RU2434247C1 - Method of generating interference signal in doppler lidars - Google Patents

Method of generating interference signal in doppler lidars Download PDF

Info

Publication number
RU2434247C1
RU2434247C1 RU2010118799/09A RU2010118799A RU2434247C1 RU 2434247 C1 RU2434247 C1 RU 2434247C1 RU 2010118799/09 A RU2010118799/09 A RU 2010118799/09A RU 2010118799 A RU2010118799 A RU 2010118799A RU 2434247 C1 RU2434247 C1 RU 2434247C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulse
fiber optic
signal
reference signal
light
Prior art date
Application number
RU2010118799/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Сергеевич Соболев (RU)
Виктор Сергеевич Соболев
Виктор Иванович Титков (RU)
Виктор Иванович Титков
Анатолий Миронович Щербаченко (RU)
Анатолий Миронович Щербаченко
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН
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 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН
Priority to RU2010118799/09A priority Critical patent/RU2434247C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2434247C1 publication Critical patent/RU2434247C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: advantage of the disclosed method becomes apparent when using pulsed lasers with pulse duration shorter than one nanosecond. The method involves generation of a continuous reference signal by using backward scattered light which is picked up by a directional coupler, with propagation of an input light pulse in an annular fibre-optic delay line with a repeating generation cycle and regeneration of the sequence of such input light pulses. ^ EFFECT: high accuracy and noise-immunity of measuring Doppler signals, broader functionalities; method does not have any limitations when using lasers with short atmospheric probing pulses; simple and cheap optical and electronic parts of the device. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к области построения оптической части - доплеровских лидаров, предназначенных для измерения скорости ветра и выявления турбулентных процессов в атмосфере, а именно к вопросу формирования опорного сигнала, необходимого для получения интерференционного сигнала доплеровской частоты. Процесс измерения скорости ветра в лидарах заключается в зондировании атмосферы мощным коротким импульсом света, приеме рассеянного и отраженного света, формировании опорного сигнала, суммировании принимаемого сигнала с опорным сигналом и последующем детектировании результирующего интерференционного сигнала.The invention relates to the field of construction of the optical part - Doppler lidars, designed to measure wind speed and detect turbulent processes in the atmosphere, and in particular to the question of the formation of the reference signal necessary to obtain an interference signal of Doppler frequency. The process of measuring wind speed in lidars consists of sensing the atmosphere with a powerful short pulse of light, receiving scattered and reflected light, generating a reference signal, summing the received signal with the reference signal, and then detecting the resulting interference signal.

Существует большое количество способов формирования интерференционного сигнала, в которых предпринимаются попытки найти эффективные решения ряда наиболее сложных проблем. К их числу относятся получение интерференционного сигнала при коротком зондирующем импульсе и получение оценок частоты доплеровского сигнала в требуемых точках пространственных координат.There are a large number of methods for generating an interference signal in which attempts are made to find effective solutions to a number of the most complex problems. These include obtaining an interference signal with a short probe pulse and obtaining estimates of the frequency of the Doppler signal at the required points of spatial coordinates.

В качестве примера можно привести патенты US 2009073417 A1; WO 2007009759 A1; US 2008/0024756 A1, G01S 17/00. В первом патенте рассматривается схема с накачкой лазерного излучателя, через которую одновременно осуществляется прием рассеянного света. Во втором предлагается оптическая схема, в которой осуществляется измерение распределения интенсивности света спекл-структуры изображения в разные моменты времени принимаемого света, а в последнем патенте предлагаются оптические схемы получения квадратурных составляющих доплеровских сигналов. При этом не затрагивается вопрос, каким образом необходимо формировать опорный сигнал, чтобы в течение всего времени распространения зондирующего импульса света можно было получить непрерывный интерференционный сигнал.As an example, patents US 2009073417 A1; W02007009759 A1; US 2008/0024756 A1, G01S 17/00. The first patent describes a laser pumped circuit through which scattered light is received at the same time. The second one proposes an optical scheme in which the light intensity distribution of the speckle structure of the image is measured at different instants of time of the received light, and the last patent offers optical schemes for obtaining quadrature components of Doppler signals. At the same time, the question of how to form a reference signal is not addressed so that a continuous interference signal can be obtained during the entire propagation time of the probe light pulse.

Принимаемый лидаром сигнал формируется в основном за счет отражения зондирующего луча от рассеивающих свет аэрозольных частиц в атмосфере и представляет собой импульс света, модулированный по частоте и амплитуде средой, рассеивающей свет. Как правило, это шумоподобный сигнал, имеющий доплеровское смещение частоты, так как он получен от множества рассеивающих свет частиц, распределенных случайным образом. К тому же процесс оценки доплеровской частоты в таком сигнале существенным образом усложняется из-за короткой длительности как самого принимаемого сигнала, так и требуемого времени разрешения пространственной координаты. Поскольку длительность самого зондирующего импульса компактных и надежных лазерных источников составляет порядка 1 наносекунды и менее, то шумовая полоса частот блока обработки сигнала после фотоприемника будет определяться длительностью зондирующего импульса. Кроме того, измерения за такие короткие промежутки времени технически трудно осуществимы и требуют дорогостоящего оборудования.The signal received by the lidar is formed mainly due to the reflection of the probe beam from aerosol particles scattering light in the atmosphere and is a light pulse modulated in frequency and amplitude with a light scattering medium. As a rule, this is a noise-like signal having a Doppler frequency shift, since it is obtained from a plurality of light-scattering particles distributed randomly. In addition, the process of estimating the Doppler frequency in such a signal is substantially complicated due to the short duration of both the received signal and the required spatial resolution time. Since the duration of the probing pulse of compact and reliable laser sources is about 1 nanosecond or less, the noise frequency band of the signal processing unit after the photodetector will be determined by the duration of the probing pulse. In addition, measurements over such short periods of time are technically difficult to implement and require expensive equipment.

Известен способ формирования интерференционного сигнала (патент РФ №2338223, выданный 10.11.2008 г., G01S 17/88, и статья этих же авторов: G.G. Matvienko, S.N. Polyakov, and V.K. Oshlakov; Basic Principles of Pulse-Wind Doppler Lidaras with Multitime Coherencse. ISSN 1054-0660X, Laser Physics, 2008, Vol.18, No 11, pp.1246-1250), в котором рассеянный свет от зондирующего импульса интерферирует с опорным сигналом, получаемым путем многократной задержки части зондирующего импульса в отдельных отрезках оптоволоконных линий и последующего суммирования задержанных импульсов путем подстановки их друг за другом. Такая операция названа авторами пространственно-временным мультиплицированием. Однако в реальных устройствах невозможно обеспечить точность и стабильность задержек в разных отрезках оптоволоконных линий задержки. Поэтому нельзя обеспечить стыковку фаз конца предыдущего и начала последующего задержанных импульсов для обеспечения непрерывности фазы результирующего мультиплицированного опорного сигнала, что приводит к появлению скачков фазы. В результате разность фаз сигналов рассеянного света от зондирующего импульса и опорного сигнала целиком переносится на выходной сигнал фотоприемника и измеряемый доплеровский сигнал будет иметь скачки фаз в пределах 0-360 градусов, распределенных случайным образом. В этих условиях доплеровскую частоту можно измерить только в том случае, если за время длительности исходного зондирующего импульса можно будет сформировать не менее двух отсчетов набега фазы измеряемого сигнала. При длительности импульса 1нс такие измерения становятся невозможными, так как фактический набег фазы доплеровского сигнала оказывается меньше 1 градуса уже для частот доплеровского сдвига порядка 3 МГц.A known method of generating an interference signal (RF patent No. 2338223, issued November 10, 2008, G01S 17/88, and an article by the same authors: GG Matvienko, SN Polyakov, and VK Oshlakov; Basic Principles of Pulse-Wind Doppler Lidaras with Multitime Coherencse ISSN 1054-0660X, Laser Physics, 2008, Vol. 18, No. 11, pp. 1246-1250), in which the scattered light from the probe pulse interferes with the reference signal obtained by repeatedly delaying part of the probe pulse in separate segments of the fiber optic lines and the subsequent summation of the delayed pulses by substituting them one after another. Such an operation is called by the authors spatio-temporal multiplication. However, in real devices it is impossible to ensure the accuracy and stability of delays in different segments of the fiber delay lines. Therefore, it is impossible to match the phases of the end of the previous and the beginning of the subsequent delayed pulses to ensure the phase continuity of the resulting multiplied reference signal, which leads to the appearance of phase jumps. As a result, the phase difference of the scattered light signals from the probing pulse and the reference signal is completely transferred to the output signal of the photodetector and the measured Doppler signal will have phase jumps within 0-360 degrees, distributed randomly. Under these conditions, the Doppler frequency can only be measured if at least two samples of the phase incursion of the measured signal can be generated during the duration of the initial probe pulse. With a pulse duration of 1 ns, such measurements become impossible, since the actual phase advance of the Doppler signal is less than 1 degree already for Doppler frequencies of the order of 3 MHz.

Наиболее близким к заявляемому решению является принятый в качестве прототипа способ формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах, опубликованный в работах: Adrian A. Dorrington, Rainer Kunnemeyer, and Paul M. Danehy "Refrence-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol.40, No. 18, 2001; Juli-Lai Shen and Rainer Kunnemaer, "Amplified refrence pulse storage for low coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol.45, No. 32, 2006. Сущность этого известного способа получения интерференционного сигнала заключается в том, что для опорного сигнала используют импульс, полученный с помощью оптического ответвителя из зондирующего атмосферу импульса. Этот ответвленный импульс многократно повторяется в кольцевой оптоволоконной линии задержки с периодом, равным времени задержки в ней. Задержанные импульсы образуют временную последовательность в виде ряда, которые с помощью ответвителя выделяются и затем суммируются с принимаемым отраженным от атмосферы оптическим сигналом. Полученный в результате суммирования интерференционный сигнал детектируют.Closest to the claimed solution is a prototype method for generating an interference signal in Doppler lidars, published by Adrian A. Dorrington, Rainer Kunnemeyer, and Paul M. Danehy "Refrence-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar ", Appl. Opt. vol. 40, No. 18, 2001; Juli-Lai Shen and Rainer Kunnemaer, "Amplified refrence pulse storage for low coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol. 45, No. 32, 2006. The essence of this known method for producing an interference signal is that a pulse obtained using an optical coupler from an atmosphere-sensing pulse is used for the reference signal. This branched pulse is repeated many times in an annular fiber optic delay line with a period equal to the delay time in it. The delayed pulses form a time sequence in the form of a series, which are extracted using a coupler and then added to the received optical signal reflected from the atmosphere. The resulting interference signal is detected.

Недостатком этого способа является прерывистость опорного сигнала, что приводит к невозможности непрерывного измерения фазы доплеровского сигнала.The disadvantage of this method is the discontinuity of the reference signal, which makes it impossible to continuously measure the phase of the Doppler signal.

В предлагаемом авторами способе формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах решается задача получения непрерывного опорного оптического сигнала. Это достигается за счет того, что кольцевую оптоволоконную линию задержки делят на две части с помощью дополнительно введенного оптического изолятора, пропускающего свет только в одном направлении, выделяют свет, распространяющийся в обратном направлении от первой части кольцевой оптоволоконной линии задержки с помощью направленного оптоволоконного ответвителя, и используют его в качестве опорного сигнала.In the method proposed by the authors for generating an interference signal in Doppler lidars, the problem of obtaining a continuous reference optical signal is solved. This is achieved due to the fact that the annular fiber optic delay line is divided into two parts using an additionally inserted optical isolator that transmits light in only one direction, light propagating in the opposite direction from the first part of the annular fiber optic delay line using a directional fiber optic coupler, and use it as a reference signal.

Это позволяет в кольцевой оптоволоконной линии задержки, предназначенной для многократной прокрутки исходной части зондирующего импульса, сформировать непрерывный опорный сигнал в отличие от известного способа, где в качестве опорного сигнала используются короткие сигналы, прошедшие через кольцевую линию задержки в прямом направлении, длительность которых соответствует длительности зондирующего импульса. В предлагаемом изобретении формируется непрерывный опорный сигнал, распространяющийся в обратном направлении от первой части кольцевой оптоволоконной линии задержки. При этом длительность такого опорного сигнала равна удвоенной величине задержки первой части кольцевой оптоволоконной линии до места включения оптического изолятора. В результате сложения опорного и принимаемого рассеянного от аэрозольных частиц в атмосфере света получают непрерывный интерференционный сигнал. Полученный интерференционный сигнал позволяет создать лидар, в котором становится возможным не только непрерывно измерять фазу сигнала доплеровской частоты, но и появляется возможность выбора любого значения пространственного разрешения, которое определяется только временем оценки доплеровской частоты. С другой стороны, благодаря увеличению длительности полученного опорного оптического сигнала можно уменьшить полосу пропускания электронных цепей блока обработки электрического сигнала и тем самым улучшить соотношение сигнал/шум. Это расширяет функциональные возможности аппаратуры и снижает погрешности измерения доплеровской частоты. В этом заключается новизна предлагаемого способа. В работах: Adrian A. Dorrington, Rainer Kunnemeyer, and Paul M. Danehy, "Refrence-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol.40, No. 18, 2001; Juli-Lai Shen and Rainer Kunnemaer, "Amplified refrence pulse storage for low coherence pulsed Doppler lidar,"Appl. Opt. vol.45, No. 32, 2006, приведено описание устройства, реализующего известный способ формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах. Недостатком устройства является дискретность измерения фазы сигнала, так как измерения могут осуществляться только в моменты существования импульса опорного сигнала и чем короче эти импульсы, тем труднее проводить измерения. Это вытекает из недостатков, отмеченных в известном способе.This allows the formation of a continuous reference signal in the ring fiber delay line, designed for multiple scrolling of the initial part of the probe pulse, in contrast to the known method, where short signals transmitted through the ring delay line in the forward direction, the duration of which corresponds to the probe length, are used as the reference signal momentum. In the present invention, a continuous reference signal is generated, propagating in the opposite direction from the first part of the annular fiber optic delay line. Moreover, the duration of such a reference signal is equal to twice the delay value of the first part of the annular fiber optic line to the point where the optical isolator is turned on. As a result of adding the reference and received light scattered from aerosol particles in the atmosphere, a continuous interference signal is obtained. The resulting interference signal allows you to create a lidar, in which it becomes possible not only to continuously measure the phase of the Doppler frequency signal, but also it becomes possible to select any value of spatial resolution, which is determined only by the time of estimation of the Doppler frequency. On the other hand, by increasing the duration of the obtained optical reference signal, it is possible to reduce the bandwidth of the electronic circuits of the electric signal processing unit and thereby improve the signal to noise ratio. This extends the functionality of the equipment and reduces the measurement errors of the Doppler frequency. This is the novelty of the proposed method. In: Adrian A. Dorrington, Rainer Kunnemeyer, and Paul M. Danehy, "Refrence-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar", Appl. Opt. vol. 40, No. 18, 2001; Juli-Lai Shen and Rainer Kunnemaer, "Amplified refrence pulse storage for low coherence pulsed Doppler lidar," Appl. Opt. vol. 45, No. 32, 2006, a description is given of a device implementing the known method for generating an interference signal in Doppler lidars. The disadvantage of this device is the discreteness of measuring the phase of the signal, since measurements can be carried out only at the moments of the existence of the pulse of the reference signal and the shorter these pulses are, the more difficult it is to carry out the measurements. This follows from the disadvantages noted in the known method.

Ниже приводится описание структурной схемы устройства, выполненного на основе предлагаемого способа. В этом устройстве формирования интерференционного сигнала в доплеровских лидарах, выполненном в соответствии с предложенным способом, этот отмеченный выше недостаток устранен. Это достигается за счет того, в кольцевую оптоволоконную линию задержки дополнительно включены оптоволоконный изолятор, пропускающий свет только в одном направлении и разделяющий кольцевую линию на две части, направленный оптоволоконный ответвитель, соединенный входом первичной линии с оставшимся концом вторичной линии второго оптоволоконного ответвителя, выходом - с входом кольцевой оптоволоконной линии задержки, а выход вторичной линии рабочим плечом соединен с оставшимся входом оптического сумматора. При этом выход направленного оптоволоконного ответвителя становится выходом опорного сигнала кольцевой оптоволоконной линии задержки.The following is a description of the structural diagram of the device based on the proposed method. In this device for generating an interference signal in Doppler lidars made in accordance with the proposed method, this drawback noted above is eliminated. This is achieved due to the fact that a fiber optic insulator is additionally included in the ring fiber-optic delay line, transmitting light in only one direction and dividing the ring line into two parts, a directional fiber coupler connected to the input of the primary line with the remaining end of the secondary line of the second fiber coupler, and the output from the input of the annular fiber optic delay line, and the output of the secondary line by the working arm is connected to the remaining input of the optical adder. The output of the directional fiber optic coupler becomes the output of the reference signal of the ring fiber optic delay line.

Предлагаемый способ формирования интерференционного сигнала в лидарах обладает существенными преимуществами по сравнению с известными аналогами по точности и помехоустойчивости. Он позволяет даже при длительности импульса 1нс произвести измерения набега фазы частоты доплеровского сигнала, так как из любого короткого импульса можно сформировать опорный сигнал любой требуемой длительности. Такой способ позволяет использовать мощные лазеры с любой короткой длительностью зондирующего импульса. Это обстоятельство упрощает и удешевляет как оптическую, так и электронную части устройства, позволяет существенно повысить отношение сигнал/шум в электронных блоках обработки сигналов.The proposed method for generating an interference signal in lidars has significant advantages compared with known analogues in terms of accuracy and noise immunity. It allows even with a pulse duration of 1 ns to take measurements of the phase incursion of the frequency of the Doppler signal, since from any short pulse it is possible to generate a reference signal of any desired duration. This method allows the use of high-power lasers with any short duration of the probe pulse. This circumstance simplifies and reduces the cost of both the optical and electronic parts of the device, and makes it possible to significantly increase the signal-to-noise ratio in electronic signal processing units.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства формирования интерференционного сигнала. На фиг.2 показаны временные последовательности огибающих основных сигналов.Figure 1 presents a structural diagram of a device for generating an interference signal. Figure 2 shows the temporal sequence of the envelopes of the main signals.

Структурная схема (фиг.1) содержит лазер 1, формирующий импульс света, первый оптоволоконный ответвитель 2, осуществляющий ответвление части энергии импульса лазера I0(t), блок приема-передачи 3, формирующий и излучающий импульс Iвых(t) зондирования и осуществляющий прием отраженного рассеянного света Iвх(t) из атмосферы. Кольцевая оптоволоконная линия задержки 4 содержит последовательно соединенные оптический блок усиления 5, второй оптоволоконный ответвитель 6, направленный оптоволоконный ответвитель 7, который формирует на выходе своего рабочего плеча вторичной линии опорный сигнал Ir(t), и оптический изолятор 8, разделяющий кольцевую оптоволоконную линию по длине на две части L1 и L2. Оптический сумматор 9, формирующий интерференционный сигнал из суммы рассеянного света и опорного сигнала, соединен своим выходом с входом блока детектирования 10, преобразующего интерференционный сигнал в электрический U(t). При этом ввод ответвленной части энергии импульса лазера в кольцевую оптоволоконную линию задержки осуществляется через вторичную линию второго оптоволоконного ответвителя.The structural diagram (Fig. 1) contains a laser 1 that generates a light pulse, a first fiber optic coupler 2, which branches out part of the energy of the laser pulse I 0 (t), a transmit-receive unit 3, which generates and emits a sensing pulse I o (t) and carries out reception of reflected scattered light I in (t) from the atmosphere. The annular fiber optic delay line 4 comprises a series-connected optical amplification unit 5, a second fiber optic coupler 6, a directional fiber optic coupler 7, which forms a reference signal I r (t) at the output of its secondary shoulder, and an optical isolator 8 separating the annular optical fiber line the length into two parts L1 and L2. The optical adder 9, which generates an interference signal from the sum of the scattered light and the reference signal, is connected by its output to the input of the detection unit 10, which converts the interference signal into electrical U (t). In this case, the branching part of the laser pulse energy is input into the annular fiber optic delay line through the secondary line of the second fiber optic coupler.

На фиг.2 показаны следующие сигналы: I0(t) - на выходе импульсного лазера, Isum(t) - на выходе второго оптоволоконного ответвителя, Ir(t) - на выходе направленного оптоволоконного ответвителя, Is(t) - затухающий сигнал от атмосферных аэрозольных частиц на выходе оптического блока приема передачи.Figure 2 shows the following signals: I 0 (t) - at the output of a pulsed laser, I sum (t) - at the output of a second fiber optic coupler, I r (t) - at the output of a directional fiber optic coupler, I s (t) - damped a signal from atmospheric aerosol particles at the output of the optical transmission receiving unit.

Устройство работает следующим образом. Лазерный импульс света разделяется на две части в первом оптоволоконном ответвителе. Основная часть энергии поступает в блок приема-передачи, где формируется зондирующий импульс, другая часть направляется в кольцевую оптоволоконную линию задержки через второй оптоволоконный ответвитель. Далее ответвленный световой импульс проходит направленный оптоволоконный ответвитель по первичной линии и поступает в оптоволоконную линию, которая разделена на две части с помощью оптоволоконного изолятора 8 (на L1 - до изолятора и L2 - после изолятора), пропускающего свет только в одном направлении. При этом в оптоволоконной линии происходят два процесса: процесс многократной регенерации части импульса лазера I0(t) и воспроизведения его в виде временной импульсной последовательности сигналов Isum(t), распространяющихся в прямом направлении, с периодом, равным времени задержки кольца оптоволоконной линии, и процесс выделения света, распространяющегося в обратном направлении. Как известно, при распространении импульса в волоконной линии свет частично поглощается, а также отражается и рассеивается в обратном направлении. В рассматриваемой схеме указанные процессы будут наблюдаться как в первой части линии L1, так и во второй L2, но оптоволоконный изолятор обратный свет от второй части оптоволоконной линии не пропустит. Поэтому возвращаться будет только свет от первой части, который будет отделяться от прямой волны в направленном оптоволоконном ответвителе и поступать на выход рабочего плеча вторичной линии в виде опорного сигнала Ir(t). Из этого следует, что требования, предъявляемые к первой и второй частям кольцевой оптоволоконной линии задержки, будут разными. Первую часть необходимо выбирать с высокими потерями, так чтобы интенсивность обратного светового потока была достаточной для получения необходимого уровня опорного сигнала, а вторую часть - без потерь. Как известно, оптоволоконные линии передачи выполняются с минимальными потерями для конкретных длин волн. Поэтому для данного случая необходимо подобрать оптоволоконную линию с требуемым коэффициентом потерь из списка известных типов линий передачи, выпускаемых промышленностью, или же создать такую линию. Для того чтобы избежать переналожения импульсов обратного рассеянного света от каждого последующего импульса Isum(t), оптоволоконная линия задержки с помощью оптического изолятора 8 делится на две части L1 и L2, так чтобы выполнялось условие τ1≤τ2+ΔT, где τ1 - задержка на длине L1, τ2 - задержка на длине L2, ΔT - длительность входного импульса. Для компенсации потерь светового импульса в конце кольцевой линии установлен оптический блок усиления 5. Коэффициент усиления при этом не должен превышать коэффициент потерь из условия устойчивости работы кольцевой оптоволоконной линии задержки.The device operates as follows. The laser light pulse is divided into two parts in the first fiber optic coupler. The main part of the energy is supplied to the transmit-receive unit, where a probe pulse is formed, the other part is sent to the ring fiber optic delay line through the second fiber optic coupler. Next, the branched light pulse passes the directional fiber optic coupler along the primary line and enters the fiber optic line, which is divided into two parts using fiber optic insulator 8 (on L1 - before the insulator and L2 - after the insulator), which transmits light in only one direction. In this case, two processes occur in the fiber optic line: the process of multiple regeneration of part of the laser pulse I 0 (t) and its reproduction in the form of a temporary pulse sequence of signals I sum (t), propagating in the forward direction, with a period equal to the delay time of the fiber optic ring ring, and the process of releasing light propagating in the opposite direction. As you know, when a pulse propagates in a fiber line, light is partially absorbed, and also reflected and scattered in the opposite direction. In the considered circuit, the indicated processes will be observed both in the first part of the L1 line and in the second L2, but the fiber optic insulator will not let back light from the second part of the fiber optic line. Therefore, only light from the first part will return, which will be separated from the direct wave in the directional fiber optic coupler and fed to the output of the working arm of the secondary line in the form of a reference signal I r (t). From this it follows that the requirements for the first and second parts of the annular fiber optic delay line will be different. The first part must be selected with high losses, so that the intensity of the return light flux is sufficient to obtain the required level of the reference signal, and the second part is lossless. As you know, fiber optic transmission lines are performed with minimal losses for specific wavelengths. Therefore, for this case, it is necessary to select a fiber optic line with the required loss factor from the list of known types of transmission lines produced by the industry, or to create such a line. In order to avoid the re-arrangement of pulses of backscattered light from each subsequent pulse I sum (t), the fiber-optic delay line using optical isolator 8 is divided into two parts L1 and L2, so that the condition τ1≤τ2 + ΔT is satisfied, where τ1 is the delay by the length L1, τ2 is the delay on the length L2, ΔT is the duration of the input pulse. To compensate for the loss of light pulse, an optical amplification unit 5 is installed at the end of the ring line. The gain factor should not exceed the loss factor from the condition of stability of the operation of the ring fiber optic delay line.

Технический результат от использования предлагаемого способа заключается в повышении точности измерений, расширении функциональных возможностей аппаратуры, надежности и стабильности ее работы благодаря формированию непрерывного опорного сигнала от лазерного источника света с любой длительностью импульса. В предлагаемом способе используется непрерывный сигнал обратного рассеянного света от первой части кольцевой линии задержки. При этом получают непрерывный интерференционный сигнал, что позволяет создать лидар, в котором становится возможным непрерывно измерять фазу сигнала доплеровской частоты.The technical result from the use of the proposed method is to increase the accuracy of measurements, expand the functionality of the equipment, the reliability and stability of its operation due to the formation of a continuous reference signal from a laser light source with any pulse duration. The proposed method uses a continuous signal of backscattered light from the first part of the annular delay line. In this case, a continuous interference signal is obtained, which makes it possible to create a lidar in which it becomes possible to continuously measure the phase of the Doppler frequency signal.

Возможность реализации предлагаемого способа подтверждается широко используемыми измерителями качества волоконно-оптических линий -рефлектометрами, в которых измеряется рассеянный в обратном направлении свет, порождаемый входным импульсом света, распространяющийся в прямом направлении.The feasibility of the proposed method is confirmed by the widely used quality meters of fiber-optic lines — reflectometers, in which the light scattered in the opposite direction, generated by the input light pulse, propagating in the forward direction, is measured.

Отличие предлагаемого способа от существующих способов заключается в том, что вместо короткого импульсного опорного сигнала, длительность которого равна длительности зондирующего импульса, используется непрерывный сигнал, порождаемый самим коротким импульсом при его распространении в оптоволоконной линии в виде отраженного и рассеянного света.The difference of the proposed method from existing methods is that instead of a short pulse reference signal, the duration of which is equal to the duration of the probe pulse, a continuous signal is used, generated by the short pulse itself when it propagates in the fiber optic line in the form of reflected and scattered light.

Лидар, реализующий предложенный метод, может быть изготовлен с использованием существующих в настоящее время узлов и деталей, таких как направленные ответвители, усилители, изоляторы и т.д., серийно выпускаемые известными фирмами (например, Telecommunications Inc. или Thorlabs), в компактной форме.A lidar that implements the proposed method can be manufactured using currently existing components and parts, such as directional couplers, amplifiers, isolators, etc., commercially available from well-known companies (for example, Telecommunications Inc. or Thorlabs), in a compact form .

Claims (1)

Способ формирования интерференционного сигнала в доплеровских схемах лидара, заключающийся в том, что ответвляют часть основного зондирующего импульса и формируют из него временной ряд импульсов с помощью кольцевой оптоволоконной линии задержки, снабженной оптическим блоком усиления, выделяют задержанные импульсы и используют их в качестве опорного сигнала, который затем суммируют с рассеянным светом от зондирующего импульса и детектируют, отличающийся тем, что кольцевую оптоволоконную линию задержки делят на две части с помощью дополнительно введенного оптического изолятора, пропускающего свет только в одном направлении, выделяют свет, распространяющийся в обратном направлении от первой части кольцевой оптоволоконной линии задержки, с помощью направленного оптоволоконного ответвителя и используют его в качестве опорного сигнала. The method of generating an interference signal in the Doppler circuits of the lidar, namely, that a part of the main probe pulse is branched and a time series of pulses is formed from it using a ring fiber optic delay line equipped with an optical amplification unit, delayed pulses are extracted and used as a reference signal, which then summed with scattered light from the probe pulse and detect, characterized in that the annular fiber optic delay line is divided into two parts using olnitelno inputted optical isolator that transmits light only in one direction emit light propagating in the opposite direction from the first portion of the annular optical fiber delay line optical fiber via the directional coupler and use it as a reference signal.
RU2010118799/09A 2010-05-11 2010-05-11 Method of generating interference signal in doppler lidars RU2434247C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010118799/09A RU2434247C1 (en) 2010-05-11 2010-05-11 Method of generating interference signal in doppler lidars

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010118799/09A RU2434247C1 (en) 2010-05-11 2010-05-11 Method of generating interference signal in doppler lidars

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2434247C1 true RU2434247C1 (en) 2011-11-20

Family

ID=45316768

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010118799/09A RU2434247C1 (en) 2010-05-11 2010-05-11 Method of generating interference signal in doppler lidars

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2434247C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2545498C1 (en) * 2013-11-07 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2545498C1 (en) * 2013-11-07 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method to detect speed and direction of wind and incoherent doppler lidar

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2800267C (en) Method and apparatus for a pulsed coherent laser range finder
CN106707291B (en) Double-frequency linear frequency modulation coherent wind lidar
JP5138854B2 (en) Optical distance measurement
JP6552983B2 (en) Brillouin scattering measurement method and Brillouin scattering measurement apparatus
CN107807367B (en) A kind of coherent wind laser radar apparatus
JP5122120B2 (en) Optical fiber characteristic measuring device
US8502964B2 (en) Chaotic optical time domain reflectometer method and apparatus
US11243307B2 (en) Method for processing a signal from a coherent lidar in order to reduce noise and related lidar system
CN105372670B (en) Coherent homodyne Doppler speed measuring laser radar system based on optics quadrature demodulation
CN106226778A (en) A kind of coherent lidar system of high resolution measurement remote object
CN103116164B (en) Heterodyne pulse compression type multifunctional laser radar and controlling method thereof
JP2010127840A (en) Light wave radar apparatus
JP2007085758A (en) Lidar device
Elghandour et al. Modeling and comparative study of various detection techniques for FMCW LIDAR using optisystem
JP4053542B2 (en) Laser radar equipment
JPH02145985A (en) Method and apparatus for measuring distance
JP2020056904A (en) Back-scattered light amplification device, optical pulse test apparatus, back-scattered light amplification method, and optical pulse test method
RU2434247C1 (en) Method of generating interference signal in doppler lidars
CN104111450A (en) Method and system for detecting object micro Doppler characteristics by use of double pulses
CN103913218A (en) Laser vibration measurement system with reception separated from transmission
Peng et al. All-fiber monostatic pulsed laser Doppler vibrometer: A digital signal processing method to eliminate cochannel interference
JP5753882B2 (en) Optical pulse test apparatus, test optical pulse transmission unit and optical pulse test method
CN212320747U (en) Linear frequency modulation's distributed optical fiber sensing device
JP2014174069A (en) Laser range finding device
JP7192959B2 (en) Ranging device and ranging method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200512