RU191111U1 - Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар - Google Patents

Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар Download PDF

Info

Publication number
RU191111U1
RU191111U1 RU2019114157U RU2019114157U RU191111U1 RU 191111 U1 RU191111 U1 RU 191111U1 RU 2019114157 U RU2019114157 U RU 2019114157U RU 2019114157 U RU2019114157 U RU 2019114157U RU 191111 U1 RU191111 U1 RU 191111U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
analog
digital converter
fiber
modulator
Prior art date
Application number
RU2019114157U
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Иванович Надеев
Игорь Александрович Разенков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2019114157U priority Critical patent/RU191111U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU191111U1 publication Critical patent/RU191111U1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования скорости ветра. Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар включает лазер непрерывного излучения, акустооптический модулятор для формирования импульсного излучения, драйвер модулятора, волоконный усилитель, циркулятор, приёмо-передающий телескоп, два волоконных расщепителя, балансный фотодетектор, аналого-цифровой преобразователь, модуль управления, модуль спектральной обработки и компьютер. Отличается тем, что в устройстве применяется синхронизация частоты модуляции излучения с частотой дискретизации аналого-цифрового преобразователя посредством умножения частоты акустооптического модулятора на четыре и фазовой подстройки напряжения, управляющего работой аналого-цифрового преобразователя. Технический результат заключается в повышении точности и чувствительности. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования скорости ветра.
Описание полностью волоконного когерентного лидара непрерывного излучения дано в работе C. J. Karlsson, F. A. Olsson, D. Letalick, and M. Harris, “All-fiber multifunction continuous-wave coherent laser radar at 1.55 μm for range, speed, vibration, and wind measurements”, Appl. Opt. 39(21), 3716–3726 (2000). Этот лидар не является импульсным, поэтому непрерывный зондирующий пучок фокусируется на заданную дистанцию, на которой определяется скорость ветра. Затем пучок должен быть перефокусирован на другую дистанцию и процедура зондирования повторяется. Недостатком данного устройства является его низкая оперативность и невысокое пространственное разрешение, которое по мере удаления от лидара становится хуже. Наиболее близким к заявленному устройству является схема импульсного когерентного лидара, описанная в статье S. Kameyama, T. Ando, K. Asaka, Y. Hirano, and S. Wadaka “Compact all-fiber pulsed coherent Doppler lidar system for wind sensing”, Applied Optics, 46, 1953-1962 (2007), которая содержит источник непрерывного лазерного излучения на частоте ω0, акустооптический модулятор (АОМ) на частоте ωm, эрбиевый волоконный усилитель (ЭВУ), циркулятор, приёмо-передающий телескоп и балансный фотоприёмник. На приёмнике смешивается излучением лазера на частоте ω0 с излучением пришедшего из атмосферы эхосигнала на частоте ω0 + ωm + ωd , где ωd – доплеровский сдвиг частоты при наличии радиальной составляющей скорости ветра. На выходе фотодетектора получается радиочастотный сигнал с частотой ωm + ωd , который затем оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и далее обрабатывается в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Недостатком данного устройства является присутствие маскирующего сигнала на частоте модуляции, который обусловлен отражением от элементов приемопередающего тракта, индуктивных и кондуктивных электромагнитных помех. Интенсивность маскирующего сигнала сравнима с интенсивностью полезного сигнала и в ряде случаев может превосходить информационный сигнал в разы. Причина в несовершенстве существующих акустооптических модуляторов, которые пропускают небольшую часть непрерывного излучения лазера.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции лидара, обладающей высокой чувствительностью.
Технический результат
Поставленная задача повышения чувствительности устройства решается с помощью умножителя частоты и схемы фазовой подстройки, которые синхронизируют частоту дискретизации АЦП с частотой модуляции акустооптического модулятора.
В модели предлагается добавить электронный модуль, который будет умножать частоту модулятора в 4 раза, осуществлять фазовую подстройку частоты и управлять частотой дискретизации аналого-цифрового преобразователя.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично изображен оптоволоконный когерентный лидар, предназначенный для регистрации радиальной компоненты скорости ветра в атмосфере. Фиг. 1 включает оптическую схему устройства (1-7) и электронные модули (8-14). Соединение электронных модулей показано стрелками (электрические сигналы).
Устройство состоит из передающей и принимающей частей. Передающая часть имеет лазер 1 непрерывного излучения 1.55 мкм с частотой ω0. Волоконный разделитель 2 отводит часть излучения на детектор 8, а основная часть мощности от лазера 1 поступает в акустооптический модулятор 3, который формирует оптический импульс. Управление модулятором 3 осуществляется с помощью драйвера 11, на который поступают импульсы с модуля управления 10. Радиочастотный сигнал с драйвера 11 возбуждает акустическую волну в модуляторе 3 на частоте ωm , которая формирует оптический импульс и при этом на выходе частота ωm модулятора 3 складывается с частотой ω0 излучения лазера 1. Затем оптический импульс (ω0 + ωm) идёт на эрбиевый усилитель 4, проходит циркулятор 5 и далее поступает на приёмо-передающий телескоп 6. Рассеянное на перемещающемся атмосферном аэрозоле излучение возвращается обратно на телескоп 6 в виде эхосигнала с частотой ω0 + ωm + ωd , где ωd – доплеровский сдвиг частоты, зависящий от радиальной скорости ветра. Эхосигнал из атмосферы циркулятором 5 направляется на один вход расщепителя 7, который делит сигнал на две равные части. На другой вход расщепителя 7 подаётся опорное непрерывное излучение (ω0) от лазера 1, которое тоже делится пополам. Излучение с выхода расщепителя 7 поступает на вход балансного фотоприёмника 8, который детектирует сигнал разностной частоты ωm + ωd и ещё исключает синфазный шум. Потом этот радиочастотный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9 и затем в цифровом виде передаётся в модуль спектральной обработки 13. Модуль 13 делит принимаемый сигнал на части, производит спектральную обработку каждой части и накапливает получаемые спектры. После накопления в течение заданного интервала времени спектры из модуля 13 передаются в компьютер 14, где определяется величина доплеровского сдвига частоты ωd и рассчитывается величину радиальной скорости ветра вдоль трассы зондирования.
Все модули на фиг. 1 за исключением модуля 12 стандартные и составляют известную схему когерентного ветрового лидара. Модуль 12 включает в себя умножитель частоты напряжения модулятора на четыре (4 ωm) и схему фазовой подстройки частоты. Модуль 12 осуществляет синхронизацию между акустооптическим модулятором 3 и аналого-цифровым преобразователем 9.
На фиг. 2 представлен принимаемый паразитный сигнал (а) на частоте модуляции ωm = 80 МГц, полученный аналого-цифровым преобразователем при частоте дискретизации 250 МГц, и его спектр (б). Число значений сигнала равно 64 и, соответственно, число значений спектра равно 32. Из графика спектра видно, что многочисленные спектральные компоненты помехи будут маскировать допплеровское смещение полезного сигнала. Негативное влияние данного эффекта возрастет, если интенсивность маскирующего сигнала будет превышать интенсивность информационного сигнала.
На фиг. 3 тоже представлен принимаемый паразитный сигнал (а) на частоте модуляции ωm = 80 МГц, однако, полученный аналого-цифровым преобразователем 9 при частоте дискретизации 4 ωm = 320 МГц, и его спектр (б). Здесь частота дискретизации АЦП предлагаемым способом синхронизована с частотой модуляции акустооптического преобразователя 3. Синхронизация осуществляется с помощью умножителя частоты на x4 и схемы фазовой подстройки. Из данного графика видно, что в спектре помехи полностью отсутствуют маскирующие спектральные компоненты, кроме одной на частоте модуляции ωm = 80 МГц. Этот факт позволит без особых потерь выделить спектр полезного сигнала на фоне спектра помехи, не подверженного эффекту «размывания» спектра.
Осуществление полезной модели
Устройство на фиг. 1 использует эффект Доплера, который изменяет частоту рассеянного излучения движущимися в атмосфере частицами. Непрерывное излучение лазера 1 (ω0) поступает на модулятор 3, который формирует оптический импульс. Форма и длительность импульса задаётся модулем 10, импульс поступает на вход драйвера 11, который управляет модулятором 3. После модулятора 3 оптический импульс (ω0 + ωm) усиливается модулем 4 и циркулятором 5 направляется на телескоп 6 и уходит в атмосферу. Эхосигнал из атмосферы (ω0 + ωm + ωd) циркулятором 5 направляется на расщепитель 7, где он делится пополам и идёт на балансный детектор 8. Часть излучения (ω0) с расщепителя 2 через расщепитель 7 тоже делится пополам и идёт на балансный детектор 8. Радиочастотный сигнал разностной частоты (ωm + ωd) детектируется и направляется на аналого-цифровой преобразователь 9. Частота дискретизации преобразователя 9 синхронизируется с модулятором 3 посредством модуля 12, в котором происходит умножение частоты ωm в 4 раза и фазовая подстройка (фиг. 3а) управляющего напряжения, которое задаёт частоту дискретизации АЦП 9. Оцифрованный эхосигнал поступает в модуль 13, где происходит спектральная обработка и накопление спектров. Затем спектры передаются в компьютер 14, где определяется доплеровский сдвиг частоты и рассчитывается профиль радиальной компоненты скорости ветра. В полученном спектре (фиг. 3б) помеха будет присутствовать только на частоте модулятора ωm и не будет влиять на доплеровскую компоненту. Контроль модулем управления 10 и модулем спектральной обработки 13 осуществляется с компьютера 14. В свою очередь модуль 10 управляет драйвером 11, и аналого-цифровым преобразователем 9.

Claims (1)

  1. Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар, включающий лазер непрерывного излучения, акустооптический модулятор для формирования импульсного излучения, драйвер модулятора, волоконный усилитель, циркулятор, приёмо-передающий телескоп, два волоконных расщепителя, балансный фотодетектор, аналого-цифровой преобразователь, модуль управления, модуль спектральной обработки и компьютер, отличающийся тем, что в устройстве применяется синхронизация частоты модуляции излучения с частотой дискретизации аналого-цифрового преобразователя посредством умножения частоты акустооптического модулятора на четыре и фазовой подстройки напряжения, управляющего работой аналого-цифрового преобразователя.
RU2019114157U 2019-05-13 2019-05-13 Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар RU191111U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019114157U RU191111U1 (ru) 2019-05-13 2019-05-13 Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019114157U RU191111U1 (ru) 2019-05-13 2019-05-13 Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU191111U1 true RU191111U1 (ru) 2019-07-24

Family

ID=67513237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019114157U RU191111U1 (ru) 2019-05-13 2019-05-13 Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU191111U1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111751844A (zh) * 2020-07-07 2020-10-09 南京红露麟激光雷达科技有限公司 一种基于频域编码技术的相干激光雷达
RU204741U1 (ru) * 2021-03-09 2021-06-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Многоапертурный лидар для зондирования атмосферы
RU204742U1 (ru) * 2021-03-17 2021-06-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Двухапертурный лидар с оптоволоконной оптикой
CN114578319A (zh) * 2022-05-06 2022-06-03 武汉镭晟科技有限公司 一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203965622U (zh) * 2014-06-12 2014-11-26 中国科学院上海技术物理研究所 一种基于强度编码的合成孔径激光雷达系统
US20170350964A1 (en) * 2016-06-03 2017-12-07 Alcatel-Lucent Usa Inc. Coherent lidar system using tunable carrier-suppressed single-sideband modulation
RU2655040C1 (ru) * 2017-08-16 2018-05-23 Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минромторг России) Доплеровский сканирующий лидар бортового базирования

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203965622U (zh) * 2014-06-12 2014-11-26 中国科学院上海技术物理研究所 一种基于强度编码的合成孔径激光雷达系统
US20170350964A1 (en) * 2016-06-03 2017-12-07 Alcatel-Lucent Usa Inc. Coherent lidar system using tunable carrier-suppressed single-sideband modulation
RU2655040C1 (ru) * 2017-08-16 2018-05-23 Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минромторг России) Доплеровский сканирующий лидар бортового базирования

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S. KAMEYAMA et al. "Compact all-fiber pulsed coherent Doppler lidar system for wind sensing", Applied Optics, vol. 46, No 1, 1953-1962 (2007). *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111751844A (zh) * 2020-07-07 2020-10-09 南京红露麟激光雷达科技有限公司 一种基于频域编码技术的相干激光雷达
CN111751844B (zh) * 2020-07-07 2024-02-23 南京泰爱信科技有限公司 一种基于频域编码技术的相干激光雷达
RU204741U1 (ru) * 2021-03-09 2021-06-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Многоапертурный лидар для зондирования атмосферы
RU204742U1 (ru) * 2021-03-17 2021-06-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Двухапертурный лидар с оптоволоконной оптикой
CN114578319A (zh) * 2022-05-06 2022-06-03 武汉镭晟科技有限公司 一种用于自由空间气体遥感激光雷达的光纤激光器模块

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU191111U1 (ru) Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар
RU193690U1 (ru) Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар
EP3268771B1 (en) Coherent ladar using intra-pixel quadrature detection
US10901089B2 (en) Coherent LIDAR method and apparatus
CN109964143B (zh) 用于处理由相干激光雷达引起的信号的方法及相关激光雷达系统
US5847817A (en) Method for extending range and sensitivity of a fiber optic micro-doppler ladar system and apparatus therefor
CN110520753B (zh) 激光雷达装置
GB2195764A (en) Heterodyne laser instantaneous frequency measurement system
EP3679394B1 (en) Ladar system supporting doublet waveform for sequential in-phase (i) and quadrature (q) processing
CN109375230B (zh) 一种高精度激光回波频率调制系统和方法
CN108303704B (zh) 一种基于偏振调制的激光测量方法及激光雷达
CA3048330A1 (en) Method for processing a signal from a coherent lidar in order to reduce noise and related lidar system
CN114035174A (zh) 双通道双啁啾线性调频连续波激光雷达方法及装置
US9798004B2 (en) Laser ranging sensors and methods that use a ladder of synthetic waves having increasing wavelengths to calculate a distance measurement
CN101788671B (zh) 应用于外差探测啁啾调幅激光测距装置的多周期调制方法
AU2003227869A1 (en) Method and apparatus for laser vibrometry
US10491306B2 (en) RF-photonic pulse doppler radar
JP2010127839A (ja) レーザレーダ装置
CN104111450A (zh) 一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法及系统
RU2456636C1 (ru) Лазерный локатор
CN115792861A (zh) 一种实现脉冲激光多普勒雷达信号相干累加的装置及方法
US20220291381A1 (en) Distance Measurement by Means of an Active Optical Sensor System
CN116106917A (zh) 一种并行线性调频连续波激光雷达测距测速系统
CN113607277B (zh) 一种窄线宽激光器线宽测量系统的解调方法
JP7325669B2 (ja) レーザレーダ装置