hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(3)-2hydrophysics-1367Research ArticleГИДРООПТИКАHYDROOPTICSСигнал обратного рассеяния в подводных лидарах со сложно модулированным зондирующим пучкомBackscatter Signal in Underwater Lidars with a Complexly Modulated Probe Beamhttps://orcid.org/0009-0006-0020-3168ЛучининА. Г.LuchininA. G.

Лучинин Александр Григорьевич, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИПФ РАН

Scopus AuthorID: 55391194200

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

603950, Ul’anova str., 46, Nizhny Novgorod

luch@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6804-6369КириллинМ. Ю.KirillinM. Yu.

Кириллин Михаил Юрьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПФ РАН

Scopus AuthorID: 8963798300

WoS ResearcherID: J-6804-2013

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

603950, Ul’anova str., 46, Nizhny Novgorod

kirillin@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0043-8972ДолинЛ. С.DolinL. S.

Долин Лев Сергеевич, кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник ИПФ РАН

Scopus AuthorID: 7003454310

WoS ResearcherID: AAI-3563-2020

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

603950, Ul’anova str., 46, Nizhny Novgorod

lev.dolin@ipfran.ruИнститут прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наукРоссияA.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2024281120241732131Copyright © Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю., Долин Л.С., 20242024Лучинин А.Г., Кириллин М.Ю., Долин Л.С.Luchinin A.G., Kirillin M.Y., Dolin L.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1367

Представлены результаты статистического моделирования сигнала обратного рассеяния в лидарах при зондировании толщи воды импульсами с внутренней модуляцией сложными частотно модулированными сигналами и их согласованной обработке в приемном тракте лидара. Проведено сравнение результатов моделирования с аналитическими расчетами в малоугловом приближении. Показано, что разброс фотонов по путям пробега, связанный с многократным рассеянием в среде, не препятствует эффективному сжатию сложного сигнала и малоугловое приближение хорошо описывает энергонесущую часть сигнала, обратно рассеянного толщей воды. Проведено сравнение уровней сигналов обратного рассеяния при зондировании воды коротким импульсом и сложно модулированным импульсом. Показано, что применение сложно модулированных импульсов подсветки позволяет снизить излучаемую источником мощность при сохранении уровня сигнала обратного рассеяния в лидаре и его разрешения по дальности. Выполнены расчеты уровней сигнала, обратно рассеянного локализованным диффузно отражающим объектом, и показано, что при величине задержки, соответствующей времени прихода баллистических фотонов, сжатый импульс не искажается. При больших временах запаздывания формируется «хвост» импульса, обусловленный разбросом фотонов по путям пробе га. Приведен пример расчета импульса обратного рассеяния при наличии в воде не отражающего объекта.

The results of statistical modeling of the backscatter signal in lidars when probing the water column with pulses with internal modulation by complex frequency modulated signals and their matched processing in the receiving path of the lidar are presented. The simulation results are compared with analytical calculations in the small-angle approximation. It is shown that the photons spread along their paths, associated with multiple scattering in the medium, does not prevent effective compression of the complex signal, and the small-angle approximation well describes the energy-carrying part of the signal backscattered by the water column. A comparison was made of the levels of backscatter signals when probing water with a short pulse and a complexly modulated pulse. It is shown that the use of complexly modulated illumination pulses makes it possible to reduce the power emitted by the source while maintaining the level of the backscattering signal in the lidar and its range resolution. Calculations of the levels of the signal backscattered by a localized diffusely reflecting object are performed and it is shown that at a delay value corresponding  to the arrival time of ballistic photons, the compressed pulse is not distorted. At long delay times, a pulse tail is formed due to the spread of photons along their paths. An example of calculating the backscattering pulse in the presence of a non-reflecting object in the water is given.

подводный лидарсложные сигналычастотная модуляциясогласованная обработкаобратное рассеяниеметод Монте-Карлоunderwater lidarcomplex signalsfrequency modulationmatched processingbackscatteringMonte Carlo methodИсследование выполнено в рамках госзадания ИПФ РАН, проект FFUF-2024-0033.The study was conducted within the framework of the IАP RAS state assignment FFUF-2024-0033.ReferencesМакс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях / Пер. с франц. В 2 т. М.: Мир, 1983. Т. 1. 312 с.; Т. 2–256 с.Max J. Methods and techniques for signal processing in physical measurements. Moscow: Mir; 1983. 2 volumes. 168 p. (in Russian).Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Дрофа, 2006. 716 с.Gonorovsky I.S. Radio circuits and signals. Moscow: Drofa; 2006. 719 p. (in Russian).Родионов А.Ю., Щербатюк А.Ф. Перспективы использования оптической связи и систем навигации в подводных роботах // Подводные исследования и роботизация. 2021. № 4(38). С. 37–49. doi:10.37102/1992-4429_2021_38_04_04Rodionov A. Yu., Scherbatyuk A.F. Perspectives of use optical communication and orientation systems in underwater robotics. Underwater Research and Robotics. 2021: 4(38); 37–49 (in Russian). doi:10.37102/1992-4429_2021_38_04_04Kaushal H., Kaddoum G. Underwater optical wireless communication // IEEE Access. 2016. Vol. 4. P. 1518–1547. doi:10.1109/ACCESS.2016.2552538Kaushal H., Kaddoum G. Underwater optical wireless communication. IEEE Access. 2016;4:1518–1547. doi:10.1109/ACCESS.2016.2552538Mullen L., Lee R., Nash J. Digital passband processing of wideband-modulated optical signals for enhanced underwater imaging // Applied Optics. 2016. Vol. 55. C18–C24. doi:10.1364/AO.55.000C18Mullen L., Lee R., Nash J. Digital passband processing of wideband-modulated optical signals for enhanced underwater imaging. Applied Optics. 2016;55:C18–C24. doi:10.1364/AO.55.000C18Cochenour B., Mullen L., Muth J. Modulated pulse laser with pseudorandom coding capabilities for underwater ranging, detection, and imaging // Applied Optics. 2011. Vol. 50. P. 6168–6178. doi:10.1364/AO.50.006168Cochenour B., Mullen L., Muth J. Modulated pulse laser with pseudorandom coding capabilities for underwater ranging, detection, and imaging. Applied Optics. 2011;50:6168–6178. doi:10.1364/AO.50.006168Лучинин А.Г. О системах подводного видения со сложно модулированными пучками подсветки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2012. Т. 5, № 4. С. 5–17.Luchinin A.G. On underwater imaging system with complex modulated beams of illumination. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2012;5(4):5–17 (in Russian).Лучинин А.Г. Теория подводного лидара со сложно модулированным пучком подсветки // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 6. С. 739–748.Luchinin A.G. Theory of underwater lidar with a complex modulated beam. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2012;48(6):663–671 (in Russian). doi:10.1134/S0001433812060072Лучинин А.Г., Долин Л.С. Применение сложно модулированных волн фотонной плотности для инструментального видения в мутных средах // Доклады Академии наук. Физика. 2014. Т. 455, № 6. С. 643–646. doi:10.7868/S0869565214120093Luchinin A.G., Dolin L.S. Application of complex-modulated waves of photon density for instrumental vision in turbid media. Doklady Physics. 2014;59:170–172 (in Russian). doi:10.1134/S1028335814040089Лучинин А.Г., Долин Л.С. Модель системы подводного видения со сложно модулированным пучком подсветки // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 4. С. 468–476. doi:10.7868/S0002351514040099Luchinin A.G., Dolin L.S. Model of an underwater imaging system with a complexly modulated illumination beam. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2014;50(4):411–419. doi:10.1134/S0001433814040185Лучинин А.Г. Принципы построения «идеальной» системы видения через взволнованную поверхность // Известия вузов. Радиофизика. 2014. Т. 57. С. 281–290.Luchinin A.G. Principles of designing an “ideal” system of imaging through a rough water surface. Radiophysics and Quantum Electronics. 2014;57(4):251–259. doi:10.1007/s11141-014-9508-7Luchinin A.G., Dolin L.S., Kirillin M. Yu. Time delay and width variation caused by temporal dispersion of a complex modulated signal in underwater lidar // Applied Optics. 2019. Vol. 58. P. 5074–5085. doi:10.1364/AO.58.005074Luchinin A.G., Dolin L.S. and Kirillin M. Yu. Time delay and width variation caused by temporal dispersion of a complex modulated signal in underwater lidar. Applied Optics. 2019; 58(18): 5074–5085. doi:10.1364/AO.58.005074Luchinin A.G., Kirillin M. Yu. Simulation of complexly modulated light pulse propagation in sea water // Fundamental and Applied Hydrophysics. 2019. Vol. 12, N 4. P. 66–77. doi:10.7868/S2073667319040087Luchinin A.G., Kirillin M. Yu. Simulation of complexly modulated light pulse propagation in sea water. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2019;12(4):66–77. doi:10.7868/S2073667319040087Luchinin A.G., Kirillin M. Yu. and Dolin L.S. Backscatter signals in underwater lidars: temporal and frequency features // Applied Optics. 2018. Vol. 57. P. 673–677. doi:10.1364/AO.57.000673Luchinin A.G., Kirillin M. Yu., Dolin L.S. Backscatter signals in underwater lidars: temporal and frequency features. Applied Optics. 2018;57(4):673–677. doi:10.1364/AO.57.000673Luchinin A.G., Dolin L.S., Kirillin M. Yu. Compression and self-compression of frequency modulated spherical photon density waves in anisotropic scattering media // Applied Optics. 2024. Vol. 63, N 21, P. 5562–5568. doi:10.1364/ao.528761Luchinin A.G., Dolin L.S., Kirillin M. Yu. Compression and self-compression of frequency modulated spherical photon density waves in anisotropic scattering media. Applied Optics. 2024;63(21):5562–5568. doi:10.1364/ao.528761Долин Л.С., Савельев В.А. О характеристиках сигнала обратного рассеяния при импульсном облучении мутной среды узким направленным световым пучком // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7, № 5. С. 505–510.Dolin L.S., Savel’ev V.A. Characteristics of back scattering signal at pulse radiation of turbid medium by a narrow directional light beam. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 1971;7(5):505–510. (in Russian)Иванов А. Введение в океанографию. М.: Мир, 1971. 18. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Минск: Наука и техника, 1985. 327 с.Ivanoff A. Introduction a l’oceanographie. Paris: Libraire Vuibert; 1975. 574 p.Zege E.P., Ivanov A.P., Katsev I.L. Image Transfer through a Scattering Medium. Berlin/Heidelberg: Germany, Springer: 1991. 349 p.Zege E.P., Ivanov A.P., Katsev I.L. Image Transfer through a Scattering Medium. Berlin/Heidelberg: Germany, Springer: 1991. 349 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.