RU2692121C2 - Method of lidar probing and device for its implementation - Google Patents
Method of lidar probing and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2692121C2 RU2692121C2 RU2013109728A RU2013109728A RU2692121C2 RU 2692121 C2 RU2692121 C2 RU 2692121C2 RU 2013109728 A RU2013109728 A RU 2013109728A RU 2013109728 A RU2013109728 A RU 2013109728A RU 2692121 C2 RU2692121 C2 RU 2692121C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- laser radiation
- lidar
- receiving
- laser
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 24
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
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
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к технике дистанционного лидарного измерения оптических характеристик атмосферы, подстилающей и акваторий с неподвижных и подвижных платформ, включая беспилотные наводные, подводные и летательные аппараты.The invention relates to optical instrumentation, in particular to the technique of remote lidar measurement of the optical characteristics of the atmosphere, the underlying and waters from fixed and mobile platforms, including unmanned flood, underwater and aircraft.
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике широкое распространение получили способы и устройства для дистанционного зондирования окружающей среды лидарами для предотвращения техногенных катастроф, экологического мониторинга загрязнений при добыче и транспортировке углеводородов, а также для диагностики глобальных и локальных изменений в природе. В практике сбор оптического излучения, сигнала, при дистанционном зондировании на большие расстояния производят при помощи линзовых или зеркальных телескопов, которые обладают большими габаритами (размер более 30×30×120 см) и массой (более 15 кг), что ограничивает применение лидарной техники и исключает установку лидаров на компактные подвижные платформы.Currently, domestic and foreign practices are widely used methods and devices for remote sensing of the environment with lidars to prevent man-made disasters, environmental monitoring of pollutants during the extraction and transportation of hydrocarbons, as well as to diagnose global and local changes in nature. In practice, the collection of optical radiation, signal, with remote sensing over long distances produced using lens or mirror telescopes that have large dimensions (size more than 30 × 30 × 120 cm) and weight (more than 15 kg), which limits the use of lidar technology and eliminates the installation of lidars on compact mobile platforms.
Известно, что амплитуда сигнала (дальность/глубина зондирования, обнаружительная способность и пр.) лидара прямо пропорциональна площади приемной антенны/объектива и обратно пропорциональна квадрату расстояния до объекта зондирования в соответствии с лидарным уравнением. Эволюция сигнала определяется лидарным уравнением [1-3]:It is known that the amplitude of the signal (range / depth of sounding, detecting ability, etc.) of the lidar is directly proportional to the area of the receiving antenna / lens and inversely proportional to the square of the distance to the object of sounding in accordance with the lidar equation. Signal evolution is determined by the lidar equation [1-3]:
Здесь Ns(R)- число фотонов лидарного сигнала отрезка трассы протяженностью τc/2, удаленного на расстояние R, τ - длительность импульса лазера, c - скорость света, nN0 - число фотонов в n импульсах, излученных лазером за время зондирования-локации, K(λ,R) - инструментальная (аппаратная) константа, включающая эффективность и пропускание тракта приемника, а также геометрию пересечения пучка и поля зрения приемника. A - площадь апертуры приемного объектива (антенны), σ(λ,R) - коэффициент обратного рассеяния, β(λ,R) - показатель ослабления (экстинкция).Here, Ns (R) is the number of photons of the lidar signal of the τc / 2 distance path distance R, τ is the laser pulse duration, c is the speed of light, nN 0 is the number of photons in n pulses emitted by the laser during the sensing-location, K (λ, R) - instrumental (hardware) constant, which includes the efficiency and transmission of the receiver path, as well as the geometry of the beam intersection and the field of view of the receiver. A is the area of the aperture of the receiving lens (antenna), σ (λ, R) is the backscatter coefficient, β (λ, R) is the attenuation index (extinction).
По причине большого диаметра объектива-антенны объем антенного отсека приемного канала лидара всегда занимал значительную часть всего объема лидара. Этот объем V для линзовой антенны оценивается как произведение V=AF площади антенны A на фокусное расстояние F. Кроме этого требовалась общая платформа-основание (в некоторых лидарах цилиндр телескопа или параллепипед корпуса используются как несущая конструкция платформы) для обеспечения жесткости конструкции и стабильности ориентации пучка передатчика и поля зрения приемного тракта. Значительные габариты и общая масса таких лидаров являются основными ограничивающими факторами их размещения на малых беспилотных платформах и требуют вертолетного или самолетного базирования [1-3] большой грузоподъемности и мощности источника питания, что делает эти проекты слишком затратными.Due to the large diameter of the antenna-antenna, the volume of the antenna compartment of the lidar receiving channel always occupied a significant part of the total volume of the lidar. This volume V for a lens antenna is estimated as the product V = AF of antenna area A and focal length F. In addition, a common base platform was required (in some lidars, a telescope cylinder or a body box is used as a platform supporting structure) to ensure rigidity and stability of the beam orientation transmitter and field of view of the receiving path. Significant dimensions and the total mass of such lidars are the main limiting factors of their placement on small unmanned platforms and require helicopter or aircraft-based [1-3] heavy payload and power supply power, which makes these projects too expensive.
Наибольшим потенциалом сокращения габаритов (~30% для лидаров средних, до 1000 м, дистанций зондирования) обладает антенный отсек лидара заполненный воздухом, который включает антенну с линзовой или зеркальной системой сбора оптического излучения и котировочные узлы ввода сигнала в спектроанализатор. Подобная схема приема сигнала имеет существенный недостаток - ограниченная возможность повышения чувствительности лидара из-за ограничения на размер и увеличение апертуры антенны, как следует из лидарного уравнения, а также ограничения на размер пятна пучка сигнала на входной щели спектроанализатора в фокусе линзы. Этот фактор ограничения наглядно показан схематически на примере простейшей системы, состоящей из одной линзы, на фиг.2, которая показывает увеличение потерь сигнала на входной щели (сечение пучков с диаметрами d1 и d2) при увеличении диаметра и фокусного расстояния линзы-антенны при сохранении угла ввода излучения в спектрограф. Так при диаметре пучка на щели d2=1 мм, например, и ширины щели h=0.1 мм только малая часть Δ сигнала будет введена в спектроанализатор (см. фиг.2), пропорциональная отношению площадей, которая проходит в щель (см. рис.2) к площади круга всего пятна пучка:The largest potential for reducing dimensions (~ 30% for medium lidars, up to 1000 m, sensing distances) has an antenna compartment of a lidar filled with air, which includes an antenna with a lens or mirror optical radiation collection system and quotation nodes entering the signal into the spectrum analyzer. Such a signal reception scheme has a significant drawback - the limited possibility of increasing the sensitivity of the lidar due to the restriction on the size and increase of the antenna aperture, as follows from the lidar equation, as well as the restriction on the spot size of the signal beam in the spectroanalyzer input slit at the lens focus. This limiting factor is clearly shown schematically by the example of the simplest system consisting of a single lens, in Fig. 2, which shows an increase in signal loss at the entrance slit (cross section of beams with diameters d 1 and d 2 ) with increasing diameter and focal length of the antenna lens preserving the angle of radiation input into the spectrograph. So with the beam diameter on the slit d 2 = 1 mm, for example, and the slit width h = 0.1 mm, only a small part of the Δ signal will be inserted into the spectrum analyzer (see figure 2), proportional to the area ratio, which passes into the slit (see .2) to the area of the circle of the whole spot of the beam:
Кроме этого, из фиг.1 видно, что изменение расстояния L до объекта зондирования (качка судна, на котором установлен лидар, или изменение высоты полета самолета) будет сопровождаться изменением угла Q=D/L расходимости пучка и, соответственно, расстояния до фокальной плоскости fi. Удержание фокальной плоскости на входной щели спектроанализатора требует механического перемещения линзы-антенны в процессе изменения дальности зондирования. Комплексное решение этой проблемы требует добавления канала-дальномера для измерения дальности до объекта и электромеханического привода к линзе-антенне лидара, который отрабатывает данные дальномера и перемещает линзу в нужную позицию.In addition, it can be seen from Fig. 1 that a change in the distance L to the sensing object (the ship’s roll, on which the lidar is mounted, or the change in the height of the aircraft) will be accompanied by a change in the angle Q = D / L of the beam divergence and, accordingly, the distance to the focal plane f i . Keeping the focal plane at the entrance slit of the spectrum analyzer requires mechanical movement of the antenna lens in the process of changing the sensing range. A comprehensive solution to this problem requires the addition of a channel-rangefinder for measuring the distance to the object and the electromechanical drive to the lens-antenna of the lidar, which processes the data of the range-finder and moves the lens to the desired position.
Известны способы и устройства лидарного зондирования объекта и сбора оптического излучения с использованием системы линзовых и зеркальных телескопов [4, 5], типичная схема их работы показана на фиг.1. Они имеют ряд недостатков, указанные в тексте выше.There are known methods and devices for lidar sensing of an object and collection of optical radiation using a system of lens and mirror telescopes [4, 5], a typical diagram of their operation is shown in FIG. They have a number of disadvantages indicated in the text above.
Наиболее близким техническим решением к предложенному решению, выбранным в качестве прототипа, является способ лидарного зондирования объекта [5, 7] с беспилотного аппарата (БПЛА), посадочного модуля на Марс [7], включающий воздействие на объект лазерным излучением, сбора рассеянных фотонов линзой-антенной и фокусировкой пучка, далее собранное излучение направляют на вход спектрального анализатора [5] и на приемник [7]. Все перечисленные приборы жестко связаны между собой, или размещены на одной платформе, что обеспечивает совпадение направляющего пучка лазера и поля зрения, при этом существует возможность транспорта световой энергии по оптическим волокнам [6].The closest technical solution to the proposed solution, selected as a prototype, is a method of lidar sensing of an object [5, 7] from an unmanned vehicle (UAV), a landing module to Mars [7], which includes exposure of an object to laser radiation, collecting scattered photons by a lens antenna and beam focusing, then the collected radiation is directed to the input of the spectral analyzer [5] and to the receiver [7]. All of these devices are rigidly interconnected, or placed on the same platform, which ensures the coincidence of the laser beam and field of view, while there is a possibility of transporting light energy through optical fibers [6].
Указанный способ сбора оптических сигналов для дистанционного лазерного зондирования и устройство для его реализации имеет недостатки:This method of collecting optical signals for remote laser sensing and device for its implementation has the disadvantages:
1. большие габариты системы, которые определяются удаленностью объекта, что требует для регистрации слабых сигналов большой площади приемной антенны (поперечные размеры), а также согласование угла сходимости или угла фокусированного пучка сигнала после антенны-линзы, которое определяется отношением диаметра линзы к длине фокусного расстояния, с полем зрения спектрального прибора (продольные размеры);1. large dimensions of the system, which are determined by the distance of the object, which requires for recording weak signals a large area of the receiving antenna (transverse dimensions), as well as matching the angle of convergence or angle of the focused signal beam after the antenna lens, which is determined by the ratio of the lens diameter to the focal length , from the field of view of the spectral instrument (longitudinal dimensions);
2. большая масса, которая определяется большим диаметром линз или зеркал, так как толщина этих оптических элементов должны быть достаточной для исключения возможных искажений волнового фронта пучка;2. large mass, which is determined by the large diameter of the lenses or mirrors, since the thickness of these optical elements should be sufficient to eliminate possible distortions of the beam wave front;
3. возможность регистрировать сигнал только вдоль одного направления за один сеанс измерения;3. the ability to record a signal only along one direction during a single measurement session;
4. необходимость общей платформы для антенны и системы регистрации, что повышает требования на габариты системы;4. the need for a common platform for the antenna and registration system, which increases the requirements for the size of the system;
6. низкая надежность лидара из-за высокой вероятности разрушения линзы-антенны либо зеркала-антенны большого размера при ударах во время посадки БПЛА.6. low reliability of the lidar due to the high probability of destruction of the lens-antenna or mirror-antenna of a large size when struck during the landing of the UAV.
Технической задачей решения является устранение этих недостатков. Поставленная задача достигается тем, что в известном способе лидарного зондирования объекта с беспилотного аппарата, заключающемся в облучении объекта импульсным лазерным излучением, сборе отраженных рассеянных фотонов линзой-антенной, сжатии пучка и направлении его на вход спектроанализатора и далее на приемник, в обеспечении совпадения направляющего пучка лазерного излучения и поля зрения приемника, отраженные от объекта рассеянные фотоны пропускают через несколько приемных каналов (панель с линзами), собирают излучение в оптическое световолокно и направляют через его волокна, выстроенные определенным образом, на вход спектроанализатора. При этом излучение лазера подают на приемные каналы также по оптическому волокну и направляют в сторону объекта, согласовав с полем зрения приемных каналов.The technical task of the solution is to eliminate these shortcomings. The task is achieved by the fact that in a known method of lidar sensing of an object from an unmanned vehicle, consisting in irradiating an object with pulsed laser radiation, collecting reflected scattered photons with a lens antenna, compressing the beam and directing it to the input of the spectrum analyzer and further to the receiver, ensuring the matching of the guide beam the laser radiation and the field of view of the receiver, the scattered photons reflected from the object are passed through several receiving channels (a panel with lenses), collect the radiation in optical th optical fiber and directed through its fibers, arrayed in a certain way, to the input of the spectrum analyzer. In this case, the laser radiation is fed to the receiving channels also via an optical fiber and directed towards the object, coordinated with the field of view of the receiving channels.
Излучение лазера делят на части, соответствующие приемным каналам, и направляют к каждому приемному каналу так, чтобы каждая часть разделенного пучка лазера освещала объект в своем направлении и его расходимость была согласована (совпадала) с полем зрения приемных каналов.The laser radiation is divided into parts corresponding to the receiving channels, and directed to each receiving channel so that each part of the divided laser beam illuminates the object in its direction and its divergence is matched (coincided) with the field of view of the receiving channels.
Панель с линзами устанавливают и закрепляют на выходном торце лазера. При этом добиваются, чтобы пучок лазера без волокна походил через отверстие в панели или формирующий объектив в отверстие и направлялся на объект, а приемные каналы формировали поле зрения, которое совпадает с пучком лазера на объекте.Panel with lenses set and fixed on the output end of the laser. At the same time, it is ensured that the laser beam without a fiber resembles through a hole in the panel or forming an objective lens into the hole and is directed towards the object, and the receiving channels form a field of view that coincides with the laser beam on the object.
В панель с линзами устанавливают дополнительную линзу - приемный канал лазера дальномера, в фокус которого помещают торец дополнительного оптического измерение дальности волокна, а другой торец размещают перед фотоприемником дальномера и производят измерение дальности объекта зондирования, а также профиль рассеянных неоднородностей (шлейфы, облака и др.) вдоль трассы зондирования.An additional lens is installed in the panel with lenses - the receiving channel of the laser of the range finder, at the focal point of which is placed the end of the additional optical fiber range measurement, and the other end is placed in front of the photodiode of the range finder and measuring the distance of the probing object, as well as the profile of diffuse inhomogeneities ) along the route sensing.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что позволяет значительно увеличить эффективность сбора сигнала и передачу его приемника при снижении массы и габаритов, уменьшении влияния дальности объекта на регистрируемый сигнал, увеличении надежности работы лидара (лидар продолжает зондирование в случае целенаправленного разрушения частей (несколько линз) антенны), а также осуществить одновременный прием сигнала с любых направлений отдельными частями антенны, поле зрения которых ориентировано в разные стороны, без использования системы сканирования. При этом излучение лазера делится на части, каждая из которых подается также по оптическому волокну к отдельной части антенны и направляется в сторону объекта с расходимостью пучка, не превышающей поле зрения антенны. Такое размещение приемо-передающих антенн вокруг (сверху, снизу, впереди и сзади), например, подводного робота позволит ему перемещаться в подводных туннелях на равном удалении от стенок туннеля посредством непрерывного измерения расстояния от стенок и при изгибах туннель.The proposed method differs from the prototype in that it can significantly increase the efficiency of signal collection and transmitting it to the receiver while reducing the weight and size, reducing the effect of the object's distance on the recorded signal, increasing the reliability of the lidar operation (the lidar continues sounding in case of targeted destruction of parts (several lenses) of the antenna ), and also to simultaneously receive a signal from any direction in separate parts of the antenna, the field of view of which is oriented in different directions, without using scanning systems. In this case, the laser radiation is divided into parts, each of which is also fed through an optical fiber to a separate part of the antenna and is directed towards the object with a beam divergence not exceeding the field of view of the antenna. This arrangement of receiving and transmitting antennas around (above, below, in front and behind), for example, an underwater robot will allow it to move in underwater tunnels at an equal distance from the tunnel walls by continuously measuring the distance from the walls and during bending of the tunnel.
Сущность заявляемого решения поясняется фиг.2, 3, 4 и 5The essence of the proposed solution is illustrated in figure 2, 3, 4 and 5
На фиг.2 изображена схема сбора оптических сигналов.Figure 2 shows a diagram of the collection of optical signals.
На фиг.3 изображена схема антенны синтезированной апертуры.Figure 3 shows a diagram of a synthesized aperture antenna.
На фиг.4 изображен созданный флюоресцентный лидар и указаны его габариты.Figure 4 shows the created fluorescent lidar and its dimensions are indicated.
На фиг.5 изображен созданный лидар с панелью приемных антенн с 7-ю линзами, в центре вход излучения лазера через световод.Figure 5 shows the created lidar with a panel of receiving antennas with 7 lenses, in the center of the entrance of the laser radiation through the light guide.
Принцип действия способа показан на фиг.2.The principle of the method is shown in figure 2.
При сохранении или даже увеличении суммарной площади синтезированной апертуры антенны все излучение сигнала вводится в спектроанализатор посредством оптоволоконного кабеля с его однорядного торца, который заменяет одновременно щель спектроанализатора. При этом количество волокон (отдельных апертур антенны) в кабеле задается вертикальным размером диодной матрицы приемника и диаметром волокна. Такая антенна может быть смонтирована на выходном торце лазера, что позволит заметно (до 30% и более) сократить габариты лидара и его массу без изменения общей компоновки лидара. Более того, отсек передатчика (лазер с антенной) и спектроанализатор с детектором могут быть разделены на отдельные блоки и размещены отдельно. При этом общая платформа, которая обеспечивала стабильность (заметим, что для этого платформа должна быть термостатирована) юстировки осей пучка передатчика и поля зрения приемника может быть ликвидирована. Такое решение будет дополнительно обеспечивать уменьшение массы лидара как целого.While maintaining or even increasing the total area of the synthesized aperture of the antenna, the entire radiation of the signal is inserted into the spectrum analyzer via a fiber optic cable from its single-row end, which simultaneously replaces the gap of the spectrum analyzer. The number of fibers (individual apertures of the antenna) in the cable is determined by the vertical size of the diode array of the receiver and the diameter of the fiber. Such an antenna can be mounted at the output end of the laser, which will significantly (up to 30% or more) reduce the dimensions of the lidar and its mass without changing the overall layout of the lidar. Moreover, the transmitter compartment (laser with antenna) and the spectrum analyzer with a detector can be divided into separate blocks and placed separately. At the same time, the common platform, which provided stability (note that for this, the platform must be thermostatted), the alignment of the transmitter beam axes and the receiver's field of view can be eliminated. Such a solution will additionally provide a reduction in the mass of lidar as a whole.
Предложенный способ реализуется устройством.The proposed method is implemented by the device.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для реализации способа лидарного зондирования, содержащее лазер, линзу-антенну, спектроанализатор и приемник, жестко связанные друг с другом [6].Closest to the claimed device is a device for implementing the method of lidar sensing, comprising a laser, a lens antenna, a spectrum analyzer and a receiver, rigidly connected to each other [6].
Это устройство имеет недостатки, указанные в способе, основные из которых - это большие габариты и масса.This device has the disadvantages indicated in the method, the main ones of which are large dimensions and weight.
Технической задачей решения является улучшение характеристик приемной антенны лидара с синтезированной апертурой, которая позволяет уменьшить габариты и массу лидара при сохранении или даже увеличении площади антенны, а также разделить лидар на отдельные отсеки приемника/передатчика и отказаться от общей платформы-основания, что весьма важно для оптимального размещения в малом объеме. Разделение лидара на отдельные части принципиально важно при его размещении на беспилотной (БПЛА) летательной платформе в разных частях внутри фюзеляжа самолета или вертолета БПЛА. чтобы обеспечить правильную центровку, управляемость, безопасность полета и посадки. Причем отдельное размещение частей лидара, которые требуют охлаждения, непосредственно на конструкциях корпуса, как на теплоотводах, позволяют отказаться от систем охлаждения лидара и снизить массу лидара.The technical task of the solution is to improve the characteristics of the receiving antenna of the synthetic aperture lidar, which allows reducing the size and mass of the lidar while maintaining or even increasing the antenna area, and also to divide the lidar into separate receiver / transmitter compartments and abandon the common base platform, which is very important for optimal placement in a small volume. The division of the lidar into separate parts is crucial when it is placed on an unmanned aircraft (UAV) flying platform in different parts inside the fuselage of an airplane or a UAV helicopter. to ensure proper alignment, handling, flight safety and landing. Moreover, the separate placement of lidar parts that require cooling directly on the hull structures, like on heat sinks, makes it possible to abandon the lidar cooling systems and reduce the lidar mass.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем лазер, линзу-антенну, спектр-анализатор и приемник, установленные с механической жесткой связью друг с другом, или на одной платформе, оптическое световолокно, собранное в жгут, а линза -антенна сформирована из нескольких линз приемных каналов меньшего диаметра и с меньшим фокусным расстоянием, закрепленных на панели. Торцы световолокна размещены с одной стороны в фокальных плоскостях этих линз, а на другом конце собраны в один ряд-линию и установлены на входе в спектроанализатор лидара, при этом фокусное расстояние линзы должно быть выбрано меньше, чем 0,01 L дальности до объекта зондирования, а отношение диаметра к фокусному расстоянию не превышало значения числовой апертуры световолокна.The task is achieved by the fact that in the known device containing a laser, a lens-antenna, a spectrum-analyzer and a receiver installed with a mechanical rigid connection with each other, or on the same platform, the optical optical fiber assembled into a bundle, and the lens is an antenna several lenses receiving channels of smaller diameter and with a smaller focal length, mounted on the panel. The ends of the fiber are placed on one side in the focal planes of these lenses, and at the other end are assembled in one row-line and installed at the entrance to the spectrum analyzer of the lidar, while the focal length of the lens must be selected less than 0.01 L of the distance to the sensing object, and the ratio of the diameter to the focal length did not exceed the value of the numerical aperture of the fiber.
Поставленная задача достигается также тем, что линзы приемных каналов сгруппированы по частям, установлены на свои панели, которые обеспечивают совпадение полей зрения приемных каналов каждой части.The task is also achieved by the fact that the lenses of the receiving channels are grouped in parts, mounted on their panels, which ensure the coincidence of the fields of view of the receiving channels of each part.
Сущность решения заключается в том, что единая линза (зеркало) большого диаметра разбивается на большое количество элементов, состоящих из небольшой линзы (зеркала) с коротким фокусным расстоянием, которая собирает изображение на торец одного оптического волокна. При этом фокусное расстояние линзы выбирается меньше, чем 0.01 L дальности до объекта зондирования, чтобы снизить чувствительность к изменению дальности до объекта при зондировании. Тогда диаметр линзы выбирается так, чтобы его отношение к фокусному расстоянию не превышало значение числовой апертуры волокна. Эти волокна собирают вместе так, чтобы в выходе образовался столбец из вертикально упорядоченных волокон, которые заменяет щель (см. фиг.3).The essence of the solution lies in the fact that a single lens (mirror) of large diameter is divided into a large number of elements consisting of a small lens (mirror) with a short focal length, which collects the image on the end of a single optical fiber. In this case, the focal length of the lens is chosen to be less than 0.01 L of the distance to the object of sensing, in order to reduce the sensitivity to the change of the distance to the object during sounding. Then the diameter of the lens is chosen so that its ratio to the focal length does not exceed the value of the numerical aperture of the fiber. These fibers are assembled together so that a column of vertically ordered fibers is formed at the exit, which replaces the gap (see Fig. 3).
Устройство на фиг.3 состоит из двух функциональных частей: система сбора оптического излучения и система переноса сигнала на вход спектроанализатора. Система сбора состоит из отдельных элементов 2, которая состоит из линзы малого диаметра, фокусирующей излучение на торец оптического волокна, при этом апертура линзы должна соответствовать апертуре спектроанализатора. Отдельные волокна собирают в жгут, который на выходе состоят из вертикального столбца волокон 3. Волокно должно иметь угол расходимости, который соответствует апертуре спектроанализатора. Диаметр волокна подбирают таким образом, чтобы он был равен нормальной ширине щели для спектроанализатора, и при этом фокальное пятно линзы должно полностью попадать на торец волокна.The device in figure 3 consists of two functional parts: a system for collecting optical radiation and a system for transferring the signal to the input of the spectrum analyzer. The collection system consists of individual elements 2, which consists of a small-diameter lens that focuses radiation on the end of the optical fiber, and the lens aperture must correspond to the aperture of the spectrum analyzer. The individual fibers are collected in a bundle, which at the exit consist of a vertical column of
При сохранении или даже увеличении суммарной площади синтезированной апертуры антенны все излучение сигнала вводится в спектроанализатор посредством оптоволоконного кабеля с его однорядного торца, который заменяет одновременно щель спектроанализатора. При этом количество волокон (отдельных апертур антенны) в кабеле задается вертикальным размером диодной матрицы приемника и диаметром волокна. Такая антенна может быть смонтирована на выходном торце лазера, что позволит заметно сократить габариты лидара и его массу без изменения общей компоновки лидара. Более того, отсек передатчика (лазер с антенной) и спектроанализатор могут быть разделены на отдельные блоки и размещены отдельно. При этом общая платформа, которая обеспечивала стабильность (заметим, что для этого платформа должна быть термостатирована) юстировки осей пучка передатчика и поля зрения приемника может быть ликвидирована. Такое решение будет дополнительно обеспечивать уменьшение массы лидара как целого. Предложенная антенна с синтезированной апертурой позволяет уменьшить габариты и массу лидар. Устройство по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:While maintaining or even increasing the total area of the synthesized aperture of the antenna, the entire radiation of the signal is inserted into the spectrum analyzer via a fiber optic cable from its single-row end, which simultaneously replaces the gap of the spectrum analyzer. The number of fibers (individual apertures of the antenna) in the cable is determined by the vertical size of the diode array of the receiver and the diameter of the fiber. Such an antenna can be mounted on the output end of the laser, which will significantly reduce the dimensions of the lidar and its mass without changing the overall layout of the lidar. Moreover, the transmitter compartment (laser with antenna) and the spectrum analyzer can be divided into separate blocks and placed separately. At the same time, the common platform, which provided stability (note that for this, the platform must be thermostatted), the alignment of the transmitter beam axes and the field of view of the receiver can be eliminated. Such a solution will additionally provide a reduction in the mass of lidar as a whole. The proposed antenna with synthetic aperture allows to reduce the size and weight of the lidar. The device in comparison with the prototype has the following advantages:
1. уменьшение продольного размера и габаритов антенны за счет многократного уменьшения фокусного расстояния линзы-антенны при сохранении или увеличении общей площади сбора сигнала при согласовании с апертурой спектроанализатора за счет увеличения числа линз;1. a decrease in the longitudinal size and dimensions of the antenna due to a multiple decrease in the focal length of the antenna lens while maintaining or increasing the total signal collection area when coordinated with the aperture of the spectrum analyzer by increasing the number of lenses;
2. снижение массы антенны, при сохранении общей площади сбора сигнала, так как суммарная масса набора линз каждого из элементов антенны значительно меньше, чем масса антенны, состоящей из одной большой линзы(зеркала), поскольку линзы меньшего диаметра всегда тоньше и весят, увеличить эффективность ввода излучения сигнала в спектроанализатор, а также дает возможность разнести отдельные компоненты лидар и отказаться от общей платформы-основания, что весьма важно для оптимального размещения в малом объеме;2. weight reduction of the antenna, while maintaining the total area of the signal collection, since the total mass of the lens set of each antenna element is much less than the mass of the antenna consisting of one large lens (mirror), since the lenses of smaller diameter are always thinner and weigh, increase efficiency inputting the radiation signal into the spectrum analyzer, and also makes it possible to separate the individual components of the lidar and abandon the common base platform, which is very important for optimal placement in a small volume;
3. увеличение оптического сигнала за счет эффективного распределения круглого пятна сигнала от удаленного объекта на щели спектроанализатора при его трансформировании с помощью вертикально упорядоченного столбца торцов оптоволокна 3;3. an increase in the optical signal due to the effective distribution of a round spot of the signal from a distant object on the slit of the spectrum analyzer when it is transformed using a vertically ordered column of the ends of the
4. возможность установки блока антенны и детектора в разные части носителя на теплоотводящие детали корпуса набегающим потоком воздуха или воды, например, в БПЛА или батискафе, вследствие наличия оптоволоконного кабеля, что позволяет отказаться от вентиляторов охлаждения, уменьшить габариты и энергопотребление;4. the ability to install the antenna unit and the detector in different parts of the carrier on the heat-removing parts of the body by the oncoming flow of air or water, for example, in the UAV or bathyscaphe, due to the presence of a fiber-optic cable, which eliminates cooling fans, reduces the size and power consumption;
5. при использовании антенны, которая состоит из отдельных элементов 2, расположенных в форме полусферы (сферы) возможна регистрация сигналов сразу по нескольким каналам за одно измерения при использовании отдельных детекторов или матричного типа (ПЗС камеры или их аналоги) и построения трехмерного распределения параметров без использования системы сканирования;5. using an antenna that consists of separate elements 2 arranged in the form of a hemisphere (sphere), it is possible to register signals through several channels in one measurement using separate detectors or a matrix type (camera CCD or their analogs) and constructing three-dimensional distribution of parameters without use of the scanning system;
6. повышение надежности лидара в случае целенаправленного разрушения антенны, что приведет к выходу из строя только части элементов, в то время как для классического телескопа при разъюстировке не будет возможности проводить измерения.6. Improving the reliability of the lidar in the case of targeted destruction of the antenna, which will lead to the failure of only part of the elements, while for the classical telescope with the misalignment it will not be possible to carry out measurements.
7. использование волоконного ввода в спектроанализатор и на приемник дальномера позволяет использовать в волокне брегговские решетки, которые выполняют роль оптических фильтров, причем в волокне к приемнику дальномера используют фильтр, селективно пропускающий излучение лазера и подавляющий фон засветки, а в волокнах передачи сигнала флюоресценции или комбинационного рассеяния фильтр селективно подавляет излучение лазера.7. The use of fiber input into the spectrum analyzer and the rangefinder receiver allows using Bragg gratings in the fiber, which act as optical filters, and a filter selectively transmitting laser radiation and suppressing background light is used in the fiber to the rangefinder receiver, and in fiber transmission of a fluorescence or Raman signal Scatter filter selectively suppresses laser radiation.
Предложенное решение позволяет уменьшить зависимость от вариации расстояния до объекта зондирования, дает возможность регистрировать сигналы сразу по нескольким направлениям за одно измерение, повышает надежность лидара при ударах, повышает дальность зондирования и надежность, уменьшение объема приемного отсека и объема лидара, его массы и энергопотребления, а также дает возможность размещения отдельными несвязанными между собой блоками внутри фюзеляжа-корпуса БПЛА, чтобы сохранить положение центра масс БПЛА.The proposed solution allows to reduce the dependence on the variation of the distance to the sensing object, makes it possible to record signals in several directions at once in one measurement, increases the reliability of the lidar during impacts, increases the sensing range and reliability, reduces the volume of the receiving compartment and lidar volume, its mass and power consumption, and It also provides the possibility of placing separate unrelated blocks inside the fuselage of the UAV, to maintain the position of the center of mass of the UAV.
ЛитератураLiterature
1. С.М. Першин. Лидар, Большая Российская Энциклопедия, т.17, с.451-452 (2011).1. S.M. Pershin. Lidar, the Great Russian Encyclopedia, vol.17, p.451-452 (2011).
2. Р. Межерис, Лазерное дистанционное зондирование. М., «Мир», 1987 г, 550 с. (перевод кн. Raymond М. Measures. Laser Remote Sensing Fundamentals and Aplications, John Wiley&Sons, New York, 1984).2. R. Mezheriz, Laser remote sensing. M., "Peace", 1987, 550 p. (translation of the book. Raymond M. Measures. Laser Remote Sensing Fundamentals and Aplications, John Wiley & Sons, New York, 1984).
3. A. Bunkin, and K. Voliak, Laser Remote Sensing of the Ocean: Methods and Applications, John Wiley&Sons, New York, 2001.3. A. Bunkin, and K. Voliak, Laser Remote Sensing: The Methods and Applications, John Wiley & Sons, New York, 2001.
4. T. Hengstermann and R. Reuter, Lidar fluorosensing of mineral oil spills on the sea surface, Applied Optics, Vol.29, Issue 22, pp.3218-3227 (1990).4. T. Hengstermann and R. Reuter, Lidar fluorosensing of mineral oil spills on the sea surface, Applied Optics, Vol.29, Issue 22, pp.3218-3227 (1990).
5. R. Karpicz. A. Dementjev, Z. Kuprionis, S. Pakalnis, R. Westphal, R. Renter, and V. Gulbinas. Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation. Applied Optics, Vol.45, Issue 25. pp.6620-6625 (2006). Прототип.5. R. Karpicz. A. Dementjev, Z. Kuprionis, S. Pakalnis, R. Westphal, R. Renter, and V. Gulbinas. Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation. Applied Optics, Vol.45, Issue 25. pp.6620-6625 (2006). Prototype.
6. Solar Til Catalog Fiber Bundles. Прототип.http://solartii.com/spectral_instruments/accessories/fiber_optics.htm.6. Solar Til Catalog Fiber Bundles. Prototype.http: //solartii.com/spectral_instruments/accessories/fiber_optics.htm.
7. A.V. Bukharin, V.M. Linkin, A.N. Lipatov, A.N. Lyash, V.S. Makarov, S.M. Pershin, A.V.Tiurin, Russian compact Lidar for NASA "Mars Surveyor Program 98", Proc. of 19 International Laser Radar Conference, Annapolis. Maryland, USA, p.241-244, 1998.7. A.V. Bukharin, V.M. Linkin, A.N. Lipatov, A.N. Lyash, V.S. Makarov, S.M. Pershin, A.V.Tiurin, Russian compact Lidar for NASA "Mars Surveyor Program 98", Proc. of 19 International Laser Radar Conference, Annapolis. Maryland, USA, p.241-244,1998.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013109728A RU2692121C2 (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Method of lidar probing and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013109728A RU2692121C2 (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Method of lidar probing and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013109728A RU2013109728A (en) | 2014-09-10 |
| RU2692121C2 true RU2692121C2 (en) | 2019-06-21 |
Family
ID=51539885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013109728A RU2692121C2 (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Method of lidar probing and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2692121C2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2664977C1 (en) * | 2017-08-11 | 2018-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория электронных и оптических систем" | Vehicles in motion weight measuring fiber-optical device |
| RU187227U1 (en) * | 2018-06-15 | 2019-02-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) | Cloud Meter with Fiber Optic Transceiver |
| RU187812U1 (en) * | 2018-12-10 | 2019-03-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) | Cloud meter with combined transmitting system |
| CN111413286B (en) * | 2020-05-11 | 2025-01-07 | 奥谱天成（厦门）光电有限公司 | Ground Spectrometer |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5056914A (en) * | 1990-07-12 | 1991-10-15 | Ball Corporation | Charge integration range detector |
| WO2003098263A2 (en) * | 2002-05-17 | 2003-11-27 | Arete Associates | Imaging lidar with micromechanical components |
| US20070201022A1 (en) * | 2006-02-27 | 2007-08-30 | Chemimage Corporation | System and method for spectral unmixing in a fiber array spectral translator based polymorph screening system |
-
2013
- 2013-03-05 RU RU2013109728A patent/RU2692121C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5056914A (en) * | 1990-07-12 | 1991-10-15 | Ball Corporation | Charge integration range detector |
| WO2003098263A2 (en) * | 2002-05-17 | 2003-11-27 | Arete Associates | Imaging lidar with micromechanical components |
| US20070201022A1 (en) * | 2006-02-27 | 2007-08-30 | Chemimage Corporation | System and method for spectral unmixing in a fiber array spectral translator based polymorph screening system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| R. Karpicz. и др. Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation. Applied Optics, Vol.45, Issue 25. pp.6620-6625 (2006). * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013109728A (en) | 2014-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109298410B (en) | Ocean oil spill detection laser radar | |
| US7495774B2 (en) | Optical air data system | |
| US8810796B2 (en) | Light processing system and method | |
| US8797550B2 (en) | Atmospheric measurement system | |
| US9086488B2 (en) | Atmospheric measurement system and method | |
| WO2012105973A1 (en) | Atmospheric measurement system and method | |
| Chazette et al. | Principle and physics of the LiDAR measurement | |
| RU2692121C2 (en) | Method of lidar probing and device for its implementation | |
| US11782163B2 (en) | Object detection and characterization using a LIDAR-based sensor | |
| RU2720050C1 (en) | Method of detecting contaminants of coastal waters and a coastal strip with oil or oil products using an unmanned aerial vehicle | |
| US20150092179A1 (en) | Light ranging with moving sensor array | |
| Gaug et al. | The IFAE/UAB Raman LIDAR for the CTA-North | |
| Anthony et al. | Laser transmitter design and performance for the slope imaging multi-polarization photon-counting lidar (SIMPL) instrument | |
| Dalgleish et al. | Extended range distributed laser serial imaging in turbid estuarine and coastal conditions | |
| do Carmo et al. | ATLID, ESA atmospheric LIDAR developement status | |
| US6343245B1 (en) | Microaltimeter | |
| Naletto et al. | QuantEYE: a quantum optics instrument for extremely large telescopes | |
| KR20190059823A (en) | Omnidirectional rotationless scanning lidar system | |
| Fantoni et al. | Integration of two lidar fluorosensor payloads in submarine ROV and flying UAV platforms | |
| Walther et al. | Optics in remote sensing | |
| Feigels et al. | Russian airborne lidar for oceanography | |
| Pawlikowska | Single-photon counting LiDAR for long-range three-dimensional imaging | |
| Gurvich et al. | Impact of pitch angle fluctuations on airborne lidar forward sensing along the flight direction | |
| Real et al. | Proposal of a new generation of Laser Beacon for time calibration in the KM3NeT neutrino telescope | |
| Lingenauber et al. | A miniaturized single-photon counting laser altimeter for space applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20180126 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20180313 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180607 |