| 91,7 → 91,7 |
|---|
| |
| |
| |
| \section{Laserové metody měření vzdálenosti} |
| \section{Úvod} |
| |
| Laserový dálkoměr je zařízení, které je schopno měřit vzdálenost objektu odrážejícího záření optických vlnových délek. Tyto objekty mohou být velmi různého charakteru a dálkoměr je pak v principu schopen měřit pevné, kapalné nebo i plynné struktury, případně i jejich kombinace. |
| |
| 111,7 → 111,7 |
|---|
| |
| Tato metoda měření je založena na geometrické vlastnosti světelného paprsku - světlo se v homogenním prostředí šíří přímočaře. Toho lze využít tak, že použijeme-li zdroj světla, který vydává málo rozbíhavý světelný paprsek (LASER) a pod určitým úhlem vůči ose pozorovatele jej budeme promítat na předmět, tak pozorovatel bude mít světelnou stopu v různých bodech zorného pole podle vzdálenosti pozorovaného předmětu. |
| |
| Tato metoda, je velice snadná a proto existuje mnoho realizací od amatérských konstrukcí až po profesionální výrobky. Obvykle jsou tímto způsobem řešeny 3D skenery malých předmětů, jako jsou historické vázy, sochy, nebo jiná umělecká díla, která je vhodné tvarově zdokumentovat. Skener pak pro urychlení procesu nepoužívá pouze jeden světelný bod, který laser obvykle produkuje, ale použita cylindrická čočka, která svazek rozšíří do roviny ve směru řezu předmětu (laser-sheet). V tomto uspořádání pak stačí s LASERem, nebo promítacím zrcátkem hýbat pouze v jedné ose, pro kompletní 3D scan objektu. |
| Tato metoda, je velice snadná a proto existuje mnoho realizací od amatérských konstrukcí až po profesionální výrobky. Obvykle jsou tímto způsobem řešeny 3D skenery malých předmětů, jako jsou historické vázy, sochy, nebo jiná umělecká díla, která je vhodné tvarově zdokumentovat. Skener pak pro urychlení procesu nepoužívá pouze jeden světelný bod, který laser obvykle produkuje, ale použita cylindrická čočka, která svazek rozšíří do roviny ve směru řezu předmětu (laser-sheet). V tomto uspořádání pak stačí s LASERem, nebo promítacím zrcátkem hýbat pouze v jedné ose, pro kompletní 3D obraz objektu. |
| |
| Ke snímání obrazu je v tomto případě obvykle využíván maticový snímač - CCD, nebo CMOS. A metoda funguje pouze v rozsahu vzdáleností daných úhlem ve kterém se laser na předmět promítá a také úhlovou velikostí zorného pole snímače. |
| |
| 153,7 → 153,7 |
|---|
| |
| \begin{description} |
| \item[$P_t$] = transmitter power |
| |
| \item !!DOPLNIT!! |
| %* |
| %* ''G''<sub>t</sub> = [[gain]] of the transmitting antenna |
| %* ''A''<sub>r</sub> = effective aperture (area) of the receiving antenna |
| 171,10 → 171,13 |
|---|
| |
| Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření, protože jeho parametry (dosah a přesnost) jsou zajímavé například i pro meteorologické aplikace a tedy využitelné i pro zatím nedořešené oblasti jako je měření parametrů oblačnosti například nad moderními robotickými astronomickými teleskopy. Což bude modelový případ využití výsledků práce. |
| |
| \subsection{Požadavky na laserový vysílač} |
| \section{Požadavky na pulsní laserový vysílač} |
| |
| \subsubsection{Vlnová délka záření} |
| \subsection{Modelová aplikace} |
| |
| |
| \subsection{Vlnová délka záření} |
| |
| Vhodná vlnová délka výstupního záření laserového vysílače záleží na mnoha faktorech, jako je například absorpce v médiu vyplňujícím prostor mezi vysílačem a detekovaným předmětem, nebo i spektrální odrazivost měřeného objektu. Pro uvažovanou modelovou aplikaci měření výšky a mohutnosti oblačnosti jsou vhodné krátké vlnové délky z optického oboru elektromagnetického záření. Je to dáno jednak vlastnostmi atmosféry, která dobře propouští vlnové délky z oblasti viditelného spektra. A potom tím, že světlo z kratších vlnových délek (modrá oblast) se dobře odráží na oblačnosti a vodních krystalech. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| 184,16 → 187,19 |
|---|
| |
| Ovšem vzhledem k tomu, že na krátkých vlnových délkách směrem k UV oblasti poměrně strmě stoupá vliv nežádoucího Rayleighova rozptylu, který omezuje použitelný dosah měření. Tak je vhodné použít střední vlnovou délku optického záření, ze zelené oblasti spektra. Která relativně dobře prochází čistou atmosférou. |
| |
| \subsubsection{Délka výstupního světelného impulzu} |
| \subsection{Délka výstupního světelného impulzu} |
| |
| V případě, že nás zajímá metoda založená na měření doby letu, tak od laserového vysílače budeme také požadovat, aby umožňoval generovat krátké časové impulzy. Což je důležité proto, protože krátký časový impulz umožňuje dosáhnout lepšího časového rozlišení při měření a tím pádem i lepší prostorové rozlišení při měření vzdálenosti. Je to dáno tím, že v impulzu je obvykle vysláno velké množství fotonů ale zpátky do detektoru se jich vrátí pouze několik. A v případě dlouhého impulzu pak nejsme schopni určit z které části impulzu nám foton přišel. |
| |
| Pro případ měření výšky základny oblačnosti, která sama o sobě nemá příliš strmý přechod je zbytečné měřit s přesností lepší, než řádově metry. Proto stačí od laserového vysílače požadovat délky pulzů kratší, než stovky nanosekund. |
| |
| \subsubsection{Energie impulzu} |
| \subsection{Energie impulzu} |
| |
| Energie výstupního impulzu je ideálně co největší, aby bylo dosaženo vysoké pravděpodobnosti zachycení některého zpětně odraženého fotonu. Ale vzhledem k tomu, že je třeba brát ohled i na bezpečnostní rizika takového systému, tak je potřeba se držet povolených norem pro intenzity elektromagnetického záření. Dalším limitem pak mohou být fyzikální vlastnosti prostředí a materiálů ve kterém se svazek má šířit neboť zvláště v případě použité Q-spínaného laseru existuje riziko, že by mohlo dojít k průrazu v materiálu. |
| |
| \subsection{Nejistota okamžiku sepnutí (jitter)} |
| |
| |
| \section{Druhy modulovatelných laserů} |
| |
| V dnešní době existuje mnoho typů LASERů. Avšak pouze malá část z nich je v hodná pro použití v LASERových dálkoměrech. Omezením často bývají rozměry aparatury, hmotnost, pořizovací cena, provozní podmínky a odolnost při manipulaci. |
| 207,11 → 213,14 |
|---|
| |
| Jde o konstrukční LASERu, který jako aktivního prostředí využívá pevnolátkový krystal čerpaný polovodičovou diodou. V rezonátoru LASERu je zároveň umístěn konverzní krystal, který díky nelineárním optickým jevům umožňuje generovat druhou harmonickou frekvenci základní generované vlnové délky. Toto konstrukční uspořádání je známo jako DPSSFD (Diode Pumped Solid State Frequency Doubled) LASER. |
| |
| |
| \section{Teoretické limity konstrukce} |
| |
| \subsection{Metody generace krátkých impulzů} |
| Protože pro měření vzdálenosti metodou ToF je klíčové aby vysílač mohl generovat krátké světelné impulzy. Obvykle se toho dosahuje několika metodami. |
| |
| \subsubsection{Q spínání} |
| V tomto, režimu je krátký impulz generován tak, že optickému rezonátoru je nejdříve snížena jakost tak, aby nemohlo dojít ke stimulované emisi fotonů, jako je tomu za běžného provozu rezonátoru. Následně je aktivní prostředí laseru načerpáno energií z vnějšího zdroje a v okamžiku nasycení je Q rezonátoru skokově zvýšeno. Tím dojde k definované stimulované emisi přes celou délku aktivního prostředí. A k vygenerování s vysokou intensitou záření a energií koncentrovanou v čase. Délka takto vygenerovaného impulzu se pohybuje v řádu ns. |
| V tomto, režimu je krátký impulz generován tak, že optickému rezonátoru je nejdříve snížena jakost tak, aby nemohlo dojít ke stimulované emisi fotonů, jako je tomu za běžného provozu rezonátoru. Následně je aktivní prostředí laseru načerpáno energií z vnějšího zdroje a v okamžiku nasycení je Q rezonátoru skokově zvýšeno. Tím dojde k definované stimulované emisi přes celou délku aktivního prostředí. A k vygenerování impulsu s vysokou intensitou záření a energií koncentrovanou v čase. Délka takto vygenerovaného impulzu se pohybuje v řádu ns. |
| |
| \subsubsection{Synchronizace módu (Mode-locking)} |
| |
| 222,28 → 231,34 |
|---|
| \subsubsection{Spínání ziskem (gain switching)} |
| |
| |
| \subsection{Měření krátkých světelných impulzů} |
| \subsection{Numerický model laserového vysílače} |
| |
| K tomu aby bylo možné kvantifikovat dosažené parametry LASERového vysílače, je potřeba umět změřit výstupní časový průběh intenzity záření v impulzu. K tomuto účelu se obvykle využívá zapojení předepjaté PIN fotodiody, která pak díky svojí nízké parazitní kapacitě pracuje jako vhodný snímač pro velmi rychlé děje. Pro účely měření byl proto jeden takový snímač zkonstruován. Jeho zapojení je znázorněno na obrázku \ref{schema_detektoru}. |
| \subsubsection{Rychlostní rovnice} |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png} |
| \caption{Schéma detektoru s PIN diodou.} |
| \label{schema_detektoru} |
| \end{figure} |
| \subsubsection{Generace druhé harmonické} |
| |
| PIN dioda je v tomto případě kvůli jednoduchosti konstrukce a odstranění možnosti rušení ze zdroje napájena baterií 9V. Na výstupní konektor SMA-zásuvka se připojuje koaxiálním kabelem, osciloskop impedančně přizpůsobený na 50 Ohm. Snížená impedance je zde důležitá, kvůli možnosti rychlého odvedení náboje z přechodu diody. |
| |
| \subsubsection{Spínání impulzu ziskem} |
| |
| \subsection{Relaxační kmity LASERu} |
| |
| LASER |
| \subsection{Zdroje ztrátového výkonu v DPSSFD} |
| |
| \subsubsection{Účinnost čerpací diody} |
| |
| \section{Konstrukce vysílače} |
| \subsubsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí} |
| |
| Pro konstrukci laserového vysílače vhodného pro TOF LRF, je potřeba několik dílčích součástí. Znázorněných v blokovém schématu. |
| \section{Dosavadní řešení problému} |
| |
| \subsection{Jiné pulzní dálkoměry} |
| |
| \subsection{Moderní laserové vysílače} |
| Polovodičové diody, pevnolátkové lasery |
| |
| |
| |
| \section{Řešení laserového vysílače} |
| |
| Pro konstrukci laserového vysílače vhodného pro ToF LRF, je potřeba několik dílčích součástí. Znázorněných v blokovém schématu. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/LASER_transmitter.png} |
| \caption{Blokové schéma LASERového vysílače.} |
| 254,16 → 269,9 |
|---|
| \item[LASER] - LASERový modul |
| \end{description} |
| |
| \subsection{Zdroje ztrátového výkonu v DPSSFD} |
| \subsection{Konstrukce DPSSFD modulu} |
| |
| \subsubsection{Učinnost čerpací diody} |
| |
| \subsubsection{Konverzní účinnost aktivního prostředí} |
| |
| |
| \subsection{Laserové moduly} |
| |
| |
| Typická konfigurace levného diodově čerpaného laseru s generováním druhé harmonické 532nm je zobrazena na obrázku \ref{laser_module}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| 272,22 → 280,57 |
|---|
| \label{laser_module} |
| \end{figure} |
| |
| \section{Řídící elektronika} |
| |
| \subsection{Čerpací dioda} |
| \subsubsection{Čerpací dioda} |
| |
| Polovodičová čerpací dioda, která je na začátku DPSSFD modulu může mít obecně několik možností konstrukce. Samotné pouzdro diody však obvykle obsahuje kromě LASERové diody, generující výstupní svazek, ještě referenční fotodiodu sloužící k získání zpětné vazby z výkonu vystupujícího svazku záření. Tyto dvě diody mají běžně společný jeden terminál. Protože každá z diod má dva vývody, tak je možných několik způsobů zapojení v pouzdře. Označují se písmeny P, N, M. Referenční dioda pak dále bývá rozlišována jako MD (monitor Diode) a laserová dioda LD (LASER Diode). |
| |
| Referenční zpětnovazebné fotodioda, se ale nedá použít ke kalibračním účelům, protože takto indikovaný výkon se může měnit mezi jednotlivými várkami LASERů až o jeden řád. |
| |
| její vyzařovaná vlnová délka je ovšem poměrně silně závislá na teplotě přechodu v polovodičové struktuře a u běžných GaAlAs diod se teplotní koeficient, změny vlnové délky pohybuje okolo hodnoty 0,25nm/C. Absorpční čára aktavního prostředí laseru NdYag je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. Vysoká provozní teplota LASERové diody navíc vede ke zvýšení prahu LASERové generace a tím pádem, ke zvýšení potřebného budícího proudu, který má za následek vyšší ztrátový výkon. Další problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek. |
| její vyzařovaná vlnová délka je ovšem poměrně silně závislá na teplotě přechodu v polovodičové struktuře a u běžných GaAlAs diod se teplotní koeficient, změny vlnové délky pohybuje okolo hodnoty 0,25nm/C. Absorpční čára aktivního prostředí laseru NdYag je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. Vysoká provozní teplota LASERové diody navíc vede ke zvýšení prahu LASERové generace a tím pádem, ke zvýšení potřebného budícího proudu, který má za následek vyšší ztrátový výkon. Další problémem, který při vysokých pracovních teplotách může nastat, je mode-hopping, který se projevuje náhodným přeskakováním vyzařovaných vlnových délek. |
| |
| Z tohoto důvodu, byl celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umoňujícím dobrý odvod tepla z LASERového systému. |
| Z tohoto důvodu, byl celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z LASERového systému. |
| |
| \subsection{Buzení čerpací diody} |
| |
| \subsubsection{Optika} |
| |
| \subsubsection{Původní "Regulační" obvod} |
| |
| \subsection{Parametry laserových modulů} |
| |
| \subsubsection{Běžné provozní hodnoty} |
| |
| \subsubsection{Rozdíly mezi laserovými moduly} |
| |
| |
| \subsection{Měření krátkých světelných impulzů} |
| |
| K tomu aby bylo možné kvantifikovat dosažené parametry LASERového vysílače, je potřeba umět změřit výstupní časový průběh intenzity záření v impulzu. K tomuto účelu se obvykle využívá zapojení předepjaté PIN fotodiody, která pak díky svojí nízké parazitní kapacitě pracuje jako vhodný snímač pro velmi rychlé děje. Pro účely měření byl proto jeden takový snímač zkonstruován. Jeho zapojení je znázorněno na obrázku \ref{schema_detektoru}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/SCH_detector.png} |
| \caption{Schéma detektoru s PIN diodou.} |
| \label{schema_detektoru} |
| \end{figure} |
| |
| PIN dioda je v tomto případě kvůli jednoduchosti konstrukce a odstranění možnosti rušení ze zdroje napájena baterií 9V. Na výstupní konektor SMA-zásuvka se připojuje koaxiálním kabelem, osciloskop impedančně přizpůsobený na 50 Ohm. Snížená impedance je zde důležitá, kvůli možnosti rychlého odvedení náboje z přechodu diody. |
| |
| |
| \section{Relaxační kmity LASERu} |
| |
| Práh generace použitých modulů. |
| |
| Výsledky měření během kontinuálního čerpání. |
| |
| \section{Vlastní Řídící elektronika} |
| |
| \subsection{Stabilizovaný zdroj proudu} |
| |
| \subsection{Pulsní budič laserové diody} |
| |
| |
| |
| |
| \section{Diskuse dosažených výsledků} |
| |
| \subsection{Dosažené parametry vysílače} |
| 298,15 → 341,20 |
|---|
| \subsubsection{Zapouzdření vysílače} |
| |
| \subsubsection{Aktivní stabilizace teploty} |
| Vzhledem k tomu, že pro správnou funkci polovodičové diody je kritická její provozní teplota. Tak by bylo vhodné zařízení vybavit systémem s aktivní regulací provozní teploty LASERu, stávající stav konstantního odvodu tepla chladičem, je účinný pouze v prostředí s vhodným rozsahem teplot, které umožní ustálení tepelné rovnováhy. A tím i stabilizaci pracovního bodu LASERu. Zároven je známá zavislost mezi provozní teplotou a životností diody, která odpovídá zhruba zdvojnásobení životnosti při redukci provozní teploty o 10$^\circ C$. |
| Vzhledem k tomu, že pro správnou funkci polovodičové diody je kritická její provozní teplota. Tak by bylo vhodné zařízení vybavit systémem s aktivní regulací provozní teploty LASERu, stávající stav konstantního odvodu tepla chladičem, je účinný pouze v prostředí s vhodným rozsahem teplot, které umožní ustálení tepelné rovnováhy. A tím i stabilizaci pracovního bodu LASERu. Zároven je známá závislost mezi provozní teplotou a životností diody, která odpovídá zhruba zdvojnásobení životnosti při redukci provozní teploty o 10$^\circ C$. |
| |
| \subsubsection{Kombinace s jinými přístroji} |
| |
| |
| \section{Závěr} |
| Výsledkem práce je prototyp laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití. |
| . |
| . |
| . |
| |
| |
| |
| |
| |
| \pagebreak |
| \listoffigures |
| \pagebreak |