СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАССЕИВАЮЩЕГО ПРОСТРАНСТВЕННО РАСПРЕДЕЛЕННОГО ОБЪЕКТА И ДОПЛЕРОВСКИЙ НИЗКОКОГЕРЕНТНЫЙ ЛИДАР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01S17/95 

Группа изобретений относится к способам и устройствам для определения скорости рассеивающих пространственно распределенных объектов, например для определения профиля скорости ветра в аэрозолесодержащих слоях атмосферы.

Известны способ импульсной доплеровской анемометрии рассеивающих/отражающих объектов и реализующий его лидар (Adrian A. Dorrington, Rainer Künnemeyer, and Paul M. Danehy. Reference-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar // APPLIED OPTICS. 2001, Vol.40, No.18, pp.3076-3081), который заключается в том, что объект просвечивают (зондируют) импульсной оптической волной, рассеянную/отраженную объектом с доплеровским смещением спектра сигнальную волну и внутриволоконную опорную волну после их внутриволоконного смешения направляют в фотоприемник. Частотную характеристику фототока приемника используют для определения скорости объекта, усредненной в пределах его разрешаемого зондируемого объема, лимитируемого длительностью зондирующего импульса. В лидаре, реализующем способ, внутриволоконная опорная волна после ее выделения из импульсного лазерного пучка аккумулируется на время измерений в кольцевом оптоволоконном резонаторе (КОР), временной период которого не уступает длительности лазерного импульса. На выходе КОР опорная волна существует уже в виде экспоненциально затухающей частотно повторяющейся импульсной волны с временным периодом КОР.

Недостаток способа и лидара состоит в том, что для осуществления сплошного (без «слепых зон») зондирования пространственно распределенного рассеивающего объекта (например, аэрозолесодержащих слоев атмосферы) необходимо применение лазера, способного генерировать импульсы прямоугольной формы (что весьма проблематично) в одночастотном режиме (при котором время их когерентности τ_coh не уступает их длительности τ_pulse). Одночастотный режим генерации импульсных ОКГ освоен благодаря применению:

1) внутрирезонаторной селекции продольных мод - в наносекундных твердотельных лазерах;

2) использованию инициирующего внешнего высококогерентного осциллятора (Seeding system) как в наносекундных твердотельных лазерах, так и в волоконных лазерах для диапазона длительностей генерации от субнаносекунд до микросекунд.

Поскольку нижний предел определения скорости, усредненной в разрешаемом зондируемом объеме, лимитируется отношением длины зондирующей волны и длительности ее импульса τ_pulse, то применение одночастотного наносекундного лазера равнозначно снижению разрешения (по скорости) до практически незначимых величин. Кроме того, формирование опорной волны с помощью КОР с наносекундным периодом τ_pulse не целесообразно из-за ее чрезмерно быстрого экспоненциального затухания - свыше (0,1÷0,2)·τ_prob/τ_pulse, дБ (где τ_prob - продолжительность зондирования). Не случайно в работе (Jyi-Lai Shen, Rainer Künnemeyer. Amplified reference pulse storage for low-coherence pulsed Doppler lidar // APPLIED OPTICS / Vol.45, No.32/10, November, 2006, pp.8346-8349) одного из авторов этого технического решения рассматривается КОР с внутренним волоконным усилителем.

Применение же субмикросекундных лазерных источников с Seeding systems, которые традиционно используются в ветровых доплеровских когерентных лидарах для формирования непрерывной опорной волны и образуют до половины стоимости источника, избавляет от необходимости применения КОР для формирования опорной волны и реализации лидара по классической схеме МОРА (Master Oscillator Power Amplifier). Вероятно, по этой причине это техническое решение до сих пор не реализовано.

Наиболее близкими к заявляемой группе изобретений являются способ определения скорости пространственно распределенного рассеивающего объекта и реализующий его высокоразрешающий ветровой низкокогерентный доплеровский низкокогерентный лидар - ВВДНЛ (Matvienco G.G., Polyakova S.N. и Oshlakova V.K. Low-Coherence Doppler Lidar with Multiple Time Coherence of Reference and Probe Waves // LASER PHYSICS, 2007, Vol.17, No.11, pp.1327-1332), позволяющий формировать опорную волну с помощью КОР и при этом использовать в ВВДНЛ в качестве источника света лазеры с наносекундными длительностью генерации и временем когерентности. При этом наносекундная внутриволоконная импульсная лазерная волна перед ее разделением на опорную волну и зондирующую волну предварительно последовательными преобразованиями мультиплицирования (ПМ) трансформируется в субмикросекундную/микросекундную внутриволоконную составную импульсную волну, что создает условие для получения высокого (по скорости) разрешения. При этом составная волна наделяется свойством мультиплицированной (составной) временной когерентности (МВК), при котором ее произвольные волновые фронты многократно воспроизводят волновой фронт исходного лазерного импульса с временным периодом, не превосходящим длительность его когерентного цуга τ_соh. Для этого исходную лазерную волну в каждом ПМ разделяют на несколько внутриволоконных компонент, придают им временные сдвиги, возрастающие в арифметической прогрессии, и объединяют в составные волны. Общее число ПМ внутриволоконных волновых компонент и суммарный временной сдвиг волнового фронта исходной лазерной волны задают с учетом достижения им значения не ниже заданного предела - времени мультиплицированной когерентности τ_М. При этом шаги арифметических прогрессий ПМ образуют возрастающую последовательность, в которой наименьший ее член не превосходит длительности когерентного цуга лазера

τ_coh, а каждый последующий равен максимальному временному сдвигу волнового фронта в ПМ, соответствующем предыдущему члену последовательности.

Для придания опорной волне и зондирующей волне указанных свойств используется оптоволоконный мультипликатор, состоящий из нескольких однотипных по топологии оптоволоконных схем мультиплицирования. При этом каждая из них, по крайней мере, содержит входной пассивный оптоволоконный разветвитель с подключенными к его выходным портам оптоволоконными линиями задержки (ОЛЗ). Схема мультиплицирования может завершаться выходным оптоволоконным разветвителем, осуществляющим объединение мощности внутриволоконных пучков, либо может быть подключенной к входным портам выходного оптоволоконного разветвителя типа «звезда» последующей схемы мультиплицирования, который в этом случае совмещает роли объединителя и разделителя мощности внутриволоконных компонент.

Недостатком вышеописанного способа и реализующего его устройства является то, что формирование составного субмикросекундного/микросекундного импульса операциями мультиплицирования происходит непосредственно на стадии подготовки зондирующего импульса. Большая (в интересах увеличения дальности зондирования) выходная мощность лазера, оптически сопряженного с оптоволоконным мультипликатором, диктует необходимость его построения на основе устойчивых к соляризации и имеющих высокий порог лазерного разрушения многомодовых оптоволокон большого диаметра (так называемых High-Power Density Fibers) и многомодовых пассивных оптоволоконных разветвителей, предназначенных для работы с потоками высокой мощности. Причем это сопряжено с потерями исходной мощности лазера.

Так, например, для формирования внутриволоконной составной импульсной волны с 500-наносекундными длительностью и временем МВК из лазерного импульса со временем когерентности ~1,5 нс, реализуемой за счет внутрирезонаторной селекции продольных мод лазера, достаточно применения оптоволоконного мультипликатора, состоящего из двух последовательно волоконно-сопряженных схем мультиплицирования, в свою очередь состоящих их пассивных многомодовых оптоволоконных разветвителей с конфигурацией (1 входной порт)*(19 выходных портов), 19-ти из выполненных многомодовых волокон оптоволоконными линиями задержки, а также аналогичного оптоволоконного разветвителя, подключенного своими 19-ю входными портами к выходам оптоволоконным линиями задержки. Такие оптоволоконные разветвители промышленно освоены (см. http://www.sifamfo.com/data_pdfs/multimode_power_combiner.pdf), именуются в англоязычной научной литературе термином «Power Combiners» и считаются оптоволоконными элементами с высоким порогом лазерного разрушения. Однако их пропускная мощность не превышает 0,2 кВт (при освещении наносекундными импульсами с длиной волны λ=1064 нм), а коэффициент потерь энергии достигает значения ε₁₉=0,9. При описанной топологии оптоволоконного мультипликатора коэффициент потерь энергии в нем ε_OM<0,9⁴≈0,66. В совокупности это указывает на весьма ограниченную область практической применимости такой реализации технического решения.

При изготовлении оптоволоконного разветвителя из специальных волокон модели F-MFC (см. http://www.newport.com/Power-Delivery-Fibers/162133/1033/catalog.aspx), превосходящих волокна вышеописанных промышленно освоенных оптоволоконных разветвителей (в 2 раза по диаметру и в 10⁴ раз по порогу лазерного разрушения), пропускная мощность рассматриваемого оптоволоконного мультипликатора может быть гипотетически (при условии равенства порогов лазерного разрушения волокон и места их сплавления в ОР) доведена значения 0,2·4·10⁴ кВт=8 МВт. В этом случае энергия зондирования при τ_рrob=τ_М~1 мкс может достигать значений Е_рrоb=0,66·8 МВт·мкс=5,28 Дж. С учетом того, что имеются промышленно освоенные, коммерческие и технически совершенные наносекундные Nd:YAG-лазеры с выходной энергией E_pulse~1 Дж (как одночастотные или допускающие внутрирезонаторную селекцию продольных мод), это решение может быть перспективным. Естественно, что это сопряжено с необходимостью принудительного охлаждения оптоволоконного разветвителя, удорожанием оптоволоконного мультипликатора, в частности, и самого лидара, в целом.

Кроме того, реализация оптоволоконного мультипликатора на основе многомодовых элементов не обеспечивает сохранения в зондирующей волне (и, соответственно, в сигнальной) исходных поляризационных характеристик лазерного импульса. В результате при детектировании внутриволоконно-смешанных опорной и сигнальной волн возможны дополнительные энергопотери. Для их предотвращения в способе (и реализующем его лидаре) перед детектированием предусмотрены затратные и усложняющие способ и лидар операции: такие как деполяризация смешанных опорной и сигнальной волн (применением волоконно-сопряженного деполяризатора), последующая их поляризация, разделение на ортогональные поляризационные компоненты (применением волоконно-сопряженного поляризационного делителя) и направление последних в независимые фотоприемные каналы волоконно-сопряженного балансного фотоприемника.

Задача заявляемой группы изобретений состоит в трансформации когерентных свойств оптического излучения для обеспечения возможности когерентного гетеродинирования сигнальной волны с доплеровским смещением спектра во временных интервалах, многократно превосходящих время когерентности и длительность генерации источника излучения.

Основным техническим результатом является увеличение функциональных возможностей, выражающихся в увеличении дальности зондирования и упрощении схемы, улучшение эксплуатационных характеристик и удешевление лидара.

Основной технический результат достигается тем, что в способе определения скорости рассеивающего пространственно распределенного объекта, заключающемся в том, что объект зондируют импульсной оптической когерентной волной, сигнальную волну, рассеянную объектом и имеющую доплеровское смещение спектра, и опорную волну затем подвергают внутриволоконному смешению, причем одну из волн подвергают еще и предварительной частотной модуляции, и направляют волны в фотоприемник и полученную частотную характеристику фототока фотоприемника используют для определения компоненты скорости объекта в направлении его зондирования, усредненной в пределах его разрешаемого зондируемого объема, при этом как сигнальную, так и опорную волну в процессе предварительного и одновременного мультиплицирования наделяют свойством мультиплицированной временной когерентности, при котором произвольные волновые фронты обеих волн многократно воспроизводят волновой фронт исходного лазерного импульса с периодом, не превосходящим длительность когерентного цуга лазера, причем в процессе мультиплицирования волн их преобразуют во множество пространственно разделенных внутриволоконных волновых компонент, подвергают последовательным преобразованиям мультиплицирования, в процессе которых им придают временные сдвиги, возрастающие в арифметической прогрессии, и объединяют, при этом общее число мультиплицирующих преобразований внутриволоконных волн и суммарный временной сдвиг волнового фронта исходной волны задают с учетом достижения им значения, равного временному периоду кольцевого оптоволоконного резонатора, а шаги арифметических прогрессий преобразований образуют возрастающую последовательность, в которой наименьший ее член не превосходит длительности когерентного цуга источника волны, а каждый последующий равен максимальному временному сдвигу волнового фронта в преобразовании, соответствующем предыдущему члену последовательности, причем все перечисленные операции выполняют, по крайней мере, для трех независимых направлений зондирования и полученные для них компоненты скорости используют для определения скорости объекта, согласно предложенному решению процесс мультиплицирования осуществляют непосредственно по отношению к внутриволоконной сигнальной волне и к волне, выделенной из исходной лазерной волны и пропускаемой через кольцевой оптоволоконный резонатор с временным периодом, равным времени мультиплицированной временной когерентности сигнальной волны, превращая ее в результате мультиплицирования в квазинепрерывную опорную волну, причем мультиплицирование сигнальной волны и волны, выводимой из оптоволоконного кольцевого резонатора, осуществляют при противонаправленном их пропуске через оптоволоконный мультипликатор и после этого подвергают их внутриволоконному смешению.

Основной технический результат достигается также тем, что в доплеровском низкокогерентном лидаре, состоящем из импульсного лазера, сопряженных с ним сканирующей передающей оптической антенны и кольцевого оптоволоконного резонатора, а также из волоконно-сопряженных сканирующей приемной оптической антенны и фотоприемника, акустооптического модулятора опорной волны, оптоволоконного мультипликатора и оптоволоконного сумматора опорной и сигнальной волн, при этом оптоволоконный мультипликатор включает цепочку последовательно соединенных оптоволоконных схем мультиплицирования, каждая из которых составлена пассивным оптоволоконным разветвителем и подключенными к его выходным портам параллельными оптоволоконными линиями задержки, причем в первой схеме входной разветвитель имеет единственный входной порт, а в остальных схемах он выполнен по типу «звезда», последняя из схем дополнительно содержит выходной пассивный оптоволоконный разветвитель, подключенный через свои выходные к ее линиям задержки и имеющий единственный выходной порт, при этом общее число схем мультиплицирования и количество содержащихся в них оптоволоконных задержек и постоянные их времени заданы с учетом реализации суммарных временных сдвигов волновых фронтов мультиплицируемых волн значения, равного временному периоду кольцевого оптоволоконного резонатора, согласно предложенному решению лазер оптически сопряжен с оптической передающей антенной и с кольцевым оптоволоконным резонатором, исполненный на основе пассивных трех- и четырехполюсных оптоволоконных разветвителей оптоволоконный мультипликатор через входной и выходной разветвители соединен с входами дополнительно введенных пассивных оптоволоконных разветвителей с неравномерными коэффициентами деления и конфигураций портов 1*2, реализующие большее значение коэффициента выходы которых подключены к входам сумматора опорной и сигнальной волн, соединенного с фотоприемником, а к реализующим меньшие значения коэффициента деления выходам соединенных с мультипликатором разветвителей подключены соответственно кольцевой оптоволоконный резонатор и приемная оптическая антенна, причем кольцевой оптоволоконный резонатор выполнен из сохраняющих поляризацию, а остальная часть оптоволоконного тракта лидара выполнена из одномодовых волоконных элементов, при этом акустооптический модулятор установлен на участке оптоволоконного тракта между мультипликатором и сумматором опорной и сигнальной волн.

На чертеже приведена блок-схема варианта исполнения заявляемого доплеровского низкокогерентного лидара.

Доплеровский низкокогерентный лидар включает импульсный лазер 1 и оптически сопряженные с ним сканирующую передающую оптическую антенну 2 и КОР 3, для сопряжения с которым применяется светоделитель 4 и линзовый фокусатор 5. КОР 3 состоит из 4-полюсного пассивного оптоволоконного разветвителя 6 с конфигурацией портов 2*2, реализующего разделение/объединение внутриволоконных пучков с отношением 5:95 (по мощности), и оптоволоконными линиями задержки 7. Оптоволоконный разветвитель 6 с такой конфигурацией портов относится к классификации оптоволоконный разветвитель типа «звезда». КОР 3 и его входной и выходной оптоволоконные кабели исполнены из сохраняющих поляризацию оптоволоконных элементов и волокон. В лидар входят оптоволоконный мультипликатор 8, сканирующая приемная оптическая антенна 9, фотоприемник 10, волоконно-сопряженный АОМ 11, сумматор опорной и сигнальной волн 12 (выполненный как пассивный оптоволоконный разветвитель с конфигурацией портов 2*1 или с конфигурацией 2*2 - для случая применения балансного приемника) и пассивные оптоволоконные разветвители 13 и 14 с конфигурацией портов 2*1, подключенные соответственно к входу и выходу оптоволоконного мультипликатора 8. Все элементы этой части оптоволоконного тракта лидара имеют одномодовое исполнение. Оптоволоконный мультипликатор 8 включает последовательно соединенные входную схему мультиплицирования 15 и 16 в количестве (М-1), а также выходной пассивный 1 оптоволоконный разветвитель 17 с конфигурацией портов 2*1, подключенный через свои входные порты к последней схеме мультиплицирования 16 оптоволоконного мультипликатора 8. Схемы мультиплицирования состоят из оптоволоконного разветвителя 18 (в первой схеме 15) с конфигурацией портов 1*2 или оптоволоконных разветвителей 19 (в остальных схемах 16) с конфигурацией портов 2*2 с отношением коэффициентов деления 50:50 и оптоволоконных линий задержки 20, подключенных к входному порту оптоволоконного разветвителя следующей схемы мультиплицирования (или к входному порту выходного оптоволоконного разделителя 17 для случая последней схемы мультиплицирования 16). При этом вторые выходные порты оптоволоконного разветвителя 19 каждой схемы мультиплицирования 15 и 16 (кроме последней) напрямую подключены ко второму входному порту оптоволоконного разветвителя 19 следующей схемы мультиплицирования (или к входному порту выходного оптоволоконного разветвителя 17 для случая последней схемы мультиплицирования).

Пассивные оптоволоконные разветвители 13 и 14 (с конфигурацией портов 2*1), подключенные соответственно к входу и выходу оптоволоконного мультипликатора 8, имеют соотношение коэффициентов деления 1:99. При этом порты, реализующие меньшие значения коэффициента деления, подключены соответственно КОР 3 и приемной оптической антенне 9. Напротив, порты, реализующие меньшие значения коэффициента деления, сопряжены с входными портами сумматора опорной и сигнальной волн 12. При этом акустооптический модулятор может быть установлен между оптоволоконным мультипликатором 8 и сумматором 12, как после оптоволоконного разветвителя 13, так и после оптоволоконного разветвителя 14. Для управления и контроля антенн в составе лидара используется система их управления 21, функционально связанная с процессором 22. Последний электрически соединен системой 21 и фотоприемником 10.

Способ определения скорости рассеивающего пространственно распределенного объекта, реализуемый с помощью предложенного лидара, осуществляется следующим образом. Генерируемая лазером 1 импульсная волна разделяется светоделителем 4 на две компоненты, одна из которых, зондирующая волна, с помощью антенны 2 направляется в зондируемый объем атмосферы, в то время как другая с помощью фокусатора 5 вводится в КОР 3 и выводится из него в виде частотно-повторяющейся (с периодом Т_ring) последовательности импульсов, пропускается через оптоволоконный разветвитель 13 и поступает на вход оптоволоконного мультипликатора 8. В оптоволоконном мультипликаторе 8 указанная частотно-повторяющаяся (с периодом T_ring) последовательность внутриволоконных импульсов трансформируется в квазинепрерывную (с медленным экспоненциальным затуханием) внутриволоконную опорную волну, наделенную свойством МВК со временем мультиплицированной временной когерентности τ_М=T_ring. Далее с выхода оптоволоконного мультипликатора опорная волна поступает в оптоволоконный разветвитель 14 пропускается через него и АОМ 11, приобретая при этом частотный опорный сдвиг Ω_АОМ, и направляется в установленный на входе фотоприемника 10 оптоволоконный сумматор 12. В сумматоре оптоволоконный мультипликатор 8 претерпевает внутриволоконное смешение с сигнальной волной, являясь результатом рассеянии на аэрозоли зондируемого объема атмосферы и приобретающая при этом частотный доплеровский сдвиг Ω_D(t)=2·V_||(t)/λ (где V_|| - скорость ветра в зондируемом объеме атмосферы в направлении распространения зондирующей волны), поступает в приемную антенну 9, сопрягается с приемной частью оптоволоконного тракта лидара и через оптоволоконный разветвитель 14 вводится в оптоволоконный мультипликатор 8. В оптоволоконном мультипликаторе 8 внутриволоконная сигнальная волна подвергается мультиплицированию, приобретая при этом свойство МВК, и поступает в сумматор 12, в котором смешивается с опорной волной. В процессе мультиплицирования сигнальной волны каждый ее фрагмент длительностью Δt₁, лимитируемой условием 2, который можно рассматривать как изолированный импульс, наделяется свойствами мультиплицированной временной когерентности, благодаря которым он становится взаимно когерентным с синхронным ему фрагментом мультиплицированной опорной волны. В результате реализуется условие когерентного квадратичного детектирования сигнальной волны, позволяющее выделить частоту биений (Ω_АОМ-Ω_D) из фототока приемника 10, являющуюся целевым параметром измерений и позволяющую определить V_||.

При построении лидара на описанных принципах его сигнал из произвольной точки зондируемого объема может быть когерентно детектирован в пределах интервала T_ring, равного временному периоду КОР, а суммарный ток фотоприемника в каждый момент времени будет усредненно характеризовать весь разрешаемый зондируемый объем протяженностью, лимитируемой тем же периодом.

Постоянную времени оптоволоконной линии задержки 7 КОР T_ring задают с учетом требуемого разрешения скорости:

где

T_ring - постоянная времени оптоволоконных линий задержки КОР;

V_||min - порог разрешения измеряемых скоростей;

λ - длина волны зондирования.

Для реализации разрешения лидара по скорости V_||min≅0,5 м/с в варианте реализации лидара на основе Nd:YAG-лазера (λ=1064 нм) мультипликатор 8 должен удовлетворять условиям Δt₁=0,977 нc и М=10. Коэффициент потерь энергии при мультиплицировании опорной волны и сигнальной волны в оптоволоконном мультипликаторе 8 с учетом потерь в оптоволоконных разветвителях 13, 14 и в сумматоре 12 составит значение ε_sum, дБ=(М+2)·ε_OP, дБ=0,72 (где ε_OP=0,06 дБ - коэффициент потерь трех- и четырехполюсного одномодового оптоволоконного разветвителя высшей категории).

Число схем мультиплицирования М и постоянные времени оптоволоконных линий задержки Δt_j () задают с учетом условия:

В частности для получения времени мультиплицированной когерентности τ_M=1 мкc при использовании лазера с τ_coh=0,977 нc (длина когерентности ~29 см) - тоже перенести в описание реализации способа.

Представляется важным отметить, что нижний предел чувствительности измерений скорости V_|| может задаваться конструктивным параметром лидара (временным периодом КОР T_ring), а не длительностью зондирующих импульсов τ_рrоb. Кроме того, в этой характеристике такой лидар не уступает когерентным лидарам с микросекундными зондирующими импульсами, реализуемым по схеме МОРА на базе промышленно неосвоенных и весьма дорогостоящих лазерных излучателей.

Для определения вектора скорости описанная последовательность операций выполняется, по крайней мере, для трех направлений зондирования, программно задаваемых системой управления сканирующих передающей и приемной антенн. Векторы направлений зондирования и приема сигнальной волны задаются и контролируются этой же системой, функционально связанной исполнительным процессором лидара, осуществляющим вычисление вектора скорости ветра.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая группа изобретений позволяет:

1) увеличить функциональные возможности, выражающиеся в увеличении дальности зондирования за счет:

- увеличения пропускной мощности мультипликатора,

- снижения энергопотерь при мультиплицировании;

- возможности комплексного использования лидара для контроля пространственно-временного распределения аэрозольных загрязнений атмосферы с пространственным разрешением уровня загрязнений, лимитируемым наносекундной длительностью зондирующих импульсов в сочетании с гетеродинным усилением СВ);

2) упростить схему, улучшить эксплуатационные характеристики и удешевить лидар за счет:

- исключения «цепочки деполяризатор - поляризатор», устраняющей в прототипе в интересах снижения энергопотерь при детектировании последствия усложнения поляризационной характеристики зондирующей волны в процессе формирования составного импульса многомодовым оптоволоконным мультипликатором;

- отсутствия необходимости охлаждения оптоволоконного тракта лидара ввиду значительного снижения требований к его пропускной мощности;

- увеличения срока эксплуатации оптоволоконного тракта лидара вследствие снижения плотностей мощности, циркулирующих в нем внутриволоконных пучков;

- снижения требований к энергетике лазера для реализации заданной дальности зондирования вследствие снижения энергопотерь при мультиплицировании.

Кроме того, возможно измерение скорости пространственно распределенного объекта (измерения скорости ветра, в частности) с использованием наносекундных лазеров, достигая при этом разрешения по скорости, обеспечиваемого при применении микросекундных лазеров. Применительно к ветровым доплеровским когерентным лидарам решение поставленной задачи равнозначно возможности их реализации на основе промышленно освоенных, технически совершенных и недорогих низкокогерентных (с длиной когерентности >20 см) наносекундных твердотельных лазеров вместо традиционно применяемых субмикросекундных высококогерентных лазерных излучателей, реализуемых по схеме МОРА. Последние в силу технической сложности их конструкции в настоящее время не имеют промышленного освоения и коммерческой привлекательности для потенциальных потребителей ветровых лидаров - метеорологических служб, авиации, космического приборостроения и т.д.

В группе изобретений генерируемая лазером импульсная волна разделяется светоделителем на две компоненты, одна из которых, зондирующая волна, с помощью антенны направляется в зондируемый объем атмосферы, в то время как другая с помощью фокусатора вводится в КОР и выводится из него в виде частотно-повторяющейся (с периодом T_ring) последовательности импульсов, пропускается через оптоволоконный разветвитель и поступает на вход оптоволоконного мультипликатора. В оптоволоконном мультипликаторе указанная частотно-повторяющаяся (с периодом T_ring) последовательность внутриволоконных импульсов трансформируется в квазинепрерывную (с медленным экспоненциальным затуханием) внутриволоконную опорную волну, наделенную свойством МВК со временем мультиплицированной временной когерентности τ_м=T_ring. Далее с выхода оптоволоконного мультипликатора опорная волна поступает в оптоволоконный разветвитель, пропускается через него и АОМ, оптоволоконный сумматор. В сумматоре опорная волна претерпевает внутриволоконное смешение с сигнальной волной, которая поступает из волоконно-сопряженной приемной антенны, сопрягается с приемной частью оптоволоконного тракта лидара и через оптоволоконный разветвитель вводится в оптоволоконный мультипликатор. В оптоволоконном мультипликаторе внутриволоконная сигнальная волна подвергается мультиплицированию, приобретая при этом свойство МВК, и через оптоволоконный разветвитель поступает в сумматор. В процессе мультиплицирования сигнальной волны каждый ее фрагмент длительностью Δt1 преобразуется в составной фрагмент длительностью τ_м=T_ring и наделяется свойствами МВК. Технический результат - увеличение функциональных возможностей, выражающихся в увеличении дальности зондирования и упрощении схемы, улучшение эксплуатационных характеристик и удешевление лидара. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения скорости рассеивающего пространственно распределенного объекта, заключающийся в том, что объект зондируют импульсной оптической когерентной волной, сигнальную волну, рассеянную объектом и имеющую доплеровское смещение спектра, и опорную волну затем подвергают внутриволоконному смешению, причем одну из волн подвергают еще и предварительной частотной модуляции и направляют волны в фотоприемник и полученную частотную характеристику фототока фотоприемника используют для определения компоненты скорости объекта в направлении его зондирования, усредненной в пределах его разрешаемого зондируемого объема, при этом как сигнальную, так и опорную волну в процессе предварительного и одновременного мультиплицирования наделяют свойством мультиплицированной временной когерентности, при котором произвольные волновые фронты обеих волн многократно воспроизводят волновой фронт исходного лазерного импульса с периодом, не превосходящим длительность когерентного цуга источника волны, причем в процессе мультиплицирования волн их преобразуют во множество пространственно разделенных внутриволоконных волновых компонент, подвергают последовательным преобразованиям мультиплицирования, в процессе которых им придают временные сдвиги, возрастающие в арифметической прогрессии, и объединяют, при этом общее число мультиплицирующих преобразований внутриволоконных волн и суммарный временной сдвиг волнового фронта исходной волны задают с учетом достижения им значения, равного временному периоду кольцевого оптоволоконного резонатора, а шаги арифметических прогрессий преобразований образуют возрастающую последовательность, в которой наименьший ее член не превосходит длительности когерентного цуга источника волны, а каждый последующий равен максимальному временному сдвигу волнового фронта в преобразовании, соответствующем предыдущему члену последовательности, причем все перечисленные операции выполняют, по крайней мере, для трех независимых направлений зондирования и полученные для них компоненты скорости используют для определения скорости объекта, отличающийся тем, что процесс мультиплицирования осуществляют непосредственно по отношению к внутриволоконной сигнальной волне и к волне, выделенной из исходной лазерной волны и пропускаемой через кольцевой оптоволоконный резонатор с временным периодом равным времени мультиплицированной временной когерентности сигнальной волны, превращая ее в результате мультиплицирования в квазинепрерывную опорную волну, причем мультиплицирование сигнальной волны и волны, выводимой из кольцевого оптоволоконного резонатора, осуществляют при противонаправленном их пропуске через оптоволоконный мультипликатор, и после этого подвергают их внутриволоконному смешению.

2. Доплеровский низкокогерентный лидар, состоящий из импульсного лазера, сопряженных с ним сканирующей передающей оптической антенны и кольцевого оптоволоконного резонатора, а также из волоконно-сопряженных сканирующей приемной оптической антенны и фотоприемника, акустооптического модулятора опорной волны, оптоволоконного мультипликатора и оптоволоконного сумматора опорной и сигнальной волн, при этом оптоволоконный мультипликатор включает цепочку последовательно соединенных оптоволоконных схем мультиплицирования, каждая из которых составлена пассивным оптоволоконным разветвителем и подключенными к его выходным портам параллельными оптоволоконными линиями задержки, причем в первой схеме входной разветвитель имеет единственный входной порт, а в остальных схемах он выполнен по типу «звезда», последняя из схем дополнительно содержит выходной пассивный оптоволоконный разветвитель, подключенный через свои выходные к ее линиям задержки и имеющий единственный выходной порт, при этом общее число схем мультиплицирования и количество содержащихся в них оптоволоконных линий задержек и постоянные их времени заданы с учетом реализации суммарных временных сдвигов волновых фронтов мультиплицируемых волн значения равного временному периоду кольцевого оптоволоконного резонатора, отличающийся тем, что лазер оптически сопряжен со сканирующей передающей оптической антенной и с кольцевым оптоволоконным резонатором, исполненный на основе пассивных трех- и четырехполюсных оптоволоконных разветвителей оптоволоконный мультипликатор через входной и выходной разветвители соединен с входами дополнительно введенных пассивных оптоволоконных разветвителей с неравномерными коэффициентами деления и конфигураций портов 1*2, реализующие большее значение коэффициента, выходы которых подключены к входам оптоволоконного сумматора опорной и сигнальной волн, соединенного с фотоприемником, а к реализующим меньшие значения коэффициента деления выходам соединенных с оптоволоконным мультипликатором разветвителей подключены соответственно кольцевой оптоволоконный резонатор и сканирующая приемная оптическая антенна, причем кольцевой оптоволоконный резонатор выполнен из сохраняющих поляризацию, а остальная часть оптоволоконного тракта лидара выполнена из одномодовых волоконных элементов, при этом акустооптический модулятор, установлен на участке оптоволоконного тракта между оптоволоконным мультипликатором и оптоволоконным сумматором опорной и сигнальной волн.