Комбинированная модуляция излучения диодного лазера в задаче создания оптимального режима калибровки лидара упругого рассеяния

Для исследования нижних слоев атмосферы представляют интерес компактные лидары с безопасным для глаз уровнем излучения. В таких лидарах используются полупроводниковые лазеры, поскольку для них характерна высокая эффективность преобразования тока накачки в световую энергию и относительно низкое энергопотребление. Для режима MPL (Micro Pulse Lidar) при энергии в импульсе 10 μJ, получены обратные сигналы из атмосферы на расстояниях от 100 м до 1 км. Режим MPL используется, как для зондирования нижних слоев атмосферы, так для режима мониторинга трасс с фиксированной дальностью до топографических объектов от 3 км до 10 км. Однако этот режим характеризуется малой эффективностью использования лазерного излучения, что во многих случаях приводит к достаточно большому времени измерения. Для PRN (Pseudo Random Noise) CW (Continuous Wave ) лидаров используют псевдо случайную (pseudo random) модуляцию мощности зондирующего пучка, что позволяет получить форму обратного сигнала аналогичную соответствующей форме для импульсного зондирования. В PRN CW лидаре эффективность использования лазерного излучение существенно выше, чем для режима MPL за счет непрерывного зондирования рассеивающей среды набором прямоугольных импульсов. Форма обратного сигнала восстанавливается посредством определения взаимной корреляционной функции временной динамики обратного сигнала и мощности зондирующего пучка. По сравнению с MPL лидары c PRN CW и имеют ряд недостатков. Например, если сигнал от зондирующего объекта достаточно велик, то погрешность во всех каналах равна погрешности максимального сигнала. Эта погрешность может быть существенно больше обратного сигнала из атмосферы, который на несколько порядков меньше сигнала от рассеивающей поверхности в конце трассы. Такая особенность создает трудности при измерении трассовой зависимости коэффициента обратного рассеяния (КОР) на трассах с фиксированной дальностью. Отметим применимость PRN CW лидара только для ночных условий. При использовании полупроводниковых лазеров с управлением током можно реализовать одновременно режимы MPL и PRN CW в одном лидаре. Тогда в зависимости от внешних условий можно осуществлять переключение между двумя этими режимами. Калибровка для режимов MPL и PRN CW с целью определения трассовой зависимости обратного сигнала от стандартных рассеивающих объектов связана с большими техническими трудностями. Для решения задачи калибровки MPL и PRN CW лидаров предложен режим модуляции зондирующего излучения, при котором энергия обратного сигнала не зависит от дистанции (режим вырожденной аппаратной функции). Отметим, что аппаратная функция импульсного MPL лидара, а так же PRN CW лидара представляет собой квадратично убывающую с дистанцией зависимость. Для аппаратной коррекции этой зависимости предложена комбинированная модуляция излучения полупроводникового лазера, включающая в себя линейно убывающую мощность выходного импульса, а так же непрерывный и импульсный режимы зондирования. Настройка указанной модуляции зависит от геометрии приемного и передающего каналов. Такой режим позволяет регистрировать обратный сигнал без переключения динамического диапазона приемного канала практически на любой точке заданной дистанции. По эффективности использования лазера указанный режим близок к PRN CW лидару. Режим вырожденной аппаратной функции позволяет упростить калибровку с использованием стандартных рассеивающих поверхностей и повысить точность измерения базовых коэффициентов для MPL и PRN CW режимов зондирования.