SE507936C2 - Laseravståndsmätare - Google Patents

Description

507 936 Uppfinningen bygger på idén att använda en enkelfrekvens halvledar- laser 1 som frekvensmoduleras och en koherent detektering av den reflekterade strålningen. Enkelfrekvens uttrycker kravet att linjebredden måste vara tillräckligt smal, för att tillräcklig koherenslängd skall uppnås.

Genom att utnyttja koherent detektionsteknik kan lasern 1 frekvensmo- duleras och den uppträder därmed i allt väsentligt som en kontinuerlig laser med låg medeleffekt.

Det optiska systemet är monostatiskt, dvs. det utnyttjar samma optik för att sända och ta emot laserstrålningen. Tre konkreta utförings- former av det optiska systemet visas i figurerna 1, 2 och 3, vilka ger den önskad stråldelningen och isolationen av lasern. Orsaken till kravet på isolation är att lasrar är relativt känsliga för externt reflekterad strålning som genom interferens och optogalvanisk koppling påverkar laserns arbetspunkt. Det är därför nödvändigt att optiskt isolera lasern från sådan påverkan.

Vidare används vid uppfinningen inte en speciell lokaloscillator, utan en del av laserstrålningen avlänkas till lokaloscillatorsignal. Efter- som laserstrålningen är frekvensmodulerad, kan man sedan bilda skill- nadsfrekvensen mellan den reflekterade laserstrålningen och lokal- oscillatorsignalen och få ett mått på den reflekterade signalens gång- tid och därmed på avståndet till målet 2. Sändarlasern 1 måste därvid ha tillräcklig koherenslängd.

Lokaloscillatorsignalen kan erhållas genom att man placerar en strål- delare 3 följd av en delvis reflekterande yta 4 i strålgângen. En lämplig del av strålningen återreflekteras av ytan 4 mot stråldelaren 3 och avlänkas av denna mot detektorn 5. Alternativt kan man låta stråldelaren spegla en viss del, säg 10%, av laserstrålningen som en referenssignal mot en fiberoptisk anordning 6 under det att resten av strålningen passera vidare mot sändningsoptiken.

Om man så önskar, är det i detta fall lätt att fördröja referenssigna- 507 936 ien genom att iâta den optiska anordningen 6 innefatta en fördröj- ningsiedning 7 i form av en optisk fiber, varvid kravet på koherens- iängd kan minskas.

Konventioneiia fiberkoppiingar ger upphov tiii siumpmässiga variatio- ner i den refiekterade stråiningen och därmed tiii varierande iokai- osciiiatoreffekt. Dessa fiuktuationer omöjiiggör utnyttjandet av kon- ventioneiia fiberkoppiingar i interferometriska tiiiämpningar. Ett möjiigt aiternativ vore att använda en poiarisationsbevarande fiber, viiket emeiiertid är dyrt och kompiicerat. Det finns dock en annan möjiighet att kompensera poiarisationsvariationerna i fibern, nämiigen med hjäip av en "Faradayrotationsspegei" 8 som roterar signaien, refiekterar den och åter roterar den på tiiibakavägen, se fig 3. Om enkeivägsrotationen är 45 0 kommer den refiekterade stråien, vid åter- passagen genom fibern, att kompenseras för de poiarisationsförändring- ar som uppstod vid passagen genom fibern i den första riktningen.

Detta medför att iokaiosciiiatorn kommer att vara stabii.

Efter passage fram och åter genom fibern når iokalosciiiatorsignaien strâideiaren 3, varvid en dei av stråien refiekteras i riktning mot iasern 1. För att isolera iasern mot denna påverkan måste en optisk isoiator 9 piaceras meiian strâideiaren 3 och iasern 1.

Om vi sedan tittar på den första konkreta utföringsformen eniigt figur 1, kombineras en poiariserande stråideiare 3 med en kvartsvågiängds- piatta 10. Laserstråiningen som utgår från iasern 1 är, tiii föijd av den vaida iasertypen, från början iinjärpoiariserad och passerar strâideiaren utan föriust. Efter passagen genom kvartsvâgiängdspiattan 10 är strâien cirkuiärpoiariserad, varefter den träffar måiet 2.

Spekuiära refiexer biir efter återpassage genom kvartsvâgiängdspiattan 10 iinjärpoiariserade, men nu vinkeirätt mot den utgående stråien och kommer därför att aviänkas av den poiariserande stråideiaren 3.

Refiexerna når därför inte iasern 1 utan detektorn 5.

Depoiariserade refiexer som erhâiies av diffusa måi 2 kommer tiii en dei att ha feiaktig poiarisation och skuiie tiii denna dei kunna komma 507 936 att nå lasern 1, vilket kan medföra vissa störningar av laserfunktio- nen. Det är därför fördelaktigt att också i detta fall placera en optisk isolator 9 mellan lasern 1 och stråldelaren 3.

I denna första utföringsform av uppfinningen kan man använda kvarts- vâglängdsplattans 10 sista yta även som den delvis reflekterande ytan 4 som återspeglar en del av strålningen som via stråldelaren 3 når detektorn 5 som lokaloscillatorsignal. Även i den andra utföringsformen av strâldelare och isolator, enligt figur 2, passerar laserstrâlen en polariserande stråldelare 3. Efter stråldelaren passerar strålen en Faradayrotator ll och ett polarisa- tionsfilter 12. Faradayrotatorn vrider polarisationsriktningen 45 grader. Polarisationsfiltret 12 är orienterat för att ge maximal transmission. Den från målet 2 återreflekterade strålningen passerar genom nämnda polarisationsfilter och blir därvid linjärpolariserad, vilket betyder att endast strålning av filtrets polarisationsriktning kan detekteras. Strålningen går sedan genom Faradayrotatorn 11 och roteras därvid åter 45 grader. Slutligen når strålningen den polari- serande stråldelaren 3, nu med en linjär polarisationsriktning som är vinkelrät mot den ursprungliga. Strålningen reflekteras därför full- ständigt av stråldelaren mot detektorn 5. Med denna metod erhålls en mycket god isolering av sändarlasern 1, utan någon ytterligare optisk isolator direkt efter lasern.

I den tredje utföringsformen, enligt figur 3, används, på det sätt som beskrivs ovan, en fiberoptisk anordning 6 för att ge en lokaloscilla- torsignal. I övrigt används en uppbyggnad lik den i figur 2, varvid stråldelaren följs av en Faradayrotator 11.

När det sedan gäller signalgenereringen, sker den genom att man med en strömgenerator styr den ström som läggs på laserns 1 elektroder, vil- ket ger möjlighet till den önskade frekvensmoduleringen. Den enklaste frekvenskodningen är hopp mellan två frekvenser med en avståndsanpas- sad pulsrepetitionsfrekvens. I andra sammanhang kan det vara lämpligt att använda mera utvecklade varianter av frekvenshopp eller av svep- ning av frekvensen inom ett interval. Genom att avpassa storleken på 507 936 det svepta frekvensområdet och sveptiden, kan man erhålla önskad avstånds- och hastighetsupplösning.

I figurerna 4a och 4b visas i diagramform den utsända signalen och den mottagna, liksom skillnadssignalen, heterodynsignalen, i två fall, nämligen vid frekvenshopp mellan två frekvenser respektive vid linjär frekvensmodulering.

Den från målet 2 reflekterade signalen intefererar, som anförts, med lokaloscillatorsignalen och genom denna interferens uppkommer en detekterbar signal vid skillnadsfrekvensen. Ett sådant pulstâg kan beskrivas med uttrycket um = ä uno: - TR), där TR är pulsrepetitionsfrekvensen. Ju längre periodlängd, desto noggrannare kan skillnadsfrekvensen bestämmas. Bortser man från kohe- rensen mellan pulserna, ges denna noggrannhetsbestämning approximativt av ¿&f'2 1/tR, där tR är pulslängden hos heterodynsignalen. Vid 180° fasskift mellan utsänd och inkommande signal, bestäms linjebredden i huvudsak av laserns naturliga linjebredd. För korta heterodynpulser, dvs. då verkningsgraden är låg, kan den observerade linjebredden begränsas av pulslängden. Med en linjebredd hos lasern om 10 MHz, inträder detta för pulser kortare än 100 ns, men enklare avstånds- mätare kan optimeras för ännu smalare linjebredd.

Signalen kan efter förstärkning studeras med en spektrumanalysator.

Bandbredden hos spektrumanalysatorn anpassas till laserns linjebredd.

Då laserns linjebredd är ca 10 MHz, är en lämplig bandbredd hos spekt- rumanalysatorn 3MHz. För att öka signal/brusförhållandet kan signalen videointegreras. Den relativa förbättringen med integrering efter detektionen är approximativt VÉ7É;7§ , där BV är videobandbredden och BR är upplösningsbandbredden.

Vid linjär frekvenskodning bestäms linjebredden främst av hur linjärt frekvenssvep som kan åstadkommas. 507 936 I en konkret utföringsform av laseravståndsmätaren som byggts i labo- ratorieutförande, användes en laser av typen med distribuerad åter- koppling (DFB). Då vågledaren är mycket liten, medför det att laser- strålningen blir kraftigt divergent. Laserstrålningen kollimerades därför av en GRIN-lins (lins med graderat brytningsindex) 13. Den op- tiska isolationen utfördes enligt den första utföringsformen av upp- finningen, visad i figur 1. Efter kvartsvåglängdsplattan placerades en strålexpander 14. Strålexpanderns uppgift är att öka diametern hos den utgående strålen så att den motsvarar den laterala koherenssträckan i normalatmosfär.

Abberation (vågfrontsabberation, sfärisk abberation osv.) kan reduce- ras genom att man utnyttjar en asfärisk kollimatorlins i stället för en GRIN-lins eller en sfärisk lins. Ett koherent system är exceptio- nellt känsligt för vågfrontsdistortion, varför systemprestanda kan avsevärt förbättras med denna åtgärd. En större numerisk apertur kan erhållas som är bättre anpassad till laserstrålens divergens. Asfäris- ka linser är dessutom oftast monterade i en metallhållare som under- lättar deras fixering i optikblocket.

Detektorn 5 skall vid uppfinningen vara bredbandig för att möjliggöra mätningar av Dopplerskiftade signaler. I laboratorieuppställningen valdes en detektor som är linjär från DC till GHz-området. Detta för att heterodynverkningsgraden lätt skall kunna kontrolleras.

I stället för en DFB-laser kan man använda en laser med distribuerad Braggreflektor (DBR) eller med extern kavitet. Den springande punkten är att det är en laser av enkelfrekvenstyp som kan frekvensmoduleras.

Speciellt lämpliga är de typer som är så små att de kan byggas samman i ett block med det optiska systemet, så att man erhåller ett robust och litet system. I laboratorieuppställningen har dock separata bygg- block valts för att möjliggöra en fortlöpande förbättring av systemet.

Den använda DFB-lasern emmitterar vid 1,55/um, vilket gör den ögon- säker. Som inledningsvis anfördes är det fördelaktigt, och i många tillämpningar nödvändigt, att använda en ögonsäker laser.

Claims (1)

1. 507 936 Patentkrav:

   1. Laseravstândsmätare innefattande en frekvensmodulerad halvledar- laser (1) av enkelfrekvenstyp, företrädesvis av typen med distribuerad återkoppling (DFB), med distribuerad Braggreflektor (DBR) eller med extern kavitet, ett och samma optiska system för sändning och mottag- ning av laserstrâlning, vilket system innefattar en optisk anordning, som avlänkar en del av sändarstrâlen som lokaloscillatorsignal för signalbehandlingen av den mottagna strålningen, en polariserande strâldelare (3), som reflekterar den mottagna strålningen mot detektorn (5) och en signalbehandlingsanordning som utnyttjar koherent detektering av den reflekterade strålningen, k ä n n e t e c k - n a d a v att den innefattar en optisk isolationsanordning som består av nämnda polariserande stråldelare (3) följd, i sändningsrikt- ningen, av en Faradayrotator (11) som vrider polarisationsriktningen 450 och ett polarisationsfilter (12), orienterat i den senare riktningen.

   2. Laseravståndsmätare enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a d a v att den optiska anordningen, som avlänkar en del av sändarstrâlen som lokaloscillatorsignal, utgörs av nämnda strâldelare (3) och en delvis reflekterande yta (4), varvid den delvis ref- lekterande ytan (4) i sändningsriktningen är placerad efter stråldela- ren och utförd att återreflektera en del av sändarstrâlningen mot stråldelaren (3), som i sin tur är utförd att avlänka denna del mot detektorn (5).

   3. Laseravstândsmätare enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a d a v att den optiska anordningen, som avlänkar en del av sändarstrâlen som lokaloscillatorsignal, utgörs av en fiberoptisk anordning (6).

   4. Laseravståndsmätare enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k - n a d a v att nämnda fiberoptiska anordning (6) innefattar en för- dröjningsledning (7) i form av en optisk fiber.

   5. Laseravstândsmätare enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k - 507 936 n a d a v att den optiska fiber avsiutas med en Faradayrotations- spegei (8), som roterar en signai 900 vid passage fram och åter.

   6. Laseravstândsmätare eniigt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att en koiiimator (13) är piacerad direkt efter iasern (1). \l Laseravståndsmätare eniigt patentkravet 6, k ä n n e t e c k - a d a v att koiiimatorn (13) består av en GRIN-1ins. 3 CO Laseravstândsmätare eniigt patentkravet 6, k ä n n e t e c k - a d a v att koiiimatorn (13) består av en asfärisk iins. D

   9. Laseravståndsmätare eniigt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att en strâiexpander (14) är piacerad efter det optiska systemet.

   10. Laseravstândsmätare eniigt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att iasern (1) och det optiska systemet är sammanbyggda i ett konstruktionsbiock.

   11. Laseravståndsmätare eniigt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att iasern (1) är av en typ som emitterar vid en ögonsäker vâgiängd, företrädesvis vid 1,55,um.