Лазерный мир

А. А. Ким, В. С. Лугиня, М. А. Коняев, А. Е. Орлов, Д. Н. Васильев // Журнал Фотоника, №1, 2020, стр: 116-126

Метеорологические лидары в настоящее время являются одними из наиболее универсальных и информативных средств бесконтактного исследования атмосферы. В зависимости от типа они способны предоставлять информацию о высотности нижней границы облачности, количестве и плотности облачных слоев, динамических параметрах атмосферы (скорость и направление ветра, сдвиг ветра, вихревые следы и т.д.). Несмотря на растущий спрос и широкий спектр применений метеолидаров, на сегодняшний день не существует достаточно универсального и практичного метода верификации их эксплуатационных параметров. В статье описывается перспективный метод оценки эксплуатационных параметров метеолидаров, основанный на применении волоконно-оптических технологий.

Метеолидар (LIDAR – ​LIght Detection And Ranging) является профилометром обратного атмосферного рассеяния. Оптический зондирующий импульс излучается в атмосферу, после чего на фотоприемнике лидара происходит детектирование обратно рассеянного от каждой точки атмосферной трассы оптического сигнала. Электрический сигнал с фотоприемника подвергается аналого-­цифровому преобразованию с последующей высокоуровневой обработкой. Когерентные доплеровские лидары также способны измерять и проекцию скорости движения воздушных масс на ось зондирования путем детектирования доплеровского смещения частоты излучения при гетеродинном приеме [1–3].

Сегодня лидары находят широкое применение в метеорологии, климатологии, экологии, ветроэнергетике и обеспечении безопасности полетов: они рекомендованы Международной организацией гражданской авиации (ICAO) к включению в состав измерительно-­информационных систем аэропортового оснащения [4–6]. Одним из важных нюансов метрологического обеспечения метеолидаров являются трудности подтверждения соответствия их эксплуатационных характеристик, связанные с невозможностью создания эталонной атмосферной трассы и отсутствием сопоставимых эталонных измерителей.

Компания АО «Лазерные системы» (Санкт-­Петербург, Россия), являющаяся ведущим отечественным производителем метеорологических лидаров, также активно работает над созданием современных средств их метрологического обеспечения. Существенных результатов в области метрологического обеспечения удалось достичь благодаря применению волоконно-­оптических технологий для имитации некоторых метрологически значимых параметров атмосферы.

Основные эксплуатационные характеристики метеолидаров, в зависимости от их типа, можно условно классифицировать на первичные параметры и параметры по целевому назначению (см. табл.).

Из классификации видно, что для метеолидаров всех основных типов первичные параметры являются исключительно пространственно-­временными, в то время как параметры по целевому назначению оказываются более сложными.

Верификация первичных параметров лидара
Для верификации первичных параметров лидара было предложено создать оптическую трассу, позволяющую имитировать объекты, удаленные от лидара на известные дистанции. Первый объект находится на границе слепой зоны лидара, второй – удален от него на величину пространственного разрешения, все последующие – ​удалены от лидара на известные расстояния (рис. 1).

Реализовать такую оптическую трассу удалось с помощью оптоволоконной линии задержки кольцевой структуры, содержащей линейные и ответвляющие элементы с подобранными коэффициентами деления. Иллюстрация принципа работы представлена на рис. 2 [7].

Оптический импульс зондирующего излучения лидара вводится в оптоволоконную линию и поступает на одну или несколько катушек, соединенных кольцом. При этом часть оптической мощности импульса отводится из линии при каждом прохождении оптической длины катушки через разветвитель. На выходе формируется последовательность угасающих импульсов, задержанных по времени относительно друг друга. Поскольку все длины оптических волокон постоянны и известны с высокой точностью, можно утверждать, что все временные промежутки между световыми импульсами на выходе из линии также известны и эквивалентны соответствующим дистанциям до имитируемых условных объектов.

Применение оптоволоконных технологий позволяет разместить все оптические элементы в достаточно компактном корпусе и делает возможным проведение испытаний для оценки метрологических характеристик лидаров в полевых условиях без снятия лидара с места эксплуатации (рис. 3).

Типичный сигнал лидара при подключении такой имитационной линии содержит набор характерных пиков, эквивалентных отражению от мнимых объектов, удаленных друг от друга и от лидара на точно известные расстояния во всей области измерений (рис. 4а) и в ближней зоне (рис. 4b). Анализ графиков позволяет говорить о соответствии первичных (пространственно-­временных) параметров лидара заявляемым, в частности: дальности и точности измерения дистанций, пространственном разрешении и величине слепой зоны.

Процесс верификации пространственно-­временных характеристик импульсного доплеровского ветрового лидара, работающего в режиме профилометра обратного рассеяния, происходит аналогичным образом. Зондирующее излучение через ломающее зеркало вводится в приемный коллиматор и направляется в имитационную линию (рис. 5).
На рис. 6. представлены графики пространственного профиля коэффициента обратного рассеяния β и SNR сигнала при подключении имитационной линии.

На графике также отчетливо видны эквидистантные пики. Расчётное расстояние между ними составляет 1 000 м и определяется эквивалентной длиной оптического волокна имитационной линии.

Применение кварцевого оптического волокна в качестве среды распространения зондирующего излучения лидара оправдано практически во всех случаях, когда длина волны излучения превышает 850 нм, т. е. для большинства метеолидаров. Это связано с распространенностью оптоволоконной компонентной базы и с тем, что коэффициент ослабления в этом диапазоне длин волн позволяет создавать имитационные линии достаточно большой суммарной протяженности; использование полимерных волокон можно считать нецелесообразным по причине чрезмерно высокого коэффициента ослабления [8].

Разработанный стенд метрологического обеспечения метеорологических лидаров утвержден в качестве рабочего эталона единицы длины в диапазоне значений от 10 до 12 000 м (номер в Реестре утвержденных эталонов единиц величин Росстандарта 3.6.БНЛ.0001.2017).

Приближение имитационной линии к реальной атмосфере
Распространение зондирующего излучения и энергия сигнала на фотоприемнике лидара описывается т. н. лидарным уравнением в приближении однократного рассеяния [9]:

Левая часть уравнения (4) является видоизмененным лидарным уравнением с обобщенным аппаратным коэффициентом A, записанным для дискретных расстояний rn и изотропной атмосферы с постоянными коэффициентами β и α; правая часть описывает энергетику сигналов, формируемых на выходе имитационной оптоволоконной линии.

Детальное рассмотрение уравнения (4) показывает, что при заданных и постоянных β и α оно может иметь решения во всем диапазоне расстояний rn только в случаях, если: а) имитационная линия имеет последовательную структуру (рис. 7) с подбором независимой аттенюации и коэффициентов деления ответвляющих элементов в каждом из выходных плеч; б) при внедрении механизмов активной регуляции оптической мощности в структурах петлевого типа (см. рис. 2).

На рис. 7 изображены: приемный коллиматор (1), приемопередающий блок (2), дуплексный оптический шнур калиброванной длины (3), оптоволоконные разветвители (4), линия задержки слепой зоны (5), линия задержки пространственного разрешения (6), линии задержки высотных отсчетов (n штук) (7), перестраиваемые аттенюаторы (8), оптоволоконный сплиттер (9), передающий коллиматор (10).

Последовательная структура имитационной линии при реализации протяженных оптических трасс с большим количеством ответвлений оказывается чрезмерно громоздкой и экономически нецелесообразной, а пассивные методы регуляции ее параметров существенно ограничивают область применения. Гораздо более перспективным направлением является внедрение механизмов активной регуляции оптической мощности и обратных связей в структурах петлевого типа. В их отсутствии удается добиться удовлетворительных показателей лишь в ближней или дальней зоне (рис. 8).

На рис. 8 лидарным уравнением моделируются три изотропные атмосферы с коэффициентами обратного рассеяния β = 10–3; 4 ∙ 10–3; 10–4 и коэффициентом ослабления α = 4 ∙ 10–5. Величины этих коэффициентов можно считать свой­ственными реальной атмосфере для длины волны излучения 1,55 мкм. Из графиков видно, что пассивными методами регуляции удается добиться удовлетворительного соответствия профилей либо в ближней, либо в дальней зоне. При активной регуляции динамический диапазон перестройки аттенюации в данном случае составит порядка 30 дБ.

Перспективы и направление развития
Для приближения имитационной линии к параметрам естественной атмосферы целесообразно обеспечить контролируемое временное уширение и амплитудное профилирование зондирующего импульса в оптоволоконной линии для имитации отражения от распределенных атмосферных образований (облаков, туманов), а также контролируемое относительно малое частотное смещение зондирующего излучения для верификации параметров доплеровских ветровых лидаров. Оба этих аспекта могут быть реализованы с применением оптоволоконных технологий. Так, например, временное уширение зондирующего импульса легко обеспечивается параллельным массивом согласованных линий задержки, дискретность которых равна его длительности. Амплитудное профилирование достигается включением в линию оптоволоконного амплитудного модулятора с внешним электрическим управлением. Контролируемое смещение частоты излучения может быть обеспечено применением акустооптических модуляторов или оптоволоконных электрооптических фазовых модуляторов, работающих в режиме линейной модуляции фазы [10, 11].

Заключение
Применение оптоволоконных технологий и элементной базы сегодня является одним из наиболее перспективных направлений решения проблемы оценки и подтверждения соответствия эксплуатационных параметров метеорологических лидаров. В условиях отсутствия сопоставимых эталонных измерителей и невозможности создания эталонной атмосферной трассы оптоволоконные имитационные линии являются едва ли не единственным практичным и универсальным средством верификации характеристик метеолидаров.

Функциональные возможности оптоволоконной линии не ограничиваются только созданием известных временных задержек. Они способны обеспечить также временное уширение и профилирование зондирующих импульсов, частотное смещение излучения и др. Фактически это приводит к тому, что на данный момент становится возможным создание имитации атмосферной трассы, обладающей эталонными свой­ствами и изменяемыми в широких пределах параметрами.

Разработанный АО «Лазерные системы» поверочный стенд для контроля параметров метеолидаров зарегистрирован в качестве рабочего эталона и используется для проведения первичных и регламентных поверок.

Список литературы
Андреев М., Васильев Д., Пенкин М., Смоленцев С., Борейшо А., Клочков Д., Коняев М., Орлов А., Чугреев А. Когерентные допплеровские лидары для мониторинга ветровой обстановки. Фотоника. 2014; 6(48): 20–29.
Борейшо А.С., Ким А. А., Коняев М. А., Лугиня В. С., Морозов А. В., Орлов А. Е. Современные лидарные средства дистанционного зондирования атмосферы. Фотоника. 2019; 13(7): 648–657. DOI: 10.22184 / 1993–7296.FROS.2019.13.7.648.657.
Протопопов В. В., Устинов Н. Д. Лазерное гетеродинирование / Под ред. Н. Д. Устинова. – ​М.: Наука, 1985.
Regional implementation of Electronic Terrain and Obstacle data (e-­TOD). – ​International Civil Aviation Organization SAM / IG / 13; South American Regional Office: procs. of the Thirteenth Workshop / Meeting of the SAM Implementation Group (SAM / IG / 13) – ​Regional Project RLA / 06 / 901, Lima, Peru, April 21–25, 2014.
Руководство по планированию и обслуживанию воздушного движения: документ ICAO: DOC9426-AN / 924. – ​Международная организация гражданской авиации. 1984. Ч. 2, гл. 3, дополнение А. 636 c.
Аэродромные системы дистанционного обнаружения маловысотного сдвига ветра: документ ICAO: Doc A39-WP / 287. – ​Международная организация гражданской авиации. 2016, март 25.
Патент РФ № 2636797. Способ контроля и поверки метрологического лидарного оборудования типа облакомер и устройство для его осуществления. МПК G01S7 / 497, G01C25 / 00 приоритет от 01 / 19 / 2017 / Ким А. А., Клочков Д. В.
Борейшо А.С., Ким А. А., Страхов С. Ю. Ограничения в применении волоконно-­оптических технологий для дистанционной передачи энергии. Радиопромышленность. 2017; 4: 34–41. DOI:10.21778 / 2413–9599–2017–4–34–41.
Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование / Пер. с англ. И. Г. Городецкого; под ред. А. Б. Карасева. – ​М.: Мир. 1987. 550 с.
De Paula R. P., Moore E. L. Review of all-fiber phase and polarization modulators. Fiber Optic and Laser Sensors II: proc. SPIE of 1984. Technical Symposium East. USA. 1984; 478: 3–11. DOI:10.1117 / 12.942649.
Jenoptik. Integrated-­optical modulators. Technical information and instructions for use Updated: 12.08.2019 [Electronic resource]: Available at: https://www.jenoptik.us//media/websitedocuments/optics/modulators/modul atorfibel_en.pdf.

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8121_897.pdf