990241_КР_Кириленко

Лазерные системы в измерении расстояний в промышленности

Лазеры могут быть использованы при различных бесконтактных способах измерения расстояний или смещений. С помощью лазеров осуществляются наиболее точные измерения длин и расстояний. Лазерные системы имеют очень большую скорость получения данных (с пропускной способностью до нескольких мегагерц), используются для больших диапазонов измерений, хотя эти качества, как правило, не объединены одним способом измерения. В зависимости от конкретных требований используются разные технические подходы. Они находят широкий спектр применения, например, в области архитектуры, контроля на производстве, анализа мест происшествий, в военных целях и т.д.

Методы измерения расстояний

Некоторые из наиболее важных технологий, используемых для лазерных измерений расстояний:

-триангуляция

-время пролета лазера

-метод сдвига фаз

-интерферометрические методы

-дальнометрия

-оптическая локация.

Метод триангуляции

Триангуляция – геометрический метод, используемый для измерения расстояний, часто с использованием лазера. Он использует способность лазерного луча распространяться в хорошо коллимированной форме (т.е. с малой расходимостью) на большие расстояния. Обычно лазерный луч освещает точку, расстояние до которой от лазерного устройства необходимо измерить, так же лазер используется в качестве указателя. Рассеянное или зеркальное отражения от этой точки контролируются детектором, который устанавливается на некотором расстоянии от лазерного луча, таком, что источник лазерного излучения, объекта и детектор образуют треугольник. На детекторе линза фокусирует отраженный свет на ПЗС-матрице, и положение яркого пятна на чипе показывает направление входящего света, т. е. угол между лазерным лучом и возвращенным светом, откуда расстояние и может быть рассчитано (рис. 1).

2

Рисунок 1. Метод лазерной триангуляции.

Высокая скорость обнаружения позволяет отслеживать положение движущейся или вибрирующей части, например, какой-либо машины. Полученная точность может, как правило, достигать одной тысячной доли расстояния. Для рассеянного отражения расстояние может быть ограничено требованием получить определённую отраженную оптическую мощность; при зеркальном отражении могут быть измерены гораздо большие расстояния, но требуется какое-либо угловое выравнивание в направлении измерения. Принцип триангуляции также может быть реализован с помощью лазерного луча, в направлении которого производится быстрое сканирование в двух измерениях. Таким образом, можно получить трехмерные (3D) изображения.

Требования к лазерному источнику:

В идеале, лазерный источник для триангуляции должен иметь высокое качество пучка, чтобы осветить небольшое пятно на большом расстоянии. Так же требуется определенная оптическая мощность, особенно для целей с рассеянным отражением. Лучше использовать безопасные для глаз длины волны лазерного излучения (например, в 1.5 мкм области), хотя видимый луч помогает убедиться, что подсвечена правильная точка.

Времяпролётный метод (или импульсный метод) – основан на измерении времени прохода лазерного импульса от измерительного прибора до некоторой цели и обратно (рис. 2). Такие методы обычно используются для больших расстояний, от сотен метров до нескольких километров. Типичная точность простых устройств измерения коротких расстояний равна нескольким миллиметрам или сантиметрам.

Времяпролетный метод часто используется для измерения расстояний, например, с лазерным дальномером, используемым, например, в самолетах, возможно, в виде сканирующего лазерного радара. В этом случае, аппарат посылает короткий световой импульс и измеряет время, когда отраженная

3

часть импульса обнаружена. Затем, зная значение скорости света, рассчитывается расстояние. В связи с высокой скоростью, временная точность должна быть очень высокой - например, 1 нс для пространственной точности в 15 см.

Данный метод, как правило, используются для измерения больших расстояний, от сотен метров до нескольких километров. В нём используются передовые технологии (высококачественные телескопы, очень чувствительны фотодетекторы и т.д.), с помощью него можно измерить, например, расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров, или получить точный профиль плотины.

Так как времяпролетные измерения преимущественно используется для измерения больших расстояний, качества лазерного пучка имеет определяющее значение. Кроме того, телескоп может быть использован для получения большого диаметра пучка и соответственно увеличенной рэлеевской длины, т.е. получения малой расходимости пучка. Цель может быть оснащена ретрорефлектором в целях увеличения количества отраженного света. Длительность используемого импульса, как правило, от 100 пс до нескольких десятков нс. Для больших расстояний, необходима высокая энергия импульса. Это может затрагивать вопросы лазерной безопасности, особенно, если длина волны лазера лежит в небезопасной для глаз области. Для импульсов энергии от нанодо микроджоулей (требуемых для измерения средних расстояний), можно использовать лазер на эрбиевом стекле, который может генерировать достаточно короткие импульсы (длительностью порядка 1 нс) с энергией около 10 мкДж в безопасной для глаз области спектра.

Рисунок 2. Схема времяпролетного метода.

Интерферометрический метод – позволяет измерять расстояния с точностью, превышающей длину волны используемого света. На малых расстояниях, иногда используются ультразвуковые дальномеры, регистрирующие время пролета звука до объекта. При этом устройство может содержать лазерный указатель только для задания правильного направления, а не для измерения самого расстояния.

Интерферометр – измерительный прибор, в котором используется интерференция волн.

4

Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе (рис. 3).

В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Рисунок 3. Схема интерферометрического метода.

Метод фазового сдвига – использует модулированный по интенсивности лазерный луч (рис. 4). По сравнению с интерферометрическим методом, его точность ниже, но он позволяет производить однозначные измерения на больших расстояниях и больше подходит для целей с рассеянным отражением или от шероховатой поверхности. Отметим, что методику фазового сдвига иногда, называют методом времени пролёта, так как сдвиг фазы пропорционален времени пролета, но этот термин является более подходящим для метода, где измеряется время пролета светового импульса.

Лазерные дальномеры часто базируются на методе фазового сдвига, метод для измерения расстояний следующим образом. Лазерный луч с синусоидально модулированной оптической мощностью направляется на цель. Отслеживается отраженный свет (рассеянный или зеркально отраженный), и фаза модуляции мощности по сравнению с переданным светом. По полученной разности фаз определяется расстояние (рис. 5). Более высокие

5

частоты модуляции позволяют получить более высокую точность.

Рисунок 4. Метод сдвига фаз.

Что касается интерферометра, метод фазового сдвига предполагает неопределенность в отношении расстояния, потому что с увеличением расстояния фаза будет периодически меняться. Однако, периодичность гораздо больше, чем в интерферометре, так как частота модуляции значительно ниже, чем оптическая частота. Кроме того, неопределенность может быть легко удалена, например, путем измерения с двумя различными частотами модуляции.

Рисунок 5. Принцип работы фазового дальномера.

Метод частотной модуляции – используют частотно-модулированные лазерные лучи, например, с повторяющимся линейным законом изменения частоты. Измеряемые расстояния могут быть переведены в смещение частоты, которые могут быть измерены с помощью биения исходящего и принятого пучка (рис. 6). Применение частотной модуляции излучаемого сигнала позволяет создать дальномер с непрерывным излучением, обладающий высокой точностью и разрешающей способностью при измерении дальности. При этом сохраняется возможность измерения скорости движения объекта доплеровским методом.

6

Определение дальности частотным методом сводится к измерению изменения частоты излучаемых колебаний за время распространения сигнала до отражающего объекта и обратно.

Рисунок 6. Схема метода частотной модуляции.

Лазерный радар

Лазерный радар – устройство, которое использует один из методов измерения расстояния, описанных выше, и сканирует заданное направление в двух измерениях. Это позволяет получить изображение, или точнее, профиль данного объекта, как требуется, например, в робототехнике. Для получения таких профилей с более высокой скоростью существуют сенсорные чипы, похожие на ПЗС (приборы с зарядовой связью) со встроенной аппаратурой для измерения фазовых сдвигов, так что расстояния для каждого пикселя могут быть измерены одновременно. Это позволяет быстро получать трехмерные изображения с помощью компактных устройств.

По сравнению с ультразвуковыми или радио- и микроволновыми устройствами (радарами), основное преимущество лазерных методов измерения расстояния в том, что лазерное излучение обладает гораздо меньшей длиной волны, что позволяет направить узкий сканирующий пучок и, таким образом, достичь более высокого пространственного разрешения. Еще одно преимущество в том, что оптический полосовой фильтр позволяет очень эффективно отсечь шум, возникающий от других оптических частот.

Дальнометрия

Дальномер — устройство, предназначенное для определения расстояния от наблюдателя до объекта. Используется в геодезии, для наводки на резкость в фотографии, в прицельных приспособлениях оружия, систем бомбометания и т.д.

Дальномерные приспособления делятся на активные и пассивные:

-активные: звуковой дальномер, световой дальномер, лазерный дальномер и др.

-пассивные: дальномеры, использующие оптический параллакс (напр. дальномерный фотоаппарат), дальномеры, использующие сопоставление объекта какому-либо образцу и др.

Вобщем случае задача определения расстояния между активным дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала

7

времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазово-импульсный.

Сущность метода импульсного дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылается зондирующий импульс, который одновременно запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу перед оператором на дисплее автоматически высвечивается расстояние до объекта.

Используется следующее соотношение:

L = ct/2, где

L - расстояние до объекта,

с - скорость распространения излучения,

t - время прохождения импульса до цели и обратно.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза сигнала, падающего на объект. Отраженный от объекта сигнал приходит на приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния.

Измерение расстояний дальномерами пассивного типа основано на определении высоты h равнобедренного треугольника ABC, например по известной стороне AB = l (базе) и противолежащему острому углу b (т. н. параллактическому углу). При малых углах b (выраженных в радианах),

h = l/ b. Одна из величин, l или b, обычно является постоянной, а другая — переменной (измеряемой). По этому признаку различают дальномеры с постоянным углом и дальномеры с постоянной базой.

Различные проблемы, возникающие при использовании лазеров для измерений расстояний.

Как и практически при всех других методах измерения с использованием лазеров, при лазерном измерении расстояния присутствует лазерный шум. Другие, связанные с шумом проблемы могут возникнуть в результате шума детектирования, рассеивания света, и спекл-эффектов.

Цели могут обладать различными свойствами отражения и рассеяния. Проблемы могут возникнуть из-за очень низкого отражения или из-за зеркального отражения.

Следует обратить внимание, что использование лазеров поднимает серьезные вопросы безопасности, особенно при использовании коротких интенсивных импульсов с модуляции добротности. Связанные с этим

8

опасности могут быть сильно уменьшены за счет использования безопасных для глаз длин волн лазеров.

Оптическая локация

Активная оптическая локация – может проводиться с использованием некогерентных (прожекторных) и когерентных (лазерных) оптических сигналов.

Прожекторная локация – использовалась в период первой и второй мировых войн. Отраженные сигналы видимого диапазона наблюдались визуально. Прожекторы обеспечивали большую энергетику излучения, однако его некогерентность снижала возможности угловой концентрации. Прожекторы инфракрасного (ИК) диапазона используются в современных системах ночного видения, содержащих преобразователи ИК принятых изображений в видимые.

Лазерная локация – появилась в начале 60-х годов в результате создания источников оптического когерентного излучения лазеров. Лазерной локации присущ ряд важных особенностей.

Во-первых, когерентность и малая длина волны излучения лазеров позволили получать узкие диаграммы направленности (от единиц до десятков угловых секунд) даже при небольших размерах излучателей (единицы дециметров). При расходимости излучения, равной одной угловой секунде (при этом 1"~ 5*10-6 pад), поперечный размер облучаемой области на дальности 200 км составляет 1 м, что позволяет раздельно наблюдать отдельные элементы цели.

Во-вторых, временная и пространственная когерентности излучения лазеров обеспечивают стабильность частоты при высокой спектральной плотности их мощности. Последнее, а также остронаправленность лазерного излучения обусловливают высокую помехозащищенность лазерных локационных средств от воздействия естественных источников излучения.

В-третьих, высокая частота колебаний приводит к большим доплеровским сдвигам частоты при взаимных перемещениях цели и локатора. Это обеспечивает высокую точность измерения радиальной скорости элементов цели, но требует расширения полосы приемных устройств.

В-четвертых, распространение волн оптического диапазона в газообразных

ижидких средах сопровождается их значительным рассеянием. Это приводит к атмосферным помехам обратного рассеяния на входе приемного устройства

иявляется, кроме того, демаскирующим фактором.

Структурная схема и особенности построения лазерного локатора. Основным элементом передающего устройства является лазер. Спектральная линия излучения рабочего тела лазера определяет несущую частоту локатора.

9

В современной локации используются лазеры: а) на двуокиси углерода СО2; б) на ионах неодима; в) на рубине; г) на парах меди и др.

Газовые СO2 – лазеры обладают высокими средними выходными мощностями (до десятков киловатт), высокой монохроматичностью (ширина спектра несколько килогерц), высоким кпд (до 20%), работают как в непрерывном, так и в импульсном режиме, компактны.

Твердотельные неодимовые и рубиновые лазеры используются в основном

вимпульсном режиме (частота повторения 0,1...100 Гц); энергия их излучения

вимпульсе до единиц джоулей, кпд до единицы процентов.

Лазеры на парах меди обеспечивают высокую частоту повторения (до десятков килогерц) при средней мощности до 100 Вт.

Требуемое распределение потока зондирующего (лазерного) излучения в пространстве обеспечивается формирующей оптической системой – ФОС (рис. 7). В нее может входить система неуправляемых зеркал (З), линз и управляемых дефлекторов (Д), обеспечивающих перемещение луча. Отраженные от целей лазерные сигналы концентрируются приемным телескопом (ПРТ) на фотоприемных устройствах. Объединение передающей и приемной систем лазерных локаторов в отличие от РЛС используется редко из-за перегрузок фотоприемных устройств и нарастания уровня помех. Как передающая, так и приемная оптическая система перспективных лазерных локаторов выполняется в настоящее время в адаптивном варианте для компенсации искажений волновых фронтов сигналов в атмосфере и средах лазерных генераторов.

Рисунок 7. Формирующая оптическая система.

В фотоприемных устройствах лазерного локатора в отличие от РЛС практически не используют усиления сигналов на несущей частоте. При этом

10