Lidar veikimo principas. Lidars statyba ir kasyba

Studentų tiriamasis darbas (UNIRS) tema:

"Lidar lęšių veidrodinės grandinės"

Sankt Peterburgas

Įvadas

1. Lidaro veikimo principas

2. Lidar prietaisas

3. Lidar lęšių optinės konstrukcijos

3.1 Niutono objektyvas

3.2 Cassegrain objektyvas

3.3 Gregory objektyvas

Išvada

Įvadas

Terminas „lidar“ yra santrumpa iš angliško posakio šviesos identifikavimas, aptikimas ir diapazonas (detection and rangeing using light).

Lidar yra technologija, skirta gauti ir apdoroti informaciją apie tolimus objektus, naudojant aktyvias optines sistemas, kurios naudoja šviesos atspindžio ir sklaidos reiškinius skaidrioje ir permatomoje terpėje.

Kaip prietaisas, lidar yra optinis lokatorius, skirtas nuotoliniam oro ir vandens aplinkos aptikimui. Lidaruose taip pat yra optiniai lokatoriai, leidžiantys nuotoliniu būdu gauti informaciją apie kietus objektus.

Lidarai yra paklausūs ir populiarūs dėl juose naudojamų lazerių privalumų:

Radiacijos darna

· Trumpas spinduliuotės bangos ilgis ir dėl to maži nuostoliai dėl divergencijos

Momentinė spinduliuotės galia

Šių savybių derinys daro lidarą nepakeičiamu atstumu nuo šimtų metrų iki kelių kilometrų.

1. Lidaro veikimo principas

Impulsinė lazerio spinduliuotė siunčiama į atmosferą. Tada, atmosferos išsklaidyta priešinga kryptimi, spinduliuotė surenkama teleskopu ir užfiksuojama fotodetektoriumi, o po to signalai skaitmeninami.

impulsinis lidar teleobjektyvas optinis

„Lidar“ skleidžia greitus, trumpus lazerio šviesos impulsus į objektą (paviršių) iki 150 000 impulsų per sekundę greičiu. Prietaise esantis jutiklis matuoja laiką, reikalingą impulsui sugrįžti. Šviesa sklinda pastoviu ir žinomu greičiu, todėl lidaras gali labai tiksliai apskaičiuoti atstumą tarp jos ir taikinio.

Yra dvi pagrindinės impulsinių lidarų kategorijos: mikroimpulsinės ir didelės energijos sistemos.

Mikroimpulsiniai lidarai veikia naudojant galingesnę kompiuterinę technologiją su didesnėmis skaičiavimo galimybėmis.

Šie lazeriai yra mažesnės galios ir yra klasifikuojami kaip „saugūs akims“, todėl juos galima naudoti be ypatingų atsargumo priemonių arba jų nenaudojant.

Didelės impulsinės energijos lidarai daugiausia naudojami atmosferos tyrimuose, kur jie dažnai naudojami matuojant įvairius atmosferos parametrus, tokius kaip debesų aukštis, sluoksniavimasis ir tankis, debesų dalelių savybės, temperatūra, slėgis, vėjas, drėgmė ir atmosferos dujų koncentracija.

2 . Lidar prietaisas

Dauguma lidarų susideda iš trijų dalių:

· Perduodama dalis

· Priimanti dalis

· Valdymo sistema

Lidaro perduodančioje dalyje (a) yra spinduliuotės šaltinis - lazeris ir optinė sistema išeinančiam lazerio pluoštui formuoti, t.y. valdyti išvesties taško dydį ir spindulio divergenciją.

Daugumoje konstrukcijų spinduolis yra lazeris, generuojantis trumpus didelės momentinės galios šviesos impulsus. Impulsų pasikartojimo dažnis arba moduliavimo dažnis parenkamas taip, kad pauzė tarp dviejų vienas po kito einančių impulsų būtų ne mažesnė nei aptinkamų taikinių (kurie fiziškai gali būti toliau nei numatomas įrenginio diapazonas) reakcijos laikas. Bangos ilgio pasirinkimas priklauso nuo lazerio funkcijos ir įrenginio saugumo bei privatumo reikalavimų; Dažniausiai naudojami Nd:YAG lazeriai ir bangos ilgiai:

1550 nm yra infraraudonoji spinduliuotė, kuri nematoma žmogaus akiai ir tipiniams naktinio matymo prietaisams. Akis nesugeba sufokusuoti šių bangų tinklainės paviršiuje, todėl 1550 bangos trauminis slenkstis yra žymiai didesnis nei trumpesnių bangų. Tačiau akių pažeidimo rizika iš tikrųjų yra didesnė nei matomos šviesos skleidėjų – kadangi akis nereaguoja į infraraudonąją spinduliuotę, neveikia ir natūralus žmogaus apsauginis refleksas.

1064 nm – beveik infraraudonoji spinduliuotė iš neodimio ir iterbio lazerių, akiai nematoma, bet aptinkama naktinio matymo prietaisais

532 nm - žalia spinduliuotė iš neodimio lazerio, efektyviai „pramušanti“ vandens mases

355 nm – šalia ultravioletinių spindulių

Priėmimo dalis (b) susideda iš lęšio (teleskopo), spektrinių ir (arba) erdvinių filtrų, poliarizuojančio elemento ir fotodetektoriaus. Nuo tiriamo objekto atsispindėjusi ir išsklaidyta spinduliuotė sukoncentruojama priimant optiką (teleskopą), o po to praeina per spektro analizatorių. Šis prietaisas skirtas izoliuoti bangų ilgių diapazoną, kuriame atliekami stebėjimai, ir todėl nutraukti foninę spinduliuotę kitais bangos ilgiais. Analizatorius gali būti sudėtingas, kruopščiai sureguliuotas mono- arba polichromatorius, arba siauros juostos filtrų rinkinys, įskaitant lazerio siųstuvo bangos ilgio ribinį filtrą.

Spindulys ir priėmimo blokas gali būti toli vienas nuo kito arba pagaminti į vieną bloką, o tai pastaraisiais metais tapo įprasta. Emiterio ir imtuvo ašys gali būti sujungtos (bendraašė grandinė) arba atskirtos (dviašė grandinė).

Valdymo sistema (-os) atlieka šias užduotis:

* Lidar darbo režimo valdymas;

* Lazerinio zondavimo spinduliuotės dažnio kontrolė;

* Radiacinės energijos matavimas išeinančiame ir priimamame dviejų dažnių lazerio spindulyje abiem dažniais;

* Rezultatų apdorojimas, t.y. gauti atmosferos spektrines charakteristikas, nustatyti priemaišų buvimą ir koncentracijas naudojant kompiuterinėje duomenų bazėje esančius molekulių „spektrinius portretus“;

* Lidar nukreipimo į tiriamą objektą sistemos valdymas.

Atlikdamas tyrimą nusprendžiau atidžiau pažvelgti į įvairiuose lidaruose naudojamus lęšių dizainus.

3 . Lidar lęšių optinės konstrukcijos

Grįžtamasis signalas iš tiriamo objekto turi būti perimtas lidar priimančiojo objektyvo, filtruojamas (erdviniu ir spektriniu) ir nukreipiamas į jautrią fotodetektoriaus sritį. Visa tai turi būti daroma maksimaliai efektyviai, neprarandant objektyvo surinkto naudingo šviesos signalo ir maksimaliai slopinant visus trikdžius, dėl kurių signalas tampa triukšmingas. Atsekime naudingo signalo praėjimą per priimančiąją sistemą ir atskirai apsvarstykime kiekvieną šios sistemos elementą.

Lazeris apšviečia objekto dėmę, kurios dydį lemia spindulio 2 divergencija ir atstumas iki objekto R: D=2Rtg2R. Dalis atsispindėjusios ir atgal išsklaidytos spinduliuotės surenkama lęšiu, kaip parodyta pav.: (lazeris ir priimantis lęšis yra bendraašiai).

Rodomi tik kraštutiniai spindulių spinduliai iš taško taškų, kurie patenka į objektyvą. Dideliais atstumais taško spinduliai yra beveik lygiagrečiai vienas kitam. Objektyvo paskirtis – surinkti pakankamai šviesos iš taško ir projekuoti tašką ant fotodetektoriaus. Todėl pagrindiniai objektyvo parametrai yra šviesos rinkimo sritis, židinio nuotolis ir matymo laukas. Kosminiams lidarams, kai atstumas iki tiriamų atmosferos ar žemės sluoksnių siekia šimtus kilometrų, būtina naudoti didelio skersmens 1...3 m ar net didesnius lęšius, kad būtų surinkta pakankamai šviesos, ypač kai veikiantys Ramano sklaidos arba diferencinės sugerties režimais. Skersmuo d ir židinio nuotolis f" nustato objektyvo diafragmą (santykinę diafragmą d/f"). Kuo sistema ryškesnė, tuo mažesnis jos vaizdo dydis. Objektyvo matymo laukas nustatomas pagal kampą, kuriuo spindulys iš tolimiausio taško taško eina per objektyvo įėjimo vyzdžio centrą (paveiksle). Vaizdo dydis (ne didesnis kaip fotodetektoriaus dydis), ekvivalentinis židinio nuotolis (atsižvelgiant į papildomus atvaizduojančius elementus imtuvo spektriniame bloke) ir matymo lauko kampas yra susiję santykiu 2a = 2f" tg, leidžianti pasirinkti konkrečių grandinių parametrus ir parinkti reikiamus elementus. Daugeliu atvejų taškas projektuojamas ne tiesiai į fotodetektorių, o į lauko diafragmos plokštumą (pirminis vaizdas), o tai riboja lauką. lęšio vaizdas Reguliuodami lauko diafragmos dydį, galite pakeisti į fotodetektorių projektuojamo taško dydį. Kitaip tariant, galite pakeisti matavimų erdvinę skiriamąją gebą Pirminio vaizdo atkūrimas taip pat yra būdas kovoti su objektyvo išsklaidyta šviesa. gautas signalas). Diafragma dažniausiai yra rainelė arba disko pavidalo su skirtingo skersmens skylutėmis.

Kadangi lidar veikia su nutolusiais objektais, objektyvas turi sukurti vaizdą nuo beveik begalybės iki baigtinio atstumo (židinio plokštumoje). Tie. naudojami teleobjektyvai. Optinis teleobjektyvo skaičiavimas atliekamas atsižvelgiant į tai, kad vaizdo kraštų aberacijos neryškumas turi būti minimalus arba priimtinas šviesos praradimo požiūriu (vinjetavimas pagal lauko diafragmą). Tokiose sistemose kaip nuotolio ieškikliai, skaitytuvai, batimetrai objektyvo skersmuo yra mažas – nuo 15 iki 150 mm. Todėl lęšiai dažniausiai yra lęšiai.

Lidaruose naudojami lęšiai:

· Veidrodis (atšvaitai) – naudokite veidrodį kaip šviesą renkantį elementą.

· Veidrodinis lęšis (katadioptrinis) – tiek veidrodžiai, tiek lęšiai naudojami kaip optiniai elementai. Verta paminėti, kad lęšiai savo dydžiu prilygsta pagrindiniam veidrodžiui ir padeda koreguoti jo suformuotą vaizdą.

Veidrodžiai gali būti lengvi, o tai svarbu aviacijai ir ypač kosminėms sistemoms. Veidrodinės sistemos statomos pagal klasikines teleskopų schemas: Newton), Gregory ir Cassegrain. Po pirminio fokusavimo paprastai dedamas objektyvas, o tai reiškia, kad priėmimo sistemoje yra papildomos optikos. Veidrodinės sistemos visada turi centrinį ekranavimą, net ir Niutono konstrukcijoje, kai imtuvas yra ašies židinio taške. Mažiems, kelių lanko sekundžių regėjimo laukams ir mažoms santykinėms diafragmoms (d/f" mažesnė nei 1:10), Niutono schemoje vietoj paraboloido naudojamas rutulys, o tai pageidautina dėl ekonominių priežasčių. Dėl mažų reikalavimų vaizdo kokybė (reikia tik rinkti energiją) Kartais galima pakeisti antrinį hiperbolinį veidrodį sferiniu. Galimi ir pirminio sferinio veidrodžio variantai schemos yra naudingos erdviniams lidarams su dideliais teleskopais.

Santykinės lazerio ir priimančiojo teleskopo padėties parinktys:

Pirmoje schemoje optinėms ašims išlyginti naudojamas įstrižainio plokščio veidrodžio galinis paviršius. Antroje schemoje priimamasis teleskopas naudojamas ir kaip formuojantis teleskopas, kuriam keliami griežtesni jo kokybės reikalavimai (kitaip lazerio spindulys labai skirsis). Be to, dėl sijų skirstytuvo naudojimo neišvengiami nuostoliai. Trečiojoje konstrukcijoje naudojamos skylės pirminiuose ir įstrižiniuose (arba antriniuose) veidrodžiuose. Centrinės zonos visada neveikia. Taip pat naudojamos schemos, kuriose lazerio ir teleskopo ašys nėra sulygiuotos – lygiagrečios arba viena kitai pasvirusios. Tokios schemos neleidžia efektyviausiai panaudoti lazerio spindulio energijos, tačiau leidžia atsikratyti šviesios dėmės ašyje (beveik nulinis matymo laukas), dėl ko imtuvas gali persotinti. Atliekant energijos skaičiavimus, reikia atsižvelgti į Gauso energijos pasiskirstymą lazerio spindulyje.

3.1 Niutono objektyvas

Šią grandinę išrado Izaokas Niutonas 1668 m. Čia pagrindinis (parabolinis) veidrodis nukreipia spinduliuotę į mažą plokščią įstrižą veidrodį, esantį šalia židinio. Jis savo ruožtu nukreipia spinduliuotės spindulį už vamzdžio, kur jis patenka į priėmimo įrenginį.

Ši schema turi minimalų optinių elementų skaičių, todėl lengva reguliuoti, maži veidrodžio apdorojimo reikalavimai ir mažos gamybos sąnaudos. Dėl didelio dydžio pagrindiniam veidrodžiui reikia laiko terminiam stabilizavimui. Taip pat reikia periodiškai reguliuoti veidrodžius, kurie linkę pasimesti transportuojant ir eksploatuojant. Sistema nėra laisva nuo komos aberacijos.

Niutono objektyvas naudojamas daugelyje lidarų, pažvelkime į kai kuriuos iš jų:

1) Daugiabangis Raman lidar MRL-400

Šio lidaro veikimas pagrįstas Ramano šviesos sklaidos reiškiniu (Raman efektas) - neelastingu optinės spinduliuotės sklaida ant medžiagos (kietos, skystos ar dujinės) molekulės, kartu su pastebimu spinduliuotės dažnio pasikeitimu. Išsklaidytos spinduliuotės spektre atsiranda spektrinės linijos, kurios nėra pirminės (žadinančios) šviesos spektre. Pasirodančių linijų skaičių ir vietą lemia medžiagos molekulinė struktūra.

Lazerio spinduliuotė teleskopuojama ne ašies paraboliniu veidrodiniu kolimatoriumi. Lazeris kartu su kolimatoriumi montuojamas ant priimančiojo teleskopo, kuris leidžia atlikti matavimus bet kokiu kampu į horizontą.

MRL-400 lidaro struktūra

Spinduliuotės šaltinis: Quantel Brilliant Nd:YAG lazeris su trečiosios harmonikos generatoriumi

Impulso energija: 300/300/200 mJ – 1064/532/355 nm

Pasikartojimo dažnis: 10Hz

Ne ašies parabolinis veidrodinis kolimatorius su padidinimo koeficientu 5. Dielektrinės veidrodinės dangos užtikrina kolimatoriaus darbą esant 355, 532, 1064 nm bangos ilgiams.

Niutono teleskopas su 400 mm diafragma ir 1200 mm židinio nuotoliu.

2) Daugiabangis aerozolis lidar PL-200

PL-200 lidar struktūra

Spinduliuotės šaltinis: Nd:YAG lazeris su trečiosios harmonikos generatoriumi.

Energija prie 355 nm: 70 mJ

Pasikartojimo dažnis: 25Hz

Sijos divergencija:< 1 мрад

Kolimatorius: Ne ašies parabolinis kolimatorius su dielektrinėmis dangomis ir 5 padidinimo koeficientu yra skirtas vienu metu teleskopuoti skleidžiamus bangos ilgius (1064, 532, 355 nm).

Lidaras naudoja Niutono teleskopą su 300 mm diafragma. Pagrindinis veidrodis yra parabolinis, jo židinio nuotolis yra 970 mm.

3.2 Cassegrain objektyvas

Šią schemą 1672 m. pasiūlė Laurent Cassegrain. Pirminis didesnio skersmens veidrodis (įgaubtas; pradiniame variante parabolinis) atspindi spinduliuotę ant antrinio išgaubto mažesnio skersmens veidrodžio (dažniausiai hiperbolinio). Antrinis veidrodis yra tarp pirminio veidrodžio ir jo židinio, o bendras objektyvo židinio nuotolis yra didesnis nei pirminio. Objektyvas, kurio skersmuo ir židinio nuotolis yra toks pat, turi beveik pusę vamzdžio ilgio ir šiek tiek mažiau ekranavimo nei Gregory. Tradicinį Cassegrain atšvaitą sunku pagaminti (sudėtingi veidrodiniai paviršiai – parabolė, hiperbolė), taip pat turi nepakankamai pakoreguotą komos aberaciją. Paskutinis trūkumas buvo ištaisytas įvairiais Cassegrain schemos pakeitimais.

Iš SLR objektyvų Cassegrain objektyvas yra populiariausias dėl kompaktiškumo ir ilgo židinio nuotolio derinio.

Panagrinėkime kai kuriuos lidarus, kuriuose naudojamas priėmimo teleskopas, pastatytas pagal Cassegrain schemą:

1) Stacionarus lidar kompleksas MVL-60

Daugiabangis lidaras MVL-60 skirtas operacinei nuotolinei atmosferos aerozolių ir debesų formacijų charakteristikų analizei atmosferoje, naudojant lazerį, veikiantį 1064 (IR), 532 (žalias) ir 355 (UV) nm bangų ilgiais.

Lidar priėmimo antena yra teleskopas, dažniausiai veidrodinis, paprastai pastatytas pagal Niutono arba Cassegrain schemą. Abi šios schemos yra įgyvendintos MVL-60 lidar teleskope, kurio pagrindinis parabolinis veidrodžio skersmuo yra 60 cm.

Dirbant kaip lidaro priėmimo antena teleskope, įgyvendinama Cassegrain schema, kai gautas atsispindėjęs lazerio signalas pirmiausia patenka į pagrindinį parabolinį veidrodį, tada į antrinį hiperbolinį veidrodį, o tada per parabolinio veidrodžio centre esančią skylę į analizatoriaus blokas, kur vėliau nukreipiamas į skirtingus fotodetektorius ir registruojamas kompiuteriu.

Veikdamas kaip įprastas astronominis instrumentas, teleskopas įgyvendina Niutono schemą: ant pagrindinio parabolinio veidrodžio optinės ašies įkišamas plokščias veidrodis, kurio pagalba pagrindinio veidrodžio gaunamas vaizdas atvaizduojamas 90 laipsnių kampu. išilgai teleskopo sukimosi ašies. Šiame Niutono fokusavime galite įdėti okuliarą arba vaizdo kamerą ir gauti objektų vaizdus žvaigždėtame danguje.

2) Kelių bangų ilgio lidaras su Ramano kanalais

Impulsų skleidėjas: Nd:YAG lazeris

Bangos ilgis: 1064, 532 ir 355 nm

Impulso energija: 100/55/30 mJ

Impulso trukmė: 10 ns

Impulsų dažnis: 10 Hz

Lazerio spindulio skersmuo (prailgintas): 50 mm

Lazerio divergencija: 0,3 mrad

Teleskopas (skersmuo): Cassegrain, 300 mm pagrindinis veidrodis

Radiacijos priėmimo kampas: 0,6 - 5 mrad

Elastinės sklaidos bangos ilgiai: 1064, 532, 532 depoliarizacija ir 355 nm

Ramano bangos ilgiai: 387, 407, 607 nm

3 . 3 Gregory Lensas

Šią grandinę išrado James Gregory 1663 m. Grigaliaus sistemoje spinduliuotė iš pagrindinio įgaubto parabolinio veidrodžio nukreipiama į nedidelį įgaubtą elipsinį veidrodį, kuris atspindi spindulį į fotodetektorių, įtaisytą centrinėje pagrindinio veidrodžio angoje. Antrinio veidrodžio buvimas pailgina židinio nuotolį ir taip leidžia naudoti didelį padidinimą.

Priėmimo teleskopo, pastatyto pagal Gregorio schemą, dydis yra didesnis nei Niutono teleskopas ir beveik dvigubai didesnis už Cassegrain objektyvą, o tai padidina ekranavimą, apsunkina reguliavimą ir jo saugumą, transportavimą ir veikimą apskritai.

Ši schema nebuvo tokia plačiai paplitusi kaip Niutono ir Cassegrain schemos, nes, esant vienodoms aplinkybėms, jos trūkumai yra reikšmingesni ir naudojama kai kuriais konkrečiais atvejais.

Išvada

Tyrinėdamas lidaruose naudojamus veidrodinius lęšius ir lygindamas įvairias schemas tarpusavyje, padariau tokią išvadą:

Veidrodiniai lęšiai turi keletą privalumų (palyginti su objektyvais):

* Didelė diafragma ir skiriamoji geba

* Veidrodžiuose nėra chromatinių aberacijų

* Didelis šviesos pralaidumas

* Su gana paprasta veidrodžių sistemų konstrukcija galima gauti gana tobulą sferinės aberacijos korekciją

* Veidrodinėse sistemose nėra laužiančių paviršių, todėl jas patogu naudoti IR ir UV spektro srityse

Tačiau be privalumų, veidrodiniai lęšiai turi ir trūkumų:

* Sunkumai gaminant ir valdant asferinius veidrodinius paviršius

* Sunkumai reguliuojant veidrodžių sistemas

* Sunkumai, susiję su didelių veidrodžių naudojimu (oro sąlygų įtaka, terminio stabilizavimo poreikis)

* Veidrodinės sistemos, kaip taisyklė, turi didelę komą, kuri sumažina naudingą sistemos lauką. Šis trūkumas pašalinamas naudojant veidrodinio lęšio grandines.

Panašūs dokumentai

Prizminis monokuliaras: koncepcija, paskirtis, dizaino ypatybės. O. Malafejevo monokuliarų su prizminėmis sistemomis optinio dizaino svarstymas, pagrindiniai elementai: objektyvas, okuliaras. Okuliaro su prizme aberacijos skaičiavimo etapai atvirkštiniame spindulių kelyje.

kursinis darbas, pridėtas 2013-01-18

Prietaiso optinės sistemos matmenų skaičiavimas. Mikroskopo komponentų pagrindimas. Optinių lęšių sistemos tyrimas kompiuteriu. Projektavimo parametrų skaičiavimas. Skaitmeninė objektyvo diafragma erdvėje. Huygens okuliaro optiniai parametrai.

kursinis darbas, pridėtas 2012-03-19

Kamera kaip optinis įrenginys. Fotografinio objektyvo židinio nuotolis. Fotografinio objektyvo matymo laukas. Objektyvo diafragma. Antirefleksinės dangos. Standartinė santykinių skylių eilutė. Fotografijos objektyvo skiriamoji geba ir hiperfokalinis atstumas.

pristatymas, pridėtas 2015-01-30

Optinių prietaisų rinkos įvairovė. Vaizdo kontrasto metodai. Skaidrės ir dengiamieji stikleliai. Objektyvo apsaugos įtaisai. Prizmių ir veidrodžių sistema. Skaičiavimo kameros ir matavimo prietaisai. Šiuolaikiniai tiesioginiai metalurginiai mikroskopai.

santrauka, pridėta 2014-11-27

Ideali optinė sistema. Prizmų skaičiavimas, okuliaro pasirinkimas. Ašimetrinė ir erdvinė optinė sistema. Projektavimo parametrai, objektyvo ir prizmės aberacija. Monokuliarinių aberacijų skaičiavimas. Tinklo piešinio išleidimas. Daiktų erdvės triora.

testas, pridėtas 2013-10-02

Šviesos mikroskopų tipai, jų įranga. Mikroskopo naudojimo ir priežiūros taisyklės. Optiniuose prietaisuose naudojamų lęšių klasifikacija. Šviesos mikroskopų panardinimo sistemos ir skaičiavimo kameros. Vaizdo kontrasto metodai.

santrauka, pridėta 2014-10-06

Elektros inžinerijos vaidmuo plėtojant laivų statybą. Asinchroninio variklio su voverės narvelio rotoriumi valdymo funkcinė schema. Ventiliatoriaus elektros grandinės veikimo principas. Elektros grandinių įrengimo technologija, naudojamos medžiagos ir įrankiai.

kursinis darbas, pridėtas 2009-12-12

Dujomis užpildyto impulsinės įtampos generatoriaus, surinkto pagal Arkadjevo-Mrakso grandinę, pagrindinių grandinių teorinė analizė. GIN iškrovos grandinės ir iškrovos grandinės aperiodiškumo apskaičiavimas. GIN srovės ir įtampos matavimas. Dizainas.

kursinis darbas, pridėtas 2011-04-19

Įtampos impulsų generatoriaus grandinės parinkimas ir bendras projektinis išdėstymas. Generatoriaus iškrovos grandinės, išlydžio, priekinės ir amortizacinės varžos, impulsinio bandymo įrenginio jungiklių skaičiavimas. Įrenginio valdymo schemos sukūrimas.

kursinis darbas, pridėtas 2012-11-29

Elektrooptinių keitiklių, kaip prietaisų, paverčiančių elektroninius signalus į optinę spinduliuotę arba į žmogaus suvokimui prieinamą vaizdą, samprata ir praktinio panaudojimo sritys. Struktūra, tikslai ir uždaviniai, veikimo principas.

Ar reikia dokumentuoti naktinio eismo įvykio aplinkybes? Kuriate drėkinimo sistemas sausose vietose? Arba tyrinėti galimas archeologines vietas, paslėptas miško ar kitų objektų? Tradiciniai 3D matavimo ir geoerdvinių duomenų gavimo metodai yra daug laiko ir brangūs. Tačiau dabar tokiems tikslams yra veiksmingesnių ir greitesnių sprendimų.

LiDAR (Šviesos aptikimas ir atstumas) yra nuotolinio stebėjimo technologija, kuri naudoja greitus lazerio impulsus reljefo modeliui sukurti. LiDAR puikiai tinka, kai reikia sukurti didelės raiškos skaitmeninius žemės paviršiaus žemėlapius įvairiems tikslams. Anksčiau organizacijos buvo priverstos naudoti atskiras sistemas su savo ypatybėmis kiekvienam atvejui.

Dabar jie turi galimybę naudoti LiDAR sistemą, sumontuotą ant dronų, kad būtų sukurtas vienas 3D žemėlapių sudarymo įrenginys. „ScanLook A-Series LiDAR“ sistema įdiegta „DJI Matrice 600“ skraidančioje platformoje, kuri suteikia efektyvų, universalų ir tikslų 3D jutimo sprendimą, pagrįstą nepilotuojama technologija.

LiDAR ir dronų praktinio pritaikymo pavyzdžiai

Kraštovaizdžio modeliavimas

Paprasčiausias pavyzdys, kai naujos technologijos gali žymiai palengvinti ir dar labiau efektyvinti darbą, yra šiukšlių ir purvo išvalymas. Žinoma, kad dažniausiai atsiskaitoma už kvadratinį metrą, tačiau skaičiavimai ne visada būna tikslūs, ypač jei teritorijoje yra daug šiukšlių, lapų, auga krūmai ir medžiai. LiDAR leidžia žymiai sutaupyti, palyginti su antžeminiais tyrimo metodais.

LiDAR žymiai sumažina įvairių rūšių reljefo tyrimo metodų išlaidas. Naudodamas nuotolinį įvairių tipų objektų, įskaitant žolę, lapus ar medžius, aptikimą, LiDAR gali nustatyti jų padėtį, judėjimo greitį (judančių objektų atveju) ir kitas charakteristikas. Tam naudojamas pulsuojantis lazerio spindulys, kuris atsispindi nuo objektų paviršiaus. Šio proceso rezultatas yra kraštovaizdžio topografinių kontūrų 3D modelis, su kuriuo vartotojai gali dirbti. Jei prie tyrimo procedūros prijungsite droną Matrice 600 su ScanLock, skenavimas vyks daugiau nei 4 tūkstančių kvadratinių metrų greičiu. m per minutę. Dabar įsivaizduokite, kiek darbo galima padaryti per 20 minučių skrydžio?

Avarinių situacijų ir avarijų dokumentavimas

LiDAR yra aktyvi sistema, kuri naudoja ultravioletinę ir artimą infraraudonąją šviesą norimų objektų vaizdams sukurti. Tai svarbu, jei aplinkybės neleidžia naudoti išorinio apšvietimo aukštos kokybės žemėlapiams sudaryti. Pavyzdžiui, šio metodo gali prireikti filmuojant naktinės automobilio avarijos aplinkybes. Norėdami tai padaryti, geriausia naudoti „Matrice 600“ droną su „ScanLook“ technologija, kad tiesiogine prasme užfiksuotumėte ir apdorotumėte visą reikiamą vaizdinę informaciją per vieną skrydį virš avarijos vietos.

Kadangi siūlomas sprendimas yra pagrįstas nepilotuojama technologija, vartotojai beveik iš karto gauna tikslią informaciją, paremtą vaizdinėmis detalėmis. Visa tai vėliau gali būti panaudota kaip įrodymas teisminiuose procesuose. Be to, didelis patikrinimo greitis naudojant skenavimą iš oro padeda greitai pradėti sužeistųjų ar žuvusių žmonių, apgadintų transporto priemonių evakuacijos procesą, taip pat greitai pradėti valyti teritoriją. Tokiu būdu per gana trumpą laiką galite išvalyti važiuojamąją dalį automobiliams, o tai ypač svarbu judriuose keliuose, o taip pat sutaupyti nemažai pinigų visuose darbų etapuose.

Žemės ūkio ir kraštovaizdžio planavimas

Kitas sėkmingo naujų 3D kartografavimo technologijų taikymo pavyzdys – dideli ūkiai, kuriuose būtina sukurti efektyvią laistymo sistemą. Pavyzdžiui, didelėse ryžių plantacijose ūkininkai turi sukurti vandeniui atsparius pylimus. Tam reikia tiksliai žinoti topografiją ir dirvožemio savybes. Priešingu atveju visa kuriama sistema gali pasirodyti neveiksminga ir nenaudinga. Ir vėlgi optimalus sprendimas – dronas Matrice 600 su jame įdiegta ScanLock technologija. Duomenų rinkimas vyks 183 metrų greičiu. Darbo su vienu dideliu lauku procesas neužims daug laiko. Tuo pačiu metu nereikia laukti, kol dirbami laukai išdžius, kad juose būtų galima panaudoti tinkamą duomenų rinkimo įrangą.

archeologija

Kai tradiciniai didelių, istoriškai vertingų kraštovaizdžių tyrimo metodai pareikalavo daug metų darbo, LiDAR technologija dabar gali būti naudojama 3D žemėlapių sudarymo procesui užbaigti per kelias minutes. Vėlgi, geriausias variantas tokiai procedūrai būtų „ScanLock“ įdiegimas „Matrice 600“ drone ir ištisi senoviniai miestai bus atrasti per trumpiausią įmanomą laiką.

Žymos: Lidaras, skleidėjas, signalas, koherentinė, nenuosekli, skenuojanti optika

Lidarai

LIDAR (Light Identification Detection and Ranging) – tai technologija, skirta informacijai apie tolimus objektus gauti ir apdoroti naudojant aktyvias optines sistemas, kurios naudoja šviesos atspindžio ir sklaidos reiškinius skaidrioje ir permatomoje terpėje.

Lidar kaip prietaisas yra aktyvus optinis nuotolio ieškiklis. Lidarų skenavimas kompiuterinio matymo sistemose susidaro dvimatis arba trimatis supančios erdvės vaizdas. "Atmosfera" lidarai gali ne tik nustatyti atstumus iki nepermatomų atspindinčių taikinių, bet ir analizuoti skaidrios terpės, kuri išsklaido šviesą, savybes. Atmosferos lidaro rūšis yra Dopleris lidarai, nustatantys oro srautų judėjimo kryptį ir greitį įvairiuose atmosferos sluoksniuose.

Veikimo principas

Lidaro veikimo principas mažai kuo skiriasi nuo radaro: nukreiptas spinduliuotės šaltinio spindulys atsispindi nuo taikinių, grįžta į šaltinį ir fiksuojamas itin jautriu imtuvu (lidaro atveju – šviesai jautriu puslaidininkiu prietaisas); atsako laikas yra tiesiogiai proporcingas atstumui iki taikinio.

Lidaro veikimo principas yra paprastas. Objektas (paviršius) apšviečiamas trumpu šviesos impulsu, matuojamas laikas, per kurį signalas grįžta į šaltinį. Šviesa sklinda labai greitai – 3∙10 8 m/s. Tačiau jis grįžta su tam tikru vėlavimu, kuris priklauso nuo atstumo iki objekto.

Atstumą, kurį fotonas nukeliauja pakeliui iki objekto ir atgal, galima apskaičiuoti pagal formulę:

L = c ∙ t intervalas 2

Šiam trumpam laiko tarpui išmatuoti reikalinga įranga turi veikti itin greitai.

„Lidar“ skleidžia greitus, trumpus lazerio šviesos impulsus į objektą (paviršių) iki 150 000 impulsų per sekundę greičiu. Prietaise esantis jutiklis matuoja laiką, reikalingą impulsui sugrįžti. Šviesa sklinda pastoviu greičiu, todėl lidaras gali labai tiksliai apskaičiuoti atstumą tarp jos ir taikinio.

Visais atvejais radijo sistema aptinka signalus trukdžių fone. Manoma, kad naudingojo signalo dažnis lygus sistemos rezonansiniam derinimo dažniui ω c = ω 0 . Pradinis etapas yra nulis:

U c t = U cm sin ω 0 t

Signalo ir triukšmo suma:

U sp t = u c t + u p t = U cm + U p1 sin ω 0 t + U p2 cos ω 0 t

Kur U p1 Ir U p2– trukdžių amplitudės.

Nenuoseklus aptikimas (tiesioginio matavimo metodas): atsakas atsiranda į viso svyravimo ir trukdžių amplitudę U spm Signalo perteklius virš triukšmo yra toks: m ng 2 = U cm 2 U p1 2 + U p2 2 = U cm 2 2σ 2 kur σ 2– kiekvienos trukdžių amplitudės sklaida U p1 Ir U p2
Nuoseklus aptikimas: visiškai pašalina trikdžių komponentą, statmeną signalui. Ji numato atsaką tik į svyravimą, lygų signalo amplitudės Ucm ir bendrosios modos trukdžių U p1 komponento sumai. Signalo perteklius virš triukšmo koherentinio aptikimo metu yra santykis m kg 2 = U cm 2 U _ p1 2, kur U _ p1 2 yra bendrojo režimo komponento amplitudės sklaida. Darnios sistemos geriausiai tinka Doplerio arba fazei jautriems matavimams ir paprastai naudoja optinį heterodino aptikimą. Tai leidžia jiems veikti daug mažesne galia, tačiau fotodetektoriaus grandinės konstrukcija yra daug sudėtingesnė.

Yra dvi pagrindinės impulsinių lidarų kategorijos: mikroimpulsinės ir didelės energijos sistemos.

Mikroimpulsiniai lidarai dirbti su galingesnėmis kompiuterinėmis technologijomis su didesnėmis skaičiavimo galimybėmis. Šie lazeriai yra mažesnės galios ir yra klasifikuojami kaip „saugūs akims“, todėl juos galima naudoti be ypatingų atsargumo priemonių arba jų nenaudojant.
Lidarai didelė impulsų energija daugiausia naudojama atmosferos tyrimams, kur jie dažnai naudojami matuojant įvairius atmosferos parametrus, tokius kaip debesų aukštis, sluoksniavimasis ir tankis, debesų dalelių savybės, temperatūra, slėgis, vėjas, drėgmė ir atmosferos dujų koncentracija.

Skirtingai nuo radijo bangų, kurios efektyviai atsispindi tik nuo gana didelių metalinių taikinių, šviesos bangos yra sklaidomos bet kurioje terpėje, įskaitant orą, todėl galima ne tik nustatyti atstumą iki neskaidrių (šviesą atspindinčių) diskrečiųjų taikinių, bet ir fiksuoti šviesos sklaidos intensyvumą skaidrioje aplinkoje. Grįžtantis atspindėtas signalas praeina per tą pačią sklaidos terpę kaip ir spindulys iš šaltinio ir patiria antrinę sklaidą, todėl paskirstytos optinės terpės faktinių parametrų atkūrimas yra gana sudėtingas uždavinys, sprendžiamas tiek analitiniais, tiek euristiniais metodais.

Skleidėjas

1550 nm yra infraraudonoji spinduliuotė, kuri nematoma žmogaus akiai ir tipiniams naktinio matymo prietaisams. Akis negali sufokusuoti šių bangų į tinklainės paviršių, todėl 1550 bangos trauminis slenkstis yra žymiai didesnis nei trumpesnių bangų.
1064 nm – artima infraraudonoji spinduliuotė iš neodimio ir iterbio lazerių, akiai nematoma, bet aptinkama naktinio matymo prietaisais
532 nm - žalia spinduliuotė iš neodimio lazerio, efektyviai „pramušanti“ vandens mases
355 nm – šalia ultravioletinių spindulių

Taip pat vietoj trumpų impulsų galima naudoti nuolatinę kintamosios įtampos spinduliuotės amplitudinę moduliaciją.

Nuskaitymo optika

Paprasčiausios atmosferinės lidar sistemos neturi nukreipimo priemonių ir yra nukreiptos vertikaliai į zenitą.

Norint nuskaityti horizontą vienoje plokštumoje, naudojamos paprastos nuskaitymo galvutės. Juose stacionarus skleidėjas ir imtuvas taip pat nukreipti į zenitą; 45° kampu horizonto ir spinduliuotės linijos atžvilgiu sumontuotas veidrodis, besisukantis aplink spinduliavimo ašį. Aviacijos įrenginiuose, kur reikia skenuoti juostą, statmeną nešančiojo orlaivio skrydžio krypčiai, spinduliavimo ašis yra horizontali. Veidrodį sukančiam varikliui ir gauto signalo apdorojimo priemonėms sinchronizuoti naudojami tikslūs rotoriaus padėties jutikliai, taip pat fiksuotos atskaitos žymės, uždedamos ant skaidraus nuskaitymo galvutės korpuso.

Skenavimas dviem plokštumomis prie šios schemos papildo mechanizmą, kuris su kiekvienu galvos apsisukimu veidrodį sukasi fiksuotu kampu – taip susidaro cilindrinis aplinkinio pasaulio skenavimas. Jei turite pakankamai skaičiavimo galios, galite naudoti tvirtai pritvirtintą veidrodį ir besiskiriančių spindulių spindulį - šioje konstrukcijoje vienas „rėmas“ susidaro vienam galvos apsisukimui.

Signalo priėmimas ir apdorojimas

Priėmimo kelio dinaminis diapazonas vaidina svarbų vaidmenį. Kad imtuvas nebūtų perkrautas intensyviu apšvietimu dėl sklaidos „artimoje zonoje“, ilgo nuotolio sistemose naudojamos didelės spartos mechaninės sklendės, kurios fiziškai blokuoja priėmimo optinį kanalą. Mažo nuotolio įrenginiuose, kurių atsako laikas yra mažesnis nei mikrosekundė, tai neįmanoma.

Dabartinė padėtis ir perspektyvos

Atmosferos tyrimai

Atmosferos tyrimai su stacionariais lidarais yra plačiausiai paplitusi technologijos taikymo sritis. Atmosferos reiškiniams stebėti visame pasaulyje buvo dislokuoti keli nuolatiniai tyrimų tinklai (tarpvalstybiniai ir universitetiniai).

Išankstinis įspėjimas apie miško gaisrus

Ant kalvos (ant kalno ar ant stiebo) pastatytas ir horizontą skenuojantis lidaras geba atskirti gaisrų sukeltas anomalijas ore. Skirtingai nuo pasyviųjų infraraudonųjų spindulių sistemų, kurios atpažįsta tik šilumines anomalijas, lidar aptinka dūmus pagal degimo dalelių sukeltus anomalijas, oro cheminės sudėties ir skaidrumo pokyčius ir kt.

Žemės tyrimai

Statyba ir kasyba

Lidarai, skenuojantys stacionarius objektus (pastatus, miesto peizažus, atviras kasyklas), yra palyginti pigūs: kadangi objektas yra stacionarus, iš signalų apdorojimo sistemos nereikia specialaus veikimo, o pats matavimo ciklas gali užtrukti gana ilgai (minučių). ).

Jūrinė technologija

Jūros gylio matavimas. Šiai užduočiai atlikti naudojamas orlaivio diferencialinis lidaras. Raudonos bangos beveik atsispindi jūros paviršiuje, o žalios bangos dalinai prasiskverbia į vandenį, jame išsisklaido ir atsispindi nuo jūros dugno. Ši technologija civilinėje hidrografijoje dar nebuvo naudojama dėl didelių matavimo paklaidų ir nedidelio išmatuotų gylių diapazono.

Ieškoti žuvies. Panašiomis priemonėmis galima aptikti žuvų būrių požymius paviršiniuose vandens sluoksniuose. Amerikos valstybinės laboratorijos ESRL specialistai tvirtina, kad žuvies paieška lengvaisiais lėktuvais su lidarais yra bent eilės tvarka pigiau nei laivais, kuriuose įrengti echolotai.

Žmonių gelbėjimas jūroje. 1999 m. JAV karinis jūrų laivynas užpatentavo orlaivio lidaro dizainą, naudojamą žmonių ir žmonių kūnų paieškai jūros paviršiuje; Pagrindinė šios plėtros naujovė yra atspindėto signalo optinio maskavimo naudojimas, kuris sumažina trukdžių įtaką.

Išminavimas. Minų aptikimas galimas naudojant tiesiai į vandenį panardintus lidarus (pavyzdžiui, iš plūduro, velkamo laivu ar sraigtasparniu), tačiau tai neturi jokių ypatingų pranašumų, palyginti su aktyviosiomis akustinėmis sistemomis (sonarais).

Transportu

Transporto priemonės greičio aptikimas. Australijoje automobilių greičiui nustatyti naudojami paprasti lidarai – kaip ir policijos radarai. Optinis „radaras“ yra daug kompaktiškesnis nei tradicinis, tačiau mažiau patikimas nustatant šiuolaikinių lengvųjų automobilių greitį: sudėtingų formų nuožulnių plokštumų atspindžiai „supainioja“ lidarą.

Autonominės transporto priemonės. 1987–1995 m. EUREKA Prometheus projektas, Europos Sąjungai kainavęs daugiau nei 1 milijardą dolerių, sukūrė pirmuosius praktinius savaeigių automobilių patobulinimus. Garsiausias prototipas VaMP (sukurtas Miuncheno Bundesvero universiteto) nenaudojo lidarų, nes trūko tuometinių procesorių skaičiavimo galios. Naujausioje jų kūryboje MuCAR-3 (2006 m.) naudojamas vienas 360 laipsnių kampo kampas, sumontuotas aukštai virš transporto priemonės stogo, kartu su į priekį nukreipta multifokaline kamera ir inercine navigacijos sistema.

Pramoniniai ir paslaugų robotai. Artimojo nuotolio mašininio matymo sistemos robotams, pagrįstos IBM skenuojančiu lidaru, sudaro cilindrinį skenavimą, kurio horizonto aprėpties kampas yra 360°, o vertikalus matymo kampas iki +30...-30°. Pats nuotolio ieškiklis, sumontuotas skenuojančios optinės galvutės viduje, veikia nuolat mažos galios spinduliuote, moduliuojama maždaug 10 MHz nešlio dažniu. Atstumas iki taikinių (su 10 MHz nešikliu – ne didesnis kaip 15 m) yra proporcingas fazės poslinkiui tarp etaloninio osciliatoriaus, moduliuojančio šviesos šaltinį, ir atsako signalo.

Ru-Cyrl 18 pamoka Sypachevas S.S. 1989-04-14 [apsaugotas el. paštas] Stepanas Sypačiovas studentai

Vis dar neaišku? – rašykite klausimus į pašto dėžutę

Šiame skyriuje apžvelgsime OEPiS grupę su bendra technologija informacijai apie tolimus objektus gauti ir apdoroti, naudojant aktyvias optines sistemas, kurios naudoja šviesos atspindžio ir sklaidos reiškinius skaidriose ir permatomose terpėse.

Ši optinių instrumentų grupė yra sujungta pavadinimu - Lidaras(transliteracija LIDARAS Anglų Šviesos atpažinimas, aptikimas ir atstumas) .

Nustatytas LIDAR vertimas kaip „lazerinis radaras“ nėra visiškai teisingas, nes pirmoji santrumpa LIDAR pasirodė Middleton ir Spilhaus darbe „Meteorologiniai instrumentai“ 1953 m., Dar gerokai prieš lazerių išradimą. Pirmieji lidarai kaip šviesos šaltinius naudojo paprastas arba blykstes lempas su greitaeigėmis langinėmis, kurios generuodavo trumpą impulsą. Šiuolaikinėse trumpojo nuotolio sistemose (pavyzdžiui, skirtose naudoti patalpose) vietoj lazerių naudojami įprasti šviesos diodai. Tačiau būtent lazerio naudojimas (dėl jo savybių: koherencijos, didelio tankio ir spinduliuotės galios) leido sukurti prietaisus, kurių atstumas nuo šimtų metrų iki šimtų kilometrų.

Pirmieji 2,5 W spinduliavimo galios ir 200–9995 m išmatuotų atstumų diapazono dėvimo lazerinio nuotolio ieškiklio XM-23 lauko bandymai buvo atlikti 1963 m. Tuo pat metu, septintojo dešimtmečio pirmoje pusėje, buvo pradėti eksperimentai dėl lidaro panaudojimo su lazeriniais spinduliais atmosferos tyrimams. 1969 metais atstumas nuo Žemės iki Mėnulio buvo matuojamas lazeriniu tolimačiu ir taikiniu, sumontuotu ant Apollo 11. Keturi taikiniai, kuriuos į Mėnulį atgabeno trys „Apollos“ ir „Lunokhod 2“, iki šiol naudojami Mėnulio orbitai stebėti. Aštuntajame dešimtmetyje, viena vertus, buvo tobulinama lazerinių tolimačių ir kompaktiškų puslaidininkinių lazerių technologija, kita vertus, buvo pradėti lazerio spindulio sklaidos atmosferoje tyrimai.

Šios optinių įrenginių grupės svarstymą pradėkime nuo paprasčiausio atstovo – lazerinio nuotolio ieškiklio. Veikimo principas pagrįstas elektromagnetinės spinduliuotės gebėjimu sklisti pastoviu greičiu, todėl galima nustatyti atstumą iki objekto. Taigi, naudojant impulsų diapazono metodą, naudojamas toks ryšys:

čia R – atstumas iki objekto, c – šviesos greitis vakuume, n – terpės, kurioje sklinda spinduliuotė, lūžio rodiklis, t – laikas, per kurį impulsas nukeliauja iki taikinio ir atgal.

132 pav. Lazerinio nuotolio ieškiklio veikimo principas.

Atsižvelgus į šį ryšį, matyti, kad potencialų diapazono matavimo tikslumą lemia laiko, kurio energijos impulsas nukeliauja iki objekto ir atgal, matavimo tikslumas. Akivaizdu, kad kuo trumpesnis impulsas, tuo geriau. Atstumo tarp nuotolio ieškiklio ir taikinio nustatymo užduotis yra išmatuoti atitinkamą laiko intervalą tarp zondavimo signalo ir signalo, atsispindinčio nuo taikinio. Priklausomai nuo nuotolio ieškiklyje naudojamo lazerio spinduliuotės moduliavimo tipo, yra trys diapazono matavimo metodai: impulsinis, fazinis arba impulsinis.
Esmė pulso diapazono nustatymo metodas susideda iš zondavimo impulso siuntimo į objektą, kuris taip pat suaktyvina laiko skaitiklį nuotolio ieškiklyje. Kai objekto atspindėtas impulsas pasiekia nuotolio ieškiklį, jis sustabdo skaitiklį. Remiantis laiko intervalu (atspindimojo impulso uždelsimu), nustatomas atstumas iki objekto.
At fazių diapazono nustatymo metodas lazerio spinduliuotė moduliuojama pagal sinusoidinį dėsnį, naudojant moduliatorių (elektro-optinį kristalą, kuris keičia savo parametrus veikiant elektriniam signalui). Paprastai naudojamas sinusinis signalas, kurio dažnis yra 10...150 MHz (matavimo dažnis). Atsispindėjusi spinduliuotė patenka į priėmimo optiką ir fotodetektorių, kur išleidžiamas moduliuojantis signalas. Priklausomai nuo atstumo iki objekto, atspindėto signalo fazė keičiasi, palyginti su signalo faze moduliatoriuje. Matuojant fazių skirtumą, nustatomas atstumas iki objekto.
Bendra paprasčiausio lidaro blokinė schema parodyta 133 paveiksle ir yra panaši į naktinio matymo prietaisą šiuolaikinėje karinėje technikoje jie netgi derinami.

133 pav. Bendra paprasčiausio lidaro blokinė schema (1 lazeris, 2 objektai, 3 imtuvų blokas, 4 optinės sistemos POI (teleskopinė sistema), 5-POI, 7 apdorojimo ir analizės blokas, 7 informacijos išvesties blokas , 8 - lazerinis valdymo blokas.

134 paveiksle pavaizduotas modernus rusiškas lazerinis nuotolio ieškiklis „Sazhen-TM-D“, naudojamas nustatyti atstumą iki erdvėlaivio, turinčio lazerinius retroreflektorius, ir matuoti erdvėlaivio kampines koordinates naudojant atspindėtą saulės spinduliuotę, kad būtų galima apskaičiuoti didelio tikslumo erdvėlaivio judėjimo parametrus. taip pat gauti fotometrinę informaciją matomų bangų ilgių diapazone.

134 pav. Tolimatis "Sazhen-TM-D"

Būtent atmosferos aerozolio lazerio spinduliuotės sklaidos intensyvumo matavimas davė antrą stiprų postūmį tolesnei plėtrai. Lidaras siunčia trumpą šviesos impulsą į atmosferą ir gauna atgalinės sklaidos signalą. Šviesos sklaida atmosferoje vyksta tiek oro molekulėmis (Rayleigh sklaida), tiek aerozolio dalelėmis. Taigi, aerozolio buvimas atmosferoje padidina atgalinės sklaidos signalą, palyginti su skaidria atmosfera, o aerozolio koncentraciją galima nustatyti kaip atstumo ir signalo intensyvumo prieš skaidrią atmosferą funkciją. Nepaisant to, kad aerozoliai sudaro ne daugiau kaip 10% visos antropogeninių atmosferos teršalų masės, galima žala dėl tokio tipo teršalų, kurie, kaip taisyklė, yra stiprūs toksiški, yra žymiai didesnis. „Atmosferiniai“ lidarai galintis ne tik nustatyti atstumus iki nepermatomų atspindinčių taikinių, bet ir analizuoti skaidrios terpės, kuri išsklaido šviesą, savybes. Atmosferos lidaro rūšis yra Doplerio lidarai, kurios lemia oro srautų judėjimo kryptį ir greitį įvairiuose atmosferos sluoksniuose.

Fizinius atmosferinių lidarų veikimo principus išsamiai aptarėme IR dujų analizatorių skyriuje. Čia mes sutelksime dėmesį į tokio tipo lidarų dizaino ypatybes. Kaip pavyzdį panagrinėkime šiuolaikinę kelių bangų ilgio lazerinės pavojingos atmosferos taršos nuotolinės analizės techniką. Ypatumas yra tas, kad lazeriniai šaltiniai gali vienu metu generuoti spinduliuotę keliais bangos ilgiais viena kryptimi. Tai leidžia:
aptikti ir išmatuoti kelių pavojingų priemaišų komponentų (iki 6) koncentracijas vienu metu realiu laiku;
žymiai padidinti pavojingų priemaišų koncentracijos matavimo tikslumą, sumažinant laikinų gaunamo signalo svyravimų dėl atmosferos turbulencijos įtaką.

Kelių bangų ilgio lidaruose kaip pagrindinės lazerinės sistemos naudojami periodiniai impulsiniai CO 2 ir CO 2 molekulės izotopų lazeriai (diapazonas 9–11 µm), o jų antroji (diapazonas 4,5–5,5 µm) ir trečioji (diapazonas 3,0). Taip pat gali būti naudojamos -3,4 µm) harmonikos, gautos konvertuojant pagrindinių lazerių spinduliuotės dažnį netiesiniuose kristaluose, tokiuose kaip AgGaSe 2 arba ZnGeP 2, kurių konversijos efektyvumas yra 5–10%. Esminis skirtumas nuo šiuo metu naudojamų standartinių diferencinės lazerinės dujų analizės schemų, kuriose nustatyti oro komponentai aptinkami vienas po kito, kelių bangų ilgių lazerinėse sistemose juos galima nustatyti beveik vienu metu, nes vienu metu generuojamas analitinių bangų ilgių rinkinys. ir jų vienalaikis aptikimas, praeinant per atmosferos tūrį, kai padidėja kelių pavojingų dujinių medžiagų koncentracija.

Lidaro, pagrįsto kelių bangų ilgio amoniako lazeriu, panaudojimo atmosferos stebėjimui schema parodyta 135 pav. Daugiabangio lidaro ir jo pagrindinės optinės konstrukcijos blokinė schema parodyta 136 ir 137 paveiksluose.

135 pav. Kelių bangų ilgio lidar taikymo schema

136 pav. Blokas – daugiabangio lidaro schema

137 pav. Kelių bangų ilgio lidaro scheminė optinė diagrama
(M – veidrodžiai)

Daugiabangis dujų analizatorius (atstumas iki 10 km), naudojant naujausius nuotolinio stebėjimo metodus, gali būti efektyviai naudojamas įvairiose gamybos ir gyvavimo srityse: stebint atmosferos emisijas šalia pavojingų cheminių medžiagų gamybos įrenginių;
dujų ir/ar nuotėkių kontrolė branduolinio kuro ciklo įmonėse;
identifikuoti priešavarines situacijas, stebėti situaciją dėl oro taršos avarinių situacijų metu;
svarbių objektų – valdžios pastatų, karinių objektų, atominių elektrinių ir kt.
trečiųjų šalių branduolinės pramonės objektų dujų išmetimo nuotolinis stebėjimas (pavyzdžiui, iš orlaivio ar nepilotuojamo palydovo), siekiant juos identifikuoti, taigi, nustatyti šių šalių gebėjimą gaminti branduolinius ginklus;
toksiškų debesų plitimo atmosferoje dinamikos nustatymas didelio masto avarijų metu;

138 paveiksle pavaizduotas LSA-2c dviejų bangų lidaras ir 4P vienos bangos lidaras, skirtas atmosferos aerozoliams ir debesims garsinti.

Jie turi tuos pačius pagrindinius lidarų charakteristikų blokus:
- lazerinis siųstuvas;
-perdavimo optinė sistema;
- priėmimo optinė sistema;
-spektrinės analizės ir įrašymo įrenginys (PMT, CCD kamera, lavinos fotodiodas);
- signalų apdorojimo blokas;
-Valdymo blokas;
- gautos informacijos rodymo sistema.

138 pav. Dviejų bangų lidaras LSA-2s ir vienos bangos lidaras 4P.

Kaip jau minėjome, pagrindinis lidarų skleidėjas yra lazeris, generuojantis trumpus didelės momentinės galios šviesos impulsus. Impulsų pasikartojimo dažnis arba moduliavimo dažnis parenkamas taip, kad pauzė tarp dviejų vienas po kito einančių impulsų būtų ne mažesnė nei aptinkamų taikinių (kurie fiziškai gali būti toliau nei numatomas įrenginio diapazonas) reakcijos laikas. Bangos ilgio pasirinkimas priklauso nuo lazerio funkcijos ir įrenginio saugumo bei privatumo reikalavimų; Dažniausiai naudojami Nd:YAG lazeriai ir bangos ilgiai (nanometrais):

§ 1550 nm – infraraudonoji spinduliuotė, nematoma žmogaus akiai ir tipiški naktinio matymo prietaisai. Akis nesugeba sufokusuoti šių bangų tinklainės paviršiuje, todėl 1550 bangos trauminis slenkstis yra žymiai didesnis nei trumpesnių bangų. Tačiau akių pažeidimo rizika iš tikrųjų yra didesnė nei matomos šviesos skleidėjų – kadangi akis nereaguoja į infraraudonąją spinduliuotę, neveikia ir natūralus žmogaus apsauginis refleksas.

§ 1064 nm – artima infraraudonoji spinduliuotė iš neodimio ir iterbio lazerių, akiai nematoma, bet aptinkama naktinio matymo prietaisais

§ 532 nm - žalia spinduliuotė iš neodimio lazerio, efektyviai „pramušanti“ vandens mases

§ 355 nm – šalia ultravioletinių spindulių

Problemos, išspręstos naudojant Lidars:

Atmosferos tyrimai

Atmosferos tyrimai su stacionariais lidarais išlieka viešiausia technologijos taikymo sritis. Atmosferos reiškiniams stebėti visame pasaulyje buvo dislokuoti keli nuolatiniai tyrimų tinklai (tarpvalstybiniai ir universitetiniai).

· Oro srautų greičio ir krypties matavimas.

Teorinis antžeminio Doplerio lidaro naudojimo tokiems matavimams pagrindimas buvo pateiktas dar devintajame dešimtmetyje. Veikimo principas pagrįstas Doplerio efekto panaudojimu, pagal kurį nuo taikinio atsispindinčio gaunamo signalo dažnis gali skirtis nuo skleidžiamo signalo dažnio, o skirtumas priklauso nuo objektų greičių santykio su vienas kitą. 2001 m. Alcatel pasiūlė palydovuose įrengti lidarus, kad orbitoje esantis palydovų „žvaigždynas“ galėtų sekti oro masių judėjimą visame žemyne, o galbūt ir visoje Žemėje.

· Atmosferos temperatūros matavimas. Buvo sukurti ir praktiškai įgyvendinti keli pagrindiniai temperatūros profilių matavimo metodai.

Pirmuoju metodu Naudojama šarminių metalų atomų, ypač natrio, kalio ir geležies, rezonansinė sklaida. Metalo atomų debesys yra 85–100 km aukštyje. Temperatūra matuojama Doplerio metodu išplečiant rezonanso linijas, naudojant siauros juostos derinamą lazerį. Pirmieji matavimai buvo atlikti naudojant dirbtinius natrio debesis, kuriuos į atmosferą išmetė raketos. Nors metodas apsiriboja aukščių diapazonu, kuriame yra metalo atomai, išsklaidytas signalas yra gana didelis, todėl temperatūrą galima išmatuoti 1,5 ˚K tikslumu.

Antrasis metodas- Rayleigh sklaidos metodas (Rayleigh lidar), pagrįstas nerezonansine šviesos sklaida ant oro molekulių. Pirmą kartą jis buvo panaudotas 1953 m. atliekant eksperimentus su atmosferos prožektoriumi. Metodo esmė yra tokia. Jei aerozolio sklaidos nėra, tai atgalinio sklaidos signalo galia yra tiesiogiai proporcinga oro tankiui, iš kurio galima apskaičiuoti temperatūrą. Oro retėjimas su aukščiu leidžia naudoti Rayleigh sklaidos metodą ne didesniame kaip 90 km aukštyje. Apatinė matavimo aukščio riba (apie 20-30 km) yra dėl to, kad ribiniame sluoksnyje yra daug aerozolio, kuris žymiai padidina sklaidą, tačiau praktiškai neturi įtakos oro tankiui.

Trečias metodas pagrįstas rotaciniu Ramano (Raman) sklaida oro molekulėmis (Raman lidar). Kylant temperatūrai, perėjimų su dideliais kvantiniais skaičiais intensyvumas didėja, o mažus kvantinius skaičius atitinkančių linijų intensyvumas sukimosi Ramano spektre mažėja. Perėjimai su dideliais kvantiniais skaičiais atitinka Ramano spektro linijas, esančias toliau nuo centrinio dažnio. Temperatūra nustatoma naudojant matavimus dviejose spektrinėse srityse su skirtingomis temperatūros priklausomybėmis. Didžiausias zondavimo aukštis apie 30 km, matavimo paklaida mažesnė nei 1 ˚K iki 10 km aukščio. Kadangi imtuve elastinga sklaidos linija yra slopinama, matavimus galima atlikti esant didelei aerozolių koncentracijai.

· Išankstinis įspėjimas apie miškų gaisrus.

· Žemės tyrimai

Užuot montuojant lidarą ant žemės, kur gaunama atsispindėjusi šviesa būtų triukšminga dėl sklaidos užterštuose apatiniuose atmosferos sluoksniuose, į orą arba į orbitą galima pakelti „atmosferinį“ lidarą, kuris žymiai pagerina signalą. triukšmo santykis ir efektyvus sistemos diapazonas. Pirmąjį visavertį orbitinį lidarą į orbitą NASA iškėlė 1994 m. gruodį, vykdydama LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) programą. Dviejų tonų LITE lidaras su metro ilgio veidrodiniu teleskopu, iškeltas į 260 km aukštį, ant žemės „nupiešė“ neryškią 300 m skersmens dėmę, kurios akivaizdžiai nepakako efektyviai atvaizduoti reljefą. buvo išskirtinai „atmosferinė“.

· Kosminė geodezija.

Žemės paviršiaus reljefas nuskaitomas priimtina raiška.

· Aviacijos geodezija.

JAV nacionalinė okeanografijos tarnyba (NOAA) sistemingai taiko Jūros pakrantės topografiniams tyrimams yra skirti aviacijos lidarai.

Ypatinga kryptis, praktikoje naudojama JAV teritorijose, kuriose gali kilti žemės drebėjimų, yra diferencinis aukščių matavimas, siekiant nustatyti vietinius žemės masių judėjimus gedimų srityje. Dar 1996 m. naudojant lidarą buvo aptikta anksčiau nežinoma gedimo zona netoli Sietlo.

Neseniai, naudojant panašų lidarą, Hiustono universiteto mokslininkų grupei Hondūro džiunglėse galėjo pavykti rasti legendinį Auksinį miestą.

139 pav. Anksčiau įslaptintas karinis naudojimas
lazerinio kartografavimo technologija.

· Statyba ir kasyba

Statyba - pastatų matavimai, sienų ir laikančiųjų kolonų plokštumų nuokrypio nuo vertikalės kontrolė (įskaitant dinamiką), sienų ir stiklinimo vibracijų analizė. Duobių matmenys, trimačių statybos aikštelių modelių kūrimas kasimo darbų apimčiai įvertinti.

Architektūra- trimačių urbanistinės aplinkos modelių kūrimas, siekiant įvertinti siūlomų naujų pastatų įtaką miesto išvaizdai.

Jūrinė technologija

Jūros gylio matavimas. Šiai užduočiai atlikti naudojamas orlaivio diferencialinis lidaras. Raudonos bangos beveik visiškai atsispindi jūros paviršiuje, o žalios bangos iš dalies prasiskverbia į vandenį, yra jame išsibarsčiusios ir atsispindi nuo jūros dugno. Ši technologija civilinėje hidrografijoje dar nebuvo naudojama dėl didelių matavimo paklaidų ir nedidelio išmatuotų gylių diapazono.

Ieškoti žuvies. Panašiomis priemonėmis galima aptikti žuvų būrių požymius paviršiniuose vandens sluoksniuose. Amerikos valstybinės laboratorijos ESRL specialistai tvirtina, kad žuvies paieška lengvaisiais lėktuvais su lidarais yra bent eilės tvarka pigiau nei laivais, kuriuose įrengti echolotai.

· Pramoniniai ir paslaugų robotai

Artimojo nuotolio mašininio matymo sistemos robotams, pagrįstos IBM skenuojančiu lidaru, sudaro cilindrinį skenavimą, kurio horizonto aprėpties kampas yra 360°, o vertikalus matymo kampas iki +30...-30

· Karinė technika

Čia lidarai yra plačiausiai naudojami ir atlieka optinio-lokacijos nustatymo, žvalgybos, nukreipimo į taikinį ir kt.

139 pav. Atakos raketų detektorius (AMD), OLS-35 optinės vietos nustatymo stotis

140 pav. Strateginių ginklų bandymų nacionalinės techninės kontrolės priemonės pagal tarptautines sutartis.

4.8 INTERFEROMETRIAI

Interferometrai yra matavimo prietaisai, kurių veikimas pagrįstas trukdžių reiškiniu.

Prietaisų veikimas pagrįstas nuosekliu spinduliuotės pluošto skaidymu (į du ar daugiau koherentinių pluoštų, kurių kiekvienas praeina skirtingais optiniais takais) ir vėlesniu jų papildymu, dėl to susidaro trukdžių raštas, iš kurio susidaro trikdžių raštas. Galima nustatyti sijų fazių poslinkį.

Interferometrai naudojami žvaigždžių kampiniams dydžiams ir kampiniams atstumams tarp žvaigždžių matuoti, dujų ir skysčių lūžio rodikliams, priemaišų koncentracijai ore nustatyti. Interferometrai naudojami optinių dalių ir jų paviršių kokybei kontroliuoti, metalinių paviršių apdirbimo švarai kontroliuoti.

Kadangi interferometrų veikimo principas pagrįstas šviesos trukdžių reiškiniu, šios įrenginių grupės tyrimą pradėsime nuo šio reiškinio tyrimo.

Šviesos trukdžiai – tai šviesos intensyvumo perskirstymas, atsirandantis dėl kelių šviesos bangų superpozicijos (superpozicijos). Šį reiškinį lydi kintantys intensyvumo maksimumai ir minimumai erdvėje. Jo pasiskirstymas vadinamas trukdžių modeliu.

Interferencijos reiškinį pirmą kartą savarankiškai atrado Robertas Boyle'as (1627-1691) ir Robertas Hooke'as (1635-1703). Jie pastebėjo, kad vandens paviršiuje atsiranda įvairiaspalvių plonų plėvelių (interferencinių kraštelių), panašių į alyvos ar benzino dėmes. 1801 m. Thomas Youngas (1773–1829), pristatydamas „superpozicijos principą“, pirmasis paaiškino šviesos trukdžių fenomeną ir sukūrė terminą „interferencija“ (1803). Jis taip pat atliko pirmąjį demonstracinį eksperimentą, siekdamas stebėti šviesos trukdžius, gaudamas trukdžius iš dviejų plyšinių šviesos šaltinių (1802); Jungo patirtis vėliau tapo klasika.

141 pav. Youngo eksperimentas ir trukdžiai plonoje plėvelėje.

Kitas būdas gauti stabilų šviesos interferencijos modelį yra oro tarpų naudojimas, pagrįstas tuo pačiu dviejų bangos dalių kelio skirtumu: viena iš karto atsispindi nuo vidinio lęšio paviršiaus, o kita praeina per oro tarpą. po juo ir tik tada atsispindi. Jį galima gauti uždėjus plokščią išgaubtą lęšį ant stiklo plokštės išgaubta puse žemyn. Kai lęšis apšviečiamas iš viršaus monochromatine šviesa, lęšio ir plokštelės gana glaudaus kontakto vietoje susidaro tamsi dėmė, kurią supa kintantys tamsūs ir šviesūs įvairaus intensyvumo koncentriniai žiedai. Tamsūs žiedai atitinka trukdžių minimumus, o šviesūs – maksimumus, tamsūs ir šviesūs – vienodo storio oro tarpo izoliacijos. Išmatuodami šviesaus arba tamsaus žiedo spindulį ir nustatę jo serijos numerį nuo centro, galite nustatyti monochromatinės šviesos bangos ilgį. Kuo statesnis objektyvo paviršius, ypač arčiau kraštų, tuo mažesnis atstumas tarp gretimų šviesių ar tamsių žiedų. Ši technika naudojama optinėms dalims valdyti.

142 pav. Niutono žiedai

Išanalizavę trukdžių reiškinį, pereikime prie interferometrų konstravimo schemų svarstymo.

Michelsono interferometras yra viena iš labiausiai paplitusių skeleto interferometro schemų, skirta įvairiems pritaikymams tais atvejais, kai erdvinis trikdančias bangas generuojančių objektų išlyginimas neįmanomas arba dėl kokių nors priežasčių nepageidautinas.

143 pav. Michelsono interferometras

Michelsono žvaigždžių interferometras- interferometras žvaigždžių kampiniams dydžiams ir kampiniams atstumams tarp dvigubų žvaigždžių matuoti. Jei kampinis atstumas tarp dviejų žvaigždžių yra labai mažas, teleskopu jos matomos kaip viena žvaigždė. Šiuo atveju jie kalba apie dvigubas žvaigždes ir turi būti atliekami specialūs stebėjimai, siekiant atskirti jas nuo pavienių žvaigždžių. Tam naudojamas Michelson žvaigždžių interferometras, kuris taip pat leidžia nustatyti kampinį atstumą tarp žvaigždžių.

143 pav. Michelson žvaigždžių interferometras

Šviesos spinduliai, sklindantys iš tolimos žvaigždės, atsispindi nuo plokščių veidrodžių M1 - M2, atskirtų pakankamai dideliu atstumu D, tada atsispindi nuo dviejų kitų veidrodžių ir surenka objektyvu ant ekrano, esančio židinio plokštumoje. Veidrodžiai, išdėstyti atstumu D, gali būti laikomi taškiniais šaltiniais, kurių atstumas lygus D. Dėl to žvaigždės atvaizde stebimas interferencijos modelis, panašus į trukdžius iš dviejų plyšių, esančių atstumu D. vienas nuo kito. Kampinis atstumas tarp gretimų trukdžių maksimumų šiame paveikslėlyje yra lygus θ=λ/D, kur λ yra šviesos bangos ilgis. Jei yra dvi artimos žvaigždės, išsidėsčiusios nedideliu kampiniu atstumu φ viena nuo kitos, teleskope susidaro 2 interferencijos raštai, kurie taip pat pasislenka kampu φ ir persidengia vienas su kitu. Priklausomai nuo kampų θ ir φ santykio, bendro vaizdo juostelių matomumas skirsis. Keičiant atstumą D ir dėl to pakeitus kampą θ, galima pasiekti vieno interferencijos modelio maksimumų ir kito minimumų derinį, todėl kraštelių matomumas yra prasčiausias. Tokiomis sąlygomis φ=½θ=λ/2D. Išmatavę D ir žinodami λ, galime nustatyti kampinį atstumą tarp žvaigždžių φ. Panašiai nustatomi ir vienos žvaigždės kampiniai matmenys. Jei žvaigždė laikoma tolygiai šviečiančiu disku, tada skaičiavimas rodo, kad juostelės išnyksta ties φ=1,22λ/D. Kuo didesnis pagrindas D, tuo didesnis žvaigždžių interferometro matavimo tikslumas buvo pastatytas žvaigždžių interferometras, kuriame D gali siekti 18 m, todėl kampinį atstumą galima išmatuoti 0,001" tikslumu. dydžiai labai silpnų žvaigždžių, kurių šviesa yra triukšmo lygio, Naudojamas intensyvumo koreliacijos metodas.

Roždestvenskio interferometras– tai dviejų spindulių interferometras, susidedantis iš 2 veidrodžių M1, M2 ir dviejų lygiagrečių permatomų plokščių P1, P2; M1, P1 ir M2, P2 sumontuoti poromis lygiagrečiai, tačiau M1 ir M2 yra pasvirę vienas kito atžvilgiu nedideliu kampu; atstumas M1P1 = M2P2 ir M1P2 = P1M2. Šviesos spindulys yra padalintas plokštele P1 į 2 pluoštus, kurie po atspindžių nuo M1, M2 ir praėjimo P2 pasirodo lygiagrečiai fazių skirtumui

δ = (4πD/λ)(cos i1 – cos i2).

144 pav. Roždestvenskio interferometras

Kadangi δ nepriklauso nuo spindulių padėties ant veidrodžių ir yra nulemtas tik kritimo kampų, trukdžių modelis bus lokalizuotas begalybėje (arba objektyvo O židinio plokštumoje). Lygiagretus spindulių pluoštas, patenkantis į Roždestvenskio interferometrą, atitinka vieną interferencijos modelio tašką, todėl norint stebėti visą modelį, reikalingas baigtinės diafragmos pluoštas. Rašto išvaizda (juostelių tvarka ir plotis, jų orientacija) priklauso nuo veidrodžių M1 ir M2 pasvirimo. Jei, pavyzdžiui, dvikampio kampo, kurį sudaro M1 ir M2, briauna yra vertikali (statmena brėžiniui), tai net ir esant labai mažam skirtumui (i1-i2) santykinai didelės eilės juostos (D yra didelės) yra vertikali ir beveik lygiagreti Jei dvikampio kampo kraštas yra horizontalus, tai matymo lauke yra žemos eilės horizontalios juostos (įskaitant nulį), matomos baltoje šviesoje. Įvadas į vieną iš ryšulių k.-l. permatomo objekto, pavyzdžiui, plokštės, juostelių plotis, tvarka ir orientacija keičiasi: nulinė juostelė nėra horizontali ir atsiranda tam tikroje tarpinėje M1 ir M2 orientacijoje; esant labai dideliam šios plokštės storiui, baltoje šviesoje matyti tik labai siauros, beveik vertikalios juostelės, kai kampo kraštas tarp M1 ir M2 yra beveik vertikalus. Juostų plotis priklauso nuo kampo tarp M1 ir P1 ir didėja jam mažėjant. Jei visi veidrodžiai ir plokštės yra lygiagretūs, tai nesant nehomogeniškumo juostelių plotis yra begalinis (interferencinis laukas apšviestas tolygiai).

Jamino interferometras(interferencinis refraktometras) – interferometras dujų ir skysčių lūžio rodikliams matuoti, taip pat priemaišų koncentracijai ore nustatyti.

Jamin interferometras susideda iš dviejų identiškų storų plokščių lygiagrečių stiklinių (arba kvarcinių) plokščių, sumontuotų beveik lygiagrečiai viena kitai. Šviesos spindulys krenta ant pirmosios plokštės kampu, artimu 45°. Kiekvienas pluošto spindulys, atsispindėjęs plokštės paviršiuose, yra padalintas į 2 koherentinius spindulius S1 ir S2, einančius tam tikru atstumu vienas nuo kito, priklausomai nuo plokščių storio d. Tada antroje plokštėje kiekviena iš jų panašiai padalinta į dvi sijas. Dėl to iš antrosios plokštės atsiranda 4 lygiagrečiai koherentiniai spinduliai S1’, S1”, S2’, S2”; Viduriniai spinduliai S1" ir S2" yra uždėti ir sudaro trukdžių modelį objektyvo O1 židinio plokštumoje.

145 pav. Jamin interferometro diagrama: OO – kompensacinių plokščių sukimosi ašis; L – kompensatoriaus sukimosi ratukas; O1 ir O2 – teleskopo objektyvas ir okuliaras.

Skirtumas tarp jų lygus

čia n n yra plokščių lūžio rodiklis.

φ - kampas tarp jų.

Ties (φ ≈ 5′ - 15′ ∆ yra mažas, todėl, naudojant baltos šviesos šaltinį, stebimi tik žemos eilės trukdžių pakraščiai, kurie yra tiesių linijų su balta achromatine juostele centre, apsupta spalvotų juostelių sistema.).

Palyginti didelis atstumas tarp sijų S1 ir S2 leidžia jų kelyje įrengti dvi tokio pat ilgio l kiuvetes K1 ir K2 su tiriamomis medžiagomis, kurių lūžio rodikliai yra n1 ir n2. Atsiradęs kelio skirtumas sukels trukdžių modelio poslinkį.

∆ = (n2-n1)l = δnl

Naudojant Jamino interferometrą, atliekama kiekybinė dujų mišinių analizė – nustatoma tam tikrų dujinių priemaišų, tokių kaip metanas ir CO2, koncentracija kasyklų ore (kadangi n priklauso nuo dujų pobūdžio).

Interferometro fizinis vienas iš paprasčiausių interferometrų, daugiausiai naudojamų plokščių optinių paviršių gamybos tikslumui kontroliuoti. detales.

Šviesa iš vienspalvio šaltinio L, naudojant kondensatorių O1, diafragmą D ir objektyvą O2, lygiagrečiu spinduliu nukreipiama į etaloninę E ir valdomas K plokštes (statomas viena ant kitos) beveik statmenai jų paviršiams. Šiuo atveju griežtai plokšti atskaitos ir kontroliuojami plokščių paviršiai sudaro nedidelį kampą a tarpusavyje. Naudojant permatomą plokštę P, atspindėtoje šviesoje stebimi vienodo storio trukdžių krašteliai, kurie yra oro pleišto srityje tarp kontroliuojamo ir atskaitos paviršių.

146 pav. Fizeau interferometras; a - Defektų vaizdas iš viršaus ant valdomos plokštės; b – atskaitos ir valdymo plokščių skerspjūvis. Pjūvis išilgai linijos AA (kampas a ir defektų dydis labai padidintas aiškumo dėlei); c – Fizeau interferometro vienodo storio juostelių interferencinio modelio vaizdas.

Šių juostelių padėtis nustatomos pagal sąlygą: D=2dn+l/2=ml=const (prie n~1), kur d – oro pleišto storis. Jei valdomas paviršius idealiai plokščias, tai vienodo nuolydžio juostos yra lygiagrečių pleišto kraštui lygiagrečių vienodo atstumo linijų formos (d=const), atstumas tarp jų z=l/2a (2 pav., c). ) (esant a = 10 "" ir l ~ 0,5 µm, z = 5 mm). Jei jų yra ant kontroliuojamo paviršiaus. defektai, pvz., nedideli įdubimai ar išsikišimai, kaip paveiksle, arba jis nėra griežtai plokščias, tada toje vietoje, kurioje yra šie defektai, pastebimi nukrypimai dz nuo tiesumo. Šiuo atveju nuokrypio dz/z dydis yra susijęs su defekto aukščiu arba gyliu dh santykiu dh=(l/2)dz/z.

Plika akimi galima įvertinti reikšmę dz/z~0,l, kuri atitinka aptikto defekto reikšmę dh=l/20 (esant l=0,633 μm, dh=0,031 μm). Nukrypimo ženklas leidžia atskirti defekto tipą: įdubimas ar išsikišimas. Jei valdomas paviršius turi sferos formą, tai interferenciniai pakraščiai turi koncentrinių apskritimų formą (žr. Niutono žiedus). Fizeau interferometre valdomų ir atskaitos plokščių paviršiai dėl kampo mažumo (lanko sekundės) beveik visiškai liečiasi vienas su kitu ir gali būti pažeisti reguliavimo proceso metu. Todėl paviršiams valdyti dažnai naudojami bekontakčiai interferometrai, pagaminti pagal Michelsono interferometro schemą.

147 pav. Romanovo sukurtas Fizeau interferometras skirtas plokščių poliruotų paviršių ir veidrodžių formos bekontaktiniam matavimui. Programinė įranga skirta apdoroti trukdžių modelius su papildomai įvestais pakreipimais.

Literatūra.

D. N. Čerkasova, A. V. Bakholdinas / „Optiniai oftalmologiniai prietaisai ir sistemos I dalis“ / Sankt Peterburgas 2010 m.
Lukinas S.B. / „EKO KURSŲ PASKAITŲ KONTAKTAI“ / Sankt Peterburgo valstybinis universitetas ITMO 2004 m.
Latyev S.M./ „Tiksliųjų (optinių) prietaisų projektavimas“/ Elektroninis disciplinos vadovėlis „Optinių prietaisų projektavimo pagrindai“. SPbSU ITMO
A.L. Andrejevas / „Automatizuotos televizijos stebėjimo sistemos“ / Sankt Peterburgo valstybinis universitetas ITMO
Mitrofanov S.S. / „OP įrenginio teoriniai ir fiziniai pagrindai“ / Elektroninis disciplinos vadovėlis: „Taikomoji optika“. Sankt Peterburgo valstybinio universiteto ITMO KPOP katedra
http://biggest.su/samyj-bolshoj-teleskop/

7. V. Samokhin, N. Terekhova / „Vaizdo projekcija šiandien ir rytoj“

8. M.A. Kustikova, M.N. Meshalkina, V.L. Musjakovas, A.N. Timofejevas / „Metodiniai nurodymai laboratoriniams darbams kurso „EKOLOGINIS MONITORINGAS“ skyriuje „OPTINIAI-ELEKTRONINIAI DUJŲ ANALIZATORIAI“

10. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/OPTIKA.html?page=4,6

11. Zacharievskis A.N. „Interferometrai“ 1952 m.

12. M.M. Mirošnikovas / „OEP teoriniai pagrindai“ / „Mechanikos inžinerija“ 1977 m.

13. M.M. Rusinovas / „Optinių sistemų matmenų skaičiavimai“ Maskva 1963 m

14. G.G. Ishaninas, M. G. Kozlovas, K.A. Tomskas / „Apšvietimo inžinerijos pagrindai“ / Sankt Peterburgas 2004 m

Kaip koncepcija, lidaras gyvuoja dešimtmečius. Tačiau susidomėjimas šia technologija pastaraisiais metais labai išaugo, nes jutikliai tapo mažesni ir sudėtingesni, o produktų su lidar technologija taikymo sritis išsiplėtė.

Žodis lidar yra LIDAR (Šviesos aptikimo ir nuotolio – šviesos aptikimo ir nuotolio nustatymo sistema) transliteracija. Tai technologija, skirta gauti ir apdoroti informaciją apie tolimus objektus, naudojant aktyvias optines sistemas, kurios naudoja šviesos atspindžio ir sklaidos reiškinius skaidrioje ir permatomoje terpėje. „Lidar“ kaip prietaisas panašus į radarą, todėl jo taikymas yra stebėjimas ir aptikimas, tačiau vietoj radijo bangų, kaip radaras, jis naudoja šviesą, kurią didžiąja dauguma atvejų generuoja lazeris. Terminas „lidar“ dažnai vartojamas pakaitomis su terminu „ladar“, kuris reiškia lazerio aptikimą ir nuotolio nustatymą, nors, pasak „Lockheed Martin“ kosminių sistemų padalinio „Coherent Technologies“ tyrimų vadovo Joe Bucko, šios dvi sąvokos skiriasi techniniu požiūriu yra skirtingi. „Kai žiūrite į kažką, kas gali būti laikoma minkštu objektu, pavyzdžiui, kietąsias daleles ar aerozolį ore, ekspertai linkę naudoti lidarą, kai kalba apie šių objektų aptikimą. Kai žiūrite į tankius, kietus objektus, pavyzdžiui, automobilį ar medį, dažniausiai vartojate terminą „ladar“. Norėdami gauti daugiau informacijos apie lidarą moksliniu požiūriu, skaitykite skyrių „Lidar: kaip jis veikia“.

"Lidaras buvo tyrimų objektas daugelį dešimtmečių nuo jo įvedimo 60-ųjų pradžioje", - tęsė Buckas. Tačiau susidomėjimas ja nuo šio amžiaus pradžios pastebimai išaugo, visų pirma dėl technologinės pažangos. Jis pateikė sintetinės diafragmos vaizdavimo pavyzdį. Kuo didesnis teleskopas, tuo didesnė objekto skiriamoji geba. Jei jums reikia ypač didelės skiriamosios gebos, jums gali prireikti daug didesnės optinės sistemos, kuri praktiniu požiūriu gali būti nelabai praktiška. Sintetinis diafragmos vaizdas išsprendžia šią problemą naudojant judančią platformą ir signalo apdorojimą, kad būtų sukurta tikroji diafragma, kuri gali būti daug didesnė už fizinę diafragmą. Sintetinės apertūros radarai (SAR) buvo naudojami daugelį dešimtmečių. Tačiau tik 2000-ųjų pradžioje buvo pradėti praktiniai sintetinės diafragmos optinio vaizdavimo demonstracijos, nepaisant to, kad tuo metu lazeriai jau buvo plačiai naudojami. „Realiai prireikė daugiau laiko sukurti optinius šaltinius, kurie būtų pakankamai stabilūs atliekant platų reguliavimo diapazoną... Medžiagų, šviesos šaltinių ir detektorių (naudojamų lidaruose) tobulinimas tęsiasi. Dabar galite ne tik atlikti šiuos matavimus, bet ir atlikti juos mažais vienetais, todėl sistemos yra praktiškos dydžio, svorio ir energijos suvartojimo požiūriu.

„Lockheed Martin“ teigimu, susidomėjimas lidaru išaugo šio amžiaus pradžioje, žinoma, dėl technologijų pažangos. Nuotraukoje „Lockheed Martin“ sistema „WindTracer“ saugo Miuncheno oro uostą

Taip pat tampa lengviau ir praktiškiau rinkti duomenis iš lidaro (arba lidaro surinktą informaciją). Tradiciškai jis buvo renkamas iš orlaivių jutiklių, sako Nickas Rosengartenas, BAE Systems Geospatial Exploitation Products Group vadovas. Tačiau šiandien jutikliai gali būti montuojami antžeminėse transporto priemonėse ar net kuprinėse, o tai apima žmonių duomenų rinkimą. „Tai atveria daugybę galimybių, dabar duomenis galima rinkti tiek viduje, tiek lauke“, – paaiškino Rosengarten. Matas Morrisas, „Textron Systems“ geoerdvinių sprendimų vadovas, teigia, kad „lidar yra tikrai nuostabus duomenų rinkinys, nes jis pateikia tokias plačias Žemės paviršiaus detales. Tai suteikia daug išsamesnį ir, galima sakyti, daugiau niuansų vaizdą nei DTED (Digital Terrain Elevation Data) technologija, kuri suteikia informaciją apie žemės paviršiaus aukštį tam tikruose taškuose. Galbūt vienas iš galingiausių naudojimo atvejų, kuriuos girdėjau iš mūsų karinių klientų, yra tada, kai jie dislokuojasi nepažįstamoje vietovėje, nes jiems reikia žinoti, kur eis... ant stogo ar per tvorą. DTED duomenys neleidžia to matyti. Jūs net nepamatysite pastatų.

Morrisas pažymėjo, kad net kai kurie tradiciniai didelės raiškos reljefo taškų aukščio duomenys neleis matyti šių funkcijų. Tačiau lidar leidžia tai padaryti dėl savo „pozicijos žingsnio“ – termino, apibūdinančio atstumą tarp padėčių, kurias galima tiksliai parodyti duomenų rinkinyje. Lidaro atveju „padėties žingsnį“ galima sumažinti iki centimetrų, „kad galėtumėte tiksliai žinoti pastato stogo aukštį arba sienos aukštį ar medžio aukštį. Tai tikrai padidina trimačio (3D) situacijos suvokimo lygį. Be to, lidaro jutiklių kaina mažėja, kaip ir jų dydis, todėl jie tampa prieinamesni. „Prieš dešimt metų lidaro jutiklių sistemos buvo labai didelės ir labai brangios. Jie turėjo didelį energijos suvartojimą. Tačiau joms tobulėjant ir tobulėjant technologijoms, platformos tapo žymiai mažesnės, sumažėjo energijos suvartojimas, o jų generuojamų duomenų kokybė pagerėjo.

Miesto kraštovaizdis sukurtas naudojant „Textron“ programinės įrangos „Lidar Analyst“ įrankį. Tai leidžia tyrinėti reljefą, išgauti 3D peizažus ir rodyti informaciją 3D vizualizavimo programose

Lidar vaizdų serija, padaryta naudojant BAE Systems SOCET GXP programą. Lidar duomenų mozaikavimas (nuoseklių vaizdų rinkimas) gali būti atliekamas neatsižvelgiant į tai, kaip jie buvo gauti

Morrisas teigė, kad pagrindinis lidar naudojimas karinėje srityje yra 3D planavimas ir kovinis mokymas. Pavyzdžiui, jo įmonės sukurtas produktas „Lidar Analyst“, skirtas imituoti skrydžio sąlygas, leidžia vartotojams paimti didelius duomenų kiekius ir „greitai sugeneruoti šiuos 3D modelius, tada jie gali labai tiksliai planuoti savo misijas“. Tas pats pasakytina ir apie antžemines operacijas. Morrisas paaiškino: „Mūsų produktas naudojamas planuojant įvažiavimo ir išvažiavimo maršrutus į tikslinę zoną, o kadangi šaltinio duomenys yra didelės skiriamosios gebos, jis gali pateikti labai tikslią matymo linijos analizę.

Kartu su „Lidar Analyst“ „Textron“ sukūrė „RemoteView“ – vaizdo analizės programinės įrangos produktą, kurio klientai yra JAV kariuomenės ir žvalgybos agentūros. RemoteView programinė įranga gali naudoti įvairius duomenų šaltinius, įskaitant lidar duomenis. BAE Systems taip pat teikia geoerdvinės analizės programinę įrangą, jos pagrindinis produktas yra SOCET GXP, kuris suteikia įvairių galimybių, įskaitant lidar duomenų naudojimą. Be to, Rosengarten paaiškino, kad bendrovė sukūrė GXP Xplorer technologiją, kuri yra duomenų valdymo programa. Šios technologijos yra gana tinkamos kariniams tikslams. Pavyzdžiui, Rosengartenas paminėjo sraigtasparnio nusileidimo zonos skaičiavimo įrankį, kuris yra SOCET GXP programinės įrangos dalis. „Jis gali paimti lidaro duomenis ir suteikti vartotojams informacijos apie žemės plotus, kurių gali pakakti sraigtasparniui nusileisti. Pavyzdžiui, jis gali jiems pasakyti, ar kelyje yra vertikalių kliūčių, pvz., medžių: „Žmonės gali naudoti šį įrankį, kad nustatytų sritis, kurios galėtų geriausiai tikti kaip evakuacijos taškas humanitarinių krizių metu. Rosengartenas taip pat pabrėžė „teseliacijos“ technikos potencialą, kai iš tam tikros srities surenkami keli lidaro duomenų rinkiniai ir „sujungiami“ kartu. Tai įmanoma dėl „padidėjusio lidaro jutiklio metaduomenų tikslumo, kai jie derinami su programine įranga, tokia kaip BAE Systems SOCET GXP programa, kuri metaduomenis gali paversti tiksliomis žemės sritimis, apskaičiuotomis naudojant geoerdvinius duomenis. Procesas pagrįstas lidaro duomenimis ir nepriklauso nuo to, kaip duomenys renkami.

„Lockheed Martin“ mato galimus karinius „WindTracer“ technologijos pritaikymus. Tai komercinis produktas, kuris naudoja lidar vėjo šlyties matavimui oro uostuose. Panaši technologija gali būti naudojama karinėje sferoje, siekiant pagerinti oro lašų tikslumą. Nuotraukoje – Dubajaus oro uosto WindTracer sistema

Kaip tai veikia: lidar

Lidaras veikia apšviesdamas taikinį šviesa. Lidar gali naudoti matomą, ultravioletinę arba artimą infraraudonąją šviesą. Lidaro veikimo principas yra paprastas. Objektas (paviršius) apšviečiamas trumpu šviesos impulsu, matuojamas laikas, po kurio signalas grįžta į šaltinį. „Lidar“ skleidžia greitus, trumpus lazerio šviesos impulsus į objektą (paviršių) iki 150 000 impulsų per sekundę greičiu. Prietaise esantis jutiklis matuoja laiko intervalą nuo šviesos impulso perdavimo iki jo atspindžio, remdamasis pastoviu šviesos greičiu, lygiu 299 792 km/s. Išmatavę šį laikotarpį, galite apskaičiuoti atstumą tarp lidaro ir atskiros objekto dalies ir taip sukurti objekto vaizdą pagal jo padėtį lidaro atžvilgiu.

Vėjo kirpimas

Tuo tarpu J. Buckas atkreipė dėmesį į galimus Lockheed Martin WindTracer technologijos pritaikymus kariniams tikslams. Komercinė „WindTracer“ technologija naudoja lidarą vėjo šlyties matavimui oro uostuose. Tas pats procesas gali būti naudojamas karinėje srityje, pavyzdžiui, tiksliam orlaiviui. „Reikia numesti atsargas iš gana didelio aukščio, todėl jas dedate ant padėklų ir numetate iš parašiuto. Dabar pažiūrėkime, kur jie nusileidžia? Galima bandyti nuspėti, kur jie eis, bet problema ta, kad leidžiantis žemyn vėjo šlytis keičia kryptį skirtinguose aukščiuose“, – aiškino jis. – O kaip tada prognozuojate, kur paletė nusileis? Jei galite išmatuoti vėją ir optimizuoti trajektoriją, galite tiekti atsargas labai tiksliai.

Lidar taip pat naudojamas antžeminėse nepilotuojamose transporto priemonėse. Pavyzdžiui, robotizuotų antžeminių transporto priemonių (AHA) gamintojas Roboteam sukūrė įrankį pavadinimu Top Layer. Tai 3D žemėlapių sudarymo ir autonominės navigacijos technologija, kuri naudoja lidarą. „Top Layer“ naudoja „Lidar“ dviem būdais, sako „Roboteam“ generalinis direktorius Shaharas Abuhazira. Pirmasis leidžia vaizduoti uždaras erdves realiu laiku. „Kartais vaizdo įrašo nepakanka požeminėje aplinkoje, pavyzdžiui, gali būti per tamsu arba dėl dulkių ar dūmų pablogėja matomumas“, – pridūrė Abuhazira. „Lidar galimybės leidžia pabėgti nuo situacijos, kai nėra orientacijos ir nesuprantame savo aplinkos... dabar jis nubrėžia kambarį, žymi tunelį. Iš karto gali suprasti situaciją, net jei nieko nematai ir net nežinai, kur esi“.

Antrasis „lidar“ naudojimas yra jo savarankiškumas, padedantis operatoriui bet kuriuo momentu stebėti daugiau nei vieną sistemą. „Vienas operatorius gali valdyti vieną AHA, tačiau yra dar dvi AHA, kurios tiesiog seka žmogaus valdomą įrenginį ir automatiškai jį seka“, – paaiškino jis. Panašiai kareivis gali įeiti į patalpą, o ANA tiesiog seka jį, o tai reiškia, kad norint valdyti transporto priemonę nereikia atsitraukti. "Tai daro operaciją paprasta ir intuityvi." Roboteam didesnis AHA Probot taip pat turi lidarą, kuris padeda nukeliauti didesnius atstumus. „Negalite reikalauti, kad operatorius tris dienas iš eilės spaustų mygtuką... jūs naudojate lidar jutiklį, kad tiesiog sektumėte kareivius arba sektumėte transporto priemonę ar net automatiškai judtumėte iš vieno taško į kitą. padės išvengti kliūčių“. Abuhazira ateityje tikisi didelių proveržių šioje srityje. Pavyzdžiui, vartotojai norėjo situacijos, kai žmogus ir ANA sąveikauja kaip du kareiviai. „Jūs vienas kito nekontroliuojate. Jūs žiūrite vienas į kitą, skambinate vienas kitam ir elgiatės tiksliai taip, kaip turėtumėte elgtis. Tikiu, kad tam tikra prasme pasieksime tokio lygio žmonių ir sistemų komunikaciją. Tai bus efektyviau. Manau, kad Lidaras veda mus šia kryptimi.

Roboteam TopLayer programinė įranga leidžia AHA vaizduoti uždaras erdves realiu laiku. Kartais tokiomis sąlygomis vaizdo įrašymo neužtenka: gali būti tamsu arba matomumas dėl dulkių ir dūmų nepakankamas.

Eikime po žeme

Abuhazira taip pat tikisi, kad lidaro jutikliai pagerins veiklą pavojingoje požeminėje aplinkoje. Lidar jutikliai suteikia papildomos informacijos, kartodami tunelius. Be to, jis pastebėjo, kad kartais mažame ir tamsiame tunelyje operatorius gali net nesuprasti, kad AHA veda ne ta kryptimi. „Lidar jutikliai veikia kaip realaus laiko GPS, todėl procesas atrodo kaip vaizdo žaidimas. Galite matyti savo sistemą tunelyje, žinote, kur eini realiu laiku.

Verta paminėti, kad lidaro jutikliai yra dar vienas duomenų šaltinis ir neturėtų būti laikomi tiesioginiu radaro pakaitalu. Buckas pažymėjo, kad dviejų technologijų bangos ilgiai labai skiriasi, o tai turi savų privalumų ir trūkumų. Dažnai geriausias sprendimas yra naudoti abi technologijas, pavyzdžiui, vėjo matavimus naudojant aerozolio debesį. Trumpesni optinių jutiklių bangos ilgiai užtikrina geresnį krypties nustatymą, palyginti su ilgesniais radijo dažnio jutiklio (radaro) bangos ilgiais. Tačiau dviejų tipų jutiklių atmosferos perdavimo savybės labai skiriasi. „Radaras gali prasiskverbti pro tam tikrų tipų debesis, su kuriais Lidarui būtų sunku susidoroti. Tačiau, pavyzdžiui, rūke lidaras gali veikti šiek tiek geriau nei radaras.

Rosengartenas teigė, kad sujungus lidarą su kitais šviesos šaltiniais, tokiais kaip panchromatiniai duomenys (kai vaizdas sukuriamas naudojant platų šviesos bangų spektrą), bus gautas išsamus tiriamos srities vaizdas. Geras pavyzdys yra sraigtasparnio nusileidimo aikštelės nustatymas. Lidaras gali nuskaityti sritį ir pasakyti, kad jos nuolydis yra nulinis, neatsižvelgdamas į tai, kad jis iš tikrųjų žiūri į ežerą. Tokio tipo informaciją galima gauti naudojant kitus šviesos šaltinius. Rosengartenas mano, kad pramonė galiausiai sutelks dėmesį į technologijų sujungimą, sujungdama skirtingus vaizdinių ir kitų šviesos duomenų šaltinius. „Jis ras būdų, kaip visus duomenis sujungti po vienu skėčiu... Tikslios ir išsamios informacijos gavimas yra ne tik lidar duomenų naudojimas, bet ir sudėtinga užduotis, apimanti visas turimas technologijas.

Remiantis medžiaga iš svetainių:
www.nationaldefensemagazine.org
www.lockheedmartin.com
www.baesystems.com
www.textron.com
www.robo-team.com
www.robotshop.com
www.Geo-Plus.com
www.nplus1.ru