RU193690U1 - Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар - Google Patents

Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар Download PDF

Info

Publication number
RU193690U1
RU193690U1 RU2019130961U RU2019130961U RU193690U1 RU 193690 U1 RU193690 U1 RU 193690U1 RU 2019130961 U RU2019130961 U RU 2019130961U RU 2019130961 U RU2019130961 U RU 2019130961U RU 193690 U1 RU193690 U1 RU 193690U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
radiation
frequency
laser
spectral processing
Prior art date
Application number
RU2019130961U
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 (ИОА СО 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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН)
Priority to RU2019130961U priority Critical patent/RU193690U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU193690U1 publication Critical patent/RU193690U1/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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Полезная модель устройства для регистрации доплеровского сдвига частоты излучения в атмосфере относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов (лидаров) для дистанционного зондирования скорости ветра. Устройство содержит лазер непрерывного излучения, акустооптический модулятор для формирования импульсного излучения, драйвер модулятора, волоконный усилитель, циркулятор, приёмопередающий телескоп, два волоконных расщепителя, балансный фотодетектор, аналого-цифровой преобразователь, модуль управления, модуль спектральной обработки и компьютер. При этом в устройстве установлен дополнительный блок для формирования мультиплицированной выборки и спектральной обработки сигнала. Технический результат заключается в повышении точности оценки доплеровского сдвига частоты без уменьшения пространственной разрешающей способности. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования скорости ветра.
Наиболее близким аналогом 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, приёмопередающий 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 устройства является невозможность повышения точности оценки доплеровского сдвига при сохранении разрешающей способности по дальности. Такое положение связано с тем, что для повышения точности спектрального разрешения по частоте требуется увеличивать длину выборки анализируемого сигнала. Увеличение длины выборки в свою очередь приведет к ухудшению пространственного излучения.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции лидара, обладающей повышенным спектральным разрешением при сохранении пространственного разрешения по дальности.
Технический результат
Поставленная задача, повышения точности оценки доплеровского сдвига частоты без уменьшения пространственной разрешающей способности решается путём установки в лидар дополнительного блока на базе ПЛИС, формирующего в реальном масштабе времени выборку сигнала из 256 отсчетов путем объединения обратно рассеянных сигналов, принятых с одной и той же дальности по 64 отсчета в каждой от последовательности зондирующих импульсов. Затем производится спектральная обработка сформированного таким образом сигнала.
На фиг. 1 схематично изображен известный оптоволоконный когерентный лидар, предназначенный для регистрации радиальной компоненты скорости ветра в атмосфере. Фиг. 1 включает оптическую схему устройства (1-7) и электронные модули (8-12). Соединение электронных модулей показано стрелками (электрические сигналы).
Устройство на фиг. 1 использует эффект Доплера, который изменяет частоту рассеянного излучения движущимися в атмосфере частицами. Непрерывное излучение лазера 1 поступает на модулятор 3, который формирует оптический импульс. Форма и длительность импульса задаётся устройством на базе ПЛИС 11/10, импульс поступает на вход драйвера 12, который управляет модулятором 3. После модулятора 3 оптический импульс 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. Оцифрованный эхосигнал поступает в модуль 10, где происходит формирование мультиплицированной выборки из 256 отсчетов и последующая спектральная обработка. Затем определяется доплеровский сдвиг частоты и рассчитывается значение радиальной скорости ветра. Для вывода результата измерений скорости ветра устройство может подключаться к компьютеру по интерфейсу USB-2.0.
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 12. Акустическая волна в модуляторе 3 имеет частоту ωm , которая на выходе складывается с частотой излучения ω0. Затем оптический импульс (ω0 + ωm) идёт на усилитель 4, проходит циркулятор 5 и далее идёт на приёмопередающий телескоп 6. Рассеянное на 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 циркулятором направляется на вход расщепителя 7, который делит сигнал на две равные части. На другой вход расщепителя 7 подаётся непрерывное излучение (ω0) от лазера 1, мощность которого тоже делится пополам. Излучение с выхода расщепителя 7 поступает на вход балансного фотоприёмника 8, который исключает синфазный шум и детектирует сигнал разностной частоты ωm + ωd . Затем этот сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9 и затем в цифровом виде передаётся в устройство формирования мультиплицированного сигнала, выполненного на основе программируемой логической интегральной схемы в виде отдельного модуля 11/10. ПЛИС 11/10 имеет двойное обозначение, т.к. она обрабатывает сигнал (10) и управляет (11) другими модулями. ПЛИС управляет работой драйвера модулятора 12 и производит формирование в реальном масштабе времени выборки объемом 256 отсчетов из четырех актов зондирования, выполняет спектральную обработку сигналов, накапливает спектры, определяет величину доплеровского сдвига частоты ωd и рассчитывает величину скорости ветра.
На фиг. 2 представлен принимаемый сигнал (а) на частоте ωm + ωd = 80 + 5 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 максимум полученной оценки соответствует значению больше 85 МГц из-за низкого разрешения спектра.
На фиг. 3 тоже представлен принимаемый сигнал (а) на частоте ωm + ωd = 80 + 5 МГц, полученный аналого-цифровым преобразователем при частоте дискретизации 250 МГц, и его спектр (б). Число значений сигнала равно 256 и, соответственно, число значений спектра равно 128. Из графика спектра видно, что максимум полученной оценки соответствует значению 85 МГц.
На фиг. 4 тоже представлен принимаемый сигнал (а) на частоте ωm + ωd = 80 + 5 МГц, полученный аналого-цифровым преобразователем при частоте дискретизации 250 МГц, и его спектр (б). Число значений сигнала равно 256 и, соответственно, число значений спектра равно 128. Временная реализация состоит из 4-х интервалов по 64 значения. При этом фаза между интервалами изменялась случайным образом. Из графика спектра видно, что максимум полученной оценки соответствует значению 85 МГц.

Claims (1)

  1. Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар, включающий лазер непрерывного излучения, акустооптический модулятор для формирования импульсного излучения, драйвер модулятора, волоконный усилитель, циркулятор, приёмопередающий телескоп, два волоконных расщепителя, балансный фотодетектор, аналого-цифровой преобразователь, модуль управления, модуль спектральной обработки и компьютер, отличающийся тем, что в устройстве установлен дополнительный блок для формирования мультиплицированной выборки и спектральной обработки сигнала.
RU2019130961U 2019-10-02 2019-10-02 Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар RU193690U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019130961U RU193690U1 (ru) 2019-10-02 2019-10-02 Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019130961U RU193690U1 (ru) 2019-10-02 2019-10-02 Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU193690U1 true RU193690U1 (ru) 2019-11-11

Family

ID=68580174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019130961U RU193690U1 (ru) 2019-10-02 2019-10-02 Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU193690U1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU198737U1 (ru) * 2020-05-28 2020-07-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Фотоприемный модуль для регистрации лидарных сигналов
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
CN114839647A (zh) * 2022-07-04 2022-08-02 青岛镭测创芯科技有限公司 一种脉冲相干测风激光雷达***
CN117420569A (zh) * 2023-12-19 2024-01-19 南京牧镭激光科技股份有限公司 一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU19111U1 (ru) * 2000-12-29 2001-08-10 ООО "Яргазарматура" Шаровой кран
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***
US20170350964A1 (en) * 2016-06-03 2017-12-07 Alcatel-Lucent Usa Inc. Coherent lidar system using tunable carrier-suppressed single-sideband modulation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU19111U1 (ru) * 2000-12-29 2001-08-10 ООО "Яргазарматура" Шаровой кран
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***
US20170350964A1 (en) * 2016-06-03 2017-12-07 Alcatel-Lucent Usa Inc. Coherent lidar system using tunable carrier-suppressed single-sideband modulation

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 (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU198737U1 (ru) * 2020-05-28 2020-07-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Фотоприемный модуль для регистрации лидарных сигналов
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
CN114839647A (zh) * 2022-07-04 2022-08-02 青岛镭测创芯科技有限公司 一种脉冲相干测风激光雷达***
CN117420569A (zh) * 2023-12-19 2024-01-19 南京牧镭激光科技股份有限公司 一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法
CN117420569B (zh) * 2023-12-19 2024-03-12 南京牧镭激光科技股份有限公司 一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU193690U1 (ru) Оптоволоконный когерентно-импульсный доплеровский лидар
RU191111U1 (ru) Оптоволоконный когерентный доплеровский лидар
EP2198323B9 (en) Time delay estimation
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***
US7342651B1 (en) Time modulated doublet coherent laser radar
CN110114690B (zh) 用于处理来自相干激光雷达的信号以减少噪声的方法及相关激光雷达***
US20130148103A1 (en) Range-resolved vibration using large time-bandwidth product ladar waveforms
CN1844951A (zh) 光纤激光器混沌激光测距装置及方法
KR20120096941A (ko) 고정밀 거리 측정 장치
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
JP5235737B2 (ja) パルスドップラレーダ装置
US11486980B2 (en) Lidar receiver with dual analog-to-digital converters
US10386466B2 (en) Distance measuring device and distance measuring method
JP2022040019A (ja) 時間遅延された局部発振光を用いたライダー装置及びその作動方法
CN104111450A (zh) 一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法及***
RU2293997C1 (ru) Способ корреляционной обработки сигналов, отраженных от быстродвижущихся целей
US11782078B2 (en) Method and apparatus for pulsed power measurement
RU2578041C1 (ru) Способ определения параметров лчм сигналов
CN113607277B (zh) 一种窄线宽激光器线宽测量***的解调方法
Totems et al. Advanced signal processing methods for pulsed laser vibrometry
US8818762B2 (en) Method and apparatus for the spatially resolved measurement of a physical variable
Battaglini et al. A low-cost ultrasonic rangefinder based on frequency modulated continuous wave
Yu et al. Laser Doppler Vibration Signal Demodulation Algorithm and FPGA Implementation
CN114355320B (zh) 用于多普勒测风激光雷达端面信号发射时刻标定、中频标定的装置和方法
US20240004043A1 (en) Frequency-modulated coherent lidar