Сигнал обратного рассеяния в подводных лидарах со сложно модулированным зондирующим пучком

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.

1. Макс 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.

2. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Дрофа, 2006. 716 с.

3. 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_04

4. Kaushal H., Kaddoum G. Underwater optical wireless communication // IEEE Access. 2016. Vol. 4. P. 1518–1547. doi:10.1109/ACCESS.2016.2552538

5. Mullen 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.55.000C18

6. Cochenour 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.50.006168

7. Лучинин А.Г. О системах подводного видения со сложно модулированными пучками подсветки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2012. Т. 5, № 4. С. 5–17.

8. Лучинин А.Г. Теория подводного лидара со сложно модулированным пучком подсветки // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 6. С. 739–748.

9. Лучинин 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/S0869565214120093

10. Лучинин 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/S0002351514040099

11. Лучинин А.Г. Принципы построения «идеальной» системы видения через взволнованную поверхность // Известия вузов. Радиофизика. 2014. Т. 57. С. 281–290.

12. Luchinin 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.58.005074

13. Luchinin 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/S2073667319040087

14. Luchinin 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.57.000673

15. Luchinin 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.528761

16. Долин 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.

17. 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.