لیزر (اندازه گیری فاصله)laser

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       گرد آوری : امین مظاهری 09125307214

      

 

 

 

 

روشهایفاصلهسنجیبوسیلهلیزر

 

چکیده: هدف این مقاله بررسی انواع روشهای پیاده سازی متر لیزری و ارائه مفهوم و کاربردهای آن در صنعت می

باشدکه در این راستا نخست روشهای تداخل سنجی و دی مدولاسیون همزمان را که شامل تکنیکهای جابجایی فاز و FMCW می باشد ،مورد بحث قرار داده.و سپس به بررسی تکنیکهای ،مثلث سازی  و زمان پرواز  می پردازیم و در پایان مقایسه ای بین روشهای مورد بحث ارائه می شود.

 

1   مقدمه :

برای اندازه گیری فاصله و مسافت روشهای متعددی موجود می باشد .در قرن حاضر با توجه به پیشرفتهای شگرف علمی پدید آمده به خصوص در زمینه الکترونیک و کامپیوتر و راه حلهای نوین محاسباتی ، روش اندازه گیری فواصل ومسافت یابی به سمت سویی دیگر سوق یافته است .اندازه گیری دقیق فاصله از جسم و یا فاصله دو جسم از یکدیگر درصنایع مختلف از جمله : ابزار دقیق ، قطعه سازی، هوانوردی ، دریانوردی ، رباتیک و بخصوص در صنایع نظامی ازاهمیت ویژه ای برخوردار است .به تازگی با رشد صنعت الکترونیک و روش های اندازه گیری بوسیله لیزر ، سنجشفاصله، سرعت، زاویه، میزان صیقلی بودن سطوح و ... با سخت افزار و روشهای مشابه نرم افزاری میسر شده است .درادامه به بیان روشهای مختلف اندازه گیری فاصله توسط لیزر خواهیم پرداخت .

1-     روشهایفاصلهسنجیبالیزر :

 

         2-1- روشتداخلسنجی :

 یکی از روشهای اندازه گیری فاصله و یا جابجایی های کوچک استفاده از تداخل سنجی می باشد. در روش های تداخل سنجی ، فاصله برحسب طول موج به کار گرفته شده، محاسبه می شود و دقت های یک دهم طول موج به راحتی به دست می آید و نیز با استفاده از روش های الکترونیکی و کامپیوتری جدید حد تفکیک حدود λ /100  را در بررسی و آزمایش سطوح می توان به دست آورد .

در روش تداخل سنجی ، از شمارش تعداد نوارهای تداخلی استفاده می شود . میتوان از تداخل سنجهای مایکلسون ، ماخ زندر و فبری پرو استفاده نمود. به طور کلی این روش معمولا برای محدوده اندازه گیری در حدود چندده سانتی متر با دقتهای بسیار بالا (در حدود 20 تا 50 میکرومتر) استفاده می شود .مهمترین مزیت این روش خود تنظیمی ذاتی آن است. عدم وجود تاثیرات سایه و استفاده از قطعات کم در پیاده سازی ،از دیگرمزایای تداخل سنجی می باشد.

 

       2-2-  روشجابجاییفاز

 در این روش بر اساس جابجایی فازی ایجاد شده بر روی سیگنال دریافتی از هدف به تخمین فاصله می پردازیم . در واقع در این روش از تبدیل تاخیر زمانی ایجاد شده در رفت و برگشت پالس لیزر (مدوله شده با مدولاسیون دامنه در فرکانس  ƒ0) به جابجایی فاز استفاده می شود .

 

0 Td

 

  جابجایی فاز ، فرکانس مدولاسیون ، Tdزمان رفت و برگشت پالس می باشد . محدوده اندازه گیری این روش وابسته به فرکانس مدولاسیون(ƒ0 ) می باشد و برای استفاده از چند سانتیمتر تا چند ده متر مناسب می باشد . ( هر چه ƒ0 بزرگتر ، محدوده اندازه گیری بیشتر و دقت و حساسیت بالاتر را موجب خواهد شد ) این روش از لحاظ ویژگیهای

سخت افزاری بسیار شبیه روش ضربان فرکانسی می باشد ، در نتیجه می توان از این ویژگی بهره برد و سیستمی  طراحی نمود  تا از هر دو روش جابجایی فاز و فرکانس عمل نماید ، تا به بالاترین کارایی دست یابیم . فاصله d مسافتی است که یک موج نور بازتابیده شده از هدف در زمان Tdطی میکند.  اگر توان نوری دیود لیزری بوسیله یک موج سینوسی در فرکانس ƒ0 مدوله شود ،می توان گفت که ز مان انتشار به جابجایی فاز بین سیگنال های رفت و برگشت (  ) تبدیل می شود .

 Td =

 

انتخاب فرکانس مدولاسیون ƒ0 به نوع کاربرد بستگی دارد .  به طور مثال با فرکانس 10 مگا هرتز محدوده نامبهم 15 متر را خواهیم داشت . یکی از معایب بزرگ این شیوه ، حساسیت بالای آن به خطاهای سیستم می باشد. خطای Crosstalk  که از کوپلینگ پارازیتی میان کانالهای فوتوالکتریک و لیزر بوجود می آید،

غیر خطی بودن ظرفیت پیوندهای ترانزیستوری ، منابع خطایی هستند که در روش جابجایی فاز نمیتوان از آنها صرفنظر نمود و رفع آنها هم به سادگی امکان پذیر نیست . مبتنی بودن بر محاسبات پیچیده ریاضی ، حساسیت بالا نسبت به خطاهای ایجاد شده ، محدوده اندازه گیری از چند سانتیمتر تا چند ده متر از مشخصات این روش می باشد .ضمنا پیاده سازی این روش نیازمند سخت افزاری با توان پردازشی قدرتمند می باشد . (در اکثر نمونه های مورد بررسی از یک کامپیوتر برای انجام محاسبات ریاضی و پردازشهای مورد نیاز بر روی امواج ، استفاده شده است ) . برای پیاده سازی تئوری فوق تکنیکهای متعددی وجود دارد ، که بررسی تفضیلی تک تک این تکنیکها خارج از حوصله این بحث است . تکنیکهای هتروداین و دی مدولاسیون همزمان ، دو نمونه از این تکنیکها می باشند.

 

       2-3- روش FMCW

در این روش ، جابجایی فرکانسی ایجاد شده بر روی سیگنال دریافتی از هدف ، مرجع تصمیم گیری در رابطه با فاصله تا هدف می باشد و از مقایسه پارامترهای دو موج مدوله شده FM فرستاده و گرفته شده بدست می آید . با توجه به فرمول زیر و مدت زمان رفت و برگشت پرتوی لیزر که با سرعت نور حرکت می کند می توان مسافت تا هدف را تعیین نمود.

   Td =

 

اگر پرتوی لیزر ارسالی مدوله شده توسط یک پالس باشد در اینصورت می توان زمان رفت و برگشت آنرا مبنای محاسبه فاصله قرار داد . اما اگر پرتوی لیزر مدوله شده توسط یک موج سینوسی با فرکانس ƒ0 باشد ، پس زمان انتشار به شیفت فرکانسی میان فرکانس موج منتشر شده و فرکانس سیگنال برگشتی تبدیل میشود.

از آنجا که 2 مدوله شده در فاز هیچ مشکلی با میزان فاصله ایجاد نمی کند خواهیم داشت :  dnar=    

dnar محدوده نامبهم در اندازه گیری می باشد .انتخاب فرکانس مدولاسیون بستگی به کاربر د مورد نظر دارد ، به طور مثال فرکانس 10 مگاهرتز منجر به  = 15m  dnar می شود که به عنوان یکی از کاربردهای آن می توان از سیستمهای شباهت سخت افزاری با روش FMCW از مزایای این روش و سایر مشخصات آن نیز مشابه روش جابجایی فاز می باشد .

 

        2-4- روشمثلثسازی

 در این روش با استفاده از قوانین هندسه و زاویه پرتوی لیزر ارسالی و دریافتی میزان فاصله تا هدف تخمن زده می شود که این روش با دقت نسبتا خوبی برای فواصل کم مناسب میباشد.محدوده اندازه گیری این روش از 1mm تا 50cm و دقت آن نیز در حدود یک میکرو متر می باشد . با زیادتر شدن فاصله اندازه گیری ، دقت این روش به میزان شدیدی افت می کند . در صنعت نیز از میان تمامی روشهای موجود به دلیل تکنولوژی ساده تر ، مقاومت و دقت بالا و قیمت ارزان ، این روش مورد توجه سازندگان قرار گرفته است .

 

        1-2-4- اساس کار روش مثلث سازی :

 

لیزر فرستنده ، ابتدا پرتویی را بسوی شیئ هدف پرتاب می کند، سپس فاصله را نسبت به یک نقطه مرجع ، بوسیله

تشخیص مختصات مکانی از گیرنده که نور بازتاب یده از هدف به آن برخورد کرده ، محاسبه می نماید .بصورتیکه چنانچه فاصله شیئ تا نقطه مرجع دورتر یا نزدیکتر شود ، موقعیت نقطه برخورد اشعه بازتابش با گیرنده تغییر می کند .

 

 

1-چگونگی روش مثلث سازی

 

پردازش الکترونیکی مقادیر ، وابسته به نوع سنسور (آشکارساز) مورد استفاده در روش مثلث سازی می باشد .

 

          2-4-2- بررسیاجزاءمختلففاصلهسنجیبهروشمثلثسازی

اصول کار روش مثلث سازی را می توان به 3 بخش عمده تقسیم کرد:

فرستنده ، گیرنده و پردازشگر الکترونیکی.

          2-4-2-1- فرستنده :فرستنده معمولا" یک دیود لیزری است با پرتو نور متمرکز شده که یک پرتو لیزر بسوی شیئ هدف می تاباند .یک فرستنده که موارد استفاده بسیاری دارد و بسیار کم خرج و ارزان است،یک دیود لیزری با قدرت کم با طول موج 670nm و اشعه نور مرئی می باشد.

 

          2-4-2-2- گیرنده  :قسمت گیرنده بازتاب نور از هدف را جمع می کند و تصویر هدف را بر روی آشکارساز (سنسور) تشکیل می دهد.سپس آشکارساز، محل نقطه نورانی را به پردازشگر گزارش می کند که محدوده ارتفاع یافاصله را تعیین کند . انواع بسیاری از آشکارسازها موجودند که دو نوع بسیار رایج برای استفاده در روش مثلث PSD’s و آشکارسازهای آرایه ای می باشند. هر کدام از این دو نوع آشکارساز،قابلیتها و محدودیتهای ویژ های دارند.

PSD ها آشکارسازهای آنالوگ هستند .سنسورهای نوع PSD از آشکارسازهای یک بعدی با خروجی جریان الکتریکی در هر انتها استفاده می کنند . میزان جریان خارج شده از هر خروجی با موقعیت نقطه نورانی بازتابیده شده بر روی آشکارساز متناسب است. اگر نقطه در وسط آشکارساز باشد،جریان هر دو خروجی مساوی خواهد بود و اگر نقطه نورانی از مرکز به طرفین حرکت کند مقادیر جریان در دو خروجی تغییر می کند و از روی این تغییرات طبق فرمول زیر می توان موقعیت نقطه نورانی بازتابیده را شناسایی کرد.

Spotposition = [( X2 - x)/(X2 – X1)]

 

-

سنسور PSD

 

آشکارساز آرایه ای ، یک آشکار ساز دیجیتال است نه به خاطر مقادیر 1و 0 بلکه به دلیل آنکه خروجی آن تشکیل شده از مقادیر گسسته ولتاژ که نشان دهنده مقدار نو ری است که بر روی هر یک از المانهای آشکارساز می تابد . هر کدام از256  المنت آشکارساز از 256 نمونه گسسته که در مورد سیگنال خروجی به ما اطلاعات می دهند تشکیل شده است .

 

 

 

3-سنسور آشکار ساز آرایه ای

 

آشکارسازهای آرایه ای به پردازش بیشتری نسبت به PSD ها نیاز دارند و سرعت اطلاعات نیز بطور طبیعی کندتر است. مهمتر ین مزیت هر سیستم مثلث سازی مبتنی بر سنسورهای آرایه ای ، توانایی انجام پردازش بر روی سیگنال است و در ساده ترین حالت ، موقعیت نقطه نورانی به وسیله گرفتن یک میانگین وزنی از دیتای آشکارساز مشخص می شود . اگر ولتاژ هر پیکسل به یک کلمه 8 بیتی تبدیل شود ، نتیجه یک آرایه256 کلمه ای می شود که بسته به شدت نور ، هرکلمه از 0 تا 256 تغییر میکند. برای محاسبه مرکز ثقل از فرمول زیراستفاده میشود. حاصل فرمول زیر ثقل موقعیت نقطه نورانی را مشخص می کند و به کاربر سیستم اجازه میدهد تا مرکز نقطه نورانی را بصورت تجمعی از پیکسل ها پیدا کند .

 

2-5- روشزمانپرواز :

زمان پرواز یکی از مرسوم ترین روش های فاصله سنجی لیزری می باشد.که بوسیله آن می توان محدوده اندازه گیری وسیعی (از چند سانتی متر تا دهها کیلومتر) را پوشش داد . در این روش مدت زمان رسیدن سیگنال لیزر به هدف مبنای محاسبه فاصله می باشد. که با محاسبه زمان رفت و برگشت پرتوی لیزر، تخمین مسافت صورت می پذیرد. نیاز به مدارات با فرکانس بالا و یا طراحی های پیچیده الکترونیکی ، مناسب برای فواصل طولانی از چند ده سانتی متر تا چند ده کیلومتر ( برد 20 کیلومتری آن در یک نمونه نظامی طراحی و پیاده سازی شده است ) و امکان طراحی فاصله سنج با دقت 1mm ، از خصوصیات برجسته این روش می باشد.

از کاربرد های عمده این روش نیز می توان به دوربینهای نقشه برداری ،تحقیقات فضایی،صنایع هوانوردی و لِوِل سنجی در سیلو ها و کانتینر ها اشاره نمود . اصول کلی روش زمان پرواز ثابت است.اما روشهای متفاوتی برای پیاده سازی این اصول وجود دارد.که استفاده از هریک از این روشها تاثیر مستقیمی در دقت دستگاه،محدوده کار، قیمت و ... دارد.

فرستنده پالس لیزر ، دو کانال گیرنده برای پالس های Start و Stop ، اندازه گیری زمان رفت و برگشت و اجزا اپتیکی لازم ، مانند: لنز و آیینه نیم شفاف قسمتهای اصلی تشکیل دهنده این روش هستند.

شمای کلی زمان پرواز و ارتباط قسمتهای مختلف آن در شکل (4) آمده است .

 

 

4-بلوک دیاگرام روش زمان پرواز

 

قسمت گیرنده شامل یک آشکار ساز نوری ، یک پیش تقویت کننده  ،یک تقویت کننده و یک تفکیک کننده زمانی

( تامین کننده پالس زمانی لاجیک برای قسمت انداز ه گیر زمان ) می باشد . روش زمان پرواز را به هر طریقی پیادهد سازی نماییم ، فرستنده لیزر،کانالهای گیرنده لیزر و اجزا ء اپتیکی لازم مشابه خواهند بود .اما برای اندازه گیری زمان رفت و برگشت لیزر ،روشهای متفاوت وجود دارد. که در این بخش 2 روش را مورد بررسی قرار می دهیم.

 

       1-5-2- فرستنده پالس لیزر : برای مشخص کردن توان پالس لیزر در فرستنده می توان از فرمول تساوی رادارها و نتایج شبیه سازی قسمتهای اپتیکی و سطح نویز سیستم کمک گرفت .آنچه که واضح می باشد ، این است که توان لیزر مورد نیاز رابطه مستقیم با محدوده اندازه گیری متر لیزری دارد .برپایه بررسیهای انجام شده، در یک متر لیزری با محدوده کاری 1 تا 30 متر پیک توان نوری لازم برای یک تک پالس لیزر و میانگین قدرت در طول فرآیند اندازه گیری به ترتیب 34W وW420 µ می باشد .

 

       2-5-2- کانال های گیرنده : وظیفه کانال های گیرنده،دریافت پالس های نوری با قدرت های متفاوت و تبدیل آنها به یک پالس زمانی بسیار دقیق با سطوح ولتاژ منطقی می باشد .که این پالس تولید شده به قسمت TDC فرستاده می شود ، تا در قسمت TDC با مشخص شدن پهنای این پالسها ، مسافت مورد نظر اندازه گیری شود . برای ایجاد همزمانی میان پرتاب پرتو لیزر و شروع بکار واحد TDC از یک آیینه نیمه شفاف و یک آشکارساز نوری استفاده می شود . در نتیجه کلا" دو کانال گیرنده در طراحی متر لیزری مورد نظر خواهیم داشت:

 

1-    کانال گیرنده Start ( نور منعکس شده از آیینه نیم شفاف را دریافت می کند و فرمان Start را برای شروع به کار واحد TDC صادر می کند ) .

2-    کانال گیرنده Stop ( که نور منعکس شده از هدف را دریافت می کند و فرمان Stop را برای توقف فعالیت TDC صادر می کند ) .

 

 

5-بلوک دیاگرام روش زمان پرواز به همراه جزئیات

 

کانال گیرنده برای هردوکانال Start و Stop یکسان خواهد بود. ضمنا همانطور که می دانیم توان لیزر دریافتی ، با فاصله ، نسبت عکس و با توان پالس لیزر پرتاب شده ، نسبت مستقیم دارد.

 

          2-5-3- مبدل زمان به دیجیتال (TDC  ) :

TDC یکی از اصلی ترین ومهمترین بخشهای یک فاصله سنج لیزری است که وظیفه آن تبدیل زمان رفت و برگشت نور لیزر به یک کلمه دیجیتال می باشد . در واقع در ورودی یک واحد TDC پالسی را داریم که با رسیدن فرمان Start، به سطح یک منطقی می رود و پس از گذشت زمان و با رسیدن فرمان Stop ، دوباره صفر میشود .در خروجی نیز یک رشته دیجیتال متناسب با زمان یک بودن پالس ورودی داریم.

از بین قسمتهای مختلف فاصله سنج لیزری تعیین کننده ترین قسمت در مورد دقت دستگاه، واحد TDC می باشد . در ادامه پیاده سازی این واحد به سه روش مورد بررسی قرار می گیرد:

 

          2-5-3-1- استفاده از شمارنده های معمولی بدون پردازش دیجیتال:

استفاده از این روش گرچه ارزان و ساده است ولی دقت آن برای فواصل کم به هیچ وجه قابل قبول نیست.مسافت مورد نظر طبق فرمول زیر محاسبه می شود:

 

 

 N تعداد کلاک پالسهای شمرده شده توسط کانت ، f فرکانس کلاک پالس مرجع ، t زمان رفت و برگشت پالس لیزر ، d فاسله متر لیزری تا هدف و c سرعت نور می باشد .

          2-3-5-2- ساخت واحد TDC با استفاده از درون یابی :

در این قسمت قصد داریم، یک واحد TDC بسازیم که با فرکانس ساعت پایین تر کار کند و در عین حال دارای توانایی بالایی باشد. کارکرد اصلی روش در شکل زیر توضیح داده شده است.

 

 

6-چگونگی اصول کارکرد TCD

 

 فاصله زمانی Tin از لبه بالا رونده پالس Start تا لبه بالارونده پالس Stop در 3 مرحله به دیجیتال تبدیل می شود. قسمت اصلی یعنی T12 بطور سنکرون با کلاک سیستم م ی باشد و می توان با شمردن کلاک پالس ها با دوره تناوب TCLKزمان آنرا محاسبه کرد.سپس قسمت های جزئی T1 و T2 بطور مجزا به یک واحد درون یاب n بیتی اعمال می شوند . در واقع این قسمت از انداز ه گیری بصورت آسنکرون می باشد. چراکه دیگر بطور مستقیم از شمارش کلاک پالس مرجع سیستم حاصل نمی گردد . از  لحاظ تئوری ، بدترین حالت دقتِ تک پرتو در حالت اندازه گیری آسنکرون برابر  0.5 می باشد .

 

 

 

 

          3-نتیجه گیری :

با جمع بندی همه مباحث مطرح شده و مقایسه روشهای مورد بحث ، می توان نتیجه گرفت یکی از مهمترین عوامل در انتخاب روش فاصله سنجی از طریق لیزر، فاصله مورد نظر می باشد ، چنانچه فواصل کوچک با دقت بالا مد نظر باشد ، باید از روش مثلث سازی و یا روش تداخل سنجی استفاده شود. برای فواصل میانی می توان از روشهای جابجایی فاز و یا FMCW استفاده کرد و چنانچه فواصل طولانی ( چندصد متر تا چند ده کیلومتر ) مد نظر باشد،از روش زمان پرواز استفاده می نماییم .

/ 0 نظر / 117 بازدید