ES2953341T3 - Sistema LIDAR para mediciones de absorción diferencial y de distancia de fondo - Google Patents

Sistema LIDAR para mediciones de absorción diferencial y de distancia de fondo Download PDF

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Abstract

Un sistema LIDAR está adaptado para realizar mediciones de absorción diferencial de un compuesto químico entre dos frecuencias ópticas distintas (ν1, ν2), y para medir una distancia de separación de un obstáculo que está presente en el fondo de un área de medición donde se produce la absorción. Un valor de potencia de transmisión óptica se varía entre diferentes intervalos de tiempo durante una secuencia de emisión de radiación, para permitir que el sistema LIDAR se implemente usando tecnología de fibra óptica, teniendo al mismo tiempo una potencia de emisión suficiente. El sistema LIDAR permite evaluar una cantidad del compuesto químico que está contenido en la zona de medición, así como una distancia a un obstáculo que se encuentra en el fondo de dicha zona de medición. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema LIDAR para mediciones de absorción diferencial y de distancia de fondo
Sector de la técnica
La presente descripción se refiere a un sistema LIDAR adaptado para realizar mediciones de absorción diferencial y de distancia de fondo. También se refiere a un procedimiento para medir la cantidad de un compuesto químico que utiliza un sistema de este tipo.
Estado de la técnica
Se conoce que las mediciones de absorción diferencial se utilizan para evaluar la cantidad de un compuesto químico contenido en una zona de medición. Para ello, se mide la absorción de la radiación emitida en la dirección de la zona de medición para una primera frecuencia de la radiación, que no corresponde a una banda de absorción del compuesto químico, y también para una segunda frecuencia de la radiación, que sí corresponde a una banda de absorción del compuesto químico. Por tanto, es necesario emitir radiación en ambas frecuencias en dirección de la zona de medición y comparar los niveles de absorción medidos para cada una de ellas. Un método de medición de este tipo suele denominarse IPDA, según sus siglas en inglés “Integrated Path Differential-Absorption, o absorción diferencial integrada en una trayectoria. También requiere conocer la profundidad de la zona de medición, tal como, por ejemplo, la distancia a la que se encuentra un obstáculo que está presente en el fondo de esta zona de medición.
La realización de tales mediciones IPDA mediante un sistema LIDAR es ventajosa, en particular por la sensibilidad de detección y la capacidad de análisis de las señales de detección que proporciona un sistema de este tipo. Por ello, es importante poder utilizar sistemas LIDAR basados en fibras ópticas, debido al volumen ocupado y peso reducidos de tales sistemas, a su mayor eficiencia energética y a su robustez en relación con los riesgos de pérdida de alineación entre los componentes ópticos que los componen.
No obstante, las mediciones IPDA deben cumplir los siguientes requisitos:
- al menos deben poder emitirse dos radiaciones con diferentes valores de frecuencia óptica, con suficiente rapidez una tras otra en relación con las variaciones que puedan afectar al contenido de la zona de medición. Más concretamente, los impulsos de las dos radiaciones deben emitirse con una frecuencia de repetición suficientemente elevada en relación con las variaciones del contenido de la zona de medición, y para permitir el análisis de las señales de detección, por ejemplo con una frecuencia de repetición superior a 1 kHz (kilohercio);
- las dos radiaciones, la que está fuera de las bandas de absorción del compuesto químico que se mide y la que corresponde a una de sus bandas de absorción, deben emitirse con energías respectivas suficientes;
- la de las radiaciones que corresponde a una de las bandas de absorción del compuesto químico debe tener una finura espectral suficiente, con el fin de aportar una precisión suficiente en la determinación de la absorción por el compuesto químico. En particular, puede ser necesario que esta anchura espectral de la radiación que corresponde a una de las bandas de absorción del compuesto químico sea inferior a 100 MHz (megahercios), cuando la longitud de onda central de esta radiación es del orden de 1,6 μm (micrómetros); y
- la medición de la distancia al obstáculo de fondo, mediante la caracterización del tiempo de vuelo, requiere la utilización de impulsos de radiación bastante cortos, típicamente con duraciones individuales inferiores a unos 100 ns (nanosegundos).
Sin embargo, el conocido fenómeno de la difusión Brillouin estimulada, que se produce en las fibras ópticas, limita la potencia máxima de los impulsos de radiación que pueden emitir los sistemas LIDAR realizados a base de fibras ópticas. El resultado es una limitación del alcance máximo de estos sistemas LIDAR de fibras ópticas. El documento de la técnica anterior FR 3 009 655 da a conocer un emisor láser pulsado, capaz de emitir impulsos a varias longitudes de onda, adecuado para implementarse en un LIDAR de absorción diferencial.
Problema técnico
En vista de estas limitaciones, un objetivo de la presente invención es proponer un nuevo sistema LIDAR que permita a la vez realizar mediciones IPDA y determinar la distancia a un obstáculo presente en el fondo de la zona de medición, y que pueda realizarse utilizando fibras ópticas.
Más concretamente, el objetivo de la invención es proponer un sistema LIDAR que se realice utilizando al menos una fibra óptica para transmitir la radiación emitida, pero en el que se posponga o evite la limitación de potencia máxima causada por la difusión Brillouin estimulada.
Objeto de la invención
Para lograr este objetivo u otro, un primer aspecto de la invención propone un sistema LIDAR que está adaptado para realizar mediciones de absorción diferencial entre dos frecuencias ópticas distintas, y mediciones de distancia de alejamiento de un obstáculo que está presente en el fondo de una zona de medición en donde se produce la absorción. Este sistema LIDAR de la invención comprende:
- un conjunto de fuente láser, que es capaz de producir radiación en cualquiera de las dos frecuencias ópticas; - medios de modulación de intensidad, que están adaptados para aplicar a cada radiación una forma de envolvente de impulso, comprendiendo una duración de impulso y un valor de potencia óptica de impulso; y
- un controlador de emisión, que está adaptado para controlar los medios de modulación de intensidad.
En el contexto de la invención, se entiende por potencia óptica de impulso un valor que caracteriza la intensidad de cada impulso, pudiendo corresponder este valor a una potencia máxima del impulso, o a una potencia media que se evalúa a lo largo de toda la duración del impulso, entendiéndose que el valor de la potencia máxima y el valor de la potencia media aumentan uno en función del otro con una duración y una forma de impulso constantes.
Según la invención, el sistema LIDAR está adaptado para que, durante el funcionamiento de este sistema LIDAR, emita en una dirección objetivo según la cual va a realizarse una medición de absorción diferencial y una medición de la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo, una secuencia de emisión de radiación que comprende: - primeros intervalos de tiempo durante los cuales la emisión de radiación se sitúa espectralmente en una primera de las dos frecuencias ópticas, con una primera anchura espectral, una primera duración de impulso y un primer valor de potencia óptica de impulso; y
- segundos intervalos de tiempo durante los cuales la emisión de radiación se sitúa espectralmente en la segunda de las dos frecuencias ópticas, con una segunda anchura espectral, una segunda duración de impulso y un segundo valor de potencia óptica de impulso.
Los intervalos de tiempo primero y segundo pueden formar cualquier sucesión en la secuencia de emisión de radiación, con cualquier número de primeros intervalos de tiempo entre dos segundos intervalos de tiempo, y viceversa. Alternativamente, o en combinación, la secuencia de emisión de radiación puede comprender cualquier número de impulsos en torno a la primera frecuencia óptica entre dos impulsos en torno a la segunda frecuencia óptica, y viceversa.
Además, la secuencia de emisión de radiación tiene las siguientes características:
las anchuras espectrales primera y segunda son tales que la emisión de radiación durante los primeros intervalos de tiempo y durante los segundos intervalos de tiempo corresponde a intervalos espectrales que son disjuntos, siendo la primera anchura espectral mayor que la segunda anchura espectral,
el primero valor de potencia óptica de impulso es mayor que el segundo valor de potencia óptica de impulso, y la primera duración de impulso es menor que la segunda duración de impulso.
Un sistema LIDAR de este tipo puede realizarse a base de fibras ópticas y, en particular, su conjunto de fuente láser puede ser del tipo MOPFA, para “Master Oscillator Power Fiber Amplifier” o amplificador de fibras de potencia de oscilador maestro. Para este sistema LIDAR de tipo MOPFA, se producen primero impulsos de radiación que tienen las anchuras espectrales deseadas y están modulados según las formas de envolvente deseadas, y que están separados entre impulsos sucesivos, a continuación, estos impulsos se amplifican antes de emitirse al exterior. Gracias a la primera anchura espectral, que es mayor que la segunda anchura espectral, el primer valor de potencia óptica de impulso puede elegirse alto o muy alto sin que el efecto de la difusión Brillouin estimulada, que aparecería en las fibras ópticas utilizadas para realizar un sistema LIDAR de este tipo, interfiera en el funcionamiento y la utilización de este sistema.
Para las mediciones IPDA, la emisión de radiación durante los primeros intervalos de tiempo debe elegirse fuera de las bandas de absorción del compuesto químico involucrado en las mediciones. Esta emisión de radiación durante los primeros intervalos de tiempo también se utiliza para estimar la distancia de alejamiento al obstáculo que está presente en el fondo de la zona de medición. Esta medición telemétrica se realiza determinando el tiempo de vuelo de los impulsos de radiación emitidos durante los primeros intervalos de tiempo, para la trayectoria de ida y vuelta entre el sistema LIDAR y el obstáculo en el fondo. Durante estos primeros intervalos de tiempo, la potencia óptica de impulso elevado, posibilitada por la mayor anchura espectral, y la menor duración de los impulsos permiten una mayor precisión en la estimación de la distancia de alejamiento del obstáculo del fondo. La radiación emitida durante los segundos intervalos de tiempo se selecciona a partir de una de las bandas de absorción del compuesto químico. Durante los segundos intervalos de tiempo, la menor anchura espectral de los impulsos proporciona una mayor precisión en la estimación de la cantidad del compuesto químico. La cantidad del compuesto químico se estima a partir de la relación de absorción, determinada por el sistema LIDAR, entre la radiación emitida durante los segundos intervalos de tiempo en torno a la segunda frecuencia óptica y la emitida durante los primeros intervalos de tiempo en torno a la primera frecuencia óptica, y teniendo en cuenta el valor estimado para la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo.
Preferiblemente, el controlador de emisión puede seleccionar una o varias de las características siguientes:
- una frecuencia de repetición de la secuencia de emisión de radiación puede estar comprendida entre 1 kHz y 50 kHz;
- los primeros intervalos de tiempo pueden tener una duración individual comprendida entre 10 ns y 200 ns, preferiblemente entre 50 ns y 100 ns;
- los segundos intervalos de tiempo pueden tener una duración individual comprendida entre 0,1 ps (microsegundos) y 10 ps, preferiblemente entre 0,5 ps y 5 ps;
- la primera anchura espectral de la radiación emitida por el sistema LIDAR en la zona de medición durante los primeros intervalos de tiempo puede estar comprendida entre 100 MHz y 2000 MHz, preferiblemente entre 500 MHz y 1000 MHz; y
- la segunda anchura espectral de la radiación emitida por el sistema LIDAR en la zona de medición durante los segundos intervalos de tiempo puede estar comprendida entre 10 MHz y 200 MHz, preferiblemente entre 50 MHz y 100 MHz.
Por último, el conjunto de fuente láser puede adaptarse de modo que la radiación emitida por el sistema LIDAR en la zona de medición tenga unos valores de frecuencia óptica primero y segundo, respectivamente durante los intervalos de tiempo primero y segundo, que correspondan a longitudes de onda comprendidas entre 1,3 μm y 1,8 μm, en particular entre 1,5 μm y 1,6 μm, o que se sitúen en torno a 2 μm. Tales intervalos de longitudes de onda son adecuados, en particular, para medir una cantidad de dióxido de carbono contenida en la zona de medición. Además, el sistema LIDAR de la invención comprende un canal de detección que está adaptado para detectar, procesar y analizar independientemente la radiación retrodispersada que corresponde a la primera frecuencia óptica y a la segunda frecuencia óptica, y que corresponden a emisiones durante los intervalos de tiempo primero y segundo, respectivamente.
Es posible que el sistema LIDAR pueda comprender además una unidad de cálculo conectada en entrada a al menos una salida del canal de detección. Esta unidad de cálculo está adaptada para proporcionar estimaciones de la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo y de la cantidad del compuesto químico contenido en la zona de medición, a partir de las señales de análisis producidas por el canal de detección.
Dependiendo de las diferentes realizaciones posibles de la invención, y en particular dependiendo de los diferentes tipos de osciladores láser que se utilicen en el conjunto de fuente láser para producir radiación en cada una de las dos frecuencias ópticas, las anchuras espectrales primera y/o segunda pueden ser intrínsecas o producirse por medios de ensanchamiento espectral específicos. Por anchura espectral intrínseca se entiende la anchura espectral de la radiación producida por el oscilador láser correspondiente. En otras palabras, en el primer caso, la anchura espectral de los impulsos emitidos durante los intervalos de tiempo primero y/o segundo corresponde a la anchura espectral del oscilador láser correspondiente. En el caso contrario, el sistema LIDAR comprende además:
- medios de ensanchamiento espectral, dispuestos para modificar la anchura espectral de al menos una de las radiaciones producidas por el conjunto de fuente láser.
En las primeras realizaciones de la invención, el controlador de emisión puede estar adaptado para controlar el conjunto de fuente láser, los medios de modulación de intensidad y, llegado el caso, los medios de ensanchamiento espectral de modo que, en la secuencia de emisión de radiación, la primera de las dos frecuencias ópticas esté asociada exclusivamente con la primera anchura espectral, a la primera duración de impulso y al primer valor de potencia óptica de impulso, a la exclusión de la segunda anchura espectral, la segunda duración del impulso y al segundo valor de potencia óptica del impulso, en los primeros impulsos de radiación, y la segunda de las dos frecuencias ópticas esté asociada exclusivamente a la segunda anchura espectral, a la segunda duración del impulso y al segundo valor de potencia óptica del impulso, con exclusión de la primera anchura espectral, de la primera duración del impulso y del primer valor de potencia óptica del impulso, en los segundos impulsos de radiación separados de los primeros impulsos.
En estas primeras realizaciones, el sistema LIDAR puede tener una disposición en la que el conjunto de fuente láser comprende un primer oscilador láser que está adaptado para producir radiación en la primera frecuencia óptica, y un segundo oscilador láser que está adaptado para producir radiación en la segunda frecuencia óptica con la segunda anchura espectral. Los medios de ensanchamiento espectral comprenden entonces un modulador de fase que está dispuesto en una trayectoria de la radiación producida por el primer oscilador láser, y que está controlado por el controlador de emisión para proporcionar la primera anchura espectral a esta radiación producida por el primer oscilador láser. Además, el sistema LIDAR comprende además un conmutador óptico que está controlado por el controlador de emisión para transmitir la radiación del modulador de fase o la radiación producida por el segundo oscilador láser, a una parte aguas abajo de la trayectoria óptica de emisión que es común a estas radiaciones procedentes del modulador de fase y producidas por el segundo oscilador láser, comprendiendo esta parte aguas abajo de trayectoria óptica de emisión los medios de modulación de intensidad.
Según otra disposición que también es posible para las primeras realizaciones de la invención, el conjunto de fuente del láser comprende asimismo un primer oscilador de láser qué está adaptado para producir radiación en la primera frecuencia óptica, y un segundo oscilador de láser qué está adaptado para producir la radiación en la segunda frecuencia óptica con la segunda anchura espectral. Los medios de ensanchamiento espectral comprenden además un modulador de fase que está dispuesto en una trayectoria de la radiación producida por el primer oscilador láser, y que se controla por el controlador de emisión para proporcionar la primera anchura espectral a esa radiación producida por el primer oscilador láser. Pero en esta otra disposición, los medios de modulación de intensidad comprenden un primer modulador de intensidad qué está dispuesto en una trayectoria de radiación procedente del modulador de fase, y que se controla por el controlador de emisión para ser eficaz en esa radiación procedente del modulador de fase. Además, comprenden un segundo modulador de intensidad que está dispuesto en una trayectoria de la radiación producida por el segundo oscilador láser, y que se controla por el controlador de emisión para ser eficaz en esa radiación producida por el segundo oscilador láser. Entonces, el sistema LIDAR comprende además un acoplador óptico adaptado para transmitir la radiación procedente de los moduladores de intensidad primero y segundo a una parte aguas abajo de la trayectoria óptica de emisión que es común a dicha radiación procedente de los moduladores de intensidad primero y segundo.
En ambas disposiciones, la parte aguas abajo de trayectoria óptica de emisión puede comprender un amplificador óptico de radiación, o una cadena de amplificación de radiación óptica, que se controla por el controlador de emisión para producir los valores de potencia óptica primero y segundo según las características de la invención para la secuencia de emisión de radiación.
En segundas realizaciones de la invención, que son alternativas a las primeras realizaciones anteriores, el controlador de emisión puede adaptarse para controlar el conjunto de fuente láser, los medios de ensanchamiento espectral y los medios de modulación de intensidad de modo que la secuencia de emisión de radiación comprenda una sucesión de impulsos de radiación que estén situados espectralmente o bien en la primera de las dos frecuencias ópticas o en la segunda de las dos frecuencias ópticas, teniendo todos los impulsos de radiación la misma forma de envolvente que comprende, tanto para la primera frecuencia óptica como para la segunda frecuencia óptica, una primera duración durante la cual la emisión de radiación tiene la primera anchura espectral y el primer valor de potencia óptica, y una segunda duración durante la cual la emisión de radiación tiene la segunda anchura espectral y el segundo valor de potencia óptica, siendo la primera duración más corta que la segunda, y siendo anterior o posterior a dicha segunda duración en cada impulso de radiación.
De manera general para la invención, el sistema LIDAR puede fabricarse con tecnología de fibras ópticas.
De una manera todavía general para la invención, el sistema LIDAR puede comprender medios de polarización adaptados de manera que la radiación emitida en la dirección de la zona de medición por este sistema LIDAR, tengan polarizaciones que sean ortogonales, en particular polarizaciones circulares que sean opuestas, cuando estas radiaciones se emiten durante los primeros intervalos de tiempo o los segundos intervalos de tiempo. En este caso, el canal de detección puede comprender un separador de polarización dispuesto para transmitir la radiación retrodispersada, en función de las polarizaciones de esta radiación retrodispersada, bien a un primer detector sensible en un primer intervalo espectral que incluye la primera frecuencia óptica combinada con la primera anchura espectral, o a un segundo detector sensible en un segundo intervalo espectral que incluye la segunda frecuencia óptica combinada con la segunda anchura espectral. Posiblemente, los dos detectores pueden ser idénticos si su intervalo espectral común de sensibilidad incluye tanto la primera frecuencia óptica combinada con la primera anchura espectral como la segunda frecuencia óptica combinada con la segunda anchura espectral.
Un segundo aspecto de la invención propone un procedimiento de medición de una cantidad de un compuesto químico presente en una dirección objetivo, según el cual:
- un sistema LIDAR conforme al primer aspecto de la invención se selecciona de modo que el compuesto químico tenga un valor de potencia de absorción inferior a la primera frecuencia óptica con respecto a la segunda frecuencia óptica;
- el sistema LIDAR se orienta según la dirección objetivo para emitir radiación según la secuencia de emisión de radiación hacia una zona de medición que es susceptible de contener el compuesto químico, y se activa el funcionamiento del sistema LIDAR;
- la distancia de alejamiento del obstáculo que está presente en el fondo de la zona de medición se estima a partir de la radiación retrodispersada que es relativa a la primera frecuencia óptica y que corresponde a las emisiones durante los primeros intervalos de tiempo; y
- la cantidad de compuesto químico que se encuentra en la zona de medición, integrada en la trayectoria de los impulsos entre el sistema LIDAR y el obstáculo de fondo, se estima a partir de los valores de intensidad que se refieren por separado a la radiación retrodispersada en la primera frecuencia óptica y en la segunda frecuencia óptica, correspondientes respectivamente a los intervalos de tiempo primero y segundo en la secuencia de emisión de radiación, habiendo sido detectada esta radiación retrodispersada por el canal de detección del sistema LIDAR. Preferiblemente, la distancia de alejamiento del obstáculo presente en el fondo de la zona de medición puede estimarse a partir de un tiempo de vuelo medido para la radiación retrodispersada en relación con la primera frecuencia óptica. En este caso, esta distancia de alejamiento, estimada a partir de la radiación retrodispersada relativa a la primera frecuencia óptica, puede utilizarse para estimar la cantidad de compuesto químico integrado en la trayectoria del impulso que está contenida en la zona de medición, en combinación con los valores de intensidad relativos por separado a la radiación retrodispersada y detectados en la primera frecuencia óptica y en la segunda frecuencia óptica, y correspondientes respectivamente a las emisiones durante los intervalos de tiempo primero y segundo.
El compuesto químico afectado por el procedimiento de medición de la invención puede ser uno de dióxido de carbono, o CO2 , metano, o CH4 , óxido nitroso, o N2O, y agua, o H2O.
Por último, las diferentes condiciones de implementación de la invención pueden ser las siguientes:
- para unas primeras condiciones de implementación, el sistema LIDAR puede instalarse en la superficie de la Tierra y dirigirse para medir la cantidad del compuesto químico que está presente entre este sistema LIDAR y el obstáculo; - para las segundas condiciones de implementación, el sistema LIDAR puede llevarse a bordo de una aeronave en vuelo y dirigirse hacia una zona geográfica de la superficie de la Tierra, para medir la distancia de alejamiento de la superficie de la Tierra en esta zona geográfica con respecto al sistema LIDAR, y para medir la cantidad del compuesto químico que está presente entre el sistema LIDAR y la superficie de la Tierra en la misma zona geográfica; y
- para las terceras condiciones de implementación, el sistema LIDAR puede llevarse a bordo de un satélite en órbita alrededor de la Tierra y dirigirse hacia una zona geográfica de la superficie de la Tierra, para medir la distancia de alejamiento de la superficie de la Tierra en dicha zona geográfica con respecto al sistema LIDAR, y para medir la cantidad del compuesto químico que está presente entre el sistema LIDAR y la superficie de la Tierra en la misma zona geográfica.
Para las condiciones segunda y tercera de implementación, la superficie de la Tierra en la zona geográfica hacia la que se dirige el sistema LIDAR tiene la función de un obstáculo presente en el fondo de la zona de medición.
Descripción de las figuras
Las características y ventajas de la presente invención quedarán más claras en la siguiente descripción detallada de ejemplos de realización no limitativos, con referencia a las figuras adjuntas, en las que:
[La figura 1a] muestra variaciones espectrales de una primera secuencia de emisión de radiación tal como se implementa en las primeras realizaciones posibles de la invención;
[la figura 1 b] muestra variaciones en la potencia óptica de emisión para la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a];
[la figura 2a] muestra variaciones espectrales de una segunda secuencia de emisión de radiación tal como se implementa en segundas realizaciones posibles de la invención;
[la figura 2b] muestra variaciones en la potencia óptica de emisión para la segunda secuencia de emisión de radiación de [la figura 2a];
[la figura 3a] es un diagrama sinóptico de un canal de emisión de un sistema LIDAR según la invención, que está adaptado para producir la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a] y [la figura 1b];
[la figura 3b] es un diagrama sinóptico de una primera variante de canal de emisión con respecto al sistema de [la figura 3a], para otro sistema LIDAR según la invención, y de nuevo para producir la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a] y [la figura 1b];
[la figura 3c] es un diagrama sinóptico de una segunda variante de canal de emisión con respecto al sistema de [la figura 3a], para otro sistema LIDAR según la invención, y de nuevo para producir la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a] y [la figura 1b];
[la figura 3d] es un diagrama sinóptico de una tercera variante de canal de emisión con respecto al sistema de [la figura 3a], para otro sistema LIDAR según la invención, y de nuevo para producir la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a] y [la figura 1b];
[la figura 3e] es un diagrama sinóptico de una cuarta variante de canal de emisión con respecto al sistema de [la figura 3a], para otro sistema LIDAR según la invención, y de nuevo para producir la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a] y [la figura 1b];
[la figura 4a] es un diagrama sinóptico de un canal de emisión de otro sistema LIDAR según la invención, y que además está adaptado para producir la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a] y [la figura 1b];
[la figura 4b] es un diagrama sinóptico de una variante de canal de emisión con respecto al sistema de [la figura 4a], para otro sistema LIDAR según la invención, y que está adaptado de nuevo para producir la primera secuencia de emisión de radiación de [la figura 1a] y [la figura 1b];
[la figura 5a] es un diagrama sinóptico de un canal de emisión de otro sistema LIDAR según la invención, que está adaptado para producir la segunda secuencia de emisión de radiación de [la figura 2a] y [la figura 2b];
[la figura 5b] es un diagrama sinóptico de una variante de canal de emisión con respecto al sistema de [la figura 5a], para otro sistema LIDAR según la invención, y que está adaptado además para producir la segunda secuencia de emisión de radiación de [la figura 2a] y [la figura 2b];
[la figura 6a] es un diagrama sinóptico de un canal de detección de un sistema LIDAR según la invención;
[la figura 6b] es un diagrama sinóptico de una variante de canal de detección con respecto al sistema de [la figura 6a];
[la figura 6c] es un diagrama sinóptico de otra variante de canal de detección con respecto al sistema de [la figura 6a]; y
[la figura 6d] es un diagrama sinóptico de todavía otra variante de canal de detección con respecto al sistema de [la figura 6a].
Descripción detallada de la invención
Por motivos de claridad, las dimensiones de los elementos mostrados en [la figura 1a], [la figura 1b], [la figura 2a] y [la figura 2b] no corresponden ni a dimensiones reales ni a relaciones de dimensiones reales. Además, todos los elementos se representan solo simbólicamente en las figuras, y las referencias idénticas que se indican en figuras diferentes designan elementos que son idénticos o que tienen funciones idénticas.
En los diagramas de [la figura 1a], [la figura 1b], [la figura 2a] y [la figura 2b], el eje de abscisas marca el tiempo, denotado t, durante secuencias de emisión de radiación que consisten en impulsos de radiación situados espectralmente o bien alrededor de una primera frecuencia óptica, denotada v1, o alrededor de una segunda frecuencia óptica, denotada v2. Ati y At2 denotan las duraciones de los intervalos de tiempo primero y segundo durante estas secuencias de emisión de radiación, respectivamente. En [la figura 1a] y [la figura 2a], el eje de ordenadas denota los valores de la frecuencia óptica de emisión, denotada v, para cada instante de la secuencia de emisión en cuestión, y en [la figura 2a] y [la figura 2b], el eje de ordenadas denota la potencia instantánea de emisión de radiación, denotada P. En términos generales, los impulsos de radiación denotados por la referencia 1 están situados espectralmente alrededor de la frecuencia v1 óptica, y se supone que todos son idénticos entre sí. Del mismo modo, los impulsos de radiación designados por la referencia 2 están situados espectralmente alrededor de la frecuencia v2 óptica, y también se supone que son idénticos entre sí. Para la aplicación de la invención a las mediciones de absorción diferencial de un compuesto químico entre dos frecuencias ópticas distintas, todos los impulsos de radiación 1 y 2 se emiten en la dirección de una zona de medición que es susceptible de contener una cantidad a determinar del compuesto químico. La frecuencia v1 óptica de emisión debe seleccionarse fuera de las bandas de absorción del compuesto químico, y la frecuencia v2 óptica de emisión debe seleccionarse en una de las bandas de absorción de este compuesto químico. En el caso de que el compuesto químico en cuestión sea dióxido de carbono, la frecuencia v1 óptica de emisión puede elegirse igual a 190,81 THz, correspondiente a un valor X1 de longitud de onda igual a 1572,2 nm, y la frecuencia v2 óptica de emisión puede elegirse igual a 190,84 THz, correspondiente a un valor X2 de longitud de onda igual a 1572,02 nm.
[La figura 1a] y [la figura 1b] se refieren a la misma primera secuencia de emisión de radiación que es posible para implementar la invención. En dicha primera secuencia de emisión, todos los impulsos 1 de radiación tienen unos primeros valores comunes de anchura Av1 espectral y potencia P1 de emisión máxima, y tienen una duración de impulso igual a At1. Del mismo modo, todos los impulsos 2 de radiación de esta misma secuencia de emisión tienen segundos valores comunes de anchura Av2 espectral y potencia P2 máxima de emisión, y tienen una duración de impulso igual a At2. Los valores de potencia P1 y P2 máxima de emisión corresponden a la radiación emitida por un sistema LIDAR según la invención, de tal manera que esta radiación de emisión sale del sistema LIDAR en la dirección de la zona de medición, en particular después de que se haya realizado la amplificación óptica final en el interior del sistema LIDAR. Para esta primera secuencia de emisión de radiación, los impulsos 1, con duraciones At1 individuales, corresponden a los primeros intervalos de tiempo tal como se han introducido en la parte general de esta descripción, y los impulsos 2, con duraciones At2 individuales, corresponden a los segundos intervalos de tiempo. Gracias al ensanchamiento espectral que es mayor para los pulsos 1 que para los impulsos 2, es decir, Av1>Av2, el valor de potencia P1 máxima de emisión puede ser mayor que un límite de potencia debido a la difusión Brillouin estimulada, denominada Psbs, que se produce en las fibras ópticas del sistema LIDAR, mientras que el valor de potencia P2 máxima de emisión puede ser menor que el mismo límite de potencia PSBS.
[La figura 2a] y [la figura 2b] se refieren a la misma segunda secuencia de emisión de radiación, que también es posible para implementar la invención. En dicha segunda secuencia de emisión, todos los impulsos 1 y 2 de radiación que se emiten en la dirección de la zona de medición susceptible de contener la cantidad a determinar del compuesto químico, tienen la misma forma de envolvente, que se transpone a la frecuencia óptica de cada impulso, alternando esta última entre v1 para los impulsos 1 y v2 para los impulsos 2. Esta forma de envolvente comprende, dentro de cada impulso 1, 2, un primer intervalo de tiempo de duración At1 durante el cual la radiación del impulso 1 o 2 tiene el valor de anchura Av1 espectral y el valor de potencia P1 máxima de emisión, y un segundo intervalo de tiempo de duración At2 durante el cual la radiación del impulso 1 o 2 tiene el valor de anchura Av2 espectral y el valor de potencia P2 máxima de emisión. El orden cronológico entre los intervalos de tiempo primero y segundo, cada uno con sus valores asociados de anchura espectral y potencia máxima de emisión, puede invertirse dentro de cada impulso, y los intervalos de tiempo primero y segundo pueden opcionalmente estar también separados por un patrón de forma de envolvente intermedia dentro de cada impulso. Como antes, el límite de potencia Psbs que está asociado con un efecto de difusión Brillouin estimulada puede ser menor que el valor de potencia P1 máxima de emisión y mayor que el valor de potencia P2 máxima de emisión.
Tanto para la primera secuencia de emisión ([figura 1a] y [figura 1b]) como para la segunda secuencia de emisión ([figura 2a] y [figura 2b]), las emisiones de radiación a frecuencia v1 óptica para duraciones At1 se utilizan para determinar la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo. En el caso de la segunda secuencia de emisión de radiación, las partes de los impulsos 1 que corresponden a las duraciones At2 , con el valor de anchura Av2 espectral y el valor de potencia P2 máxima de emisión, pueden no utilizarse para estimar la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo. Sin embargo, las partes de los impulsos 2 que corresponden a las duraciones At1, con el valor de anchura Av1 espectral y el valor de potencia P1 máxima de emisión, pueden utilizarse posiblemente además de las partes de los impulsos 1 que corresponden a las duraciones At1 para determinar la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo.
Una generalización de la segunda secuencia de impulsos puede consistir en que cada impulso 1 o 2, en torno a la frecuencia v1 o v2 óptica respectivamente, tenga un frente pronunciado de aumento de la potencia óptica, que es espectralmente amplio y permite efectuar mediciones telemétricas, seguido de un decaimiento de la potencia óptica lento y espectralmente fino, adecuado para la medición de la absorción diferencial.
Para estas dos secuencias de emisión de radiaciones, respectivamente según [la figura 1a] y [la figura 1b] para la primera, y según [la figura 2a] y [la figura 2b] para la segunda, se dan los siguientes valores numéricos como ejemplos no limitativos:
la frecuencia de repetición de impulsos puede estar entre 1 kHz (kilohercio) y 50 kHz,
At1 puede estar entre 50 ns y 100 ns,
At2 puede estar entre 0,5 ps y 5 ps,
Av1 puede estar entre 500 MHz y 1000 MHz,
Av2 puede estar entre 50 MHz y 100 MHz,
P1 puede ser superior a 200 W, y
P2 puede ser superior a 50 W.
Así, la duración Ati de los primeros intervalos de tiempo puede ser menor que la duración At2 de los segundos intervalos de tiempo. Además, el primer valor de anchura Av1 espectral puede ser mayor que el segundo valor de anchura Av2 espectral, y el primer valor de potencia P1 máxima de emisión puede ser mayor que el segundo valor de potencia P2 máxima de emisión. Así, gracias a que el primer valor de anchura Av1 espectral es mayor, el valor P1 se distribuye en un intervalo espectral de emisión más amplio que aquel en el que se distribuye el valor P2. Por esta razón, el valor P1 puede ser mayor que el umbral de difusión Brillouin estimulada PSBS que corresponde a las fibras ópticas utilizadas para crear el sistema LIDAR. Preferiblemente, el valor P2 puede elegirse para que sea inferior o igual a este umbral de difusión Brillouin estimulada, con el fin de limitar una pérdida de rendimiento energético en la producción de la radiación que se emitirá durante los segundos intervalos de tiempo, de duraciones At2 individuales.
A continuación se describen varias arquitecturas de sistemas LIDAR que se ajustan a la invención y que están diseñadas para emitir secuencias de radiación como las descritas anteriormente. La descripción de estas arquitecturas se limita a la organización de sus componentes principales, entendiéndose que el experto en la técnica está familiarizado con tales componentes que están disponibles comercialmente, y sabrá cómo combinarlos según las arquitecturas descritas, sin dificultad ni necesidad de actividad inventiva. Además, se entiende que los componentes adicionales que se utilizarán en estas arquitecturas, pero que no están directamente relacionados con el principio de la invención, y cuya utilización es habitual, no se describen por motivos de claridad. Todas las arquitecturas de sistemas LIDAR descritas a continuación pueden implementarse ventajosamente utilizando tecnologías de fibras ópticas o tecnologías de circuitos ópticos integrados para los componentes ópticos, electroópticos y de interconexión utilizados. En las figuras que muestran arquitecturas de canal de emisión, la referencia 50 designa un controlador de emisión, que se denota CTRL y está conectado a los componentes del canal de emisión para producir la secuencia de emisión de radiación que tiene las características deseadas. El modo de control a implementar por este controlador 50 de emisión está al alcance del experto en la técnica una vez que se le suministra la secuencia de emisión de radiación que va a producirse.
[La figura 3a] muestra una primera arquitectura de canal de emisión posible para un sistema LIDAR según la invención, que está diseñada para producir secuencias de emisión de radiación según [la figura 1a] y [la figura 1b]. La referencia 10 se refiere a una fuente láser, comúnmente denominada oscilador láser, que es capaz de producir un haz láser continuo en la frecuencia v1 óptica. Puede ser, por ejemplo, un diodo láser o un láser de fibra. El haz láser producido por la fuente 10 se envía a través de un modulador 11 de fase, MOD. FASE, que le confiere la anchura Av1 espectral. En este caso, la modulación de fase es externa a la fuente láser. El modulador 11 de fase puede ser un modulador electroóptico, por ejemplo. A una entrada de control eléctrico del modulador 11 de fase puede conectarse un generador aleatorio de señales binarias, como suele conocerse por las siglas PRBS para “Pseudo-Random Binary Sequence” en inglés, o un generador de ruido de radiofrecuencia, o incluso un generador eléctrico de formas de onda arbitrarias, conocido por las siglas AWG para “Arbitrary Waveform Generator” en inglés. El que se utilice entre estos modos alternativos de control del modulador 11 de fase se designa con la referencia 11c y se denomina GENERADOR. Si se utiliza un generador PRBS, éste produce saltos de fase iguales a -n o n en una secuencia aleatoria o pseudoaleatoria. El modulador 11 de fase puede entonces asociarse ventajosamente a su salida con un filtro óptico de apodización (no representado) para suprimir los lóbulos secundarios que pueden generarse por tal procedimiento de ensanchamiento espectral en el espectro de la radiación procedente directamente del modulador 11 de fase. Si se utiliza un generador AWG, éste puede programarse para producir diversas formas de onda, tales como una sucesión de rampas cuyas pendientes varían aleatoriamente entre rampas sucesivas. Alternativamente, puede programarse para producir una señal eléctrica de control que es sinusoidal o es una combinación lineal de varias componentes sinusoidales. También pueden utilizarse alternativamente otras formas para las señales eléctricas de control destinadas al modulador 11 de fase, entendiéndose que el experto en la técnica sabe cómo seleccionar las características de tales señales eléctricas de control para proporcionar a la radiación que emerge del modulador 11 de fase una forma de envolvente espectral deseada, la anchura Av1 espectral. El generador 11c puede activarse por el controlador 50 de emisión selectivamente para producir impulsos 1, o puede activarse de manera permanente. La referencia 20 se refiere a otra fuente láser, es decir, a otro oscilador láser, que es capaz de producir otro haz láser continuo, que tiene frecuencia v2 óptica, directamente con anchura Av2 espectral. Por ejemplo, la fuente 20 láser puede ser del tipo láser de fibra. En efecto, como el valor de anchura Av2 espectral es pequeño para la invención, puede proporcionarse directa, o intrínsecamente, por la fuente 20 láser, es decir, sin utilizar ningún componente adicional que se dedique específicamente a producir este valor de anchura espectral. Las dos fuentes 10 y 20 láser constituyen el conjunto de fuente láser al que se hace referencia en la parte general de la presente descripción. Las dos radiaciones procedentes del modulador 11 de fase y de la fuente 20 láser, respectivamente, se inyectan entonces en dos entradas de un conmutador 30 óptico, que se denomina CONMUTADOR. Puede tratarse de un conmutador óptico 2 x 1 controlado por el controlador 50 de emisión para transmitir en salida la radiación recibida en una u otra de sus dos entradas, durante los intervalos de tiempo primero y/o segundo, y según la secuencia de alternancia deseada entre los impulsos de radiación a la frecuencia v1 óptica y los impulsos a la frecuencia v2 óptica. Alternativamente, el conmutador 30 óptico puede sustituirse por un acoplador óptico de fibra en Y, por ejemplo con una relación de intensidad 50/50 y eventualmente con mantenimiento de polarización, o alternativamente sustituirse por un acoplador de polarización, por ejemplo del tipo cubo de separador de polarización. Posteriormente, la radiación procedente del conmutador 30 óptico se introduce entonces en un modulador 31 de intensidad, denominado MOD. INT. y controlado por el controlador 50 de emisión para que la radiación que finalmente se emite en dirección de la zona de medición tenga el valor de potencia P1 instantánea durante los primeros intervalos de tiempo de duraciones Ati en los que la frecuencia óptica está más próxima al valor vi, y tenga el valor de potencia P2 instantánea durante los segundos intervalos de tiempo de duraciones Ats en los que la frecuencia óptica está más próxima al valor v2. El modulador 31 de intensidad puede ser de tipo electroóptico o electroacústico, o con un amplificador óptico semiconductor. De manera conocida, un modulador de intensidad de este tipo puede incorporar un controlador interno, o estar asociado a un controlador externo que se interpone entre este modulador de intensidad y el controlador 50 de emisión. A continuación, la radiación procedente del modulador 31 de intensidad se transmite a un conjunto 32 de amplificación óptica, o a una cadena 32 de amplificación óptica, denominada AMPL. para producir realmente los valores de potencia Pi y P2 óptica de emisión. Por último, la radiación procedente del conjunto 32 de amplificación óptica se transmite hacia la zona de medición mediante una óptica 33 de salida del canal de emisión del sistema LIDAr , denominada ÓPT.
Pueden obtenerse varias arquitecturas alternativas de sistemas LIDAR a partir de la de [la figura 3a], utilizando cada vez al menos uno de los siguientes principios de equivalencia, aplicados a la arquitectura del canal de transmisión de [la figura 3a]:
- si la fuente 10 láser es de un tipo capaz de producir un haz láser a la frecuencia vi óptica directamente con el valor de anchura Av1 espectral, tal como la fuente 20 láser de [la figura 3a] para el valor de anchura Av2 espectral, entonces el modulador 11 de fase puede eliminarse de modo que el haz láser de la fuente 10 láser pueda transmitirse directamente al conmutador 30 óptico, como para la fuente 20 láser. Se obtiene así la configuración de [la figura 3b];
- cuando la fuente 10 láser es de tipo sintonizable, la señal eléctrica de control que se utiliza para impartir la anchura Av1 espectral a la radiación que se emite en torno a la frecuencia v1 óptica, puede aplicarse directamente a una entrada de control de la fuente 10 láser sintonizable. Este modo de obtención de la anchura espectral deseada se denomina a veces modulación de fase interna, en contraposición al uso de un modulador de fase externo a la fuente láser, tal como se representa en [la figura 3a]. Ejemplos de fuentes láser de modulación interna son diodos láser en los que la corriente eléctrica de inyección en la zona de ganancia puede modularse con una pequeña amplitud de modulación, o diodos DBR, para diodos de reflector de Bragg o “Distributed Bragg Reflector diodes” en inglés, en los que puede modularse la inyección en las zonas de fase, de red o de amplificación óptica semiconductora. Alternativamente o en combinación, este modo de obtención de la anchura espectral deseada, de manera interna a la fuente láser, también puede aplicarse a la fuente 20 láser, cuando esta última es a su vez del tipo sintonizable, para obtener la anchura Av2 espectral. Se obtiene de este modo la configuración de [la figura 3c], en donde las referencias 11c y 21c designan los generadores de señales de modulación que están conectados a las entradas de control respectivas de las fuentes 10 y 20 láser sintonizables;
- pueden utilizarse simultáneamente dos moduladores de fase externos distintos, uno entre la fuente 10 láser y el conmutador 30 óptico para proporcionar la anchura Av1 espectral a la radiación que se emite en la frecuencia v1 óptica, tal como en el caso de [la figura 3a], y el otro entre la fuente 20 láser y el conmutador 30 óptico para proporcionar la anchura Av2 espectral a la radiación que se emite en la frecuencia v2 óptica. Se obtiene de este modo la configuración de [la figura 3d], en donde las referencias 11 y 21 designan los dos moduladores de fase externos que están respectivamente asociados a las fuentes 10 y 20 láser, y las referencias 11c y 21c designan los generadores de señales de modulación de fase que están conectados a las entradas de control respectivas de estos moduladores 11 y 21 de fase; y
- puede utilizarse un modulador única que sea eficaz para las dos radiaciones que se producen por separado a las frecuencias v1 y v2 ópticas por las fuentes 10 y 20 láser. En este caso, los haces láser procedentes de las dos fuentes 10 y 20 láser se transmiten directamente a las entradas del conmutador 30 óptico, y el modulador de fase única se sitúa entre la salida del conmutador 30 óptico y la entrada del modulador 31 de intensidad. Este modulador de fase única puede entonces controlarse de una de las maneras descritas anteriormente, para producir la anchura Av1 espectral durante los primeros intervalos de tiempo en donde el conmutador 30 óptico transmite radiación que tiene la frecuencia v1 óptica, y para producir la anchura Av2 espectral durante los segundos intervalos de tiempo en donde el conmutador 30 óptico transmite radiación que tiene la frecuencia v2 óptica. Se obtiene de este modo la configuración de [la figura 3e], en donde la referencia 34 designa el modulador de fase externo que es común a ambas radiaciones de frecuencias v1 y v2 ópticas, y la referencia 34c designa el generador de señales de modulación de fase que está conectado a la entrada de control de este modulador 34 de fase.
La realización de [la figura 4a] puede obtenerse a partir de la de [la figura 3a] efectuando modulaciones de intensidad de las radiaciones situadas alrededor de las frecuencias v1 y v2 ópticas aguas arriba de la unión de los canales separados para generar estas radiaciones. El canal de generación de la radiación situado alrededor de la frecuencia v1 óptica es idéntico al de [la figura 3a], con la adición de un modulador 12 de intensidad. Del mismo modo, el canal de generación de la radiación situado alrededor de la frecuencia v2 óptica es idéntico al de [la figura 3a], con la adición de un modulador 22 de intensidad. Los dos moduladores 12 y 22 de intensidad pueden controlarles por el controlador 50 de emisión de manera temporalmente correlacionada con la señal de modulación producida por el generador 11c. En particular, producen ventanas de tiempo de transmisión que limitan los primeros intervalos de tiempo, de duraciones At1 individuales, y los segundos intervalos de tiempo, de duraciones At2 individuales, en la frecuencia de repetición deseada. Para una realización de este tipo, los canales separados para generar radiación situados alrededor de las dos frecuencias v y v2 ópticas pueden unirse mediante un acoplador 35, en dirección de la parte aguas abajo del canal de transmisión, que es común a ambas frecuencias ópticas y que comprende el conjunto 32 de amplificación óptica. El acoplador 35 puede ser un acoplador en Y convencional. Alternativamente, puede ser un acoplador de polarización, capaz de asignar una polarización determinada a la radiación que se transmite durante los primeros intervalos de tiempo, de duraciones Ati individuales, y una polarización ortogonal a la radiación que se transmite durante los segundos intervalos de tiempo, de duraciones At2 individuales. Por ejemplo, la polarización lineal paralela a una dirección fija puede impartirse por el acoplador 35 de polarización a la radiación que se transmite durante los primeros intervalos de tiempo de duraciones Ati individuales, y la polarización lineal perpendicular a la dirección fija puede impartirse por el acoplador 35 de polarización a la radiación que se transmite durante los segundos intervalos de tiempo de duraciones At2 individuales.
La realización de [la figura 4b] puede obtenerse del mismo modo que la de [la figura 4a], pero a partir de la realización de [la figura 3d], en lugar de la de [la figura 3a]. Aplicando el mismo método, el experto en la técnica podrá deducir adicionalmente otras realizaciones posibles de la invención, por ejemplo sustituyendo en las de [la figura 3b], [la figura 3c] o [la figura 3e] el modulador de intensidad único por dos moduladores de intensidad dedicados por separado a la radiación situada alrededor de las dos frecuencias v1 y v2 ópticas.
Todas las realizaciones de [la figura 3a]-[la figura 3e] y [la figura 4a]-[la figura 4b] están adaptadas para producir secuencias de emisión de radiación que son conforme a [la figura 1a] y [la figura 1b].
En contraste con las realizaciones de [la figura 3a]-[la figura 3e] y [la figura 4a]-[la figura 4b], la modulación de fase que se utiliza en las realizaciones de [la figura 5a] y [la figura 5b], para obtener las anchuras Av1 y Av2 espectrales que se desean por separado durante las duraciones de los intervalos At1 y At2 de tiempo, es común para las dos frecuencias v1 y v2 ópticas. Entonces es posible utilizar un único modulador de fase, que se sitúa entonces aguas abajo del conmutador óptico o del acoplador óptico que combina los haces procedentes por separado de las dos fuentes 10 y 20 láser en la parte aguas abajo común del canal de emisión. Puede obtenerse de este modo una reducción de costes para el sistema LIDAR.
Estas realizaciones de [la figura 5a] y [la figura 5b] están adaptadas para producir secuencias de emisión de radiación que son conforme a [la figura 2a] y [la figura 2b].
En la realización mostrada en [la figura 5a], la modulación de fase y la de intensidad se llevan a cabo aguas abajo de la unión de las trayectorias ópticas de los haces que proceden por separado de las fuentes 10 y 20 láser. Esta unión de las trayectorias ópticas se consigue mediante el conmutador 30, la modulación de fase se produce mediante el modulador 34 de fase y la modulación de intensidad se produce mediante el modulador 31 de intensidad. El generador 34c de señales de modulación de fase también puede ser de uno de los tipos presentados anteriormente: generador PRBS, generador de ruido RF o generador AWG. El conmutador 30, el generador 34c de señales de modulación de fase y el modulador 31 de intensidad pueden controlarse sincrónicamente por el controlador 50 de emisión.
En la realización de [la figura 5b], la radiación procedente por separado de las fuentes 10 y 20 láser se modula en intensidad utilizando dos moduladores separados, designados por las referencias 12 y 22. La radiación modulada en intensidad procedente de estos puede introducirse mediante un acoplador 35 en la parte aguas abajo común del canal de emisión. El acoplador 35 también puede ser un acoplador en Y o un acoplador de polarización como se ha descrito anteriormente. La parte aguas debajo del canal de emisión comprende entonces el modulador 34 de fase, el conjunto 32 de amplificación óptica y la óptica 33 de salida.
[La figura 6a] muestra una primera arquitectura de canal de detección que puede utilizarse en un sistema LIDAR según la invención. La referencia 40 designa una óptica de entrada, denominada OPT, del canal de detección. Su función es recoger parte de la radiación retrodispersada correspondiente a la secuencia de emisión de radiación producida por el sistema LIDAR. Esta parte de radiación recogida se dirige hacia un sensor 43 óptico, SENS. ÓPT. que produce una señal eléctrica de detección cuya intensidad es función de la potencia de la parte de la radiación detectada. El sensor 43 óptico puede implementarse según un modo de detección directa o según un modo de detección coherente. Un sensor óptico de detección directa puede consistir, por ejemplo, en un fotodiodo asociado a un amplificador eléctrico de transimpedancia. Un sensor óptico de detección coherente, también denominado de detección heterodina, requiere que la radiación retrodispersada recogida por la óptica 40 de entrada se mezcle con parte de la radiación producida por el conjunto de fuente láser. La salida eléctrica del sensor 43 óptico se conecta a la entrada de una cadena 512 de análisis, denominada ANÁLIS. que procesa las señales eléctricas emitidas por el sensor 43 independientemente del impulso 1 o 2 al que corresponda cada señal eléctrica.
[La figura 6b] muestra una segunda arquitectura de canal de detección que utiliza dos cadenas de análisis distintas que se dedican por separado a los impulsos 1 de radiación y a los impulsos 2 de radiación. Un conmutador 44 eléctrico, denominado CONM. ELEC. dirige entonces la señal eléctrica de detección hacia dos cadenas 51 y 52 de análisis distintas, denominadas ANÁLIS. 1 y ANÁLIS. 2, en función de las partes de la señal eléctrica de detección que corresponden por separado a los intervalos de tiempo primero o segundo de la secuencia de emisión de radiación. Para ello, puede controlarse una sincronización del funcionamiento del conmutador 44 eléctrico por el controlador 50 de emisión. De este modo, la cadena 51 de análisis puede dedicarse a los primeros intervalos de tiempo de duraciones Ati individuales, y diseñarse para determinar la absorción residual de la zona de medición fuera de la banda de absorción espectral del compuesto químico cuya cantidad se desea determinar, y para determinar la distancia de alejamiento del obstáculo que se encuentra en el fondo de esta zona de medición. Independientemente, la cadena 52 de análisis puede estar dedicada a los segundos intervalos de tiempo de duraciones At2 individuales, y concebirse para determinar la absorción de la zona de medición en la banda espectral de absorción del compuesto químico. Un módulo de cálculo, no representado, produce una evaluación de la cantidad del compuesto químico en función de los niveles de absorción determinados por las dos cadenas 51 y 52 de análisis, y de la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo.
[La figura 6c] muestra una tercera arquitectura posible de canal de detección, en la que dos sensores 41 y 42 ópticos, etiquetados SENS. ÓPT. 1 y SENS. ÓPT. 2, producen por separado señales eléctricas de detección que se transmiten por separado a las cadenas 51 y 52 de análisis. Una ventaja de esta tercera arquitectura es la posibilidad de utilizar sensores 41 y 42 ópticos con diferentes niveles de sensibilidad, y adaptados por separado a los valores respectivos de potencia instantánea de las partes útiles de la radiación retrodispersada: P1 en los primeros intervalos de tiempo de duraciones At1 individuales para el sensor 51, y P2 en los segundos intervalos de tiempo de duraciones At2 individuales para el sensor 52. En este caso, la radiación retrodispersada recogida por la óptica 40 de entrada se dirige hacia el sensor 41 o el sensor 42 mediante un conmutador 45 óptico. El funcionamiento de este conmutador 45 óptico está controlado por el controlador 50 de emisión. Para esta tercera arquitectura de canal de detección, el acoplador 35 del canal de emisión puede ser del tipo acoplador en Y con una relación 50/50.
Las tres arquitecturas de [la figura 6a]-[la figura 6c] para el canal de detección son compatibles con las variantes de arquitectura de [la figura 3a]-[la figura 3e], [la figura 4a]-[la figura 4b] y [la figura 5a]-[la figura 5b] para el canal de emisión.
Por último, [la figura 6d] muestra una cuarta arquitectura posible de canal de detección, en la que el conmutador 45 óptico de [la figura 6c] se sustituye por un separador 46 de polarización, denominado SEP. POLAR. que se basa en las polarizaciones lineales de la radiación. Esta cuarta arquitectura para el canal de detección es compatible con las realizaciones para el canal de emisión en donde el acoplador 35 es del tipo acoplador de polarización, tal como se ha descrito anteriormente.
De manera general, el sensor óptico o al menos uno de los sensores ópticos utilizados en el canal de detección tiene un retardo de reacción suficientemente corto para permitir estimar la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo a partir de la radiación emitida durante las duraciones At1.
Además, cada cadena de análisis del canal de detección puede estar conectada en salida a una unidad de cálculo (no representada), que está adaptada para proporcionar, a partir de las señales producidas por una o las dos cadena(s) de análisis, estimaciones de la distancia de alejamiento del obstáculo de fondo y de la cantidad del compuesto químico que está presente en la zona de medición, integrada en la trayectoria de los impulsos. Una unidad de cálculo de este tipo puede estar integrada en el sistema LIDAR.
Se entiende que la invención puede reproducirse modificando aspectos secundarios de las realizaciones que se han descrito en detalle anteriormente, conservando al menos algunas de las ventajas mencionadas. En particular, pueden utilizarse componentes ópticos con funciones equivalentes en lugar de los mencionados. Además, las siguientes modificaciones se mencionan a modo de ejemplo como alternativas disponibles para el experto en la técnica sin ninguna actividad inventiva:
- puede utilizarse una misma fuente láser conmutable en frecuencia óptica para producir impulsos a frecuencias v1 y v2 ópticas;
- pueden utilizarse amplificadores ópticos distintos para impulsos a la frecuencia v1 óptica y a la frecuencia v2 óptica; - la intercalación de impulsos en la frecuencia v1 óptica con los de frecuencia v2 óptica para producir la secuencia de emisión de radiación puede realizarse antes o después de la aplicación a cada impulso de modulación de fase y/o modulación de intensidad; y
- la intercalación de impulsos en la frecuencia v1 óptica con los de la frecuencia v2 óptica para producir la secuencia de emisión de radiación puede realizarse antes o después de la amplificación óptica de los impulsos.
Por último, todos los valores numéricos que se han mencionado son meramente ilustrativos y pueden modificarse en función del compuesto químico cuya cantidad desea determinarse.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Sistema LIDAR, adaptado para realizar mediciones de absorción diferencial entre dos frecuencias (vi, V2) ópticas distintas, y mediciones de distancia de alejamiento de un obstáculo que está presente en el fondo de una zona de medición en donde se produce la absorción, comprendiendo el sistema LIDAR:
- un conjunto de fuente láser, capaz de producir radiación en cualquiera de las dos frecuencias (vi, V2) ópticas; caracterizado por:
- medios de modulación de intensidad, adaptados para aplicar en cada radiación una forma de envolvente de impulso, que comprende una duración de impulso y un valor de potencia (Pi, P2) óptica de impulso; y
- un controlador (50) de emisión, adaptado para controlar los medios de modulación de intensidad,
estando el sistema LIDAR adaptado de modo que, durante el funcionamiento del sistema LIDAR, dicho sistema LIDAR emita en una dirección objetivo en la que va a realizarse una medición de absorción diferencial y una medición de la distancia de alejamiento de obstáculo de fondo, una secuencia de emisión de radiación que comprende:
- primeros intervalos de tiempo durante los cuales la emisión de radiación se sitúa espectralmente en una primera (vi) de las dos frecuencias ópticas, con una primera anchura (Avi) espectral, una primera duración (Ati) de impulso y un primer valor de potencia (Pi) óptica de impulso; y
- segundos intervalos de tiempo durante los cuales la emisión de radiación se sitúa espectralmente en una segunda (v2) de las dos frecuencias ópticas, con una segunda anchura (Av2) espectral, una segunda duración (Ata) de impulso y un segundo valor de potencia (P2) óptica de impulso,
siendo las anchuras (Avi) y (Av2) espectrales primera y la segunda tales que la emisión de radiación durante los primeros intervalos de tiempo y durante los segundos intervalos de tiempo corresponde a intervalos espectrales que son disjuntos, siendo la primera anchura espectral mayor que la segunda anchura espectral, siendo el primer valor de la potencia (Pi) óptica de impulso mayor que el segundo valor de potencia (P2) óptica de impulso, y
siendo la primera duración (Ati) de impulso menor que la segunda duración (At2) de impulso,
comprendiendo además el sistema LIDAR un canal de detección adaptado para detectar, procesar y analizar de forma independiente la radiación retrodispersada que corresponde a la primera frecuencia (vi) óptica y a la segunda frecuencia (v2) óptica, y que corresponde a emisiones durante los intervalos de tiempo primero y segundo, respectivamente.
2. Sistema LIDAR según la reivindicación i, que comprende además:
- medios de ensanchamiento espectral, dispuestos para modificar una anchura espectral de al menos una de las radiaciones producidas por el conjunto de fuente (i0, 20) láser.
3. Sistema LIDAR según la reivindicación i o 2, según el que el controlador (50) de emisión está adaptado para controlar el conjunto de fuente láser, los medios de modulación de intensidad y, opcionalmente, los medios de ensanchamiento espectral de manera que, en la secuencia de emisión de radiación la primera (vi) de las dos frecuencias ópticas esté asociada exclusivamente a la primera anchura (Avi) espectral, a la primera duración (Ati) de impulso y al primer valor de potencia (Pi) óptica de impulso, con exclusión de la segunda anchura (Av2) espectral, la segunda duración (At2) de impulso y el segundo valor de potencia (P2) óptica de impulso, dentro de los primeros impulsos ( i) de radiación, y la segunda (v2) de las dos frecuencias ópticas esté asociada exclusivamente a la segunda anchura espectral, la segunda duración de impulso y el segundo valor de potencia óptica de impulso, con exclusión de la primera anchura espectral, la primera duración de impulso y el primer valor de potencia óptica de impulso, dentro de los segundos impulsos (2) de radiación que son independientes de dichos primeros impulsos.
4. Sistema LIDAR según las reivindicaciones 2 y 3, en el que
el conjunto de fuente láser comprende un primer oscilador (i0) láser que está adaptado para producir radiación a la primera frecuencia (vi) óptica, y un segundo oscilador (20) láser que está adaptado para producir radiación a la segunda frecuencia (v2) óptica con la segunda anchura (Av2) espectral,
los medios de ensanchamiento espectral comprenden un modulador ( i i ) de fase que está dispuesto en una trayectoria de la radiación producida por el primer oscilador (i0) láser, y que se controla por el controlador (50) de emisión para proporcionar la primera anchura (Avi) espectral a dicha radiación láser producida por el primer oscilador láser; y
el sistema LIDAR comprende además un conmutador (30) óptico que se controla por el controlador (50) de emisión para transmitir o bien la radiación procedente del modulador (11) de fase o la radiación producida por el segundo oscilador (20) láser, a una parte aguas abajo de la trayectoria óptica de emisión que es común a dicha radiación procedente del modulador de fase y producida por el segundo oscilador láser, comprendiendo dicha parte aguas abajo de trayectoria óptica de emisión los medios (31) de modulación de intensidad.
5. Sistema LIDAR según las reivindicaciones 2 y 3, en el que
el conjunto de fuente láser comprende un primer oscilador (10) láser que está adaptado para producir radiación a la primera frecuencia (vi) óptica, y un segundo oscilador (20) láser que está adaptado para producir radiación a la segunda frecuencia (V2) óptica con la segunda anchura (AV2) espectral,
los medios de ensanchamiento espectral comprenden un modulador (11) de fase que está dispuesto en una trayectoria de la radiación producida por el primer oscilador (10) láser, y que se controla por el controlador (50) de emisión para proporcionar la primera anchura (AV1) espectral a dicha radiación producida por el primer oscilador láser,
los medios de modulación de intensidad comprenden un primer modulador (12) de intensidad que está dispuesto en una trayectoria de la radiación procedente del modulador (11) de fase, y que se controla por el controlador (50) de emisión para ser eficaz en dicha radiación procedente del modulador de fase, y comprenden un segundo modulador (22) de intensidad que está dispuesto en una trayectoria de la radiación producida por el segundo oscilador (20) láser, y que se controla por el controlador de emisión para ser eficaz en dicha radiación producida por el segundo oscilador láser,
y el sistema LIDAR comprende además un acoplador (35) óptico adaptado para transmitir la radiación procedente de los moduladores (12) y (22) de intensidad primero y segundo a una parte aguas abajo de trayectoria óptica de emisión que es común a dicha radiación procedente de los moduladores de intensidad primero y segundo.
6. Sistema LIDAR según la reivindicación 2, en el que el controlador (50) de emisión está adaptado para controlar el conjunto de fuente láser, los medios de ensanchamiento espectral y los medios de modulación de intensidad de manera que la secuencia de emisión de radiación comprenda una sucesión de impulsos de radiación que estén situados espectralmente o bien en la primera (V1) de las dos frecuencias ópticas o en la segunda (V2) de las dos frecuencias ópticas, teniendo todos los impulsos de radiación la misma forma de enVolVente que comprende, tanto para la primera frecuencia óptica como para la segunda frecuencia óptica, una primera duración (At1) durante la cual la emisión de radiación tiene la primera anchura (AV1) espectral y el primer Valor de potencia (P1) óptica de impulso, y una segunda duración (Ata) durante la cual la emisión de radiación tiene la segunda anchura (AV2) espectral y el segundo Valor de potencia (P2) óptica de impulso, siendo la primera duración más corta que la segunda duración, y siendo anterior o posterior a dicha segunda duración en cada impulso de radiación.
7. Sistema LIDAR según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, realizado según una tecnología de fibras ópticas.
8. Sistema LIDAR según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios (35) de polarización adaptados para que la radiación emitida en la dirección de la zona de medición por dicho sistema LIDAR tenga polarizaciones que son ortogonales, en particular polarizaciones circulares que son opuestas, cuando dicha radiación se emite durante los primeros interValos de tiempo o los segundos interValos de tiempo, y el canal de detección comprende un separador (46) de polarización dispuesto para transmitir la radiación retrodispersada, en función de las polarizaciones de dicha radiación retrodispersada, o bien hacia un primer detector (41) que es sensible en un primer inteivalo espectral que incluye la primera frecuencia (V1) óptica combinada con la primera anchura (AV1) espectral, o hacia un segundo detector (42) que es sensible en un segundo intercalo espectral que incluye la segunda frecuencia (V2) óptica combinada con la segunda anchura (AV2) espectral.
9. Procedimiento de medición por absorción diferencial, de una cantidad de un compuesto químico presente en una dirección objetivo, en el que:
- se utiliza un sistema LIDAR según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando la primera frecuencia (V1) de emisión óptica destinada a seleccionarse fuera de las bandas de absorción del compuesto químico, y estando la segunda frecuencia (V2) de emisión óptica destinada a seleccionarse en una de las bandas de absorción de este compuesto químico;
- el sistema LIDAR se orienta según la dirección objetivo para emitir radiación según la secuencia de emisión de radiación hacia una zona de medición que es susceptible de contener el compuesto químico, y se activa el funcionamiento del sistema LIDAR;
- la distancia de alejamiento del obstáculo presente en el fondo de la zona de medición se estima a partir de la radiación retrodispersada que es relativa a la primera frecuencia (v1) óptica y que corresponde a las emisiones durante los primeros intervalos de tiempo; y
- la cantidad del compuesto químico que se encuentra en la zona de medición, integrada en una trayectoria de impulsos entre el sistema LIDAR y el obstáculo de fondo, se estima a partir de valores de intensidad relativos por separado a la radiación retrodispersada en la primera frecuencia (v1) óptica y a la segunda frecuencia (v2) óptica, correspondientes respectivamente a los intervalos de tiempo primero y segundo de la secuencia de emisión de radiación, habiéndose detectado dicha radiación retrodispersada por el canal de detección del sistema LIDAR.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la distancia de alejamiento del obstáculo presente en el fondo de la zona de medición se estima a partir de un tiempo de vuelo medido para la radiación retrodispersada en relación con la primera frecuencia (v1) óptica.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que la distancia de alejamiento del obstáculo que está presente en el fondo de la zona de medición, estimada a partir de la radiación retrodispersada que es relativa a la primera frecuencia (vi) óptica, se utiliza para estimar la cantidad del compuesto químico que está contenido en la zona de medición, en combinación con los valores de intensidad que se refieren por separado a la radiación retrodispersada detectada en la primera frecuencia óptica y en la segunda frecuencia (v2) óptica, y correspondientes respectivamente a las emisiones durante los intervalos de tiempo primero y segundo.
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que el compuesto químico es uno de dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y agua.
13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que el sistema LIDAR está instalado en la superficie de la Tierra y dirigido para medir la cantidad del compuesto químico que está presente entre dicho sistema LlDAR y el obstáculo,
o el sistema LIDAR se embarca a bordo de una aeronave en vuelo y se dirige hacia una zona geográfica en la superficie de la Tierra, para medir la distancia de alejamiento de la superficie de la Tierra en dicha zona geográfica con respecto al sistema LIDAR, y para medir la cantidad del compuesto químico presente entre dicho sistema LIDAR y la superficie de la Tierra en dicha zona geográfica,
o el sistema LIDAR se embarca a bordo de un satélite en órbita alrededor de la Tierra y se dirige hacia una zona geográfica de la superficie de la Tierra, para medir la distancia de alejamiento de la superficie de la Tierra en dicha zona geográfica con respecto al sistema LIDAR, y para medir la cantidad del compuesto químico presente entre dicho sistema LIDAR y la superficie de la Tierra en dicha zona geográfica.
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