Subversion Repositories svnkaklik

\subsubsection{Fázová metoda}

\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.  

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.  

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. 

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)}

\begin{equation}

\begin{equation}

 d = \frac{ct}{2n}

 d = \frac{ct}{2n}

\end{equation}

\end{equation}

Kde $c$ je rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu, $n$ je index lomu prostředí a $t$ je změřená doba letu. Veličina $d$ je pak vzdálenost předmětu, kterou potřebujeme změřit.

Kde $c$ je rychlost šíření elektromagnetického záření ve vakuu, $n$ je index lomu prostředí a $t$ je změřená doba letu. Veličina $d$ je pak vzdálenost předmětu, kterou potřebujeme změřit.

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}. 

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}

\begin{equation}

 P_r = {{P_t G_t  A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}

 P_r = {{P_t G_t  A_r \sigma F^4}\over{{(4\pi)}^2 R_t^2R_r^2}}

\label{radarova_rovnice}

\label{radarova_rovnice}

\end{equation}

\end{equation}

Kde

Kde

\begin{description}

\begin{description}

\item[P_t] = transmitter power

\item[P_t] = transmitter power

* 

* 

* ''G''<sub>t</sub> = [[gain]] of the transmitting antenna

* ''G''<sub>t</sub> = [[gain]] of the transmitting antenna

* ''A''<sub>r</sub> = effective aperture (area) of the receiving antenna

* ''A''<sub>r</sub> = effective aperture (area) of the receiving antenna

* ''σ'' = [[radar cross section]], or scattering coefficient, of the target

* ''σ'' = [[radar cross section]], or scattering coefficient, of the target

* ''F'' = pattern propagation factor

* ''F'' = pattern propagation factor

* ''R''<sub>t</sub> = distance from the transmitter to the target

* ''R''<sub>t</sub> = distance from the transmitter to the target

* ''R''<sub>r</sub> = distance from the target to the receiver.

* ''R''<sub>r</sub> = distance from the target to the receiver.

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 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 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. 

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 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. 

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}

\subsection{Požadavky na laserový vysílač}

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 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]

\begin{figure}[htbp]

\includegraphics[width=150mm]{./img/atmospheric_absorption.png}

\includegraphics[width=150mm]{./img/atmospheric_absorption.png}

\caption{Závislost transmisivity suché atmosféry na vlnové délce záření}

\caption{Závislost transmisivity suché atmosféry na vlnové délce záření}

\end{figure} 

\end{figure} 

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.  

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.  

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. 

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.

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.