SE514276C2 - Ett pulsat koherent laserradarsystem - Google Patents

Description

25 30 35 514 2761 2 Uppfinningen löser dessa problem genom att den får den utformning som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet. Lämpliga utföringsformer av upp- finningen framgår av övriga patentkrav.

I det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritning, där fig. 1 visar en första utföringsform av ett CLR-system med fiberoptisk pulstågsgenerator enligt uppfinningen, fig. 2 visar exempel på genererade pulståg i armen A4 i fig. 1, varvid de vänstra diagrammen visar individuella Gaussiska pulser och de högra visar summan av pulsema, som i detta exempel genererar en kvasi- konstant LO-effekt, fig. 3 visar motsvarande som fig. 2 för en fiberlängd som är tre gånger längre, vilket medför en större tidsseparation mellan pulsema och fig. 4 visar en andra utföiingsform av ett CLR-system med fiberoptisk pulstågsgenerator enligt uppfinningen.

Den grundläggande idén vid uppfinningen är att en viss del av den pulsade sändar- strålningen länkas av och leds till en fiberoptisk ring, från vilken pulser avleds varv efter varv och bildar ett pulståg. Den reflekterade strålningen från ett visst avstånd kan härigenom fås att blandas på detektom med en kopia av sig själv. Signalbe- handling sker sedan på normalt sätt.

Det finns ingen särskild LO-laser och problem med frekvens-chirp och begränsingar i tidskoherens kan elimineras eller reduceras starkt jämfört med känd teknik. För tillämpningar som avser hårda mål, definierat som att ytreflektionen totalt dominerar målets reflektion, kan frekvenschirp elimineras helt då fiberlängden L är matchad mot avståndet. Då avståndet inte är matchat kommer frekvenschirpen att ge en signalbreddning (spektralt) om än i väsentligt lägre omfattning jämfört med känd teknik. För distribuerade mål, exempelvis partiklari atmosfären, kommer begräns- ningar p.g.a. frekvenschirp att kvarstå i ungefärligen samma omfattning som med känd teknik. Dock försvinner problem med frekvensinstabiliteter hos LO-lasem.

I figur 1 visas ett CLR-system med fiberoptisk pulstågsgenerator enligt en utförings- form av uppfinningen. En laser 1 avger laserstrålningspulser. En stråldelare 2 delar upp pulsemas energi och leder en första del till systemets utenhet 12,13 för ut- 10 15 20 25 30 35 1514 2767, 3 sändning av laserradarpulser. Utenheten är av känt slag och kan på vanligt sätt innefatta en M4-platta 12 och en strålexpander 13.

Stråldelaren 2 leder en andra del av pulsemas energi in i en första optisk fiber 4, normalt via en fokuserande lins 3. Från den första optiska fibem leds strålningen till den ena ingången på en första fiberoptísk kopplare 5 med två ingångar och två utgångar. Denna kopplare kopplar, via sin ena utgång A1, en del av varje puls energi in i en fiberoptísk ring, som innefattar en andra fiberoptísk kopplare 6 av samma typ som den första och en andra optisk fiber L.

Den andra kopplarens ena utgång A3 leder en del av varje puls energi kvar i den fiberoptiska ringen medan den andra utgången A4 kopplar ut pulseri ett pulståg med en pulsfrekvens beroende av tiden för en puls att passera runt i den fiber- optiska ringen. Pulståget leds till en detektionsanordning där det kombineras med returpulser från mål.

Detektionsanordningen kan enligt figur 1 och 4 innefatta en tredje fiberoptísk kopplare 8, varvid pulståget kan ledas via en tredje optisk fiber 7 till den ena ingången på den tredje fiberoptiska kopplaren och returpulser från mål via en fjärde optisk fiber 9 till en andra ingång på samma kopplare. I exemplet i figuren länkas strålningen dit av en stråldelare 11 och fokuseras in i den fiärde optiska fibem av en lins 10. l den tredje kopplaren kombineras de båda strålningama och resultatet detekteras med detektorer D1,D2 vid den tredje kopplarens 8 ena eller båda utgångar.

Ett möjligt altemativ till den tredje optiska kopplaren 8 är diskret optik. Man kan efter ringen använda en stråldelare som blandar LO-strålning och målstrålning. som i så fall inte är inkopplad i fiber.

Detektorsignalen kan generellt skrivas som in, (i) = æ(P,,, + Ph, + 2,/P,,,P,,, sin[(2flf,,, (f) - 2flfæ,(f))i + 41,1) , där SH är detektoms känslighet, Pm är lokaloscillatoms effekt, Pm, är mottagen effekt, fw är frekvensen för LO-lasem, f., är frekvensen för från målet reflekterad strålning och goa är en fasskillnad mellan LO-strålning och målstrålning. Det framgår 10 15 20 25 30 35 514» 276 ' 4 av formeln att i hårdmålstillämpningen kommer eventuella frekvensberoenden på tiden hos sändarlasem att kompenseras av att LO-lasems frekvensberoende är exakt detsamma.

Längden på den optiska fibem i den fiberoptika ringen, den andra optiska fibem L, bestämmer tidsintervallet mellan pulsema, se figur 1. L kan avpassas enkelt bero- ende på vilken tillämpning och laserkälla som är aktuell. Kopplamas 5 och 6 kopp- lingsgrad bestämmer pulseffektema. Vidare bestämmer pulstiden, fiberlängden och kopplamas kopplingsgrad hur effekten varierar med tiden.

Uteffektema i de olika fiberarmama A2 och A4 ges av N - n P,,(f)=P,,,,s(f-r,,)-c,.10-2+c,*-1o*Z/=,,,,s(i-f°-n%)-(c,-1o-=) '-(c3-1o-2) n=1 och -4 N L» -z " -2 " P,,,(f)=c,-c,1o ZPMS f-f.,-n¿)-(c,-1o ) -(c3-1o ) , n=0 där PA; och P44 är effekten iarrnama A2 respektive A4, n är ett heltal som anger hur många varv som strålningen genomlupit ringen och N indikerar hur många varv som strålningen tillåts befinna sig i ringen innan den dumpas, vilket i figur 4 markerats med D. Se vidare nedan.

Figurema 2 och 3 visar exempel på genererade pulståg i armen A4 i figur 1.

Gaussiska pulser har här antagits. Uppfinningen är emellertid inte begränsad till Gaussiska pulser, utan andra tidsforrner är också möjliga.

De vänstra diagrammen visar individuella Gaussiska pulser och de högra summan av pulsema. I exemplet splittrar stråldelaren 2 av 100 W av sändarstrålningen och kopplama 5 och 6 är 99:1-kopplare.

Genom att välja 99:1-kopplare, där 99 % av strålningen, som leds genom den första optiska fibem 4 till den första optiska kopplaren 5, kopplas till utgången A2 och 1 % kopplas via utgången A1 in i den fiberoptiska ringen och av denna strålning, till den andra optiska kopplaren 6, 99 % kopplas via A3 kvar i den fiberoptiska ringen och 10 15 20 25 30 35 s1ÄD2?6 5 endast 1 % kopplas ut via utgången A4, uppnår man en i huvudsak konstant nivå på pulsema i pulståget i den tredje optiska fibem 7. Detta sker genom att, vid varje passage av en optisk kopplare i den fiberoptiska ringen stannar huvuddelen, 99%, kvar i ringen och endast 1 % kopplas ut som pulser i pulstågen i armama A2 och A4. Om pulsema i pulstågen är tillräckligt täta, som i figur 2, genereras en kvasi- konstant LO-effekt.

Den tredje optiska kopplaren 8 kan i många sammanhang lämpligen vara en 50:50- kopplare som blandar strålningen från de två ingångama i lika proportioner som presenteras med lika styrka på de två utgångama. l andra fall kan andra propor- tioner vara att föredra, exempelvis 80:20.

För ett effektivt utnyttjande av tillgänglig lasereffekt är det lämpligt att använda singelmodfiber för aktuell våglängd. Om multimodfiber används flnns risk att strål- ningen fördelar sig mellan olika moder vilket kan leda till signalförlust. Vidare är kontroll över polarisationen viktig. En i systemet ingående sändar/mottagar-switch bygger ofta på polarisation. I figurema 1 och 4 består sändar/mottagar-switchen av en polarisationsberoende stråldelare 11 samt en H4 platta 12. Denna konfiguration leder till att endast en linjär komposant av mottagen strålning leds till detektom. LO- strålningen måste då ha samma polarisationstillstånd för maximal signal. Polarisa- tionen kan kontrolleras på olika kända sätt. Man kan naturligtvis använda polarisa- tionsbevarande flbrer. Man kan emellertid också använda en billigare fiber och noga övervaka fibems ”lindning” i systemet. Slutligen kan man använda en polarisa- tionsmodulator tillsammans med en billigare fiber. Polarisationsmodulatom kan vara såväl en manuell mekanisk modulator som en elektriskt styrd sådan.

Det är idealiskt att använda tidsmässigt rektangulära pulser, eftersom eventuellt tidsöverlapp mellan LO-pulsema kan ge upphov till störsignaler vid specifika frekvenser.

Man kan tänka sig ett flertal olika varianter av uppfinningen, varav några visas i figur 4. För att bestämma om målet rör sig mot eller från CLR-radam kan en akusto- optisk modulator eller annan komponent för frekvensskiftning av strålningen kopp- las in i anslutning till den första 4, tredje 7 eller fjärde 9 optiska fibem.

Vidare kan en fiberoptisk switch S vara placerad i fiberringen för att avbryta strål- ningens cirkulation i den fiberoptiska ringen efter en bestämd tid. 10 514 276 6 Man kan också använda switchar S för att parallelkoppla olika långa andra optiska fibrer L, L.. i den fiberoptiska ringen. Med switchama kan man på ett enkelt sätt välja olika fiberlängderi ringen, vilket ger ett enkelt val av pulsrepititionsfrekvensen i pulstågen.

Slutligen kan man koppla flera fiberoptiska ringar av den angivna typen efter var- andra. Om exempelvis ytterligare en ring kopplas till annen A2, fås ytterligare en LO med nästan samma effekt/tid-beroende som den första. Detta kan vara användbart i tillämpningar där två mätriktningar är intressanta och då man använder fast optik (ej scannande). Är fler mätriktningar intressanta kan man åstadkomma lika många LO som mätriktningar genom att koppla ytterligare fiberoptiska ringar efter varandra.

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 514 276 7 Patentkrav:

1. Ett pulsat koherent laserradarsystem, innefattande en enkelfrekvens sändadaser (1) som avger Iaserpulser, en första stråldelare (2) som delar upp pulsemas energi och leder en första del till en utenhet (12,13) för systemet anordnad att sända ut laserradarpulser och en andra del till en lagringsanordning anordnad att avge ett pulståg baserat på den andra delens energi, en andra stråldelare (11) som leder en del av energi hos returpulsema från mål som inkommer via utenheten till en detektionsanordning, ivilken returpulsema kombineras med pulståget, varvid frekvensinfomiation om returpulsema utvinns, k ä n n e t e c k n a t av att lagringsanordningen innefattar en första fiberoptisk ring med en första (5) och en andra (6) fiberoptisk kopplare och en andra optisk fiber (L, L,.), att laserpulsema från den första stráldelaren är ledda via en en första optisk fiber (4) till en första ingång på den första fiberoptisk kopplaren, att den första fiberoptiska kopplaren, via en utgång (A1), kopplar en del av varje puls energi in i den första fiberoptiska ringen, att en första utgång (A3) hos den andra fiberoptiska kopplaren leder en del av varje puls energi kvari den första fiberoptiska ringen, att en andra utgång (A4) hos den andra kopplaren kopplar ut pulser i nämnda pulståg med en pulsfrekvens beroende av tiden för en puls att passera runt i den första fiberoptiska ringen, att detektionsanordningen innefattar en tredje fiberoptisk kopplare (8) med detektorer (D1,D2) vid en eller flera av dess utgångar att pulståget är lett via en tredje optisk fiber (7) till en första ingång på den tredje fiberoptiska kopplaren och returpulser från mål är ledda via en fjärde optisk fiber (9) till en andra ingång på samma kopplare,

2. Ett system enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n at av att de första och andra fiberoptiska kopplama har två ingångar och två utgångar och har ett förhål- lande avi storieksordningen 99:1 mellan vad den kopplar till de båda utgångama och att den första kopplaren (5) kopplar c:a 1 % in i den första fiberoptiska ringen och den andra kopplaren (6) c:a 1 % ut från den fiberoptiska ringen.

3. Ett system något av patentkraven 1-2, k ä n n e t e c k n a t av att de optiska fibrema är polarisationsbevarande. “ll lllllli .liiiii 10 15 20 25 ' 514 '2'7'6' 8

4. Ett system något av patentkraven 1-2, k ä n n e t e c k n at av att de optiska fibrema är Iindade så att man har kontroll över polarisationsriktningen.

5. Ett system något av patentkraven 1-2, k ä n n e t e c k n at av att en polarisa- tionsmodulator är kopplad till de optiska fibrema så att man har kontroll över pola- risationsriktningen.

6. Ett system enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n at av att det innefattar, i anslutning till den första (4), tredje (7) eller fjärde (9) optiska fibem, en komponent för frekvensskiftning av strålningen, exempelvis en akustooptisk modulator, vilken komponent utnyttjas när man bestämmer tecknet på ett eventuellt Dopplerskift.

7. Ett system enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n at av att det innefattar en fiberoptisk switch (S) i den första fiberoptiska ringen som avbryter strålningens cirkulation i ringen efter en bestämd tid.

8. Ett system enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n at av att minst två olika långa andra optiska fibrer (L,L,,) via switchar (S) är parallellkopplade i den första fiberoptiska ringen och utgör altemativa vägar med olika tidsfördröjning.

9. Ett system enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n at av att minst en ytterligare fiberoptisk kopplare är kopplad till en, från den första fiber- optiska kopplaren (5) ledande, utgång som inte leder till den första fiberoptiska ringen och att vardera nämnda minst en ytterligare fiberoptiska kopplare kopplar strålning till en fiberoptiska ring, från vilken ett pulståg leds till en ingång på detektionsanordningen på motsvarande sätt som från den första fiberoptiska nngen.