ES2311881T3 - Metodo y sistema para medir propiedades opticas de un medio que emplean tecnicas de tratamiento de comunicacion digital. - Google Patents

Abstract

Un sistema (20) para identificación química de un medio (30) que comprende: un láser (26) para generar una portadora de CW, un codificador digital (24) para formar una palabra codificada, un modulador (28) electro-óptico (EO) para modular la portadora de CW con la palabra codificada para formar una portadora de CW codificada, un medio (30) para propagar la portadora de CW codificada, y un receptor (32) configurado para detectar la portadora de CW propagada, codificada para formar una señal detectada, caracterizado el sistema por: un procesador (34) configurado para medir la tasa de error de bit (BER) de la señal detectada e identificar el medio basado en la BER medida en el que un incremento en la BER de la señal detectada identifica químicamente el medio.

Description

Método y sistema para medir propiedades ópticas de un medio que emplean técnicas de tratamiento de comunicación digital.

Campo del invento

Este invento se refiere a la detección y medición de propiedades ópticas de un medio, usando técnicas de detección y telemetría por luz (LIDAR) o técnicas de detección y telemetría por láser (LADAR). Más específicamente, este invento se refiere a la medición de propiedades ópticas de un medio usando técnicas de tratamiento de comunicación digital.

Antecedentes del invento

La detección remota activa puede ser conceptuada como la visión de radiación reflejada y/o emitida desde un cierto lugar en una o más regiones de longitud de onda.

La detección remota activa utiliza una o más fuentes de radiación (por ejemplo, infrarroja, visible, o luz ultravioleta) para iluminar un área objetivo al tiempo que se mide la radiación reflejada, dispersada y/o emitida en uno o más detectores de recepción. Tal detección remota puede ser realizada desde una plataforma móvil o desde un lugar estacionario, cada uno de los cuales puede estar espacialmente alejado del área objetivo.

Un método para realizar la detección remota activa es mirar en un área con un solo detector, al tiempo que se ilumina el área con una o más longitudes de onda de radiación. Distintas fuentes de ruido, sin embargo, pueden reducir la relación de señal a ruido (SNR) de la medición. Ejemplos de tal ruido presente típicamente en la detección remota activa incluyen la radiación de fondo solar, ruido de 1/f (es decir ruido cuya energía varía inversamente con la frecuencia), turbulencia atmosférica, y/o centelleo o escintilación, y ruido procedente de la reflectividad variable.

Así, existe una necesidad en la técnica de realizar detección remota activa, usando transmisores eficientes compactos y receptores compactos al tiempo que se mantiene una elevada relación de señal a ruido.

El documento WO-A-03040894 (fig. 4) describe la caracterización de una calidad de canal para un canal de comunicaciones entre una estación principal 102 y una estación secundaria 104 en que un diseño de datos es construido e insertado en el campo de datos de un Mensaje de Control de Internet. El canal comprende un medio físico compartido 106 tal como un cable de fibra óptica, aire, atmósfera o espacio. El mensaje elegido es uno que magnifica el efecto del estado del canal (por ejemplo distorsión de amplitud) sobre el error del divisor de bit producido por el receptor digital que descodifica símbolos (dígitos) desde la señal recibida. La estación secundaria 104 transmite una réplica de eco a la estación principal que entonces hace coincidir esta REPLY (RÉPLICA) con la REQUEST (SOLICITUD) de eco para medir el error del divisor de bit de la señal de referencia. El módulo de medición 506 recibe el error del divisor de bit desde el módulo lógico de recepción 508 y genera una estimación de calidad de señal como una función del error del divisor de bit por ejemplo como una media de una serie de mediciones de error de división de bit.

El documento US 4480190 (figs. 1 - 2) describe un analizador de gas en el que la energía infrarroja modulada por impulsos es dirigida a través de una celda de muestra que contiene una mezcla de gases que exhibe una absorción característica a longitudes de onda infrarrojas. El analizador incluye medios para interrumpir periódicamente la energía infrarroja a la frecuencia preseleccionada para codificar digitalmente la portadora de CW - la medición de absorción en función de la longitud de onda es hecha a partir de las señales determinadas por un detector que responde a la energía infrarroja a las longitudes de onda seleccionadas.

Resumen del invento

Para satisfacer esta y otras necesidades, y con vistas a sus propósitos, el presente invento crea un sistema para identificación química de un medio. El sistema incluye un láser para generar una portadora de CW, un codificador digital para formar una palabra codificada, y un modulador electro-óptico para modular la portadora de CW con la palabra codificada para formar una portadora de CW codificada. El medio proporciona un canal para propagar la portadora de CW codificada. El sistema también incluye un receptor configurado para detectar la portadora de CW propagada, codificada para formar una señal detectada, y un procesador configurado para medir la tasa de error de bit (BER) de la señal detectada e identificar el medio basado en la BER medida, en que un aumento en la BER de la señal detectada identifica químicamente el medio. El codificador digital puede estar configurado para formar al menos una palabra codificada de seudo-ruido (PN). El procesador puede medir la BER de la señal detectada basado en la palabra codificada de PN.

El sistema puede incluir un controlador de longitud de onda, acoplado a un láser en línea, para modificar una longitud de onda de la portadora de CW en línea. El medio puede incluir una línea de absorción, y un controlador de longitud de onda puede estar configurado para modificar la longitud de onda de la portadora de CW en línea explorando alrededor de la línea de absorción. El receptor puede incluir un detector de referencia para formar una señal de referencia del PN y de las palabras codificadas de PN; y el procesador puede correlacionar la señal de referencia con el PN y las palabras codificadas de PN, y proporcionar una medida del efecto de propagación a través del medio, basado en (a) correlación de la señal detectada y (b) correlación de la señal de referencia, respectivamente, con el PN y las palabras codificadas de PN.

El sistema también puede estar estructurado para consistir en un láser para generar un haz óptico, un modulador digital para modular el haz óptico para formar una portadora óptica modulada digitalmente, y un transmisor para transmitir la portadora óptica modulada digitalmente a través del medio. El sistema incluye además un receptor para detectar la portadora óptica modulada digitalmente desde el medio para formar una señal detectada, y un procesador para medir al menos una propiedad del medio basado en la señal detectada. El receptor puede incluir un primer contador de fotones para contar fotones de la portadora modulada digitalmente, recibida desde el medio, para formar la señal detectada. El receptor puede también incluir un segundo contador de fotones para contar fotones de la portadora óptica modulada digitalmente, transmitida hacia el medio, para formar una señal de referencia. El procesador puede incluir un calculador para determinar un efecto de propagación de la portadora óptica modulada digitalmente a través del medio, basado en los fotones contados por ambos contadores de fotones.

Se ha comprendido que la descripción general anterior y la siguiente descripción detallada son ejemplares, pero no restrictivas, del invento.

\vskip1.000000\baselineskip

Breve descripción del dibujo

El invento será mejor comprendido a partir de la siguiente descripción detallada leída en conexión con el dibujo adjunto. Incluidas en el dibujo hay las siguientes figuras:

La fig. 1 es un diagrama de bloques de un sistema LIDAR/LADAR digital, que muestra un transmisor láser sintonizable para transmitir una señal codificada digitalmente a través de un gas absorbente ópticamente y un receptor para recibir la señal codificada digitalmente y descodificar la señal para identificar propiedades del gas, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 2 es un gráfico de probabilidad de error de bit en función de E_{b}/N_{0} que muestra que la carga de la tasa de error de bit (BER) puede ser ajustada por elección apropiada de E_{b}/N_{0}, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 3 es un gráfico de la línea de absorción de CO2 como una función de la longitud de onda;

La fig. 4 es un diagrama de bloques de un sistema LIDAR/LADAR digital que usa una arquitectura de comunicaciones digital, incluyendo un transmisor láser de CW que transmite una longitud de onda modulada y una señal PN codificada digitalmente a través de una celda absorbente de gas, y un receptor digital para descodificar la señal recibida usando la BER como una medida directa de la absorción gaseosa en la celda, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 5 muestra una forma de onda cifrada de desfase (PSK) transmitida en la que un "1" está representado por una forma de onda senoidal y un "0" está representado por una forma de onda senoidal desfasada en 180º, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 6 ilustra una forma de onda PSK recibida, muestreada, basada en la forma de onda PSK transmitida de la fig. 5, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 7 es un gráfico de una probabilidad de error en función de E_{b}/N_{0} que muestra que la sensibilidad de detección del gas puede ser controlada eligiendo un método de codificación digital y un tipo de modulación;

La fig. 8 es un diagrama de bloques de un sistema LIDAR/LADAR digital que usa una arquitectura de comunicaciones digital, incluyendo un acumulador de error de bit para medir errores de bit entre una señal digital transmitida y una señal digital recibida, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 9 es un diagrama de bloques de otra realización de un sistema LIDAR/LADAR digital que utiliza una arquitectura de comunicaciones digital, incluyendo filtros adaptados digitales para procesar la señal digital recibida, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 10 es un diagrama de bloques más detallado de los filtros adaptados digitales de la fig. 9 de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 11 es un diagrama de bloques aún de otro sistema LIDAR/LADAR digital que usa una arquitectura de comunicaciones digital, incluyendo dos portadoras moduladas digitalmente, la primera modulada por una señal codificada PN y la segunda modulada por una señal codificada PN ortogonal (PN'), de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 12 es un diagrama de bloques que muestra el detalle de un método de tratamiento de correlación digital que es proporcionado por el sistema de la fig. 11, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 13 es un diagrama de bloques que muestra un mayor detalle de los filtros adaptados digitales de la fig. 12, de acuerdo con una realización del invento;

La fig. 14 es un gráfico de transmitancia en función de longitud de onda, que muestra un intervalo de longitud de onda ejemplar usado para variar de modo discreto la longitud de onda del láser en línea de la fig. 11, de acuerdo con la realización del invento;

La fig. 15 es un diagrama de bloques de flujo de un método de detección basado en la VER, como es ejecutado por una realización del presente invento;

La fig. 16 es un diagrama de bloques de flujo de un método de detección basado en la correlación, como es ejecutado por otra realización del presente invento;

La fig. 17 es un diagrama de bloques de aún otra realización de un sistema LIDAR/LADAR digital que usa una arquitectura de comunicaciones digital, incluyendo un detector de cómputo de fotones, de acuerdo con una realización del presente invento; y

La fig. 18 es un diagrama de bloques que muestra en mayor detalle dos detectores de fotones y filtros adaptados digitales correspondientes del sistema de la fig. 17, de acuerdo con una realización del presente invento.

\vskip1.000000\baselineskip

Descripción detallada del invento

Las comunicaciones digitales son muy diferentes de otras formas de comunicaciones (abertura de chispas, AM, FM, etc.). Estas otras formas de comunicaciones son fundamentalmente de naturaleza analógica. Aunque la FM es superior a la AM, es, sin embargo, otro método de comunicaciones analógico. Los métodos de comunicación analógica comparten todos una característica común, en la que el objetivo es preservar la "forma" de la forma de onda con tanta fidelidad como sea posible a través del enlace de comunicaciones. Todos los procesos asociados con estos sistemas analógicos pertenecen al cumplimiento de la tarea de preservar la forma de onda de la señal en su totalidad, tan fielmente como sea posible. Una diferencia entre AM y FM es el grado de fidelidad requerido para preservar la forma de onda de la señal, en presencia de interferencia exterior y ruido. Todos los conceptos tradicionales de linealidad, SNR, ancho de banda, respuesta de frecuencia, etc., son derivados de este objetivo total.

En sistemas digitales, sin embargo, la forma exacta de la forma de onda no es lo importante. El objetivo de un sistema digital es preservar el contenido de información, no los detalles de su forma de onda analógica. El contenido de información está representado en forma binaria y las formas de onda necesitan ser sólo suficientemente buenas para preservar los unos y ceros que son de interés. El diseño de un sistema de comunicaciones digital está orientado a preservar los unos y ceros y no a reproducir fielmente sus formas de onda analógicas. Esto proporciona ventajas, observadas por los inventores, que no son posibles en los sistemas de comunicación analógica y pueden ser ventajosamente usados para la detección remota activa.

Por ejemplo, un repetidor analógico es especificado en términos de ganancia, respuesta de frecuencia, linealidad y ruido. Los repetidores que son lineales sobre un gran intervalo dinámico son difíciles de conseguir. Además, los repetidores lineales inyectan un ruido adicional que degrada la señal analógica después de cada pasada a través de un repetidor. Consiguientemente, el número de etapas repetidoras útiles en un enlace de comunicaciones es limitado. Esta es una limitación básica de las comunicaciones analógicas.

En las comunicaciones digitales, sin embargo, la situación es muy diferente. Los repetidores son sustituidos con regeneradores, en los que los unos y los ceros son recuperados usando un proceso de formación de umbral binario que es inmune al ruido analógico. Además, puede aplicarse la corrección de error hacia delante (FEC) para recuperar el pequeño número de bits malos que pueden ser recibidos. Los datos digitales resultantes son a continuación retransmitidos como una nueva corriente de unos y ceros a la intensidad de señal completa y la calidad de datos completa del mensaje original. Este proceso puede ser repetido prácticamente un número ilimitado de veces sin pérdida de información útil. Este ejemplo se refiere sólo a sistemas de comunicación digitales, ya que no puede hacerse en sistemas de comunicación analógica.

Mientras los sistemas de comunicación de RF y ópticos han seguido esta evolución natural, la tecnología de detector remoto activo no lo ha hecho. De hecho, la detección remota activa es aún vista como un proceso fundamentalmente analógico, en el que el objetivo es aún preservar y medir formas de onda analógicas. Además, los LIDAR a base de láser pulsatorio son esencialmente análogos a los transmisores de radio de chispa. El único modo de mejorar tal sistema es producir una "chispa" mayor (es decir proporcionar más potencia de láser). Hay poco más que pueda hacerse, que no sean mejoras incrementales menores en los detectores, que no producen beneficios significativos.

Los inventores han descubierto que un sistema LIDAR o LADAR digital puede ser usado para identificar o medir propiedades de un medio (por ejemplo, reflexión, forma, polarización, química, biológica, y vibración). Los inventores, así, usan un sistema LIDAR o LADAR digital como un sistema de información óptica en vez de como un enlace analógico. La salida del transmisor del sistema LIDAR o LADAR, en una realización del invento, es una corriente de bits que son transmitidos a un medio exterior (por ejemplo un gas) y recuperados por un receptor LIDAR o LADAR. La manera en la que el medio exterior modifica estos bits a través de efectos de absorción, polarización, reflexión, etc., es recuperada de la secuencia de bits recibida por el subsiguiente tratamiento de datos. Esta "función de transferencia" digital es usada para identificar o medir las propiedades del medio exterior.

Muchas técnicas de tratamiento de comunicación digital diferentes pueden ser usadas para identificar y medir las propiedades ópticas de un medio. Lo siguiente es una descripción de algunas de estas técnicas de tratamiento.

Con referencia a la fig. 1, se ha mostrado un sistema LIDAR/LADAR digital designado en general como 10. El sistema 10 incluye un trasmisor 12 de láser sintonizable en longitud de onda y un receptor 16 digital. Como se ha mostrado, el transmisor de láser sintonizable en longitud de onda transmite una señal digital codificada a través de un gas absorbente ópticamente, designado como 14. La misma señal es a continuación devuelta al receptor digital que descodifica la señal codificada. La absorción gaseosa de la señal codificada da como resultado una disminución del nivel de señal o E_{b} (energía por bit), que a su vez causa un cambio en el número medio de errores de bit por segundo.

Como se explicará, en una realización del invento, la tasa de error de bit (BER) puede ser usada como una medida directa de la absorción gaseosa. Pueden usarse distintos tipos de modulación y distintos tipos de codificación para conseguir que la sensibilidad deseada de la señal transmitida afecte al gas absorbente.

La absorción gaseosa de la señal codificada, típicamente, da como resultado una disminución del nivel de señal. El precepto digital 16 mide la BER de la señal recibida en un punto en el que un pequeño cambio en el nivel de señal (E_{b}/N_{0}) da como resultado un gran cambio en la probabilidad de error de bit (P_{B}). Esto está mejor ilustrado en la
fig. 2.

Tres curvas de probabilidad de error de bit en función de E_{b}/N_{0} están mostradas en la fig. 2 para el cifrado de desfase coherente (PSK) con diferentes esquemas de codificación (N,M). M es el número de bits en un mensaje y N es el número de bits que forma una palabra codificada de los bits de mensaje M. Típicamente, N es mayor que M. El esquema de codificación es también conocido como el Código de Bose-Chaudhrui-Hocquenqem (BCH). Una curva, mostrada en la fig. 2, es para el PSK no codificado (1,1) y las otras dos curvas son para el PSK codificado (24,12) y el PSK codificado (127,92). De acuerdo del invento, la BER es ajustada por el sistema LIDAR/LADAR digital de modo que un pequeño cambio en el nivel de señal recibido E_{b}/N_{0} produce un gran cambio en la probabilidad de error de bit (P_{B}).

Por ejemplo, como se ha mostrado en la fig. 2, el sistema puede seleccionar un PSK coherente con el código (24,12) y ajustar la BER a 1/1000. Si la ganancia del tratamiento de señal del receptor es ajustada a 6 dB, un cambio muy pequeño en el nivel de señal recibida daría como resultado un cambio muy grande en la probabilidad de error de bit. Como el transmisor del sistema LIDAR/LADAR está sintonizado en longitud de onda para identificar, por ejemplo, una línea de absorción de CO2 (mostrada en la fig. 3), el nivel de señal de la señal recibida es reducido como resultado de la absorción gaseosa de CO2. De esta manera, puede identificarse el gas CO2. Otros gases pueden ser identificados de modo similar.

Como otro ejemplo, el sistema puede seleccionar un PSK coherente con el código (127,92) y ajustar la BER a 1/1000. Como puede verse en la fig. 2, usar el código (127,92) aumenta la sensibilidad de la pendiente del proceso de detección del sistema 10. Procesos de detección ejemplares del sistema 10 que usan arquitectura de comunicaciones digital están descritos a continuación con referencia a las figs. 4 a 13.

Con referencia a la fig. 4, se ha mostrado un diagrama de bloques de un sistema LIDAR/LADAR digital, que es puesto en práctica usando una arquitectura de comunicaciones digital, designada en general como 20. El sistema 20 incluye el controlador 22 de longitud de onda, el láser de CW 26, el codificador 94 de mensaje de ruido seudo-aleatorio (PN), modulador óptico 28, receptor digital 32 y el módulo 34 de BER. Como se ha mostrado, el codificador 24 de mensaje PN codifica la señal transmitida, que es usada por el receptor 32 para descodificar la señal recibida. La señal transmitida es propagada a través de (o reflejada desde) la celda 30 de absorción de gas, modificada o perturbada por la celda, y recibida por el receptor digital 32.

En una puesta en práctica, la celda 30 puede incluir, por ejemplo, una celda en un entorno de laboratorio. En otra puesta en práctica, la celda 30 puede incluir un volumen de la atmósfera, que puede o no tener un fondo de dispersión (por ejemplo, la tierra, para un sistema a la intemperie que mira hacia abajo, tal como el sistema 10 ó 20). La celda 30 puede incluir una superficie sólida (por ejemplo la tierra), objetos (por ejemplo vehículos), vegetación, productos químicos, gas/aerosol, o cualquier otro objetivo típico de detección remota activa que tiene características espectrales capaces de una medición espectral. La celda 30 puede incluir una sustancia (por ejemplo CO2) que tiene al menos una característica de absorción/reflexión, alrededor de la cual la fuente sintonizable puede ser barrida en longitud de onda (láser de CW 26 sintonizado por el controlador 22 de longitud de onda). La celda 30 puede también incluir una sustancia en agua (por ejemplo un mineral en el mar).

Como se describirá adicionalmente, el láser de CW 26 es controlado en longitud de onda y modulado digitalmente por un mensaje PN codificado (por ejemplo). La señal de salida del láser modulado en PN es transmitida a través de una celda 30 de absorción de gas. La señal modulada en PN es devuelta y recibida por el receptor digital 32, que usa el mensaje PN codificado como una referencia para descodificar la señal modulada en PN. La BER es usada como una medida directa para detectar e identificar la celda de absorción de gas. Como la longitud de onda de la señal láser está sintonizada, las mediciones de la BER detectan la línea de absorción, por ejemplo la línea de absorción de CO2 de la fig. 3. La BER cambia muy rápidamente en la línea de absorción.

El mensaje PN codificado, proporcionado por el codificador 24 PN, puede incluir M bits de mensaje codificados para formar una palabra codificada de N bits. La palabra codificada de N bits es modulada sobre una portadora óptica. En una puesta en práctica, un dispositivo electro-óptico, tal como un modulador EO 28, puede ser usado para modular la intensidad de una banda de frecuencia estrecha de un haz láser de CW, producido por el láser de CW 26.

Se apreciará que la modulación digital es un proceso por el que los símbolos digitales son transformados en formas de onda que son compatibles con las características de un canal de comunicaciones. Así, en una puesta en práctica, la presencia de un "1" en la entrada del modulador da como resultado la transmisión de una cierta clase de forma de onda (intensidad del láser en función del tiempo) y la presencia de un "0" en la entrada del modulador da como resultado la transmisión de otro tipo de forma de onda. Las formas de onda para un "1" y un "0" pueden ser representadas por un número predeterminado de muestras de tiempo equiespaciadas. Estas muestras pueden ser enviadas en secuencia al dispositivo electro-óptico para modular la intensidad de la radiación láser y afectar a la transmisión de una forma de onda de "1" o "0".

A modo de ejemplo, la fig. 5 muestra una forma de onda cifrada en desfase (PSK) transmitida, en la que un "1" está representado por una forma de onda senoidal (por ejemplo) y un "cero" está representado por una forma de onda senoidal desfasada en 180º (por ejemplo). La forma de onda de PSK transmitida como se ha mostrado en la fig. 5, representa cuatro bits de "1110".

Aunque no se ha mostrado en la fig. 4, se apreciará que el modulador EO 28 puede incluir un amplificador, tal como una amplificador de fibra dopada con Erbio. La radiación láser modulada amplificada puede ser irradiada al entorno usando ópticas de transmisión para conformar de modo apropiado su distribución espacial y determinar su dirección de desplazamiento. En una puesta en práctica puede usarse un colimador para crear un haz de radiación láser lentamente divergente. La radiación láser modulada, amplificada puede ser transmitida a través del medio de interés. La radiación láser transmitida puede ser interceptada por ópticas receptoras incluidas en el receptor digital 32.

La radiación láser recibida puede ser detectada para producir una señal de tensión en la entrada a un desmodulador (parte del receptor digital 32). El proceso de detección puede incluir fotodetección, amplificación de señal fotocorriente, y filtrado electrónico. El proceso de detección produce una señal analógica, que puede ser muestreada, y estas muestras de señal pueden ser enviadas al desmodulador. Esto está descrito en mayor detalle con respecto a las figs. 9, 10, 12 y 13.

A modo de ejemplo, la fig. 6 ilustra una forma de onda de PSK muestreada, recibida, basada en la forma de onda de PSK transmitida de la fig. 5. Como se ha mostrado, hay 20 muestras por bit. Aunque durante el muestreo de la señal recibida, E_{b}/N_{0} es ajustado solamente a 3,5 dB, el receptor 32 recupera los cuatro bits transmitidos de "1110" de la fig. 5. La recuperación del mensaje codificado PN transmitido está descrita en mayor detalle a continuación.

Con referencia a continuación a la fig. 7, está mostrado otro conjunto de curvas que representa la probabilidad de error de bit (P_{B}) como una función de E_{b}/N_{0} para distintos esquemas de descodificación de Viterbi y secuencial, usando cifrado de desfase binario coherente (BPSK) sobre un canal de comunicaciones digital. Como puede observarse (similarmente al conjunto de curvas de la fig. 2), cuando la longitud del código es incrementada (desde descodificado, k=1, a un código más largo de k=41), la sensibilidad de la BER también puede ser aumentada, seleccionando una curva con mayor pendiente. De esta manera, un cambio muy pequeño de E_{b}/N_{0} en el receptor digital puede producir un cambio muy grande en la probabilidad de error de bit. Este cambio puede ser medido por el módulo de la BER 34 del sistema 20. Así, la sensibilidad de detección por gas del receptor digital puede ser controlada seleccionando un método de codificación apropiado y un tipo de modulación apropiado.

Con referencia a continuación a la fig. 8, se ha mostrado un sistema para medir propiedades ópticas de un medio, de acuerdo con una realización del invento. El sistema, designado en general como 40, incluye una parte de transmisión y una parte de recepción. La parte de transmisión incluye el láser de CW 42, el modulador 44, el amplificador óptico 46 y ópticas de transmisión 48. La parte de recepción incluye ópticas de recepción 52 y el detector 54. Incluido tanto en la parte de recepción como en la parte de transmisión está el procesador 56. Las ópticas de transmisión trasmiten la señal de láser óptica a través del medio de propagación 50. La señal láser transmitida es transmitida a través del medio de propagación, o reflejada desde el medio de propagación, y recibida por las ópticas de recepción 52.

Como se ha mostrado en la fig. 8, el procesador 56 incluye el controlador 58 de longitud de onda para controlar la longitud de onda de salida del láser de CW 42. El procesador 56 también incluye el módulo 60 de palabra de mensaje, el módulo codificador 62 y el módulo 64 de palabra de mensaje codificada. El módulo de palabra de mensaje forma una palabra de mensaje digital compuesta por M bits de mensaje (es decir un total de M unos y ceros). Los M bits de mensaje pueden ser símbolos de mensaje procedentes de un alfabeto mayor. En una realización ejemplar, sin embargo, los bits de mensajes son binarios y están compuestos de unos y ceros. La colección de M bits de mensaje forma la palabra de mensaje, que puede ser un conjunto distribuido aleatoriamente de M unos y ceros. Los M bits de mensajes están codificados por el módulo codificador 62 para formar una palabra de código de N bits. Típicamente, N es mayor que M, pero no necesariamente. En una realización ejemplar, la palabra de mensaje codificada, emitida desde el módulo 64, puede estar formada con M=92 y N=127. Otra puesta en práctica de la palabra de mensaje codificada, por ejemplo, puede ser M=12 y N=24, como se ha mostrado en la fig. 2.

La palabra de mensaje codificada procedente del módulo 64 es enviada al modulador 44, como se ha mostrado en la fig. 8. La palabra del código de N bits es modulada sobre una portadora óptica proporcionada desde el láser de CW 42. Como ejemplo, un dispositivo electro-óptico puede ser usado para modular la intensidad de una banda de frecuencia estrecha de un haz láser emitido desde el láser de CW 42.

Por medio del modulador 44, la palabra de mensaje binario codificada es transformada en formas de onda que son compatibles con características de un canal de comunicaciones (por ejemplo, la atmósfera). Un requisito de clave, desde luego, para estas formas de onda es que sean distinguibles en las ópticas de recepción digital 52. Consiguientemente, en una puesta en práctica, la presencia de un "1" en la entrada del modulador 44 puede dar como resultado la transmisión de una cierta clase de forma de onda (intensidad del láser en función del tiempo) y la presencia de un "0" en la entrada del modulador 44 puede dar como resultado la transmisión de otro tipo de forma de onda.

Las formas de onda para un "1" y un "0" pueden estar representadas por un número de muestras de tiempo equiespaciadas. Estas muestras pueden ser enviadas en secuencia al dispositivo electro-óptico (modulador 44) para modular en intensidad la radiación láser CW y afectar a la transmisión de las formas de onda de "1" y "0". Formas de onda ejemplares para el "1" y el "0" pueden ser una onda senoidal y su onda senoidal desplazada en 180 grados. Ambas formas de onda están mostradas y descritas con referencia a la fig. 5.

Se apreciará que pueden usarse distintos formatos de modulación de acuerdo con el presente invento. Por ejemplo, pueden utilizarse formatos de modulación de cifrado de desfase binario (BPSK), y de cifrado de desplazamiento de frecuencia binario (BFSK), y cifrado de desfase diferencial (DPSK). La elección de formato de modulación depende del canal de comunicaciones a través del cual se pretende que el haz de láser CW modulado se propague. Un formato de modulación puede, por supuesto, ser mejor que otro formato de modulación. El mejor formato de modulación puede estar determinado por experimentación.

La salida de la señal de láser de CW modulada por el modulador 44 puede ser amplificada por el amplificador óptico 46. Un amplificador óptico ejemplar puede ser un amplificador de fibra dopada con Erbio. Las ópticas de transmisión 48 pueden ser usadas para conformar la radiación láser modulada, amplificada en una distribución espacial deseada y una dirección de desplazamiento deseada. Por ejemplo, en una puesta en práctica puede usarse un colimador para formar un haz lentamente divergente de radiación láser.

La radiación láser modulada, amplificada es a continuación propagada a través del medio de interés, generalmente designado como 50. El medio puede ser una celda de gas de laboratorio que contiene CO2 que tiene un coeficiente de absorción conocido para radiación láser en una longitud de onda central de la línea de absorción. Se ha mostrado una longitud de onda central ejemplar de una línea de absorción en la fig. 3 para CO2. Desde luego, pueden usarse otros gases que tienen diferentes líneas de absorción.

La radiación láser transmitida es interceptada por ópticas de recepción 52, como se ha mostrado en la fig. 8. La radiación láser en un sistema a la intemperie puede, desde luego, desplazarse a través de la atmósfera, incluyendo un medio de propagación 50, y encontrar un objetivo difícil. Después de que el objetivo difícil haya sido encontrado, la radiación láser es reflejada, propagada de nuevo a través del medio, y devuelta al sistema 40. La intensidad de haz láser recibida (o nivel de potencia) recibida por ópticas de recepción 52 depende de la longitud de onda de láser transmitida y la geometría de la medición.

La radiación láser recibida es detectada por el detector 54, que forma una salida de señal de tensión proporcional a la intensidad de láser recibida. Como se ha mostrado en la fig. 8, la salida desde el detector 54 es enviada al desmodulador 68. El desmodulador está mostrado como residiendo en el procesador 56. El proceso de detección realizado por el detector 54 puede incluir fotodetección, fotocorriente, amplificación de señal, y filtrado electrónico. La señal analógica detectada es muestreada y enviada al desmodulador 68, como se ha discutido adicionalmente con relación a las figs. 9 y 10.

El desmodulador 68 realiza la función inversa de modulador 44. El desmodulador determina, basado en la señal de entrada, si una forma de onda que representa un "1" o una forma de onda que representa un "0" es enviada a través del medio de propagación. El desmodulador hace esta determinación sobre una base de bit por bit y requiere sincronización de bit para un funcionamiento satisfactorio (sincronización entre la señal transmitida y la señal recibida es conocida en la técnica y no se ha mostrado en la fig. 8).

Después de que la palabra codificada de N bits es recogida en el procesador 56, la palabra codificada es descodificada en una palabra de mensaje recibido de M bits por el descodificador 70. El descodificador está también mostrado como residiendo en el procesador 56. Los procesos de detección, desmodulación y descodificación están descritos con más detalle con referencia a las figs. 9 y 10.

\global\parskip0.900000\baselineskip

Después de la descodificación de la palabra de mensaje recibido, la palabra de mensaje de M bits descodificada, desde el módulo 72, es enviada al acumulador 66 de error de bit. La palabra de mensaje de M bits, originalmente formada por el módulo 60 y transmitida por ópticas de transmisión 48, es también enviada al acumulador 66 de error de bit. El acumulador de error de bit compara la palabra de mensaje recibida con la palabra de mensaje transmitida, sobre una base de bit por bit, y el número de errores de bit está determinado. Los errores de bit pueden ser acumulados durante un número predeterminado de transmisiones de palabra de mensaje.

Después de que los errores de bit hayan sido acumulados, durante el número predeterminado de transmisiones de palabra de mensaje, el procesador 56, por medio del controlador 58 de longitud de onda, modifica la longitud de onda de láser del láser CW 42 con el fin de transmitir una nueva señal láser CW. La misma palabra de mensaje es codificada por el módulo 62 y usada para modular la nueva longitud de onda láser CW por medio del modulador 44. De nuevo, después de recibir y desmodular la nueva señal láser CW, los errores de bit son acumulados y comparados, sobre una base de bit por bit, por el acumulador 66 de error de bit durante el mismo número predeterminado de transmisiones de palabra de mensaje.

Este proceso puede continuar hasta que el final de una exploración de longitud de onda deseada es alcanzado. Cuando el final de la exploración de longitud de onda es alcanzado, el procesador 56 puede determinar que longitud de onda ha producido la mayor tasa de error de bit (BER), como se ha descrito previamente con relación a la fig. 2. La mayor tasa de error de bit (BER) identifica una línea de absorción del medio de propagación 50.

Con referencia ahora a la fig. 9, se ha mostrado un receptor digital ejemplar usado para la detección óptica basada en la BER. El receptor digital, generalmente designado como 80, muestra en mayor detalle, distintos módulos de tratamiento del procesador 56 (fig. 8). Como se ha mostrado en la fig. 9, la señal de datos detectada (emitida desde el detector 54) incluye una componente de señal y una componente de ruido recibidas por el módulo 82. La señal de datos detectada es muestreada como una tasa de 1/Ts, donde Ts es la duración de muestreo de las formas de onda de señal transmitida/recibida. Como se ha descrito previamente, las formas de onda "1" y "0" (forma de onda S1 y forma de onda S2, en general) son enviadas al modulador 44 para modular la señal láser CW.

El muestreo es realizado por el interruptor 84 a una tasa de muestreo de 1/Ts. Como se ha mostrado en la fig. 9, la señal de datos muestreada, r(k), es enviada simultáneamente al filtro adaptado digital 86 y al filtro adaptado digital 88. Suponiendo que el número de muestras por cada bit es Q, entonces pueden ser leídas Q muestras en de cada filtro adaptado digital (DMF) 86 y 88. Después de que hayan sido leídas Q muestras en cada DMF, las salidas de los DMF 86 y DMF 88 pueden ser comparadas por el módulo 90, como se ha mostrado.

Si la salida de DMF 86, adaptada a la forma de onda S1, es mayor que la salida de DMF 88, entonces se presume que se ha enviado/recibido un "1". Si la salida de DMF 88, adaptada a la forma de onda S2, es mayor que la salida de DMF 86, sin embargo, entonces se presume que se ha enviado/recibido un "0". El conmutador 92 es cerrado momentáneamente a una tasa de muestreo de 1/T_{b1} dónde T_{b} es la duración de bit. Después de que haya transcurrido cada una de las duraciones de bit de T_{b}, el módulo 94 forma una decisión 1/0. La decisión 1/0 es realizada sobre una base de bit por bit.

Aunque no se ha mostrado en la fig. 9, se apreciará que el receptor digital 80 puede primero conseguir la sincronización de señal por correlación/detección de una palabra de sincronización. Esta palabra de sincronización puede ser una palabra PN de máxima longitud, de preámbulo, que precede a la palabra de mensaje de M bits o a la palabra de mensaje codificada de N bits. La nueva sincronización debe ser realizada para cada cambio de longitud de onda de radiación láser afectada por el controlador 58 de longitud de onda (fig. 8). Así, para cada longitud de onda de radiación láser, transmitida a través del medio de interés, la forma de onda enviada realmente incluye una palabra de sincronización que va seguida por un número predeterminado de palabras de mensaje.

Cada decisión 1/0 es tomada después de la duración de bit T_{b} (T_{b}=Q*Ts, donde Q es el número de muestras por bit y Ts es la duración de muestra). Esto continua hasta que todos los N bits han sido determinados. Hay que recordar que hay N bits para cada palabra de mensaje codificada. El mensaje codificado es reconstruido por el módulo 98, sobre una base de bit por bit, ya que el interruptor 96 muestrea cada bit. Después de que se hayan reconstruido N bits por el módulo 98, el mensaje codificado de N bits está presente en el módulo 98.

El mensaje codificado de N bits es descodificado por el módulo de descodificación 102 en M bits de mensaje. Después de la descodificación por el módulo 102, los M bits de mensaje son almacenados en el módulo 106. Los conmutadores 100, 104 y 108 son cerrados momentáneamente a una tasa de muestreo de 1/Tw, dónde Tw es una duración de palabra codificada, también definida como N*Q*Ts. La palabra de mensaje recibida, descodificada es almacenada en el módulo 106. Esta palabra de mensaje recibida es comparada con la palabra de mensaje transmitida del módulo 110 por el módulo 112 de detección de error. La comparación puede ser realizada sobre una base de bit por bit, de modo que cada error de bit puede ser contado.

El proceso de comparar y detectar errores de bit por el módulo 112 puede ser continuado durante un número predeterminado de palabras de mensaje. Después de que el número predeterminado de palabras de mensaje ha sido comparado, el procesador 56 (mostrado en la fig. 8), por medio del controlador 58 de longitud de onda, modifica la salida de longitud de onda del láser CW 42. Este proceso puede ser continuado hasta que se haya alcanzado el final de la exploración de longitud de onda de láser.

Se apreciará que los conmutadores de muestreo 84, 92, 96, 100, 104 y 108 (así como otros conmutadores de muestreo mostrados en las figs. 10, 12, 13 y 18) pueden ser conmutadores digitales controlados por el procesador 56, por ejemplo.

\global\parskip1.000000\baselineskip

Los filtros adaptados digitales (86 y 88) de la fig. 9 están mostrados en mayor detalle en la fig. 10. Como se ha mostrado, el procesador 80 incluye el registro de desplazamiento 126 y el registro de desplazamiento 128. Cada registro de desplazamiento es combinado con coeficientes de ponderación que son adaptados a las formas de onda de modulación de entrada S_{1} o S_{2}. Los coeficientes de ponderación adaptados a las formas de onda S_{1} son C_{0}, C_{1}, ... C_{Q=1}, generalmente designados como 130a, 130b y 130n, respectivamente. Similarmente, los coeficientes de ponderación adaptados a la forma de onda S_{2} son C_{0}, C_{1}, ... C_{Q=1}, designados generalmente como 132a, 132b y 132n, respectivamente.

Los contenidos del registro de desplazamiento 126 y del registro de desplazamiento 128 son multiplicados por sus coeficientes de ponderación respectivos, y a continuación sumados juntos, respectivamente, por los sumadores 134 y 136 para formar salidas separadas Z_{1}(k) y Z_{2}(k). Las salidas separadas Z_{1}(k) y Z_{2}(k) del filtro adaptado digital 86 y del filtro adaptado digital 88 son comparadas después de que hayan sido leídas Q muestras. La entrada al comparador 90 es proporcionada por medio de conmutadores de muestreo 138 y 140. La señal de salida mayor del filtro adaptado digital 86 o del filtro adaptado digital 88 se presume que indica que forma de onda fue transmitida. Después de que hayan sido leídas Q muestras, si por ejemplo, fue transmitida S_{1}, la salida del filtro adaptado digital 86 adaptada a S_{1} corresponde a una correlación de pico entre la señal recibida y una réplica de S_{1}. Si por ejemplo, fue transmitida S_{2}, la salida del filtro adaptado digital 88 adaptada a S_{2} corresponde a una correlación de pico entre la señal recibida y una réplica de S_{2}.

Se apreciará que la relación de señal a ruido de un filtrado adaptado digital es óptima cuando está adaptada a una señal que pasa a través de un sistema lineal y corrompido por el ruido Gaussiano blanco aditivo. La fig. 10 puede también ser mejor comprendida por el siguiente conjunto de ecuaciones correspondiente a partes de la arquitectura de filtro adaptado digital:

100

101

Otra realización ejemplar del invento está mostrada en la fig. 11. Como se ha mostrado, el sistema 150 proporciona la medición de propiedades ópticas de un medio. El sistema 150 incluye una parte de transmisión y una parte de recepción. La parte de transmisión puede incluir un controlador 152 de longitud de onda, un láser 156 (DFB) de realimentación distribuido en línea, un módulo 154 de palabras de sincronismo y de datos PN, un modulador 158, un láser 160 fuera de línea DFB, un modulador 162, un módulo 164 de palabras de sincronismo y de datos PN', un combinador 166, un amplificador de fibra 168 y un acoplador 170. La parte de recepción puede incluir un detector de ciencia 176, un detector de referencia 172, y un receptor digital 178. El procesador 180 puede estar incluido tanto en la parte de recepción como en la parte de transmisión. La salida del acoplador 170 puede ser transmitida a través del medio de propagación 174 y recibida por el detector de ciencia 176.

El controlador 152 de longitud de onda puede variar la longitud de onda de salida del láser 156 en línea DFB sobre un margen de longitudes de onda. En una puesta en práctica consistente con los principios del invento, el láser 156 en línea DFB puede estar configurado para explorar (o barrer) la longitud de onda de salida sobre un margen de longitudes de onda, como se ha mostrado en la fig. 14. Es decir, el láser 156 en línea DFB puede emitir longitudes de onda discretas secuencialmente dentro del margen de barrido, como se ha mostrado, durante un período predeterminado (o la inversa de la frecuencia de barrido). Una frecuencia de barrido ejemplar puede ser de aproximadamente 10 Hz, aunque esto es simplemente un ejemplo y pueden emplearse otras frecuencias de barrido.

El controlador 152 de longitud de onda puede estar configurado para controlar la longitud de onda producida por el láser 156 en línea DFB sintonizable, por ejemplo, variando la corriente que excita al láser sintonizable 156, o variando la temperatura del láser sintonizable 156. A su vez, el controlador 152 de longitud de onda puede recibir señales de realimentación desde el láser 156 en línea sintonizable para ayudar en el barrido del láser. Las longitudes de onda de la radiación emitida pueden caer en el ultravioleta, visible, infrarrojo de longitud de onda corta (SWIR), infrarrojo de longitud de onda media (MWIR), infrarrojo de longitud de onda larga (LWIR), o cualquier otra región electromagnética adecuada para activar la detección remota. Unas ópticas (no mostradas) pueden estar configuradas para dirigir la radiación emitida al modulador 158.

El funcionamiento del sistema 150 puede ser adicionalmente descrito con respecto a la fig. 14. La figura es un gráfico de transmitancia en función de la longitud de onda para un material de muestra ejemplar que tiene una característica espectral de interés. En algunas puestas en práctica, la característica espectral de interés puede ser una línea de absorción, tal como una longitud de onda de absorción central \lambda_{A}. El controlador 152 de longitud de onda puede hacer que la longitud de onda de salida del láser 156 para varíe a lo largo del margen de longitud de onda \lambda_{SWEEP} en alguna frecuencia de barrido. El margen de longitud de onda de \lambda_{SWEEP} puede incluir la característica espectral entera de interés y puede extenderse a longitudes de onda en cualquier lado de la característica espectral de interés (o puede sólo extenderse lo bastante lejos en longitud de onda para incluir la característica espectral de interés). Los expertos en la técnica de detección remota comprenderán cómo bastante más allá de la región espectral ocupada por la característica espectral de interés puede extenderse el margen de longitud de onda \lambda_{SWEEP}.

Aún con referencia a la fig. 11, el modulador 158 puede incluir un modulador electro-óptico (EO) configurado para impartir modulación a la salida del láser en línea 156. La modulación puede ser palabras de mensaje digital proporcionadas por el módulo 154. Continuando con la descripción, el láser 160 de fuera de línea DFB puede proporcionar una longitud de onda de salida fijada, tal como \lambdaREFERENCE, como se ha mostrado en la fig. 14. El modulador 162 puede modular la salida de la longitud de onda fijada PROCEDENTE Del láser 160 DE fuera de línea usando palabras de mensaje digital formadas por el módulo 164. Estas palabras de mensaje digital proporcionadas por los módulos 154 y 164 serán explicadas en mayor detalle posteriormente.

La señal modulada en línea y la señal modulada fuera de línea pueden ser combinadas por un combinador 166. La señal óptica combinada puede ser amplificada por el amplificador de fibra 168 y hecha pasar a través del acoplador óptico 170. Una fracción pequeña de la señal neta puede ser separada para el detector de referencia 172. El detector de referencia puede incluir un fotodetector, un amplificador y un filtro electrónico. La señal de referencia resultante puede a continuación ser encaminada al receptor digital 178 y al procesador 180.

La parte restante de la señal óptica neta puede ser irradiada a través de las ópticas de transmisión (no mostradas) y al medio de propagación 174. La señal óptica neta atraviesa el medio de propagación, donde puede sufrir varias transformaciones. Primero, las partes en línea y fuera de línea del haz pueden ser moduladas en amplitud en una forma aleatoria por turbulencia, reflectividad del objetivo dependiente del tiempo, efectos de moteado, efectos de desalineación por vibración, etc. Debido a que las longitudes de onda en línea y fuera de línea son casi idénticas, estos efectos de ruido pueden ser superpuestos en ganancia fraccional casi igual sobre las componentes en línea y fuera de línea del haz de láser que propaga neto. En segundo lugar, tanto el haz en línea como el de fuera de línea pueden sufrir las mismas pérdidas fraccionales debido a efectos radiométricos (pérdidas de espacio debido a la propagación). En tercer lugar, y más importante, la componente en línea del haz puede sufrir más absorción debido a la presencia de un gas de interés, que el componente de fuera de línea del haz.

El haz de láser compuesto puede ser recogido, después de pasar a través del medio de propagación 174 por ópticas de recepción (no mostradas) y encaminado al detector de ciencia 176. El detector de ciencia puede incluir un fotodetector, un amplificador y un filtro electrónico para producir una señal de tensión analógica encaminada al receptor digital 178. El receptor digital puede simultáneamente muestrear cada señal desde el detector de ciencia y el detector de referencia a una tasa igual a la tasa de muestreo de las palabras de mensaje digital transmitidas.

Después de que se haya terminado la sincronización, usando cada palabra de sincronización desde los módulos 154 y 164, el receptor digital 178 puede funcionar sobre la secuencia de palabras de datos producida por los módulos 154 y 164. El procesador 180 puede también funcionar sobre la secuencia de palabras de datos, una palabra cada vez, para extraer una medición de la transmisión relativa de los componentes de señal en línea y fuera de línea de la radiación láser recibida. Estas operaciones son descritas en mayor detalle con respecto a las figs. 12 y 13. Como se explicará, la transmisión relativa puede ser expresada como una relación del pico de correlación en línea del detector de ciencia y del pico de correlación fuera de línea del detector de ciencia, normalizada por la misma relación extraída del canal detector de referencia.

Este proceso puede ser continuado durante un número predeterminado de palabras de datos, después de lo cual el controlador de longitud de onda puede modificar la salida de longitud de onda por el láser 156 en línea. El proceso puede ser continuado hasta que el final de la exploración (barrido) de longitud de onda del láser haya sido alcanzado. Se apreciará que la nueva sincronización, usando una palabra de sincronización proporcionada desde el módulo 154 y otra palabra de sincronización proporcionadas desde el módulo 164, puede ser proporcionada para cada salida de longitud de onda discreta por el láser en línea 156.

Las palabras de mensaje digitales, seleccionadas por el módulo 154 y el módulo 164 para las longitudes de onda de láser en línea y fuera de línea, respectivamente, serán explicadas a continuación. El mensaje digital en línea puede incluir una palabra de sincronización de preámbulo, seguida por un número predeterminado de palabras de datos idénticas. La palabra de sincronización y las palabras de datos pueden ser palabras de código de seudo ruido (PN), de máxima longitud. Cada palabra de código de PN puede incluir un número predeterminado de bits. El mensaje digital fuera de línea puede incluir la misma palabra de sincronización, seguida por un número predeterminado de palabras de código PN' de longitud máxima idéntica (PN' es ortogonal a PN; PN' está mostrado en las figs. 11 a 13 como PN con una barra en la parte superior). Las palabras de código de máxima longitud en línea y fuera de línea, pueden ser hechas ortogonales entre sí, formando la palabra de código fuera de línea, PN', a partir de una versión desplazada cíclicamente de la palabra de código en línea, PN.

\newpage

Como se ha descrito previamente con respecto a la fig. 8, la modulación digital por medio de moduladores 158 y 162 es un proceso en el que los símbolos digitales (1/0) son transformados en formas de onda que son compatibles con las características de un canal de comunicaciones. Como ejemplo, el canal de comunicaciones puede ser la atmósfera, un canal bajo el agua, o una celda de laboratorio. En una puesta en práctica, la presencia de un "1" en la entrada del modulador da como resultado una forma de onda que varía la intensidad del láser en función del tiempo, y la presencia de un "0" en la entrada del modulador da como resultado una transmisión de otro tipo de forma de onda que varía la intensidad del láser en función del tiempo. La forma de onda para un "1" o un "0" puede ser representada por un número predeterminado de muestras de tiempo equiespaciadas. Estas muestras pueden ser enviadas en secuencia a cada modulador para modular la intensidad de la radiación láser y afectar a transmisión de una forma de onda de un "1" o un "0".

El receptor y el procesador digitales de la fig. 11 serán descritos a continuación en mayor detalle con referencia a las figs. 12 y 13. Con referencia en primer lugar a la fig. 12, el sistema 200 incluye el detector de ciencia 176 y el detector de referencia 172. La salida del detector de ciencia 176 es conmutada por medio del conmutador 202 al filtro adaptado digital 206 y al filtro adaptado digital 208. Similarmente, la salida del detector de referencia 172 es conmutada por medio del conmutador 204 al filtro adaptado digital 210 y al filtro adoptado digital 212.

Los filtros adaptados digitales 206 y 210 están adaptados a la forma de onda de PN. Los filtros adaptados digitales 208 y 212 están adaptados a la forma de onda ortogonal de PN'. PN es una palabra de señal en línea y PN' es la palabra de señal fuera de línea. PN y PN' pueden ser palabras de código PN, ortogonales de máxima longitud.

Como se ha mostrado en la fig. 12, las señales de palabra de datos de ciencia y de referencia detectadas pueden ser muestreadas simultáneamente, por medio de conmutadores 202 y 204, respectivamente, a una tasa de 1/T_{S} donde T_{S} es la duración de muestreo de la forma de onda de la señal trasmitida. Como se ha descrito previamente, suponiendo que el número de muestras por forma de onda de bit es Q y el número de bits por palabra de datos PN es P, entonces son leídas Q*P muestras en cada filtro adaptado digital (DMF). después de que hayan sido leídas las Q*P muestras en cada DMF (206, 208, 210 y 212), la salida de cada DMF es muestreada. Para el canal de ciencia, la salida S del DMF, adaptado a PN, es una medida del efecto de propagación a través de un medio de interés sobre la componente de señal en línea. La salida S' del DMF, adaptado a PN', es una medida del efecto de propagación a través del medio de interés sobre la componente de señal fuera de línea. Similarmente, para el canal de referencia, la salida R del DMF, adaptado a PN, es una medida de la potencia de señal en línea trasmitida. La salida R' (mostrada en las figs. 12 y 13 como R con una barra en la parte superior) del DMF, adaptado a PN', es una medida de la potencia de señal fuera de línea transmitida.

Las salidas de S, S', R, R' son formadas, como se ha mostrado, después de que se hayan leído Q*P muestras en cada DMF. El muestreo es realizado, por medio de conmutadores 214, 216, 218 y 220. Cada uno de estos conmutadores puede ser cerrado momentáneamente a una tasa de muestreo de 1/Tw dónde Tw es la duración de palabra codificada.

Como se ha mostrado, el módulo 222 forma una relación de S a S' (mostrada en las figs. 12 y 13 como S con una barra en la parte superior). El módulo 224 forma una relación de R a R'. El módulo 226 forma un producto de potencia normalizado de cada palabra de datos que es igual al valor medido de la transmisión relativa de las componentes de haz láser en línea y fuera de línea. Ha de observarse que el producto de potencia normalizado es formado multiplicando la salida desde el módulo 222 con la inversa de la salida desde el módulo 224.

El módulo de medición 230 puede medir el producto de potencia normalizado proporcionado desde el módulo 226 por medio del conmutador de muestreo 228. Se apreciará que la medición puede ser realizada para cada palabra de datos, o puede ser promediada sobre un número de palabras de datos predeterminado para determinar una transmisión atmosférica relativa media.

En una puesta en práctica, el módulo de medición 230 puede procesar los datos para encontrar un único valor de transmisión relativo formando una relación después de sumar las salidas de los DMF para el número predeterminado de palabras de datos. Esto puede mostrarse matemáticamente como sigue:

1

donde \tau es el único valor de transmisión relativo, y

NDATA es el número predeterminado de palabras de datos procesadas por longitud de onda.

Las mediciones pueden ser continuadas para el número predeterminado de palabras de datos, después de lo cual la longitud de onda del láser 156 en línea puede ser cambiada. Otra medición puede ser tomada para el número predeterminado de palabras de datos. Este proceso puede ser continuado hasta que se haya alcanzado el final de la exploración. Se apreciará que después de cada cambio de longitud de onda, el sistema puede necesitar ser vuelto a sincronizar proporcionando nuevas palabras de sincronización, por medio de módulos 154 y 164, respectivamente, de la fig. 11.

Los filtros adaptados digitales de la fig. 12 están mostrados en mayor detalle en la fig. 13. Como se ha mostrado, el DMF 206 incluye un registro de desplazamiento 306 combinado con coeficientes de ponderación C_{0}, C_{1}, ...C_{N-1}, respectivamente designados como 314a, 314b y 314n. Los contenidos del registro de desplazamiento son multiplicados por los coeficientes de ponderación, y sumados juntos por el sumador 322 para formar una salida. La longitud del registro de desplazamiento 306 puede ser Q*P, donde P es el número de bits por palabra de código PN, y Q es el número de muestras por bit.

La salida del sumador 322 puede ser muestreada, después de que una palabra de datos PN completa (es decir Q*P muestras) haya sido leída. El muestreo puede ser realizado por el conmutador 214, que puede ser cerrado momentáneamente después de que las muestras para la palabra de datos hayan sido leídas. La salida S desde el conmutador 214 puede ser colocada en el módulo 338.

De una manera similar, el DMF 208 incluye el registro de desplazamiento 308 combinado con coeficientes de ponderación que están designados como 316a, 316b y 316n. Los contenidos del registro de desplazamiento son multiplicados por estos coeficientes de ponderación, sumados juntos por el sumador 324, y emitidos por medio del conmutador de muestreo 216 para formar S' (mostrado como S con una barra en la parte superior) en el módulo 340. Similarmente, el DMF 210 incluye el registro de desplazamiento 310 combinado con los coeficientes de ponderación que están designados como 318a, 318b y 318n. Las salidas del registro de desplazamiento 310 son multiplicadas por estos coeficientes de ponderación, y sumadas juntas por el sumador 326 para formar la salida R en el módulo 342, por medio del conmutador de muestreo 218. Por último, el DMF 212 incluye el registro de desplazamiento 312 combinado con coeficientes de ponderación que están designados como 320a, 320b y 320n. Después de la multiplicación, el sumador 328, por medio del conmutador de muestreo 220, proporciona la salida R' (mostrada como R con una barra en la parte superior) para colocación en el módulo 344.

La fig. 13 puede ser también comprendida por referencia a las siguientes ecuaciones:

102

Se apreciará que la aproximación de filtro adaptado mostrada en la fig. 13 usando un mensaje de palabra de código PN entera puede ser suficientemente robusta para conseguir un buen rendimiento en una atmósfera turbulenta. Se apreciar al además que la relación de señal a ruido de un filtro adaptado digital puede ser óptima cuando está adaptado a una señal que pasa a través de un sistema lineal y corrompida por ruido Gaussiano blanco aditivo.

Con referencia ahora a la fig. 15, se ha mostrado un diagrama de flujo de un método de detección basado en la BER. El método, generalmente designado como 400, será descrito a continuación, en conexión con la fig. 8 previamente descrita. El método comienza en la operación 402 y ajusta una longitud de onda de radiación láser para el láser CW 42. La operación 404, por medio del procesador 56, forma una palabra de mensaje. La palabra de mensaje es codificada por el codificador 62 en la operación 406. A continuación, la operación 408 modula la palabra de mensaje codificado desde el módulo 64 sobre la salida del láser CW 42. La portadora óptica modulada es amplificada en la operación 410, por medio del amplificador óptico 46.

El método continúa en la operación 412, e irradia la portadora óptica modulada al entorno (la atmósfera, por ejemplo). La radiación es realizada por ópticas de transmisión 48 a través del medio de propagación 50. La operación 414 recibe la portadora óptica modulada por medio de ópticas de recepción 52, después de que sea reflejada desde el medio, o propagada a través del mismo.

El método 400 a continuación, por medio de la operación 416, detecta la portadora óptica modulada para formar una señal analógica. La operación 418 muestrea a continuación la señal analógica. La detección y muestreo son realizados por ejemplo por medio de ópticas de recepción 52 y del detector 54.

El método a continuación desmodula la señal analógica muestreada por medio de la operación 420. La desmodulación puede ser realizada por el procesador 56 usando, por ejemplo, filtros adaptados digitales 86 y 88 (fig. 9). La operación 422 descodifica la señal analógica muestreada para formar una palabra de mensaje descodificada. Esta operación puede ser realizada por el descodificador 70. Realizando la operación 424, el método 400 compara la palabra de mensaje descodificada con la palabra de mensaje transmitida sobre una base bit por bit. Esta operación puede ser realizada, por ejemplo, por el acumulador 66 de error de bit al comparar la palabra de mensaje recibida situada en el módulo 72 con la palabra de mensaje transmitida situada en el módulo 60. Los errores de bit pueden ser acumulados para un número predeterminado de palabras de mensaje en la operación 426. Como se ha descrito previamente, cada palabra de mensaje puede ser idéntica a cualquier otra palabra de mensaje durante la transmisión.

El método 400 se deriva a la operación 428 y vuelve al inicio del método, con el fin de aumentar la longitud de onda de radiación del láser, por medio del controlador 58 de longitud de onda. Esta longitud de onda aumentada puede ser, por ejemplo, como se ha mostrado en la fig. 14, una de las longitudes de onda discretas de \lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3}, etc., hasta el final de la exploración de la longitud de onda designada como \lambda_{N}. El método 400 repite a continuación las operaciones 402 a 428. Si el final de la exploración de la longitud de onda es alcanzado (por ejemplo, \lambda_{N} ha sido irradiada, recibida, detectada y acumulada como errores de bits), entonces el método se detiene.

Con referencia a continuación a la fig. 16, se ha mostrado un diagrama de flujo de un método para detectar propiedades de un medio de interés usando un sistema basado en la correlación. El método, generalmente designado como 500, será ahora descrito en conexión con el sistema previamente descrito con referencia a la fig. 11. El método 500 comienza en la operación 502 y ajusta la longitud de onda de radiación del láser en línea a un valor predeterminado para formar una primera señal óptica. Esta primera señal óptica puede ser, por ejemplo, cualquiera de las longitudes de onda discretas mostradas en la fig. 14.

De manera similar la operación 502 ajusta la longitud de onda de radiación láser fuera de línea a un valor fijo predeterminado para formar una segunda señal óptica. La segunda señal óptica puede ser, por ejemplo, la longitud de onda \lambda_{REFERENCE} mostrada en la fig. 14. Como se ha descrito previamente con respecto a la fig. 11, la longitud de onda de radiación láser en línea es ajustada por medio del controlador 152 de longitud de onda y la longitud de onda de radiación láser fuera de línea es fijada como un valor predeterminado en el láser fuera de línea 160. Se comprenderá que el láser en línea 156 y el láser fuera de línea 160 emiten cada uno una señal portadora CW.

La operación 504 forma un primer mensaje de datos PN por medio del módulo 154 y forma un segundo mensaje de datos PN (PN') por medio del módulo 164. La operación 506 modula el primer y segundo mensajes de datos PN sobre la primera y segunda señales ópticas, respectivamente. Estas modulaciones pueden ser realizadas por moduladores 158 y 162. El método 500 a continuación, por medio de la operación 508, combina, amplifica y transmite las primera y segunda señales ópticas moduladas como una portadora óptica modulada neta. La operación 506 puede ser puesta en práctica por medio del combinador 166 y del amplificador de fibra 168.

La operación 510 muestrea la portadora óptica modulada neta usando el detector de referencia 172, por ejemplo, para formar una señal analógica de referencia para el receptor digital 178. La mayor parte de la portadora óptica modulada neta, sin embargo, es propagada en el medio de interés, por medio de la operación 512.

La operación 514 recibe la portadora óptica modulada neta. La operación 516 detecta y muestrea la portadora óptica modulada neta para formar una señal analógica recibida. Estas operaciones pueden ser realizadas por medio del detector de ciencia 176. El método 500, usando la operación 518, correlaciona a continuación la señal analógica recibida con el primer y segundo mensajes de datos PN (mensaje de datos PN y mensaje de datos PN') para formar las componentes de la señal recibida en línea y fuera de línea. El método 500 correlaciona también la señal analógica de referencia con el primer y segundo mensajes de datos PN (mensaje de datos PN y mensaje de datos PN'), en la operación 520, para formar las componentes de señal de referencia en línea y fuera de línea. Estas operaciones pueden ser realizadas por medio del receptor digital 178 y del procesador 180. El receptor digital muestrea tanto las señales del detector de ciencia como del de referencia simultáneamente, a una tasa igual a la tasa de muestreo de los mensajes digitales transmitidos.

La operación 522 forma a continuación una relación de las componentes de señal recibida en línea y fuera de línea, y forma otra relación de las componentes de señal de referencia en línea y fuera de línea. La formación de estas relaciones está mostrada, por ejemplo, en la fig. 12, después de que estas relaciones hayan sido situadas en el módulo 222 y en el módulo 224. El método 500 forma a continuación un producto normalizado de potencia, por medio de la operación 524. Un ejemplo de un producto normalizado de potencia está mostrado en la fig. 12, después de que este producto haya sido situado en el módulo 226.

En una puesta en práctica, como se ha mostrado en la fig. 16, el método 500 promedia el producto normalizado de potencia sobre un número predeterminado de palabra de mensaje de datos, por medio de la operación 526. El método, por medio de la operación 528, vuelve al inicio y aumenta la longitud de onda de radiación láser en línea, como se ha descrito previamente. Si es alcanzado el final de la exploración de la longitud de onda, el método 500 se detiene.

Como se ha descrito previamente, la longitud de onda de radiación láser en línea es ajustada a algún valor de inicio deseado, por ejemplo, \lambda_{1}, de la fig. 14. Esta longitud de onda puede ser barrida discretamente a través de una línea de absorción de interés. Tales longitudes de onda de interés están mostradas, por ejemplo, como \lambda_{1}, \lambda_{2}, etc., hasta el final de la exploración de \lambda_{N}, un ciclo de operaciones 502 a 528 puede ser realizado para cada longitud de onda discreta en la exploración.

Las figuras antes mencionadas han mostrado distintas aproximaciones para detectar, identificar, y medir propiedades ópticas de un medio de interés usando arquitecturas de comunicación. Estas arquitecturas de comunicación (por ejemplo el sistema 10, el sistema 20, el sistema 40, y el sistema 150) pueden ser configuradas usando láser que generan haces de láser continuo, o portadoras ópticos CW. Estos haces CW, reflejados desde el medio de interés, pueden ser detectados por cada una de estas arquitecturas. Debido al tratamiento digital, como se ha ejemplificado por estas arquitecturas, el haz devuelto proporciona ventajosamente una relación de señal a ruido muy necesaria. Además, pueden usarse láser de fibra pequeños, de baja potencia, de poco peso, continuos. Las ópticas del sistema son ventajosamente simples, efectivas de coste, y no críticas. Además, el receptor y transmisor pueden ser configurados dentro de un pequeño sistema integrado.

La relación en línea/fuera de línea, puesta en práctica por el sistema 150 (fig. 11), no está dominada por la turbulencia o ruido de moteado o pixelado (speckle). Como es conocido por los expertos en la técnica, la turbulencia de aire provoca ruido. La densidad de los gases y la atmósfera en cualquier posición dada cambia como una función de temperatura, variación de presión, velocidad del viento, remolinos y cortes provocados por los vientos. La turbulencia provoca cambios en el índice de refracción de la luz en el aire. Tales cambios del índice de refracción provocan efectos de interferencia que cambian como una función de tiempo. Estos cambios son conocidos como efectos de moteado, o moteado de centelleo.

El moteado puede también ocurrir cuando la luz coherente (luz láser) se refleja fuera de una superficie. El diseño de moteado es determinado por la rugosidad de la superficie y el diámetro del transmisor. Las zonas reflectantes de la superficie reflejan de nuevo la luz láser con diferentes enlaces de trayecto óptico, provocando zonas de luces y sombras en la abertura recibida. Un sensor de movimiento en un avión, por ejemplo, puede hacer que estas zonas de luces y sombras cambien. Estas variaciones de luz se manifiestan por sí mismas como ruido superpuesto sobre la señal recibida entrante. Los inventores han descubierto, sin embargo, que usando el método de relación en línea/fuera de línea antes mencionado, como es puesto en práctica por el sistema 150 por ejemplo, mitiga el ruido debido a efectos de turbulencias.

Ejemplos de realizaciones que proporcionan arquitecturas de detección de correlación han sido descritos con respecto a las figs. 11 y 12. Otro ejemplo de una arquitectura de detección de correlación será ahora escrito con respecto a las figs. 17 y 18. Con referencia en primer lugar a la fig. 17, hay mostrado un sistema 600 que proporciona la medición de propiedades ópticas de un medio. El sistema 600 incluye una parte de transmisión y una parte de recepción. La parte de transmisión incluye componentes que pueden ser similares a los componentes de la parte de transmisión del sistema 150 (fig. 11). Consiguientemente, la parte de transmisión puede incluir un controlador 152 de longitud de onda, un láser 156 de realimentación distribuida en línea (DFB), un módulo 154 de palabras de datos PN y de sincronismo, un modulador 158, un láser 160 fuera de línea DFB, un modulador 162, un módulo 164 de palabras de datos PN' y de sincronismo, un combinador 166, un amplificador de fibra 168 y un acoplador 170.

La parte de recepción del sistema 600 puede incluir un detector de ciencia 602 de cómputo de fotones, un detector de referencia 604, un receptor digital 178 y un procesador 180. El procesador 180 puede estar incluido tanto en la parte de recepción como en la parte de transmisión del sistema 600. La salida del acoplador 170 puede ser transmitida a través del medio de propagación 174 y recibida por el detector de ciencia 602 de cómputo de fotones.

El detector de ciencia 602 de cómputo de fotones reemplaza al detector de ciencias 176 del sistema 150 (fig. 11). Se apreciará que el detector de ciencia 176 puede incluir un fotodetector analógico, un amplificador/filtro, y un convertidor analógico/digital (que proporciona muestras analógicas al receptor digital 178). El detector de ciencia 602 de cómputo de fotones puede reemplazar estos tres componentes, en particular al fotodetector analógico, el amplificador/filtro, y al convertidor analógico/digital.

El detector de ciencia 602 de cómputo de fotones puede incluir un detector de cómputo de fotones, un acumulador de cómputo, y un control de reposición para reponer el acumulador de cómputo, después de que haya sido leído el acumulador de cómputo. Estos están mostrados en la fig. 18, por ejemplo, como el detector 702 de cómputo de fotones y acumulador de cómputo 704. Aunque no se ha mostrado, el control de reposición puede ser proporcionado por medio del procesador 180.

La secuencia de valores de salida proporcionados desde el acumulador de cómputo para una forma de onda recibida predeterminada puede ser llamado un vector de cómputo. Consiguientemente, en vez de correlacionar sobre valores de muestra analógicos, como se ha descrito con respecto al sistema 150 (fig. 11), el detector de ciencia 602 de cómputo de fotones puede establecer un vector de cómputo para la palabra de código PN. La correlación pueda entonces ser realizada usando la información del vector de cómputo.

El haz láser compuesto recogido por ópticas receptoras (no mostradas), después del paso a través del medio de propagación 174, puede ser encaminado al detector de ciencia 602 de cómputo de fotones. Aunque el detector de ciencia de cómputo de fotones puede recibir una señal de retorno muy débil, sin embargo el detector de ciencia de cómputo de fotones puede detectar ventajosamente la naturaleza fotónica de la señal de retorno, por medio del detector 702 de cómputo de fotones y del acumulador de cómputo 704. Como resultado, una señal de cómputo fotoelectrónica discreta puede ser encaminada al receptor digital 178.

Se comprenderá que el detector de referencia 604 puede incluir un detector analógico que es similar al detector de referencia del sistema 150 (fig. 11). Como una realización alternativa, el detector de referencia 604 puede incluir componentes que son similares al detector de ciencia 602 de cómputo de fotones. Como se ha mostrado en la fig. 18, el detector de referencia 604 incluye el detector 706 de cómputo de fotones y el acumulador de cómputo 708.

Aún con referencia a la fig. 18, el sistema 700 puede incluir componentes que son similares a los componentes mostrados en la arquitectura de correlación del sistema 200 (fig. 12), con la excepción del detector de ciencia 602 de cómputo de fotones y el detector de referencia 604 de cómputo de fotones, ambos mostrados en la parte izquierda de la fig. 18.

El receptor digital 178 (fig. 17) puede simultáneamente muestrear tanto las señales procedentes del detector de ciencia 602 como las procedentes del detector de referencia 604, a una tasa igual a la tasa de muestreo del mensaje digital transmitido. Después de que la sincronización haya sido conseguida (como se ha descrito previamente), el receptor digital 178 y el procesador 180 pueden procesar la secuencia de palabras de datos, una palabra cada vez, para extraer una medición de la transmisión relativa de las componentes de señal en línea y fuera de línea de la radiación láser recibida. La correlación de las salidas tanto del detector de ciencia como del de referencia con los DFM adaptados a PN y PN' (como se ha mostrado en la fig. 18) permite una medición normalizada de potencia de la transmisión relativa de las componentes de señal en línea y fuera de línea de la radiación láser recibida.

La transmisión relativa puede ser dada por la relación del pico de correlación en línea del detector de ciencia al pico de correlación fuera de línea del detector de ciencia normalizada por la misma relación extraída desde el canal del detector de referencia. Este proceso puede ser continuado durante un número predeterminado de palabras de datos, después de lo cual (como se ha explicado previamente) el sistema 600, por medio del controlador 152 de longitud de onda, puede modificar la longitud de onda del láser en línea 156. La transmisión relativa puede ser medida otra vez, y a continuación la longitud de onda del láser en línea 156 puede ser modificada de nuevo. Cuando el final de la exploración de la longitud de onda láser es alcanzado, el proceso puede ser detenido.

Como se ha descrito previamente, la sincronización de señal puede ser conseguida por la detección de correlación de una palabra de sincronización de seudo-ruido (PN), de longitud máxima, de un preámbulo. La sincronización de nuevo puede ser realizada en cada cambio de longitud de onda de radiación láser. Consiguientemente, para cada longitud de onda de láser en línea de interrogación, la forma de onda enviada a través del sistema puede incluir una palabra de sincronización de preámbulo seguida por un número predeterminado de palabras de datos en línea y fuera de línea.

La señal recibida puede ser detectada en el canal de ciencia por el detector 702 de cómputo de fotones y acumulada por el acumulador de cómputo 704. Los cómputos pueden ser acumulados en una duración de muestra de T_{s} y reponerse después de cada intervalo. La señal de referencia en el canal de referencia puede ser detectada y acumulada de una manera similar a la detección y acumulación de la señal de ciencia, o puede ser muestreada usando un detector analógico, como se ha descrito previamente.

Suponiendo que el numero de muestras por forma de onda de bit es Q, y el número de bits por palabra de datos PN (o palabra de datos PN') es P, entonces los valores de cómputo Q*P pueden ser leídos en los filtros adaptados digitales del canal ciencia (DMF 206 y 208), y los valores de cómputo o muestras Q*P (dependiendo del método de detección de referencia) pueden ser leídos en los filtros adaptados digitales del canal de referencia (DMF 210 y 212).

Los DMF mostrados en la fig. 18 pueden ser similares a los DMF mostrados en la fig. 13. Las señales de salida de S, S', R, y R' mostradas en la fig. 18 pueden ser formadas de manera similar a como se ha descrito previamente con respecto a las figs. 12 y 13. Las relaciones formadas por los módulos 222, 224 y 226 pueden ser similares a las relaciones descritas con respecto a las figs. 12 y 13. Aunque no se ha mostrado, se apreciará que estos módulos pueden residir en el procesador 180. Finalmente, las mediciones realizadas por el módulo 230, que puede ser parte también del procesador 180, pueden ser similares a las descritas previamente con respecto a la fig. 12.

Aunque el invento está ilustrado y descrito aquí con referencia a las realizaciones específicas, el invento no pretende estar limitado a los detalles mostrados. En su lugar, pueden hacerse distintas modificaciones en los detalles dentro del marco y margen de equivalentes de las reivindicaciones y sin salir del invento. Por ejemplo, cualquier sistema de tratamiento digital, conocido en el campo de las comunicaciones, puede ser usado como una realización del presente invento para tratar una señal óptica transmitida/recibida digitalmente para detectar y medir una propiedad de un medio. Cualquier arquitectura de comunicaciones que preserve el contenido de la información de una señal trasmitida digitalmente puede ser usada como una realización del presente invento, porque las técnicas de tratamiento digital pueden proporcionar ventajosamente una mejor relación señal a ruido de una señal recibida, cuando es comparada con una señal recibida procesada en un sistema de comunicaciones analógico.

Las extensiones y generalizaciones que usan la detección de modo Geiger y el tratamiento de datos estadístico para extraer información pueden también ser usadas por el invento. Estas pueden ser usadas para mediciones de retrodispersión molecular y para detección de gas de traza de muy baja potencia.

El invento puede ser usado en distintas condiciones meteorológicas y climas y puede ser usado para detectar, por ejemplo, polución, riesgos biológicos, y armas de destrucción masiva. El invento puede también ser usado en el espacio, en una plataforma aerotransportada o una plataforma de tierra. La plataforma puede ser móvil o estacionaria. El invento puede también ser usado bajo el agua y puede ser un sistema manual.

Claims (23)

1. Un sistema (20) para identificación química de un medio (30) que comprende: un láser (26) para generar una portadora de CW, un codificador digital (24) para formar una palabra codificada, un modulador (28) electro-óptico (EO) para modular la portadora de CW con la palabra codificada para formar una portadora de CW codificada, un medio (30) para propagar la portadora de CW codificada, y un receptor (32) configurado para detectar la portadora de CW propagada, codificada para formar una señal detectada, caracterizado el sistema por: un procesador (34) configurado para medir la tasa de error de bit (BER) de la señal detectada e identificar el medio basado en la BER medida en el que un incremento en la BER de la señal detectada identifica químicamente el medio.

2. El sistema según la reivindicación 1ª que incluye un controlador (58) de longitud de onda, acoplado al láser (26), para modificar una longitud de onda de la portadora de CW, y en el que el medio (30) incluye una línea de absorción, el controlador de longitud de onda está configurado para modificar la longitud de onda de la portadora de CW explorando alrededor de la línea de absorción, y el procesador (34) está configurado para identificar el medio basado en el incremento de la BER de la señal detectada en la línea de absorción.

3. El sistema según la reivindicación 1ª en el que la portadora de CW codificada incluye una palabra cifrada de desfase binario (BPSK) codificada, una palabra cifrada de desplazamiento de frecuencia binaria (BFSK) codificada, o una palabra cifrada de desfase diferencial (DPSK).

4. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el medio (30) está dispuesto dentro de una atmósfera gaseosa, una masa de agua, o una celda de un laboratorio.

5. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el procesador (34) incluye filtros adaptados digitales dobles (DMF) para reconstruir, sobre una base bit por bit la señal detectada para formar una palabra de mensaje recibida (72).

6. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el procesador incluye un acumulador (66) de error de bit para comparar, sobre una base de bit por bit, la palabra codificada formada por el codificador digital (24) con la señal detectada y acumular errores de bit basado en la comparación.

7. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el codificador digital (64) está configurado para formar una palabra codificada de seudo-ruido (PN).

8. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el codificador digital (64) forma una pluralidad de palabras codificadas idénticamente, el modulador (44) modula la portadora de CW con la pluralidad de palabras codificadas idénticamente, el receptor forma la señal detectada basado en la pluralidad de palabras codificadas idénticamente, y el procesador (34) mide la BER de la señal detectada basado en la pluralidad de palabras codificadas idénticamente.

9. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el procesador (180) está configurado para identificar el medio.

10. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el láser incluye un láser de realimentación distribuida (156).

11. El sistema según la reivindicación 1ª en el que el receptor (178) está ajustado a una relación señal a ruido (SNR) predeterminada, en el que un cambio relativamente pequeño de SNR proporciona un cambio relativamente grande en la probabilidad de error de bit de la señal detectada, el procesador (180) está configurado para medir la tasa de error de bit (BER) de la señal detectada, y el procesador (180) está configurado para identificar el medio basado en la BER medida.

12. El sistema según la reivindicación 1ª que incluye: un trasmisor (168) para trasmitir la portadora de CW codificada a través del medio, el procesador (180) configurado para medir al menos una propiedad del medio basado en la señal detectada.

13. El sistema (20) según la reivindicación 1ª en el que el procesador (180) incluye una unidad de medición de la tasa de error de bit (BER) para acumular errores de bit de la señal detectada.

14. El sistema (20) según la reivindicación 1ª en el que el láser genera un haz óptico de CW, el procesador (180) incluye un generador de código para formar la palabra codificada, y el modulador modula el haz óptico de CW usando la palabra codificada para formar la portadora de CW codificada.

15. El sistema (20) según la reivindicación 1ª en el que el receptor incluye un contador (602) de fotones para contar fotones de la portadora de CW modulada, recibidos desde el medio, para formar la señal detectada.

16. El sistema (20) según la reivindicación 15ª en el que el receptor incluye otro contador (604) de fotones para contar fotones de la portadora de CW modulada, transmitida hacia el medio, para formar una señal de referencia, y el procesador incluye un calculador para determinar un efecto de propagación de la portadora de CW modulada a través del medio, basado en los fotones contados por ambos contadores de fotones.

17. Un método (400, 500) para identificar químicamente un medio usando el sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 16ª, que comprende: (a) generar una portadora de CW (402, 502); (b) formar una palabra codificada (406, 504); (c) modular la portadora de CW con la palabra codificada para formar una portadora de CW codificada (408, 506); (d) propagar la portadora de CW codificada a través de un medio (412, 512); (e) recibir (414, 514) la portadora de CW propagada, codificada desde el medio para formar una señal detectada; y (f) medir la tasa de error de bit (BER) de la señal detectada, e identificar el medio basado en la BER medida (424, 426).

18. El método según la reivindicación 17ª en el que la operación (f) incluye acumular bits de la señal detectada, comparar, sobre una base de bit por bit, la palabra codificada con la señal detectada, y determinar errores de bit basados en la comparación.

19. El método según la reivindicación 17ª en el que la operación (b) incluye formar una palabra codificada de seudo-ruido (PN) (504).

20. El método según la reivindicación 17ª en el que la operación (f) incluye medir la tasa de error de bit (BER), después de acumular errores de bit de la señal detectada.

21. El método según la reivindicación 17ª en el que la operación (a) incluye generar un haz óptico de CW; y la operación (b) incluye formar una palabra codificada para modular digitalmente el haz óptico de CW para formar una portadora óptica modulada digitalmente.

22. El método según la reivindicación 21ª que incluye la operación de: contar fotones de la portadora óptica modulada digitalmente, recibida desde el medio, para formar la señal detectada.

23. El método según la reivindicación 22ª en el que contar fotones incluye contar fotones de la portadora óptica modulada digitalmente, transmitida hacia el medio, para formar una señal de referencia; y la operación (e) incluye determinar un efecto de propagación de la portadora óptica modulada digitalmente a través del medio, basado en los fotones contados.