement based on compression of chirped interferogram from cross-chirped interference | |
| JP6903743B2 (en) | How to process signals from coherent riders and related rider systems | |
| JP6935506B2 (en) | How to process signals from coherent riders to reduce noise and related rider systems | |
| CN105866795A (en) | Large dynamic wind field detection laser radar based on all fiber scanning F P interferometer | |
| WO2011150242A1 (en) | Method and apparatus for a pulsed coherent laser range finder | |
| EP3527964B1 (en) | Light angle modulation measurement apparatus and measurement method | |
| EP3408683A1 (en) | Optical phasograms for ladar vibrometry | |
| JP7291385B2 (en) | Optical measuring device and measuring method | |
| CN109031340B (en) | Continuous frequency modulation laser radar device for measuring object movement speed | |
| US20230052690A1 (en) | Optical measurement device and measurement method | |
| JP2018059789A (en) | Distance measuring apparatus and distance measuring method | |
| RU2545498C1 (en) | Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar | |
| CN109031341B (en) | Object movement speed measuring method using continuous frequency modulation laser radar device | |
| JPH0915334A (en) | Laser equipment for measuring distance | |
| JP7380382B2 (en) | range finder | |
| RU2621473C1 (en) | Device for remote measuring mutual element displacement of buildings and structures | |
| US20230131584A1 (en) | Multi-tone continuous wave detection and ranging | |
| RU2326409C1 (en) | Acoustooptical locator | |
| RU2576654C1 (en) | Radio measuring device for measuring radial velocity of object | |
| RU106371U1 (en) | DEVICE FOR MEASUREMENT OF TEMPORAL COHERENCE |