| 1,12 → 1,16 |
|---|
| \documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article} |
| \documentclass[12pt,a4paper,oneside]{report} |
| \usepackage[colorlinks=true]{hyperref} |
| \usepackage[czech]{babel} |
| \usepackage{array} |
| \usepackage[pdftex]{graphicx} |
| \usepackage{pdfpages} |
| \usepackage{comment} |
| \usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8 |
| \usepackage{color} |
| \linespread{2.0} |
| |
| |
| |
| \textheight 230.0mm |
| \textwidth 155.0mm |
| %\topmargin 0.0mm |
| 18,6 → 22,8 |
|---|
| \newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}} |
| |
| \begin{document} |
| \pagenumbering{roman} |
| |
| \thispagestyle{empty} |
| |
| \begin{center} |
| 106,9 → 112,9 |
|---|
| |
| |
| |
| |
| \section{Zadání} |
| |
| \section*{Zadání} |
| \pagenumbering{arabic} |
| |
| Cílem práce je prověřit možnost použití diodově čerpaného pevnolátkového laserového modulu v aplikaci laserového vysílače vhodného pro ToF měření vzdálenosti (výšky oblačnosti). |
| |
| Práce bude realizována v několika krocích: |
| 137,7 → 143,7 |
|---|
| \newpage |
| |
| |
| \section{Úvod} |
| \chapter{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. |
| |
| 238,6 → 244,7 |
|---|
| \begin{description} |
| \item[$\kappa _R (\lambda)$] - extinkční koeficient Rayleihova rozptylu. |
| \item[$K$] je parametr závisející na typech plynů v prostředí a jejich parciálních tlacích. |
| \end{description} |
| |
| Pro měření oblačnosti (částic) je však podstatný Mieův rozptyl (Mie scaterring), ke kterému dochází na částicích, které jsou srovnatelné s vlnovou délkou záření. Tento rozptyl má složitější závislost na vlnové délce, než Rayleighův. Naměřená závislost ze zdroje je však uvedena na obrázku. |
| |
| 344,7 → 351,7 |
|---|
| |
| Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti |
| |
| Speciálně pak pro aplikaci zabezpečení automatických teleskopů před poškozením možnými srážkami bylo v minulosti vyvinuto již několik přístrojů většinou pracujících na principu pasivní detekce termálního IR záření generovaného povrchem Země a odraženého od případné oblačnosti v atmosféře. Tato metoda, je velmi spolehlivá a používá se na mnoha automatických observatořích po celém světě. Má však ale díky svému pasivnímu principu nedostatky způsobené jednak roční variabilitou teplot a také geografickou polohou, proto vyžaduje poměrně dlouhotrvající kalibraci zařízení na lokální podmínky. Další nevýhodou, je pak také malé prostorové rozlišení. Například senzor MRAKOMĚR 4 má FOV 40° což způsobuje koplikace při některých metodologických situacích, kdy se například nad observatoří vyskytuje hustá kumulovitá oblačnost avšak místy obsahující trhliny, kterými by bylo možné potenciálně některé astronomické jevy ještě pozorovat. |
| Speciálně pak pro aplikaci zabezpečení automatických teleskopů před poškozením možnými srážkami bylo v minulosti vyvinuto již několik přístrojů většinou pracujících na principu pasivní detekce termálního IR záření generovaného povrchem Země a odraženého od případné oblačnosti v atmosféře. Tato metoda, je velmi spolehlivá a používá se na mnoha automatických observatořích po celém světě. Má však ale díky svému pasivnímu principu nedostatky způsobené jednak roční variabilitou teplot a také geografickou polohou, proto vyžaduje poměrně dlouhotrvající kalibraci zařízení na lokální podmínky. Další nevýhodou, je pak také malé prostorové rozlišení. Například senzor MRAKOMĚR 4 má FOV 40$^\circ$ což způsobuje koplikace při některých metodologických situacích, kdy se například nad observatoří vyskytuje hustá kumulovitá oblačnost avšak místy obsahující trhliny, kterými by bylo možné potenciálně některé astronomické jevy ještě pozorovat. |
| |
| \subsection{Jiné pulzní dálkoměry} |
| |
| 386,7 → 393,7 |
|---|
| |
| Referenční zpětnovazebná 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/$\hcirc$C. Absorpční čára aktivního prostředí laseru Nd:YVO$_4$ je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. Vysoká provozní teplota čerpací 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/$^\circ$C. Absorpční čára aktivního prostředí laseru Nd:YVO$_4$ je však široká pouze XX nm. Což klade poměrně vysoké nároky i na stabilizaci vlnové délky. Vysoká provozní teplota čerpací 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 pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému. |
| |
| 437,7 → 444,7 |
|---|
| \label{parametry_modulu} |
| Všechny tyto běžně dostupné moduly jsou válcové o průměru (11,9 $\pm$ 0,1)mm délky 40mm (5mW) nebo 35mm (5mW). Na výstupní části je 10mm dlouhé osazení s jemným závitem M8 respektive M10. Výstupní apertura modulů je 3,9mm. Průměr svazku na výstupní apertuře je ale pouze 2,3mm (změřeno posuvným měřítkem). |
| |
| Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je \sim 0,15mrad. |
| Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je $\sim$ 0,15mrad. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg} |
| 488,8 → 495,8 |
|---|
| 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. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/detektor.JPG} |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/detektor_opened.JPG} |
| \includegraphics[height=80mm]{./img/detektor.JPG} |
| \includegraphics[height=80mm]{./img/detektor_opened.JPG} |
| \caption{Realizovaný detektor časového průběhu záření} |
| \label{realizace_detektoru} |
| \end{figure} |
| 514,14 → 521,14 |
|---|
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png} |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png} |
| \includegraphics[height=80mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png} |
| \caption{Časové průběhy výstupních impulzů laseru pro 20mW modul s vhodně nastaveným pracovním bodem.} |
| \label{realizace_detektoru} |
| \end{figure} |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png} |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png} |
| \includegraphics[height=80mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png} |
| \includegraphics[height=80mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png} |
| \caption{Průběh výstupních impulzů v případě použití 5mW verze modulu.} |
| \label{realizace_detektoru} |
| \end{figure} |
| 535,7 → 542,7 |
|---|
| \subsection{Stabilizovaný zdroj proudu} |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/Current_source.JPG} |
| \includegraphics[height=150mm]{./img/Current_source.JPG} |
| \caption{Aparatura použitá pro měření intenzity optického výstupu v závislosti na budícím proudu.} |
| \label{proudovy_zdroj} |
| \end{figure} |
| 573,7 → 580,7 |
|---|
| |
| Pulsní budič čerpací diody je vylepšením původního experimentu se zdrojem proudu. Je konstruován tak, aby umožnil kontinuální provoz i v dříve ověřeném režimu autonomních oscilací, čehož je dosaženo možností stabilizace budícího proudu v kontinuálním režimu. |
| |
| Vzhledem k tomu, že od pulzního budiče jsou vyžadovány vysoké nároky na strmost proudových impulzů při proudech v rozsahu stovek mA, tak není vhodným řešením konstrukce budiče z diskrétních součástek. Neboť neumožňuje snížení parazitních indukčností a kapacit na nejnižší možnou úroveň. Tento fakt, kromě samotné možnosti generace krátkých impulzů komplikuje i nároky na stínění z důvodu zajištění elektromagnetické kompatibility. Integrované řešení navíc umožňuje dosáhnout vyšší spolehlivosti, protože snižuje počet pájených spojů. Moderní integrované obvody určené pro napájení laserových diod mají také další bezpečnostní funkce, jako je ochrana proti přepólování, nebo přepětí \cite{diskretni_integrovane}. |
| Vzhledem k tomu, že od pulzního budiče jsou vyžadovány vysoké nároky na strmost proudových impulzů při proudech v rozsahu stovek mA, tak není vhodným řešením konstrukce budiče z diskrétních součástek. Neboť neumožňuje snížení parazitních indukčností a kapacit na nejnižší možnou úroveň. Tento fakt, kromě samotné možnosti generace krátkých impulzů komplikuje i nároky na stínění z důvodu zajištění elektromagnetické kompatibility. Integrované řešení navíc umožňuje dosáhnout vyšší spolehlivosti, protože snižuje počet pájených spojů. Moderní integrované obvody určené pro napájení laserových diod mají také další bezpečnostní funkce, jako je ochrana proti přepólování, nebo přepětí %\cite{diskretni_integrovane}. |
| |
| Při návrhu tohoto typu budiče pro laserovou diodu bylo uvažováno o použití několika různých integrovaných obvodů. Jako velice perspektivní se zdály být obvody určené pro vysokorychlostní optické spoje. Od jejich použití bylo ale nakonec ustoupeno z důvodu jejich obecně malého budícího výkonu. A také kvůli vlastnostem specifickým pro optické přenosy, což znamená například předpoklad 50\% střídy signálu a také často implementované automatické regulační a měřící funkce, které nelze jednoduše ovlivnit. V následujícím seznamu je uveden souhrn uvažovaných obvodů. |
| |
| 588,6 → 595,7 |
|---|
| \item[iC-HK] dvojitý spínač laserových diod. s řídícími proudy 150mA kontinuálně pro každý kanál a 700mA špičkový obvod se chová, jako napětově řízený zdroj proudu. Umožnuje spínání o šířce pásma 155MHz. |
| |
| \item[iC-NZ] je univerzální budič pro spínání laserových diod o šířce pásma 155MHz obsahuje zpětnou vazbu z monitorovací diody. A navíc má i vstup pro externí kontrolní monitorovací diodu sloužící k zajištění detekce poškození laseru, nebo naopak k jeho ochraně před přetížením. Pracovní bod laserové diody se nastavuje na základě předefinovaného proudu monitorovací diodou. Obsahuje tři nezávisle spínatelné kanály každý s kontinuálním proudem 100mA a 700mA špičkový proud. |
| |
| \end{description} |
| |
| Z těchto integrovaných obvodů byl jako nejvhodnější vybrán obvod iC-NZ díky svým vyhovujícím výkonovým parametrům a bezpečnostním funkcím. Nevýhodou volby tohoto obvodu může ale v budoucnu být absence symetrických LVDS vstupů a předpoklad použití monitorovací diody v laseru. |
| 600,7 → 608,7 |
|---|
| Plošný spoje modulu je navržen tak, aby umožnil přímé osazení laserovým modulem s odebranou původní elektronikou. Laserová dioda je zaletována přímo do plošného spoje a tělo modulu je kvůli lepší mechanické stabilitě přilepeno k plošnému spoji modulu \ref{LDD_PCB}. |
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/LDD_PCB.png} |
| \includegraphics[height=150mm]{./img/LDD_PCB.png} |
| \caption{Návrh plošného spoje pulsního budiče čerpací diody} |
| \label{LDD_PCB} |
| \end{figure} |
| 609,7 → 617,7 |
|---|
| |
| \begin{figure}[htbp] |
| \begin{center} |
| \includegraphics[width=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png} |
| \includegraphics[height=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png} |
| \caption{Běžné typy konfigurace vnitřního zapojení polovodičových laserů} |
| \label{LD_diody} |
| \end{center} |
| 629,7 → 637,8 |
|---|
| |
| \subsubsection{Zapouzdření vysílače} |
| |
| Konstrukce vhodného obalu pro celé zařízení bude problametickou úlohou pro skutečnou realizaci, nebot je vzhledem k aplikaci potřebné a by konstrukce nemohla být poškozena, nebo vyřazena z funkce povětrnostními vlivy. Zvláště problematické mohou být sníh, nebo námraza na optických komponentech. Кterou bude třeba řešit buď aktivním vyhříváním výstupních čoček a nebo mechanickou závěrkou, případě pohyblivou hlavicí podobnou přístroji MRAKOMĚR 2 ze zdroje. |
| Konstrukce vhodného obalu pro celé zařízení bude problametickou úlohou pro skutečnou realizaci, neboť je vzhledem k aplikaci potřebné a by konstrukce nemohla být poškozena, nebo vyřazena z funkce povětrnostními vlivy. |
| Zvláště problematické mohou být sníh, nebo námraza na optických komponentech. Kterou bude třeba řešit buď aktivním vyhříváním výstupních čoček a nebo mechanickou závěrkou, případě pohyblivou hlavicí podobnou přístroji MRAKOMĚR 2 ze zdroje. |
| |
| \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. Zároveň je známá závislost mezi provozní teplotou a životností diody, která odpovídá zhruba zdvojnásobení životnosti při redukci provozní teploty o 10$^\circ C$. |
| 649,7 → 658,8 |
|---|
| Z toho vyplývá, že pro lidský zrak je problematická zona do vzdálenosti Xm od vysílače. Existují sice speciální vlnové délky označované, jako Eye Safe okolo 1500nm, které neprochází rohovkou a tudíž, jsou v podstatě bezpečné pro oční sítnici. Ovšem tato vlnová délka není příliš vhodná pro detekci oblačnosti a navíc právní norma žádné skutečné Eye Safe vlnové délky nezná. Resením tohoto problému může být rekolimace svazku do většího průměru hned na výstupu vysílače. |
| Casteně lze ale předpokládat, že bezpečnosti provozu vysílače napomůže i fakt, že generovaná vlnová délka je ve viditelné oblasti světla. A tudíž se nejedná o skryté nebezpeční. |
| |
| \section{Závěr} |
| \section*{Závěr} |
| |
| Byla prozkoumána konstrukce běžně dostupných diodově čerpaných modulů používaných v laserových ukazovátkách a zjištěny jejich parametry, které byly vzhledem k jejich dostupnosti uznány jako zajímavé pro konstrukci vysílače pro laserový dálkoměr. |
| Následně proto byla řešena úloha konstrukce vhodného řídícího obvodu pro čerpací laserovou diodu modulu. |
| |
| 658,6 → 668,9 |
|---|
| Výstupní energie obou prototypů by podle laboratorních měla být dostatečná pro detekci srážkově potenciální oblačnosti ve výškách menších, než 1km nad přístrojem. |
| Pro reálnou aplikaci vysílače, a realizaci kompletního dálkoměru je třeba jej pouze doplnit o vhodný detektor a patřičně zakrytovat. |
| Zadání práce bylo proto splněno v celém rozsahu. |
| |
| \cite{model1} |
| |
| |
| |
| |
| 671,20 → 684,29 |
|---|
| \includepdf[pages={1},landscape=true]{LDD01A.pdf} |
| |
| |
| \begin{thebibliography}{99} |
| \bibitem{}{Zdroj obrázku reflektivity oblačnosti} |
| \begin{comment} |
| |
| {thebibliography}{99} |
| %\bibitem{}{Zdroj obrázku reflektivity oblačnosti} |
| \href{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm}{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm} |
| \bibitem{}{Driving Diode Lasers is Staraightforward} |
| %\bibitem{}{Driving Diode Lasers is Staraightforward} |
| \href{}{} |
| \bibitem{}{Osram set for green diode ramp in 2012} |
| \bibitem{diskretni_integrovane}{Discrete vs. Integrated, IC } |
| %\bibitem{}{Osram set for green diode ramp in 2012} |
| %\bibitem{diskretni_integrovane}{Discrete vs. Integrated, IC } |
| \href{http://optics.org/news/1/7/17}{http://optics.org/news/1/7/17} |
| \bibitem{laser_pointer}{Laser pointer. (2012, May 28). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 21:33, June 4, |
| 2012, from } |
| \hyperlink{http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Laser_pointer\& oldid=494827196}{http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Laser_pointer\& oldid=494827196} |
| |
| \end{thebibliography} |
| %\end{thebibliography} |
| \end{comment} |
| |
| \bibliographystyle{ieeetr} |
| \bibliography{laserovy_vysilac} |
| \addcontentsline{toc}{section}{Literatura} |
| |
| |
| |
| Konstrukce obou prototypů laserového vysílače byla realizovaná z prostředků firmy Universal Scientific Technologies s.r.o. |
| |
| !!zkontrolovat pridani vsech referenci a doformatovat podle normy!! |