| Line 1... |
Line 1... |
| 1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article}
|
1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{report}
|
| 2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
|
2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
|
| 3 |
\usepackage[czech]{babel}
|
3 |
\usepackage[czech]{babel}
|
| 4 |
\usepackage{array}
|
4 |
\usepackage{array}
|
| 5 |
\usepackage[pdftex]{graphicx}
|
5 |
\usepackage[pdftex]{graphicx}
|
| 6 |
\usepackage{pdfpages}
|
6 |
\usepackage{pdfpages}
|
| - |
|
7 |
\usepackage{comment}
|
| 7 |
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
|
8 |
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
|
| 8 |
\usepackage{color}
|
9 |
\usepackage{color}
|
| - |
|
10 |
\linespread{2.0}
|
| - |
|
11 |
|
| - |
|
12 |
|
| 9 |
|
13 |
|
| 10 |
\textheight 230.0mm
|
14 |
\textheight 230.0mm
|
| 11 |
\textwidth 155.0mm
|
15 |
\textwidth 155.0mm
|
| 12 |
%\topmargin 0.0mm
|
16 |
%\topmargin 0.0mm
|
| 13 |
\topmargin -20.0mm
|
17 |
\topmargin -20.0mm
|
| Line 16... |
Line 20... |
| 16 |
\renewcommand{\baselinestretch}{1.0}
|
20 |
\renewcommand{\baselinestretch}{1.0}
|
| 17 |
|
21 |
|
| 18 |
\newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}}
|
22 |
\newcommand{\vsp}[1]{\vspace{#1mm}}
|
| 19 |
|
23 |
|
| 20 |
\begin{document}
|
24 |
\begin{document}
|
| - |
|
25 |
\pagenumbering{roman}
|
| - |
|
26 |
|
| 21 |
\thispagestyle{empty}
|
27 |
\thispagestyle{empty}
|
| 22 |
|
28 |
|
| 23 |
\begin{center}
|
29 |
\begin{center}
|
| 24 |
\extrarowheight 1.5ex
|
30 |
\extrarowheight 1.5ex
|
| 25 |
\begin{tabular}{c}
|
31 |
\begin{tabular}{c}
|
| Line 104... |
Line 110... |
| 104 |
\tableofcontents
|
110 |
\tableofcontents
|
| 105 |
\newpage
|
111 |
\newpage
|
| 106 |
|
112 |
|
| 107 |
|
113 |
|
| 108 |
|
114 |
|
| 109 |
|
- |
|
| 110 |
\section{Zadání}
|
115 |
\section*{Zadání}
|
| - |
|
116 |
\pagenumbering{arabic}
|
| 111 |
|
117 |
|
| 112 |
Cílem práce je prověřit možnost použití diodově čerpaného pevnolátkového laserového modulu v aplikaci laserového vysílače vhodného pro ToF měření vzdálenosti (výšky oblačnosti).
|
118 |
Cílem práce je prověřit možnost použití diodově čerpaného pevnolátkového laserového modulu v aplikaci laserového vysílače vhodného pro ToF měření vzdálenosti (výšky oblačnosti).
|
| 113 |
|
119 |
|
| 114 |
Práce bude realizována v několika krocích:
|
120 |
Práce bude realizována v několika krocích:
|
| 115 |
|
121 |
|
| 116 |
\begin{itemize}
|
122 |
\begin{itemize}
|
| Line 135... |
Line 141... |
| 135 |
Vzhledem k těmto faktům, kdy se jedná převážně o pozemní jevy odehrávající se ve výškách menších, než cca 1km nad povrchem, tak není potřebné aby laserový vysílač umožňoval měření na delší vzdálenosti.
|
141 |
Vzhledem k těmto faktům, kdy se jedná převážně o pozemní jevy odehrávající se ve výškách menších, než cca 1km nad povrchem, tak není potřebné aby laserový vysílač umožňoval měření na delší vzdálenosti.
|
| 136 |
|
142 |
|
| 137 |
\newpage
|
143 |
\newpage
|
| 138 |
|
144 |
|
| 139 |
|
145 |
|
| 140 |
\section{Úvod}
|
146 |
\chapter{Úvod}
|
| 141 |
|
147 |
|
| 142 |
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.
|
148 |
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.
|
| 143 |
|
149 |
|
| 144 |
Možnosti jeho aplikace jsou proto velmi rozsáhlé od zaměřování a mapování topografie terénu přes vytváření přesných tvarových modelů malých předmětů až po jeho použití v meteorologii, nebo pro vojenské aplikace.
|
150 |
Možnosti jeho aplikace jsou proto velmi rozsáhlé od zaměřování a mapování topografie terénu přes vytváření přesných tvarových modelů malých předmětů až po jeho použití v meteorologii, nebo pro vojenské aplikace.
|
| 145 |
|
151 |
|
| Line 236... |
Line 242... |
| 236 |
\label{Raylengh}
|
242 |
\label{Raylengh}
|
| 237 |
\end{equation}
|
243 |
\end{equation}
|
| 238 |
\begin{description}
|
244 |
\begin{description}
|
| 239 |
\item[$\kappa _R (\lambda)$] - extinkční koeficient Rayleihova rozptylu.
|
245 |
\item[$\kappa _R (\lambda)$] - extinkční koeficient Rayleihova rozptylu.
|
| 240 |
\item[$K$] je parametr závisející na typech plynů v prostředí a jejich parciálních tlacích.
|
246 |
\item[$K$] je parametr závisející na typech plynů v prostředí a jejich parciálních tlacích.
|
| - |
|
247 |
\end{description}
|
| 241 |
|
248 |
|
| 242 |
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.
|
249 |
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.
|
| 243 |
|
250 |
|
| 244 |
\subsection{Délka výstupního světelného impulzu}
|
251 |
\subsection{Délka výstupního světelného impulzu}
|
| 245 |
|
252 |
|
| Line 342... |
Line 349... |
| 342 |
|
349 |
|
| 343 |
\section{Dosavadní řešení problému}
|
350 |
\section{Dosavadní řešení problému}
|
| 344 |
|
351 |
|
| 345 |
Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti
|
352 |
Existuje několik typů meteorologických přístrojů určených k měření výšky základny oblačnosti
|
| 346 |
|
353 |
|
| 347 |
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.
|
354 |
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.
|
| 348 |
|
355 |
|
| 349 |
\subsection{Jiné pulzní dálkoměry}
|
356 |
\subsection{Jiné pulzní dálkoměry}
|
| 350 |
|
357 |
|
| 351 |
\subsection{Moderní laserové vysílače}
|
358 |
\subsection{Moderní laserové vysílače}
|
| 352 |
Polovodičové diody, pevnolátkové lasery
|
359 |
Polovodičové diody, pevnolátkové lasery
|
| Line 384... |
Line 391... |
| 384 |
|
391 |
|
| 385 |
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) viz. obr. \ref{LD_diody}.
|
392 |
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) viz. obr. \ref{LD_diody}.
|
| 386 |
|
393 |
|
| 387 |
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.
|
394 |
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.
|
| 388 |
|
395 |
|
| 389 |
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.
|
396 |
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.
|
| 390 |
|
397 |
|
| 391 |
Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému.
|
398 |
Z tohoto důvodu, byl pro měření celý modul společně s čerpací diodou vybaven masivním chladičem umožňujícím dobrý odvod tepla z laserového systému.
|
| 392 |
|
399 |
|
| 393 |
\subsubsection{Optika}
|
400 |
\subsubsection{Optika}
|
| 394 |
|
401 |
|
| Line 435... |
Line 442... |
| 435 |
|
442 |
|
| 436 |
\subsection{Parametry laserových modulů}
|
443 |
\subsection{Parametry laserových modulů}
|
| 437 |
\label{parametry_modulu}
|
444 |
\label{parametry_modulu}
|
| 438 |
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).
|
445 |
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).
|
| 439 |
|
446 |
|
| 440 |
Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je \sim 0,15mrad.
|
447 |
Z těchto parametrů lze tak podle výrazu \ref{difrakcni_limit} určit difrakčně limitovanou minimální divergenci svazku, která je $\sim$ 0,15mrad.
|
| 441 |
|
448 |
|
| 442 |
\begin{figure}[htbp]
|
449 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 443 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}
|
450 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/DPSSFD_5mW.jpg}
|
| 444 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/DPSSFD_20mW.jpg}
|
451 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/DPSSFD_20mW.jpg}
|
| 445 |
\caption{Použité testovací DPSSFD moduly 5mW (vlavo) a 20mW (vpravo).}
|
452 |
\caption{Použité testovací DPSSFD moduly 5mW (vlavo) a 20mW (vpravo).}
|
| Line 486... |
Line 493... |
| 486 |
\end{figure}
|
493 |
\end{figure}
|
| 487 |
|
494 |
|
| 488 |
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.
|
495 |
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.
|
| 489 |
|
496 |
|
| 490 |
\begin{figure}[htbp]
|
497 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 491 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/detektor.JPG}
|
498 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/detektor.JPG}
|
| 492 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/detektor_opened.JPG}
|
499 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/detektor_opened.JPG}
|
| 493 |
\caption{Realizovaný detektor časového průběhu záření}
|
500 |
\caption{Realizovaný detektor časového průběhu záření}
|
| 494 |
\label{realizace_detektoru}
|
501 |
\label{realizace_detektoru}
|
| 495 |
\end{figure}
|
502 |
\end{figure}
|
| 496 |
|
503 |
|
| 497 |
\section{Relaxační kmity LASERu}
|
504 |
\section{Relaxační kmity LASERu}
|
| Line 512... |
Line 519... |
| 512 |
Jednou z uvažovaných konstrukčních variant vysílače pro laserový dálkoměr bylo využití těchto autonomních kmitů laseru, jako zdroje vhodných laserových impulzů. Ovšem vzhledem k nestabilitě tohoto režimu by tato možnost vyžadovala detekci nestabilního stavu regulačním obvodem, čehož by bylo zřejmě pravděpodobně možné dosáhnout Fourierovým rozkladem výstupního signálu a analýzou frekvenčních komponent. Ale vzhledem k faktu, že průběhy generované jednotlivými typy laserů nejsou naprosto identické, tak by byla tato cesta velmi komplikovaná.
|
519 |
Jednou z uvažovaných konstrukčních variant vysílače pro laserový dálkoměr bylo využití těchto autonomních kmitů laseru, jako zdroje vhodných laserových impulzů. Ovšem vzhledem k nestabilitě tohoto režimu by tato možnost vyžadovala detekci nestabilního stavu regulačním obvodem, čehož by bylo zřejmě pravděpodobně možné dosáhnout Fourierovým rozkladem výstupního signálu a analýzou frekvenčních komponent. Ale vzhledem k faktu, že průběhy generované jednotlivými typy laserů nejsou naprosto identické, tak by byla tato cesta velmi komplikovaná.
|
| 513 |
Z tohoto důvodu bylo zvoleno méně komplikované řešení - generování impulzů pulzním čerpáním a využití techniky spínání ziskem.
|
520 |
Z tohoto důvodu bylo zvoleno méně komplikované řešení - generování impulzů pulzním čerpáním a využití techniky spínání ziskem.
|
| 514 |
|
521 |
|
| 515 |
\begin{figure}[htbp]
|
522 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 516 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png}
|
523 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/autonomni_impulz.png}
|
| 517 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png}
|
524 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/oscilogramy/opakovaci_perioda.png}
|
| 518 |
\caption{Časové průběhy výstupních impulzů laseru pro 20mW modul s vhodně nastaveným pracovním bodem.}
|
525 |
\caption{Časové průběhy výstupních impulzů laseru pro 20mW modul s vhodně nastaveným pracovním bodem.}
|
| 519 |
\label{realizace_detektoru}
|
526 |
\label{realizace_detektoru}
|
| 520 |
\end{figure}
|
527 |
\end{figure}
|
| 521 |
|
528 |
|
| 522 |
\begin{figure}[htbp]
|
529 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 523 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png}
|
530 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/oscilogramy/1modul_5mW.png}
|
| 524 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png}
|
531 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/oscilogramy/2modul_5mW.png}
|
| 525 |
\caption{Průběh výstupních impulzů v případě použití 5mW verze modulu.}
|
532 |
\caption{Průběh výstupních impulzů v případě použití 5mW verze modulu.}
|
| 526 |
\label{realizace_detektoru}
|
533 |
\label{realizace_detektoru}
|
| 527 |
\end{figure}
|
534 |
\end{figure}
|
| 528 |
|
535 |
|
| 529 |
Těchto autonomně generovaných průběhů bylo možné dosáhnout již s původním regulačním obvodem. Avšak vzhledem k tomu, že ten je výkonově poddimenzován, tak nebylo přípustné modul takovým způsobem používat delší dobu.
|
536 |
Těchto autonomně generovaných průběhů bylo možné dosáhnout již s původním regulačním obvodem. Avšak vzhledem k tomu, že ten je výkonově poddimenzován, tak nebylo přípustné modul takovým způsobem používat delší dobu.
|
| Line 533... |
Line 540... |
| 533 |
Aby bylo možné uvažovat o použití těchto laserových modulů, jako laserového dálkoměru je z výše popsaných důvodů nutné změnit způsob řízení laserového systému.
|
540 |
Aby bylo možné uvažovat o použití těchto laserových modulů, jako laserového dálkoměru je z výše popsaných důvodů nutné změnit způsob řízení laserového systému.
|
| 534 |
|
541 |
|
| 535 |
\subsection{Stabilizovaný zdroj proudu}
|
542 |
\subsection{Stabilizovaný zdroj proudu}
|
| 536 |
|
543 |
|
| 537 |
\begin{figure}[htbp]
|
544 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 538 |
\includegraphics[width=150mm]{./img/Current_source.JPG}
|
545 |
\includegraphics[height=150mm]{./img/Current_source.JPG}
|
| 539 |
\caption{Aparatura použitá pro měření intenzity optického výstupu v závislosti na budícím proudu.}
|
546 |
\caption{Aparatura použitá pro měření intenzity optického výstupu v závislosti na budícím proudu.}
|
| 540 |
\label{proudovy_zdroj}
|
547 |
\label{proudovy_zdroj}
|
| 541 |
\end{figure}
|
548 |
\end{figure}
|
| 542 |
|
549 |
|
| 543 |
Stabilizovaný zdroj proudu byl jedním z prvních pokusů o zlepšení parametrů stávajícího řízení. Je zkonstruován opět jako lineární zdroj , ale jako výstupní budič je použit výkonový operační zesilovač L165. Proud je stabilizován udržováním napěťového úbytku na měřícím odporu. Tato hodnota je nastavována odporovým děličem ze zdroje referenčního napětí LM431.
|
550 |
Stabilizovaný zdroj proudu byl jedním z prvních pokusů o zlepšení parametrů stávajícího řízení. Je zkonstruován opět jako lineární zdroj , ale jako výstupní budič je použit výkonový operační zesilovač L165. Proud je stabilizován udržováním napěťového úbytku na měřícím odporu. Tato hodnota je nastavována odporovým děličem ze zdroje referenčního napětí LM431.
|
| Line 571... |
Line 578... |
| 571 |
|
578 |
|
| 572 |
\subsection{Pulsní budič laserové diody}
|
579 |
\subsection{Pulsní budič laserové diody}
|
| 573 |
|
580 |
|
| 574 |
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.
|
581 |
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.
|
| 575 |
|
582 |
|
| 576 |
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}.
|
583 |
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}.
|
| 577 |
|
584 |
|
| 578 |
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.
|
585 |
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.
|
| 579 |
|
586 |
|
| 580 |
\begin{description}
|
587 |
\begin{description}
|
| 581 |
\item[CX02068] - obvod pro buzení laserových diod pro ptické spoje. Náběžná a sestupná hrana má délku menčí než 180ps. Nedostatekem je však nízký bias proud, který je maximálně 100mA a modulační proud pouze 85mA.
|
588 |
\item[CX02068] - obvod pro buzení laserových diod pro ptické spoje. Náběžná a sestupná hrana má délku menčí než 180ps. Nedostatekem je však nízký bias proud, který je maximálně 100mA a modulační proud pouze 85mA.
|
| Line 586... |
Line 593... |
| 586 |
\item[iC-HB] - obvod trojnásobného spínače pro laserové diody. Umožňuje spínat špičkově proudy do 300mA na jeden kanál, nebo v kontinuálním režimu reguluje proud do 65mA na jeden kanál. Obsahuje ochranné obvody proti přepětí a budící proudy je možné nastavit napětím, na řídících vstupech. Maximální modulační frekvence je 155MHz.
|
593 |
\item[iC-HB] - obvod trojnásobného spínače pro laserové diody. Umožňuje spínat špičkově proudy do 300mA na jeden kanál, nebo v kontinuálním režimu reguluje proud do 65mA na jeden kanál. Obsahuje ochranné obvody proti přepětí a budící proudy je možné nastavit napětím, na řídících vstupech. Maximální modulační frekvence je 155MHz.
|
| 587 |
\item[iC-HG] je šestikanálový budič laserovvých diod, umožňující modulaci celkovým proudem až 3A (po paralelním spojení všech kanálů). Modulační frekvence je až 200MHz. Má LVDS i TTL spouštěcí vstupy a možnost provozu na napětí až do 12V pro buzení modrých laserových diod.
|
594 |
\item[iC-HG] je šestikanálový budič laserovvých diod, umožňující modulaci celkovým proudem až 3A (po paralelním spojení všech kanálů). Modulační frekvence je až 200MHz. Má LVDS i TTL spouštěcí vstupy a možnost provozu na napětí až do 12V pro buzení modrých laserových diod.
|
| 588 |
\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.
|
595 |
\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.
|
| 589 |
|
596 |
|
| 590 |
\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.
|
597 |
\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.
|
| - |
|
598 |
|
| 591 |
\end{description}
|
599 |
\end{description}
|
| 592 |
|
600 |
|
| 593 |
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.
|
601 |
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.
|
| 594 |
|
602 |
|
| 595 |
Na základě údajů z katalogového výrobce byl navržen univerzální modul pro testování laserových modulů. Zapojení je zvoleno tak, aby umožnil konstrukci všech typů laserových měřičů vzdálenosti, jejichž principy byly zmíněny v úvodní kapitole. Tento modul je navíc technicky kompatibilní s otevřenou stavebnicí MLAB, díky čemuž je možné jej využít i k jiným účelům než pouze laserový dálkoměr.
|
603 |
Na základě údajů z katalogového výrobce byl navržen univerzální modul pro testování laserových modulů. Zapojení je zvoleno tak, aby umožnil konstrukci všech typů laserových měřičů vzdálenosti, jejichž principy byly zmíněny v úvodní kapitole. Tento modul je navíc technicky kompatibilní s otevřenou stavebnicí MLAB, díky čemuž je možné jej využít i k jiným účelům než pouze laserový dálkoměr.
|
| Line 598... |
Line 606... |
| 598 |
Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze.
|
606 |
Schéma zkonstruovaného pulzního budiče je uvedeno v příloze.
|
| 599 |
|
607 |
|
| 600 |
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}.
|
608 |
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}.
|
| 601 |
|
609 |
|
| 602 |
\begin{figure}[htbp]
|
610 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 603 |
\includegraphics[width=150mm]{./img/LDD_PCB.png}
|
611 |
\includegraphics[height=150mm]{./img/LDD_PCB.png}
|
| 604 |
\caption{Návrh plošného spoje pulsního budiče čerpací diody}
|
612 |
\caption{Návrh plošného spoje pulsního budiče čerpací diody}
|
| 605 |
\label{LDD_PCB}
|
613 |
\label{LDD_PCB}
|
| 606 |
\end{figure}
|
614 |
\end{figure}
|
| 607 |
|
615 |
|
| 608 |
Modul má s ohledem na možný další vývoj laserových diod možnost zapojit diody s různými typy konfigurace vývodů z pouzdra. Nejběžnější konfigurace vývodů laserové a monitorovací diody jsou znázorněny na obrázku
|
616 |
Modul má s ohledem na možný další vývoj laserových diod možnost zapojit diody s různými typy konfigurace vývodů z pouzdra. Nejběžnější konfigurace vývodů laserové a monitorovací diody jsou znázorněny na obrázku
|
| 609 |
|
617 |
|
| 610 |
\begin{figure}[htbp]
|
618 |
\begin{figure}[htbp]
|
| 611 |
\begin{center}
|
619 |
\begin{center}
|
| 612 |
\includegraphics[width=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png}
|
620 |
\includegraphics[height=80mm]{./img/typy_zapouzdreni.png}
|
| 613 |
\caption{Běžné typy konfigurace vnitřního zapojení polovodičových laserů}
|
621 |
\caption{Běžné typy konfigurace vnitřního zapojení polovodičových laserů}
|
| 614 |
\label{LD_diody}
|
622 |
\label{LD_diody}
|
| 615 |
\end{center}
|
623 |
\end{center}
|
| 616 |
\end{figure}
|
624 |
\end{figure}
|
| 617 |
|
625 |
|
| Line 627... |
Line 635... |
| 627 |
|
635 |
|
| 628 |
Způsob modifikace laserového ukazovátka do podoby vhodné pro laserový dálkoměr byl v průběhu práce prozkoumán již dostatečně. Avšak pro další vývoj zařízení jsou možnosti stále rozsáhlé. Některé předpokládané koncepční problémy jsou diskutovány v následujících odstavcích.
|
636 |
Způsob modifikace laserového ukazovátka do podoby vhodné pro laserový dálkoměr byl v průběhu práce prozkoumán již dostatečně. Avšak pro další vývoj zařízení jsou možnosti stále rozsáhlé. Některé předpokládané koncepční problémy jsou diskutovány v následujících odstavcích.
|
| 629 |
|
637 |
|
| 630 |
\subsubsection{Zapouzdření vysílače}
|
638 |
\subsubsection{Zapouzdření vysílače}
|
| 631 |
|
639 |
|
| - |
|
640 |
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.
|
| 632 |
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.
|
641 |
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.
|
| 633 |
|
642 |
|
| 634 |
\subsubsection{Aktivní stabilizace teploty}
|
643 |
\subsubsection{Aktivní stabilizace teploty}
|
| 635 |
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$^\circ C$.
|
644 |
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$^\circ C$.
|
| 636 |
|
645 |
|
| 637 |
\subsubsection{Kombinace s jinými přístroji}
|
646 |
\subsubsection{Kombinace s jinými přístroji}
|
| Line 647... |
Line 656... |
| 647 |
Pokud budeme vycházet z dříve realizovaných kostrukcí laserových dálkoměrů pro atmosférická měření, tak potřebná energie v jednom impulzu se pohybuje okolo 0,5uJ/100ns. Což odpovídá špičkovému výkonu 5W.
|
656 |
Pokud budeme vycházet z dříve realizovaných kostrukcí laserových dálkoměrů pro atmosférická měření, tak potřebná energie v jednom impulzu se pohybuje okolo 0,5uJ/100ns. Což odpovídá špičkovému výkonu 5W.
|
| 648 |
|
657 |
|
| 649 |
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.
|
658 |
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.
|
| 650 |
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.
|
659 |
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.
|
| 651 |
|
660 |
|
| 652 |
\section{Závěr}
|
661 |
\section*{Závěr}
|
| - |
|
662 |
|
| 653 |
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.
|
663 |
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.
|
| 654 |
Následně proto byla řešena úloha konstrukce vhodného řídícího obvodu pro čerpací laserovou diodu modulu.
|
664 |
Následně proto byla řešena úloha konstrukce vhodného řídícího obvodu pro čerpací laserovou diodu modulu.
|
| 655 |
|
665 |
|
| 656 |
Výsledkem práce jsou dva prototypy laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití. Jednoduší varianta regulovatelného proudového zdroje, která vytváří impulzy samovolným kmitáním laseru. A sofistikovanější univerzální modul pro řízení laserových diod, který umonuje generovat pulsy řízením způsobem, nebo případně provozovat laser v pracovním bodě samovolného kmitání.
|
666 |
Výsledkem práce jsou dva prototypy laserového vysílače vhodného pro další experimentální využití. Jednoduší varianta regulovatelného proudového zdroje, která vytváří impulzy samovolným kmitáním laseru. A sofistikovanější univerzální modul pro řízení laserových diod, který umonuje generovat pulsy řízením způsobem, nebo případně provozovat laser v pracovním bodě samovolného kmitání.
|
| 657 |
Přínosem druhého prototypu také je, že poskytuje možnost realizovat zařízení pro laserové měření vzdálenosti, založené i na jiných principech, než je měření doby šíření.
|
667 |
Přínosem druhého prototypu také je, že poskytuje možnost realizovat zařízení pro laserové měření vzdálenosti, založené i na jiných principech, než je měření doby šíření.
|
| 658 |
Výstupní energie obou prototypů by podle laboratorních měla být dostatečná pro detekci srážkově potenciální oblačnosti ve výškách menších, než 1km nad přístrojem.
|
668 |
Výstupní energie obou prototypů by podle laboratorních měla být dostatečná pro detekci srážkově potenciální oblačnosti ve výškách menších, než 1km nad přístrojem.
|
| 659 |
Pro reálnou aplikaci vysílače, a realizaci kompletního dálkoměru je třeba jej pouze doplnit o vhodný detektor a patřičně zakrytovat.
|
669 |
Pro reálnou aplikaci vysílače, a realizaci kompletního dálkoměru je třeba jej pouze doplnit o vhodný detektor a patřičně zakrytovat.
|
| 660 |
Zadání práce bylo proto splněno v celém rozsahu.
|
670 |
Zadání práce bylo proto splněno v celém rozsahu.
|
| - |
|
671 |
|
| - |
|
672 |
\cite{model1}
|
| - |
|
673 |
|
| 661 |
|
674 |
|
| 662 |
|
675 |
|
| 663 |
|
676 |
|
| 664 |
|
677 |
|
| 665 |
\pagebreak
|
678 |
\pagebreak
|
| Line 669... |
Line 682... |
| 669 |
\pagebreak
|
682 |
\pagebreak
|
| 670 |
|
683 |
|
| 671 |
\includepdf[pages={1},landscape=true]{LDD01A.pdf}
|
684 |
\includepdf[pages={1},landscape=true]{LDD01A.pdf}
|
| 672 |
|
685 |
|
| 673 |
|
686 |
|
| - |
|
687 |
\begin{comment}
|
| - |
|
688 |
|
| 674 |
\begin{thebibliography}{99}
|
689 |
{thebibliography}{99}
|
| 675 |
\bibitem{}{Zdroj obrázku reflektivity oblačnosti}
|
690 |
%\bibitem{}{Zdroj obrázku reflektivity oblačnosti}
|
| 676 |
\href{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm}{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm}
|
691 |
\href{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm}{http://www.nohrsc.nws.gov/technology/avhrr3a/avhrr3a.htm}
|
| 677 |
\bibitem{}{Driving Diode Lasers is Staraightforward}
|
692 |
%\bibitem{}{Driving Diode Lasers is Staraightforward}
|
| 678 |
\href{}{}
|
693 |
\href{}{}
|
| 679 |
\bibitem{}{Osram set for green diode ramp in 2012}
|
694 |
%\bibitem{}{Osram set for green diode ramp in 2012}
|
| 680 |
\bibitem{diskretni_integrovane}{Discrete vs. Integrated, IC }
|
695 |
%\bibitem{diskretni_integrovane}{Discrete vs. Integrated, IC }
|
| 681 |
\href{http://optics.org/news/1/7/17}{http://optics.org/news/1/7/17}
|
696 |
\href{http://optics.org/news/1/7/17}{http://optics.org/news/1/7/17}
|
| 682 |
\bibitem{laser_pointer}{Laser pointer. (2012, May 28). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 21:33, June 4,
|
697 |
\bibitem{laser_pointer}{Laser pointer. (2012, May 28). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 21:33, June 4,
|
| 683 |
2012, from }
|
698 |
2012, from }
|
| 684 |
\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}
|
699 |
\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}
|
| 685 |
|
700 |
|
| 686 |
\end{thebibliography}
|
701 |
%\end{thebibliography}
|
| - |
|
702 |
\end{comment}
|
| - |
|
703 |
|
| - |
|
704 |
\bibliographystyle{ieeetr}
|
| - |
|
705 |
\bibliography{laserovy_vysilac}
|
| - |
|
706 |
\addcontentsline{toc}{section}{Literatura}
|
| - |
|
707 |
|
| - |
|
708 |
|
| 687 |
|
709 |
|
| 688 |
Konstrukce obou prototypů laserového vysílače byla realizovaná z prostředků firmy Universal Scientific Technologies s.r.o.
|
710 |
Konstrukce obou prototypů laserového vysílače byla realizovaná z prostředků firmy Universal Scientific Technologies s.r.o.
|
| 689 |
|
711 |
|
| 690 |
!!zkontrolovat pridani vsech referenci a doformatovat podle normy!!
|
712 |
!!zkontrolovat pridani vsech referenci a doformatovat podle normy!!
|
| 691 |
|
713 |
|