تقنية تحديد المدى بالليزر النبضي عالي التردد
حتى الآن، تم تحديث جهاز تحديد المدى بالليزر إلى الجيل الثالث. تم استخدام جهاز تحديد المدى بالليزر من الجيل الأول بشكل أساسي في المعدات الجوية والعسكرية. كان نظام تحديد المدى بالليزر من الجيل الأول المكون من كاشف أنبوب مضاعف ضوئي (PMT) وليزر جوهرة الأشعة تحت الحمراء كبيرًا في الحجم وضارًا بالعين البشرية. ، مستهلكًا للطاقة للغاية والعديد من العيوب الأخرى، تم استبداله تدريجيًا بنظام تحديد المدى بالليزر من الجيل الثاني حوالي سبعينيات القرن العشرين. الليزر المستخدم في نظام تحديد المدى بالليزر من الجيل الثاني هو ليزر نيوديميوم قريب من الأشعة تحت الحمراء يعتمد على ليزر Nd: YAG، وكاشف الصدى هو الصمام الثنائي الضوئي للانهيار الجليدي (APD) أو الصمام الثنائي الضوئي PIN، مما يجعل نظام تحديد المدى بدأ يتطور تدريجيًا في اتجاه الحجم الصغير وانخفاض استهلاك الطاقة. ومع ذلك، لا تزال قضية سلامة العين البشرية تشكل صعوبة كبيرة في نظام تحديد المدى في هذا الوقت. بدأ نظام تحديد المدى بالليزر من الجيل الثالث في مراعاة قضايا سلامة العين البشرية. تقع جميع أطوال موجات الليزر التي ينبعثها النظام ضمن نطاق أمان العين البشرية، وتستخدم معظمها ليزرًا صلبًا من زجاج الإربيوم.
الشكل 1 التركيب الداخلي لليزر الياقوت المبكر
مع تطور التكنولوجيا الإلكترونية وتزايد نضجها، تتطور تقنية قياس المدى بالليزر حاليًا بسرعة في اتجاه الحجم الصغير والوزن الخفيف والسعر المنخفض والبنية البسيطة.
أداء الليزر هو أحد العوامل المهمة التي تؤثر على أداء تحديد المدى لأنظمة تحديد المدى بالليزر النبضي. في الوقت الحاضر، هناك العديد من أنواع الليزر. من بينها، تتميز ليزرات الحالة الصلبة بهيكل مضغوط وقوة عالية وسهولة الاستخدام، وهي مناسبة للمعالجة الصناعية والمجالات الطبية والعسكرية؛ ليزر الغاز له أنواع عديدة وكفاءة تحويل عالية ونطاق طول موجي واسع، ومناسبة لأدوات الاختبار والقياس الدقيقة؛ الليزر السائل مستقر الأداء ضعيف، يمكن تعديل طول موجة الليزر الناتج ضمن نطاق واسع، ويستخدم على نطاق واسع في الطب بالليزر والكيمياء الضوئية وغيرها من المجالات؛ تحول الليزر الكيميائي الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة ضوئية، مع طاقة خرج عالية وعرض نطاق موجي، ومناسبة للعمليات الميدانية بدون مصدر طاقة؛ ليزر أشباه الموصلات منخفض التكلفة وسهل التعديل، ومناسب لمصادر ضوء الاتصالات والليدار وما إلى ذلك.
يتطلب اختيار الليزر دراسة شاملة لأداء التكلفة والمؤشرات الفنية، ويجب اختيار الليزر الأكثر فعالية من حيث التكلفة بناءً على تلبية متطلبات مؤشر التصميم. تشمل المؤشرات الفنية بشكل أساسي تردد تكرار الليزر وقوة الذروة وطول الموجة المركزية وما إلى ذلك. من بينها، يؤثر تردد تكرار الليزر بشكل أساسي على سرعة النطاق. كلما زادت قوة الذروة، زادت المسافة التي سيتم قياسها. يجب أن يأخذ طول موجة الليزر في الاعتبار بشكل شامل التوهين الذي يحدثه وسط انتشار الليزر والخصائص الأخرى. وسط الكسب لليزر الزجاجي الإربيوم هو زجاج الإربيوم، وطول الموجة الناتج هو 1535 نانومتر. يستخدم على نطاق واسع في نطاق أمان العين البشرية. حاليًا، يمكنه تحقيق خرج طاقة يتراوح بين 100-400 μJ في الصين، وعرض نبضة يبلغ 5 نانوثانية، وتردد تكرار يزيد عن 1 ميجا هرتز. توفر ليزرات زجاج الإربيوم استهلاكًا منخفضًا للطاقة، وقوة ذروة عالية، وعرض نبضة ضيق، وحجمًا صغيرًا، ولا تتطلب التحكم في درجة الحرارة. يتميز بثبات عالي للغاية ويمكن استخدامه في بيئات ذات درجات حرارة قصوى تتراوح من -45 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية.
الشكل 2 مبدأ عمل ليزر زجاج الإربيوم
يتكون جهاز تحديد المدى بالليزر المصغر الآمن للعين بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: وحدة إرسال الليزر ونظام استقبال الليزر ونظام معالجة الإشارة.
تنقسم وحدة انبعاث الليزر لنظام تحديد المدى بالليزر النبضي بشكل أساسي إلى ثلاث وحدات فرعية، وهي وحدة محرك الليزر ووحدة الليزر ووحدة الانبعاث الموازي. يعد الليزر جزءًا رئيسيًا يؤثر على أداء نظام تحديد المدى. تقوم وحدة محرك الليزر بشكل أساسي بتصميم دائرة القيادة وفقًا لخصائص الليزر، وتضبط تردد تكرار الليزر والنبض الضيق في برنامج التحكم وفقًا لمتطلبات التصميم. تتضمن وحدة الانبعاث الموازي عدسة انبعاث موازي. يحتوي الليزر المنبعث من الليزر على زاوية تباعد، لذلك يجب ضبط عدسة الانبعاث وتصحيحها قبل انبعاثها إلى الهدف لتقليل تباعد الطاقة وزيادة مسافة تحديد المدى للنظام.
من أجل ضمان إمكانية ربط إشارة الليزر المنبعثة من ضوء الليزر الكاشف بجهاز الكشف الضوئي بأقصى قدر من الكفاءة بعد انعكاسها عن الهدف، يمكن تقسيم هيكل وحدة استقبال الإشارة تقريبًا إلى الأجزاء الثلاثة التالية: الجزء الأول هو عدسة الاستقبال، والتي تضمن إمكانية جمع إشارات الصدى الضعيفة إلى تركيز العدسة إلى أقصى حد، وبالتالي ضمان قوة الإشارة؛ الجزء الثاني هو برميل عدسة الاستقبال، وهو مدبب في التصميم، والذي يمكنه عزل الضوء الضال بشكل فعال؛ الجزء الثالث هو قاعدة الاستقبال للإشارة، تم تصميم هذا الجزء لضمان وضع جهاز الكشف الضوئي في تركيز العدسة، وبالتالي ضمان تلقي أكبر قدر ممكن من إشارة الضوء.
يعد الكاشف الضوئي أحد المكونات الرئيسية لوحدة الاستقبال في النظام. وتتمثل مهمته الرئيسية في عملية تحديد المدى في تحويل إشارة الضوء الضعيفة المستقبلة إلى إشارة كهربائية. وتشمل أجهزة الكشف الضوئية بشكل أساسي أجهزة موصلة ضوئيًا مثل ثنائيات الانهيار والثنائيات الضوئية وأنابيب مضاعفة الضوء، ومن بينها ثنائيات الانهيار والثنائيات الضوئية الأكثر شيوعًا. تأخذ وحدة استقبال إشارة الصدى لنظام تحديد المدى بالليزر النبضي الكاشف كنواة. تركز وحدة الاستقبال الضوئية الإشارة الضوئية على سطح الكاشف. يحفز الكاشف تيارًا ضوئيًا ويحول الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية. تمر الإشارة الكهربائية عبر دائرة التضخيم والتشكيل. ثم يستقبل نظام معالجة الإشارة TDC إشارة الصدى ويقوم بمعالجة البيانات لقياس وقت الرحلة للحصول على معلومات دقيقة عن المسافة.
الشكل 3 مبدأ قياس المدى بالليزر النبضي
مع التحسين المستمر لتقنية قياس المدى بالليزر النبضي، يستمر حجمها في الانكماش وينخفض سعرها تدريجيًا. وقد تم استخدامها تدريجيًا في الليدار ومسح المباني وما إلى ذلك. كما أن تأثيرها له مزايا واضحة مقارنة بتقنيات تحديد المدى الأخرى. في الوقت الحاضر، يمكن أن تصل مسافة القياس القصوى لوحدات تحديد المدى الصغيرة إلى أكثر من 10 كم، ويمكن أن تصل دقة تحديد المدى إلى ±1 متر.
