ES2272124B1 - Sistema lidar (radar laser) monoestatico realizado integramente en componentes semiconductores de potencia inferior a diez w para la medida de la posicion y densidad de aerosoles. - Google Patents
Sistema lidar (radar laser) monoestatico realizado integramente en componentes semiconductores de potencia inferior a diez w para la medida de la posicion y densidad de aerosoles. Download PDFInfo
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Abstract
Sistema Lidar (radar láser) monoestático realizado íntegramente en componentes semiconductores de potencia inferior a 10 W para la medida de la posición y densidad de aerosoles. Se presenta un prototipo para un sistema Lidar monoestático íntegramente en tecnología de estado sólido semiconductor capaz de medir la posición y densidad de los aerosoles presentes en la atmósfera. El principio de funcionamiento se basa en la transmisión codificada de señales, formadas por secuencias de bits elegidas adecuadamente, por medio de un láser semiconductor y la luz del cual es dispersada por las partículas en suspensión en el aire. El rango de distancias que puede medir este prototipo de momento se encuentra en los 5 Km. Para ello emplea un transmisor láser de semiconductor, un conjunto óptico para la emisión y recepción de la señal, un receptor basado en fotodiodo, y la electrónica de control y procesado de la información basada en los procesadores digitales de señal, que permite la configuración y elaboración de los códigos emitidos y la detección y tratamiento de la señal recibida.
Description
Sistema Lidar (radar láser) monoestático
realizado íntegramente en componentes semiconductores de potencia
inferior a 10 W para la medida de la posición y densidad de
aerosoles.
Sistema Lidar Monoestático en semiconductor de
potencia inferior a 10 W para medida de posición y densidad de
aerosoles.
Sistemas Lidar (Radar láser) de potencia
inferior a 10 W.
Los sistemas lidar realizan una extensión de las
técnicas de radar clásico en frecuencias ópticas (10^{14} -
10^{15} Hz o, en términos de longitud de onda, 0.3 a 3
micrómetros). Presentan la ventaja, frente a los sistemas de radar
de microondas, de que permiten la detección de partículas de poco
tamaño dentro del alcance del sistema, permitiendo por ello la
detección de aerosoles o en general cualquier partícula en
suspensión.
Se han analizado y propuesto algunos sistemas de
potencia inferior a 10 W basados en la emisión de secuencias
pseudoaleatorias para la medida de aerosoles (Pajo
Vujkovic-Cvijin, David E. Cooper, Jan E. van der
Laan and Russell E. Warren. Diode Laser-Based
Lidars: The Next Generation. SPIE Conference on Application of
Tunable Diode and Other Infrared Sources for Atmospheric Studies
and Industrial Processing Monitoring. Denver, Colorado, July 1999.
SPIE vol 3758. pp. 142-151. - Bernhard O. Bundschuh,
Dirk Schneider, Markus Grindel. Feasibility Study of a Compact
Low Cost Correlation LIDAR using a Pseudo Noise Modulated Diode
Laser and an APD in the Current Mode. IGARSS'96. 1996
International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Remote
Sensing for a Sustainable Future Vol 2, pp.
999-1001. - N. Takeuchi, N. Sugimoto, H. Baba.
Random modulation cw lidar. Applied Optics, vol. 22, No.9, May
1993. - N. Takeuchi, N. Sugimoto, H. Baba.
Diode-laser random-modulation cw
lidar Applied Optics, vol. 25, No.1, January 1986. - Chikao
Nagasawa, Makoto Abo, Hideki Yamamoto, Osamu Uchino. Random
modulation cw lidar using new random sequence. Applied Optics,
vol. 29, No, 10, April 1990.) y de distancias a blancos (Hyo Sang
Lee and Ravi Ramaswami. Study of Pseudo Noise CW diode laser for
ranging applications. SPIE, Vol. 1829, Cooperative Intelligent
Robotics in Space III. 1992.).
Los sistemas propuestos o desarrollados utilizan
transmisores láser de estado sólido no semiconductores, y
receptores basados en fotomultiplicadores o electrónicas de
detección por hardware, con la posibilidad de emplear secuencias
pseudoaleatorias cortas, pero sin incorporar sistemas de procesado
de señal basados en chips DSP (Digital Signal Processor). Los
sistemas en que se emplea un fotodiodo de avalancha (avalanche
photodiode, en adelante APD por sus siglas en inglés) en la
recepción electroóptica, el APD es usado en modo de conteo de
fotones.
El sistema Lidar Monoestático de Potencia
inferior a 10 W para la medida de la posición y densidad de
aerosoles en la atmósfera propuesto contiene cuatro subsistemas: Un
emisor láser semiconductor, una óptica de transmisión y recepción,
un sistema electroóptico para la detección de la señal óptica y
conversión a señal eléctrica, y un sistema electrónico de control y
procesado que emplea procesadores digitales de señal para la
generación y control de las secuencias de emisión y para la
elaboración de los perfiles de los aerosoles.
El emisor es un láser semiconductor. La parte
óptica esta compuesta por una lente de colimación del haz para el
emisor y por un telescopio que actúa como receptor de la señal
óptica. El subsistema electroóptico incluye un módulo fotodetector
basado en APD para la conversión de la señal óptica en eléctrica y
el acondicionamiento adecuado de la misma para el siguiente
subsistema. El subsistema de procesado incluye la electrónica para
la conversión analógica-digital y los procesadores
digitales de señal para la generación de las secuencias de emisión
y el procesado de la señal recibida, así como la interficie
necesaria para la conexión hacia un ordenador exterior.
Las ventajas aportadas son:
Potencia inferior a 10 W. La potencia emitida de
pico por el láser es muy inferior a los sistemas habituales de
Lidar pulsado de estado sólido, no sobrepasando en el sistema que se
presenta 1 W de potencia. Esto es posible por la cuidadosa elección
de la secuencia de emisión que permite la distribución en el tiempo
de la energía emitida.
Robustez. El sistema diseñado en estado sólido
semiconductor completamente no contiene partes especialmente
delicadas, lo que lo hacen idóneo para trabajar en condiciones muy
diversas e incluso adversas.
Flexibilidad de uso. El control de la emisión y
recepción se realiza completamente por programa, de forma que es
posible cambiar las características del sistema con gran
facilidad.
Compacto y transportable. El diseño basado en
los elementos descritos permite construir un sistema muy compacto y
ligero que facilita su transportabilidad o embarque en vehículos
terrestres, marítimos o aeroespaciales.
Bajo consumo. El empleo de un láser emisor
semiconductor proporciona un rendimiento superior a los sistemas de
láser de estado sólido, y la electrónica de procesado de alta
integración presenta también un bajo consumo.
La figura 1 muestra la estructura general del
sistema, que consta de un subsistema transmisor de señal,
constituido por el procesador de emisión y control (3), el
amplificador adaptador de niveles(4), el driver del láser
(5), el láser de estado sólido semiconductor (6), el sistema óptico
de colimación (7), la fuente de alimentación 1 (16) y el control del
driver (17), de un subsistema receptor de señal, constituido por el
telescopio receptor (9), el fotodiodo de avalancha (APD) (10), el
amplificador adaptador de niveles (11), el convertidor
analógico/digital (12), el procesador de recepción (13), la fuente
de alimentación 2 (14), la fuente de alimentación 3 (15) y de la
línea de control del amplificador adaptador de niveles (18), y de un
subsistema de control del conjunto del sistema, constituido por el
ordenador de control del sistema (1), el bus de interficie (2)
entre el ordenador de control del sistema (1) y el procesador de
emisión y control (3), el procesador de emisión y control (3) y la
interficie de DSPs (8).
La figura 2 indica la temporización del
sistema.
El conjunto transmisor está formado por un láser
de estado sólido semiconductor (6), que emite en el infrarrojo
próximo (típicamente entre 750 nm y 1600 nm de longitud de onda), de
menores dimensiones y peso que los de estado sólido no
semiconductor, controlado por el procesador de emisión y control
(3), constituido por un circuito procesador digital de señal (DSP),
para emitir una secuencia óptica codificada adecuadamente. El ancho
de banda del espectro de la luz emitida, al no ser demasiado
estrecho, evita problemas en el uso de estas longitudes de onda, en
las que existen líneas de absorción del vapor de agua presente en la
atmósfera.
Los niveles de tensión de salida del procesador
de emisión y control (3) se adaptan mediante un amplificador
adaptador de niveles (4) a los que precisa la entrada del driver del
láser de estado sólido semiconductor (5). La potencia de salida del
láser es ajustada actuando sobre los niveles de señal de salida del
driver (5) a través de la línea de conexión (17) por el procesador
de emisión y control (3) y dicha potencia de salida es monitorizada
y estabilizada por el sistema de control externo que alimenta el
láser (16).
Después de esta etapa existe un sistema óptico
de colimación (7) para reducir la divergencia del haz de salida del
láser, relativamente elevada en los de semiconductor, ya que en el
sistema descrito no resulta interesante que la divergencia sea
elevada, dado que el ancho de haz del láser ha de ser inferior al
campo de visión del telescopio receptor.
El láser se modula con una secuencia de bits
pseudoaleatoria, de longitud variable, generada con un generador de
bits pseudoaleatorios previamente y cargada desde el ordenador
externo de control del sistema (1) en el procesador de emisión y
control (3) sistema a través del bus de interficie (2). Esta
secuencia se almacena también, a través del interficie de DSPs (8),
en el procesador de recepción (13), constituido también por un
circuito procesador digital de señal (DSP), donde es empleada como
referencia respecto a la que llega del APD (10). El láser trabaja
en dos estados, conectado o desconectado (ON/OFF), emitiendo de esta
forma una secuencia óptica binaria.
La señal óptica emitida se refleja en las
partículas de aerosoles en suspensión en el aire y una parte muy
pequeña de la señal es devuelta en la dirección del emisor. La
potencia recibida de cada chip de la secuencia queda reflejada por
la ecuación clásica del Lidar:
P_{r}(t) =
P_{0}A_{T} \int^{\infty}_{0} S\left(t -
\frac{2z}{c}\right)\frac{\beta(z)}{z^{2}}e^{-2\alpha\int^{z}_{0}\alpha(x)dx}
Cada partícula en suspensión en la atmósfera se
comporta como un reflector y por tanto la señal recibida puede
entenderse como la convolución de la señal enviada y la respuesta
impulsional de la propia atmósfera, suponiendo que ésta tiene un
comportamiento que no cambia drásticamente durante el periodo de la
medida, típicamente entre segundos y minutos de duración.
La luz recibida de la atmósfera es recogida por
un telescopio que actúa como colector de luz (9) y ésta incide en
el fotodetector (10), formado por un APD (Avalanche
Photo-Diode). La corriente eléctrica del APD pasa
por un amplificador de transimpedancia y a su salida es amplificada
y convertida al nivel adecuado mediante el amplificador adaptador de
niveles (11) para que el conversor
analógico-digital (12) la digitalice correctamente.
La fuente de alimentación 3 (15) proporciona las tensiones
necesarias para el correcto funcionamiento del fotodetector (10) y
del amplificador adaptador de niveles (11). Se permite el ajuste de
la ganancia del amplificador adaptador de niveles (11) por parte
del procesador de recepción (13) a través de la línea de control
(18), para poder controlar el nivel de señal a la sali-
da de dicho amplificador adaptador de niveles y evitar la saturación de la entrada del conversor analógico-digital (12).
da de dicho amplificador adaptador de niveles y evitar la saturación de la entrada del conversor analógico-digital (12).
El procesador de recepción (13) obtiene los
datos del perfil atmosférico a partir de la señal retornada al
instrumento y recibida por la cadena constituida por el telescopio
receptor (9), el fotodetector (10) y el amplificador adaptador de
niveles (11) y el conversor analógico-digital (A/D)
(12).
El conversor analógico-digital
(A/D) (12), posee una velocidad de muestreo suficiente para
convertir correctamente la señal recibida y dispone de resolución en
bits suficiente para que el procesado sea suficientemente sensible
y pueda extraer la información buscada. Se emplea un conversor AID
con una velocidad de muestreo de 10 Megamuestras por segundo y una
resolución de 16 bits por muestra.
La fuente de alimentación 2 (14) proporciona las
tensiones de alimentación adecuadas al conversor
analógico-digital (12) y al procesador de recepción
(13).
Las muestras almacenadas en la memoria del
procesador de recepción (13) se procesan en tiempo real por este
circuito, con un algoritmo que puede ser modificado adecuadamente de
forma externa a través del interficie con el ordenador de control
del sistema (2), del procesador de emisión y control (3) y del
interficie de DSPs (8) desde el ordenador de control del sistema
(1). Un ejemplo de algoritmo empleado es el de la correlación de la
secuencia de muestras recibidas con las muestras de la señal
binaria enviada. Dicha correlación, como se demuestra
adecuadamente, permite recuperar el perfil atmosférico que ha
retornado la señal. La característica del sistema es ser
programable, lo cual permite cambiar los algoritmos que se aplican
al procesado de la señal retornada. Además el sistema puede
almacenar una secuencia retornada o utilizar el número que se desee
de ellas promediadas.
Gracias a la utilización de un procesador de
recepción (13) de alta velocidad es posible realizar todo este
proceso en un tiempo suficientemente corto de forma que a la salida
del sistema se disponga de medidas en tiempo real.
El sistema de control se encarga de tres tareas
básicas:
- 1.
- Establecer la interficie, mediante el bus de interficie (2), con el ordenador de control del sistema (1), que permite el volcado de datos o la introducción de nuevos algoritmos a través del bus de interficie (2).
- 2.
- Establecer el control de la emisión de la secuencia, monitorizando además la potencia de emisión y la ganancia del subsistema de recepción.
- 3.
- Generar el control adecuado para el procesador de recepción (13) de la señal recibida a través de la interficie de DSPs (8).
Estas tareas se encargan al procesador de
emisión y control (3), que también genera la temporización adecuada
para que las operaciones se encadenen en la secuencia adecuada como
se describe en la figura 2. De esta forma se libera al procesador de
recepción (13) de estas tareas, para que dicho procesador de
recepción (13) pueda dedicar toda su potencia de cálculo a la
ejecución de los algoritmos de tratamiento de las secuencias
recibidas.
El sistema contempla la comunicación entre el
ordenador del control del sistema (1) y el procesador de emisión y
control (3) usando el bus de interficie (2), mediante un protocolo
que permita hacer una programación del sistema desde el ordenador
de control del sistema (1) y también un posterior volcado de la
información procesada o recibida en bruto desde el procesador de
recepción (13) al ordenador de control del sistema (1), pasando por
el bus de interficie de DSPs (8) y el procesador de emisión y
control (3). A tal efecto, el procesador de emisión y control (3)
contiene un pequeño núcleo (kernel) de comunicaciones diseñado para
tal propósito.
En el diseño práctico del sistema, el generador
de la secuencia de la emisión del diodo láser y el subsistema de
control residen en el mismo procesador de emisión y control (3),
dado que tiene suficiente capacidad para realizar ambas tareas.
El sistema funciona de la siguiente manera, que
se esquematiza en la secuencia temporal de la figura 2.
En la inicialización del sistema, el proceso
(p1) carga los parámetros seleccionados para el sistema, desde el
ordenador de control del sistema (1) a través del bus de interficie
(2). Sólo es necesario realizar este paso la primera vez o cuando
se deseen variar los parámetros seleccionados para el sistema.
En un proceso (p2) el procesador de emisión y
control (3) borra la memoria del procesador de recepción (13).
A continuación, un proceso (p3) empieza a
generar secuencias continuas de bits que envía al láser emisor (6),
mientras simultáneamente empiezan a recibirse en el fotodetector
(10) y a través de toda la cadena llegan al procesador de recepción
(13), gracias al control que realiza el proceso (p4) en el
mencionado receptor.
\newpage
Terminada la recepción de las secuencias de
bits, un proceso (p5) ejecutado en el procesador de recepción (13)
se encarga de procesar los datos para extraer la información de los
perfiles de aerosoles atmosféricos.
Posteriormente a ello, un proceso adicional (p6)
envía los datos al ordenador de control del sistema (1) a través de
la interficie de DSPs (8), del procesador de emisión y control (3) y
del bus (2).
Claims (6)
1. Sistema Lidar (Radar Láser) monoestático de
potencia inferior a 10 W para la medida de la densidad y posición
de aerosoles en la atmósfera realizado íntegramente en componentes
de estado sólido semiconductor caracterizado por estar
integrado por cuatro subsistemas, a saber, un subsistema transmisor
láser para la emisión de secuencias codificadas, un subsistema
receptor electroóptico para la detección de la señal óptica y su
conversión a señal eléctrica, un subsistema de procesado para la
determinación de la posición y densidad de los aerosoles y un
subsistema de control para la sincronización de todo el sistema y
la intercomunicación externa.
2. Sistema Lidar (Radar Láser) monoestático de
potencia inferior a 10 W para la medida de la densidad y posición
de aerosoles en la atmósfera caracterizado por utilizar
diodos láser para el subsistema de transmisión.
3. Sistema Lidar (Radar Láser) monoestático de
potencia inferior a 10 W para la medida de la densidad y posición
de aerosoles en la atmósfera caracterizado por el uso de
fotodiodos de avalancha (APD por sus siglas en inglés) en el
subsistema receptor para la conversión de la señal óptica a
eléctrica.
4. Sistema Lidar (Radar Láser) monoestático de
potencia inferior a 10 W para la medida de la densidad y posición
de aerosoles en la atmósfera caracterizado porque el
subsistema de procesado emplea procesadores digitales de señal
programables.
5. Sistema Lidar (Radar Láser) monoestático de
potencia inferior a 10 W para fa medida de la densidad y posición
de aerosoles en la atmósfera caracterizado por emplear
algoritmos basados en principios de técnicas de espectro ensanchado
y modulaciones con secuencias aleatorias.
6. Sistema Lidar (Radar Láser) monoestático de
potencia inferior a 10 W para la medida de la densidad y posición
de aerosoles en la atmósfera caracterizado por emplear un
bloque de control con capacidad de sincronismo de todo el sistema y
de intercambiar datos con otros sistemas externos al propio sistema
lidar.
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