فاصله یاب لیزری
-
فاصله یاب لیزری (Range finder)
 
دانستن فاصله دقیق هدف برای انجام عملیات بر روی آن بسیار ضروری است و باعث افزایش دقت در هدف گیری می‌شود.
تکنیکهای اندازه‌گیری فاصله برای مشخص کردن مکان، اندازه یا نحوه حرکت هدف بکار می‌روند. تکنیکهای اندازه گیری سه بعدی می‌تواند برای شناسائی هدف، جهت‌گیری آن در فضا و یا محاسبه تعداد اشیاء به کار می‌رود.
روشهای اندازه‌گیری بدون تماس با شیئ عبارتند از آکوستیکی، التراسونیکی، RF، اپتیکی (که شامل روشهای متعددی مانند[1]TOF  میباشد) در تمام این روشها اصل پایه آن است که یک سیگنال به طرف هدف رفته و بعد از بازگشت با استفاده از خصوصیات پرتوی بازتاب فاصله محاسبه شود. در حال حاضر از لیزرهای دیودی و حالت جامد برای این منظور استفاده می‌شود که بدلیل کوچک و سبک بودن بسیار مناسب هستند.
برای استفاده از لیزر بعنوان سیستم فاصله یاب مشخصه‌های تکفام بودن، واگرائی کم ، پالسهای کوتاه، شدت بالا (درخشندگی) دارای اهمیت خاصی هستند که در ذیل تاثیر هر کدام از آنها بر عملکرد سیستم توضیح داده می‌شود.
در ابتدا نحوه عملکرد سیستم را شرح می‌دهیم:
یک فاصله یاب از 4 بخش تشکیل شده است: چشمه لیزری (فرستنده)، قسمت جمع‌آوری نور برگشتی (گیرنده)، زمان‌سنج و سیستم پردازنده و نمایشگر، سیستم هدف گیری (دوربین و پایه).
یک پرتوی پالس موازی شده از لیزر به سمت هدف ارسال می‌شود هنگام ارسال پرتو قسمتی از آن به یک فوتو دیود برخورد کرده و تبدیل به یک پالس جریان شده که این پالس می‌تواند یک شمارنده زمان الکترونیکی[2] را راه اندازی نماید. یکی از خصوصیات شمارنده زمان این است که می‌تواند شمارش را به محض رسیدن پالس خاتمه دهد بدون توجه به دامنه پالس ورودی، .شمارنده زمان می‌تواند دیجیتال باشد (TDC[3]) مانند یک نوسانگر کوارتز یا آنالوگ (TAC[4]) مانند یک خازن با مقاومت ثابت اما دقت شمارنده های دیجیتالی بیشتر است.
سپس پرتوهای بازتابیده شده از هدف توسط ادوات اپتیکی مناسب جمع آوری می‌شود بدلیل آنکه این پالسهای برگشتی بسیار ضعیف هستند توسط یک [5]PMT یا چند فوتو دیود (بدلیل آنکه از PMT ارزانتر و کم حجم تر هستند)  تقویت شده و جریان حاصل به شمارنده زمان الکترونیکی ارسال می‌شود که باعث اتمام شمارش می‌شود.
 در نهایت مدت زمان اندازه گیری شده به یک پردازنده منتقل شده و حاصلضرب نصف زمان اندازه گیری شده در سرعت نور را بعنوان فاصله تا هدف بر روی نمایشگر نشان می‌دهد. بدلیل ضعیف بودن پرتوهای برگشتی میبایست حتما از فیلترهای مناسب جهت حذف پرتوهای مزاحم و نویز های محیطی استفاده نمود.

 
 
 
پارامترهای کارائی دستگاه:
معمولا خطاهای اندازه گیری بدلیل تغییر در شکل پالس و دامنه ویا بدلیل تاخیرات اپتیکی و الکتریکی سیگنالها اتفاق می‌افتد نویزها می‌توانند باعث این تغییرات شوند. منابع ایجاد نویزها می‌تواند منبع تغذیه لیزر، جریان فوتو دیود، نویزهای کوانتومی، نویزهای بوجود آمده بدلیل تقویت آبشاری الکترونها در تقویت کننده ها و در آخر نویزهای محیطی باشند.
رزولوشن: کمترین تغییر فاصله قابل اندازه گیری که به فاکتورهائی مانند وضوح اپتیکی یا پهنای عقربه نمایشگر (نمایشگرهای عقربه ای) یا تعداد اعداد قابل نمایش در سیستم دیجیتالی و دقت شمارنده و غیره بستگی دارد.
تکرار پذیری: خطای تصادفی اندازه گیری در چندین اندازه گیری برای یک فاصله ثابت.
خطای پیمایش[6]: خطائی که بدلیل تفاوت فاصله های مختلف در اندازه گیری ، جنس هدف و... بوجود می آید.
غیر خطی بودن: خطائی که بدلیل انحراف از خط راست (خط واصل بین اندازه گیرنده و هدف که بر روی زمین قرار گیرد یا بعبارتی فاصله طولی بدون در نظر گرفتن ارتفاع هدف ) در هدف گیری بوجود می‌آید.
صحت: صحت اندازه گیری در برگیرندة تمام خطاهای آماری و غیر آماری مانند کالیبراسیون ،شرایط آب و هوائی مانند رطوبت و دما و ... است.
اما تاثیر هر کدام از ویژگیهای پرتو بر روی عملکرد سیستم بشرح ذیل است:
تکفامی: از آنجا که پرتوهای برگشتی بسیار ضعیف هستند ممکن است پرتوهای موجود در فضا باعث اختلال در محاسبه دقیق فاصله شوند لذا باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد تا فقط به پرتوی لیزر اجازه تقویت داده شود در نتیجه بدلیل تکفام بودن می‌توان فیلتری انتخاب کرد که پهنای طیفی عبور آن بسیار نازک باشد تا شدت حاصل از طول موجهای محیطی نسبت به طول موج لیزر به شدت کاهش یابد.
واگرائی کم: برای مشخص کردن فاصله دقیق هدف باید مطمئن باشیم که پرتوهای گردآوری شده حتما از هدف بازتاب شده اند نه از موانع دیگر این مستلزم آنست که پرتو دقیقا بر روی هدف تابانده شود و تا حد امکان قطر لکه در آن فاصله آن قدر بزرگ نباشد که در مسیر به موانع برخورده و باز گردد.
شدت بالا: برای اندازه گیری اهداف در فاصله زیاد باید شدت پرتو به حدی باشد که نور بازگشتی بتواند توسط قسمت جمع آوری کننده تقویت شود.
پهنای پالس: پهنای زمانی زیاد می‌تواند با تاثیر گذاشتن بر شمارنده زمان باعث خطا در مقدار اندازه گیری شود (البته سرعت فوتو دیود یا دقت شمارنده زمان هم تاثیر گذار است).
در حال حاضر از لیزرهای پالسی Nd:YAG با پهنای پالس حدود 5 تا 15 نانومتر با انرزیهای تا 1 ژول برای اهداف دور (تا حدود30 کیلومتر و خطای 1 متر) استفاده میشود.(Newcon-optik)
برای فواصل نزدیکتر بیشتر از لیزرهای QCW نیمه هادی استفاده می‌شود.
 
 
 

[1] Time-of -flight
[2] Timing discriminator
[3] Time to digital convertor
[4] Time to amplitude convertor
[5] photomultiplier
[6] Walk error
 
1394/9/7