| 91,7 → 91,7 |
|---|
| |
| |
| |
| \section{Laserový dálkoměr} |
| \section{Laserové metody měření vzdálenosti} |
| |
| Laserový dálkoměr je zařízení, které je schopno měřit vzdálenost objektu odrážejícího záření optických vlnových délek. Tyto objekty mohou být velmi různorodého charakteru a dálkoměr je pak v principu schopen měřit pevné, kapalné nebo i plynné struktury, případně i jejich kombinace. |
| |
| 99,42 → 99,41 |
|---|
| |
| \subsection{Principy měření vzdálenosti} |
| |
| Základním principem LASERových dálkoměrů je změření nějaké vlastnosti signálu odraženého od předmětu a známého signálu vyzářeného vysílačem. Existuje k tomu několik používaných metod. |
| Základním principem LASERových dálkoměrů je změření nějaké vlastnosti signálu odraženého od předmětu vůči známým parametrům signálu vyzářeného vysílačem. Existuje k tomu několik používaných metod. |
| |
| \begin{itemize} |
| \item Měření geometrického posunu stopy laseru na předmětu |
| \item Měření fázového posunu přijímaného a vysílaného signálu |
| \item Měření časového zpoždění vyslaného a odraženého fotonu (TIME-OF-FLIGHT measurement). |
| \item Měření časového zpoždění vyslaného a odraženého fotonu (ToF - Time of Flight measurement). |
| \end{itemize} |
| |
| \subsubsection{Triangulační metoda} |
| |
| Tato metoda měření je založena na geometrické vlastnosti světelného paprsku, že 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 předmětu. |
| 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 vázy, nebo jiná umělecká díla, která je vhodné zdokumentovat. Skener pak pro urychlení procesu nepoužívá pouze světelný bod, který laser obvykle produkuje ale využívá se cylindrické čočky, která svazek rozšíří do roviny ve směru řezu předmětu. V tomto uspořádání totiž pak stačí s LASERem, nebo promítacím zrcátkem hýbat pouze v jedné ose, pro kompletní 3D scan. |
| 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 využívá se cylindrické čočky, která svazek rozšíří do roviny ve směru řezu předmětu (laser-sheet). V tomto uspořádání totiž pak stačí s LASERem, nebo promítacím zrcátkem hýbat pouze v jedné ose, pro kompletní 3D scan. |
| |
| |
| Ke snímání obrazu je v tomto případě obvykle využíván maticový snímač, CCD, nebo CMOS. A metoda funguje pouze v rozsahu vzdáleností daných úhlem ve kterým je laser na předmět promítán a také velikostí zorného pole snímače. |
| 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. |
| |
| Z praktických důvodu je proto tato metoda využívána v rozsahu několika centimetrů až několika metrů. |
| Z praktických důvodů a požadavků na přesnost měření je tato metoda využívána pouze v rozsahu několika centimetrů až několika metrů. |
| |
| \subsubsection{Fázová metoda} |
| |
| U této metody je již vyžívána samotná vlastnost světla, že se prostorem šíří pouze omezenou rychlostí. A měření je prováděno tak, že vysílač vysílá určitým způsobem periodicky modulovaný signál, který se odráží od předmětu a dopadá na intenzitní detektor, který umožňuje jeho časovou korelaci s modulovaným odchozím signálem. |
| |
| Výsledkem měření tedy je fázové zpoždění odpovídající určité vzdálenosti. Předpokládaným problémem této metody ale je fakt, že způsob modulace přímo ovlivňuje měřený rozsah tj. měření vzdálenosti je možné pouze na rozsahu jedné periody modulace. A vzhledem k tomu, že měřená vzdálenost není dopředu známa, tak je potřeba aby vysílač umožňoval mnoho způsobů modulace vysílaného svazku. |
| Výsledkem měření tedy je fázové zpoždění odpovídající určité vzdálenosti. Předpokládatelným problémem této metody ale je fakt, že způsob modulace přímo ovlivňuje měřený rozsah tj. měření vzdálenosti je možné pouze na rozsahu jedné periody modulace. A vzhledem k tomu, že měřená vzdálenost není dopředu známa, tak je potřeba aby vysílač umožňoval mnoho způsobů modulace vysílaného svazku. |
| |
| Další komplikací pak je požadavek na dobrou reflexivitu měřeného předmětu, protože fázový detektor potřebuje ke své správné funkci dostatečný odstup signálu od šumu. |
| |
| Metoda se proto obvykle využívá pro měření vzdáleností v malém rozsahu řádově desítky metrů a méně. Typickým příkladem využití této měřící metody jsou kapesní stavební dálkoměry určené, jako náhrada svinovacích metrů. |
| Metoda se proto obvykle využívá pro měření vzdáleností v malém rozsahu řádově desítky metrů a méně. Typickým příkladem využití této měřící metody jsou kapesní stavební dálkoměry používané jako náhrada klasických svinovacích metrů. |
| |
| Tato fázová metoda má ještě další variaci a to tu, že jako modulaci signálu je možné v určitých podmínkách využít samotnou vlnovou strukturu světla. A vysílaný i od předmětu odražený svazek nechat interferovat na maticovém snímači. Výsledná interference je pak velmi citlivá na vzájemný fázový posun obou svazků ve zlomcích vlnové délky. |
| |
| Tato fázová metoda má ještě další variaci a to tu, že jako modulaci signálu je možné v určitých podmínkách využít samotnou vlnovou strukturu světla, a vysílaný i od předmětu odražený svazek nechat interferovat na maticovém snímači. Výsledná interference je velmi citlivá na vzájemný fázový posun obou svazků ve zlomcích vlnové délky. |
| |
| Tím lze dosáhnout velmi velkého prostorového rozlišení ve smyslu měření změn vzdálenosti až na atomární úroveň tedy desítky až jednotky nanometrů. Tento princip je pak využíván ve specializovaných aplikacích, jako jsou velmi přesné obráběcí automaty, AFM mikroskopy, detektory gravitačních vln, nebo špionážní zařízení měřící zvukem vybuzené vibrace okenních výplní. |
| |
| |
| \subsubsection{Měření doby letu (TOF)} |
| \subsubsection{Měření doby letu (ToF)} |
| |
| Další metodou, kterou můžeme využít pro měření vzdálenosti na základě známé a konečné rychlosti šíření světla, je změření doby letu určitého balíku fotonů, který vygenerujeme vysílačem a následně po odrazu od měřeného objektu detekujeme v detektoru. Změřená doba letu pak odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi vysílačem a měřeným předmětem. |
| |
| 147,9 → 146,7 |
|---|
| Při měření se tak předpokládá homogenní prostředí ve kterém se světlo šíří, nebo alespoň prostředí o nějaké známé efektivní hodnotě indexu lomu. Zpětně zachycený výkon vyjadřuje rovnice \ref{radarova_rovnice}. |
| |
| \begin{equation} |
| |
| P_r = {{P_t G_t A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}} |
| |
| \label{radarova_rovnice} |
| \end{equation} |
| |
| 156,34 → 153,30 |
|---|
| Kde |
| |
| \begin{description} |
| \item[P_t] = transmitter power |
| \item[$P_t$] = transmitter power |
| |
| * |
| * ''G''<sub>t</sub> = [[gain]] of the transmitting antenna |
| * ''A''<sub>r</sub> = effective aperture (area) of the receiving antenna |
| * ''σ'' = [[radar cross section]], or scattering coefficient, of the target |
| * ''F'' = pattern propagation factor |
| * ''R''<sub>t</sub> = distance from the transmitter to the target |
| * ''R''<sub>r</sub> = distance from the target to the receiver. |
| |
| |
| %* |
| %* ''G''<sub>t</sub> = [[gain]] of the transmitting antenna |
| %* ''A''<sub>r</sub> = effective aperture (area) of the receiving antenna |
| %* ''σ'' = [[radar cross section]], or scattering coefficient, of the target |
| %* ''F'' = pattern propagation factor |
| %* ''R''<sub>t</sub> = distance from the transmitter to the target |
| %* ''R''<sub>r</sub> = distance from the target to the receiver. |
| \end{description} |
| |
| Dále vzhledem k tomu, že pro větší vzdálenosti je pravděpodobnost zachycení zpětně odraženého fotonu malá tak jsou využívané různé techniky pro zlepšení poměru S/N. Často jde o metody statického zpracování nebo o lock-in měření. |
| Dále vzhledem k tomu, že pro větší vzdálenosti je pravděpodobnost zachycení zpětně odraženého fotonu malá, tak jsou využívány různé techniky pro zlepšení poměru S/N. Často jde o metody statického zpracování nebo o lock-in měření. |
| |
| Tato metoda má vzhledem k předchozím podstatnou výhodou především v tom, že její princip umožňuje změřit vzdálenosti v obrovském rozsahu a přitom neklade vysoké nároky na odstup signálu od šumu. Běžně se proto využívá například pro měření a následné výpočty korekcí drah družic, nebo i měření podélných parametrů optických komunikačních vláken, kde je metoda známa, jako TDR (Time domain refractometry) |
| Tato metoda má vzhledem k předchozím podstatnou výhodou především v tom, že její princip umožňuje změřit vzdálenosti v obrovském rozsahu a přitom neklade (díky způsobu zpracování) vysoké nároky na odstup signálu od šumu. Běžně se proto využívá například pro měření a následné výpočty korekcí drah družic, nebo i měření podélných parametrů optických komunikačních vláken, kde je metoda známa, jako TDR (Time domain refractometry) |
| Možnosti použití navíc nejsou omezeny pouze na klasické světelné vlnové délky, ale stejný princip lze uplatnit například i při použití rádiových vlnových délek, což by u předchozích metod nebylo možné vzhledem k problematické konstrukci elementů, jako jsou čočky, zrcadla, nebo maticové detektory pro rádiové vlny. |
| Možnosti aplikace metody měření doby letu jsou tak rozsáhlé, že z ní vychází i další přistroje, jako radiolokátory nebo echolokátory. |
| |
| 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 využitelná i pro zatím nedořešené oblasti jako je měření parametrů oblačnosti například nad moderními robotickými astronomickými teleskopy. Což bude modelový případ využití výsledků práce. |
| |
| Tato práce je proto zaměřena právě na tento princip měření, protože jeho dosah a přesnost je zajímavá například i pro meteorologické aplikace a tedy využitelná i pro zatím nedořešené oblasti jako je měření parametrů oblačnosti například nad moderními robotickými astronomickými teleskopy. |
| |
| \subsection{Požadavky na laserový vysílač} |
| |
| |
| \subsubsection{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 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. |
| 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] |
| \includegraphics[width=150mm]{./img/atmospheric_absorption.png} |
| 202,7 → 195,7 |
|---|
| |
| 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. |
| |
| \section{LASERy} |
| \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. |
| |
| 216,12 → 209,18 |
|---|
| Jde o konstrukční LASERu, který jako aktivního prostředí využívá pevnolátkový krystal čerpaný polovodičovou diodou. Ve 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. |
| |
| \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. |
| |
| \subsubsection{Synchronizace modu (Mode-locking)} |
| \subsubsection{Synchronizace módu (Mode-locking)} |
| |
| Mode-locking je dalším vylepšením Q spínaného režimu a generace krátkého impulzu záření se zde dosahuje sesynchronizováním mnoha podélných módů v optickém rezonátoru tak, že je vždy vybrán pouze mód s největší energií. Metoda je obvykle složitější, protože klade větší nároky na parametry spínače umístěného v rezonátoru ale je možné tak dosáhnout impulzů se sub-nanosekundovou délkou. |
| |
| \subsubsection{Volně běžící pulzní režim (PCW)} |
| |
| |
| \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}. |
| 298,10 → 297,8 |
|---|
| \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 zavislost mezi provozní teplotou a životností diody, která odpovídá zhruba zdvojnásobení životnosti při redukci provozní teploty o 10$^\hcirc$C |
| |
| |
| \subsubsection{Kombinace s jinými přístroji} |
| |
| |
| 316,7 → 313,7 |
|---|
| \begin{thebibliography}{99} |
| \bibitem{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm} {Zdroj obrázku reflektivity oblačnosti} |
| \bibitem{} {Driving Diode Lasers is Staraightforward} |
| \bibitem{http://optics.org/news/1/7/17} Osram set for green diode ramp in 2012} |
| \bibitem{http://optics.org/news/1/7/17} {Osram set for green diode ramp in 2012} |
| |
| |
| \end{thebibliography} |