تقنية تحديد المدى بالليزر - مشاركة المعرفة حول تحديد المدى بالنبضات بالليزر
يعد قياس المسافات بالليزر فئة رئيسية من تطبيقات تكنولوجيا الليزر. في ممارسات الإنتاج والبحث العلمي، غالبًا ما تنشأ مسألة قياس المسافة. على سبيل المثال، في المسح الجيوديسي والاستكشاف الجيولوجي، من الضروري قياس المسافة بين قمتي تلين؛ عند بناء جسر، من الضروري قياس الفاصل بين جانبي النهر؛ في التطبيقات العسكرية، لا يمكن فصل تحديد مواقع المدفعية والضربات بعيدة المدى عن القياس الدقيق للمسافة.
يعد تحديد المدى الكهروضوئي طريقة مبكرة مقترحة لتحديد المدى فيزيائيًا. تم تصنيع أجهزة تحديد المدى الكهروضوئية وتطبيقها عمليًا لقياس المسافة بين الأهداف الأرضية في أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات من القرن العشرين. ومع ذلك، نظرًا للقيود المفروضة على سطوع مصدر الضوء ووحيد اللون، لم تتطور أجهزة تحديد المدى الكهروضوئية بشكل كبير في ذلك الوقت.
في أوائل ستينيات القرن العشرين، ساهم ظهور الليزر بشكل كبير في تطوير أجهزة تحديد المدى الكهروضوئية. تتمتع أجهزة الليزر بسطوع عالٍ، وتباين أحادي اللون جيد، واتجاه قوي، وحزم ضيقة، مما يجعلها مصادر ضوء مثالية لأجهزة تحديد المدى الكهروضوئية.
بالمقارنة مع أجهزة تحديد المدى الأخرى (مثل أجهزة تحديد المدى بالميكروويف وأجهزة تحديد المدى الكهروضوئية)، فإن أجهزة تحديد المدى بالليزر تتميز بمسافة اكتشاف طويلة، ودقة تحديد المدى العالية، وقدرة قوية على مكافحة التداخل، وسرية جيدة، وحجم صغير، ووزن خفيف، وتردد تكرار عالي.
بعد إجراء القياس بالليزر بنجاح على القمر والأقمار الصناعية، خضعت أجهزة تحديد المدى بالليزر المدنية والعسكرية المختلفة لأجيال عديدة من البحث والتحسين، وهي الآن تستخدم على نطاق واسع في العمل العملي.
على عكس قياس الطول بالليزر، فإن الأطوال التي يمكن قياسها عن طريق تحديد المدى بالليزر أكبر بكثير.
يمكن تقسيم أجهزة تحديد المدى بالليزر، إذا تم تصنيفها حسب المدى، إلى ثلاث فئات تقريبًا: أجهزة تحديد المدى بالليزر قصيرة المدى، بمدى يصل فقط إلى 5 كم، ومناسبة لمختلف المسوحات الهندسية؛ وأجهزة تحديد المدى بالليزر متوسطة وطويلة المدى، بمدى يتراوح من خمسة إلى عشرات الكيلومترات، ومناسبة لمسوحات التحكم الجيوديسي والتنبؤ بالزلازل؛ وأجهزة تحديد المدى بالليزر طويلة المدى، المستخدمة لقياس مسافة الصواريخ والأقمار الصناعية والقمر والأهداف المكانية الأخرى.
بعد ذلك، سأقدم معرفة تقنية تحديد المدى بالليزر بالتفصيل، بما في ذلك مبادئ تقنية تحديد المدى بالليزر، واستخدام تقنية تحديد المدى بالليزر، وتطبيق تقنية تحديد المدى بالليزر.
1. مبادئ تقنية تحديد المدى بالليزر
انبعاث شعاع الليزر : يقوم ثنائي الليزر أو أجهزة الليزر الأخرى، التي يتم تحفيزها بواسطة التيار الكهربائي، بإنتاج شعاع ليزر عالي الكثافة، وعالي اللون الأحادي، وعالي الاتجاه.
-
تعتمد تقنية تحديد المدى بالليزر على العلاقة بين سرعة الضوء والوقت، وذلك باستخدام أشعة الليزر عالية السرعة المنعكسة من الهدف والعائدة إلى الأصل لحساب المسافة. وتشمل مبادئها بشكل أساسي الجوانب التالية:
-
إرسال واستقبال شعاع الليزر : يتم إصدار شعاع الليزر بواسطة نظام بصري، مما يؤدي إلى إضاءة الهدف ثم ينعكس مرة أخرى إلى جهاز الكشف.
-
سرعة الضوء : تبلغ سرعة الضوء في الفراغ حوالي 299,792,458 متر في الثانية، وتشكل أساس تحديد المدى بالليزر.
-
حساب الوقت : يسجل جهاز تحديد المدى الفاصل الزمني من الإرسال إلى الاستقبال.
-
حساب المسافة : باستخدام الصيغة "السرعة تساوي المسافة مقسومة على الزمن"، يمكن حساب المسافة بين الهدف وجهاز تحديد المدى باستخدام الفاصل الزمني المسجل وسرعة الضوء.
II. طرق استخدام تقنية تحديد المدى بالليزر
على الرغم من أن تطبيق تقنية تحديد المدى بالليزر بسيط نسبيًا، إلا أن الاهتمام بالتفاصيل أمر بالغ الأهمية لضمان الحصول على قياسات دقيقة وموثوقة.
-
الاستخدام الصحيح لجهاز تحديد المدى بالليزر : أولاً، يجب على المشغلين قراءة دليل جهاز تحديد المدى بعناية والتعرف على وظائفه وعملياته. قبل القياس، تأكد من توجيه شعاع الليزر نحو الهدف وضبط التركيز لتحقيق الدقة.
-
تجنب أخطاء القياس : لضمان الدقة، من الضروري تقليل التداخل أثناء القياسات. على سبيل المثال، تأكد من عدم وجود عوائق بين جهاز تحديد المدى والهدف، وقلل من الاضطرابات الناجمة عن الرطوبة الجوية أو الدخان أو الضباب.
-
اختيار وضع القياس المناسب : غالبًا ما توفر أجهزة تحديد المدى بالليزر أوضاع قياس مختلفة، مثل القياس بنقطة واحدة أو القياس المستمر. اختر الوضع المناسب بناءً على احتياجاتك المحددة.
-
تقييم نتائج القياس : بعد إجراء القياس، قم بتقييم دقة النتائج بعناية. يمكن أن يساعد إجراء قياسات متعددة وحساب متوسطها في تقليل الأخطاء. بالإضافة إلى ذلك، يمكن مقارنة النتائج بأساليب قياس أخرى للتحقق من دقة جهاز تحديد المدى.
ثالثا: تطبيقات تقنية تحديد المدى بالليزر
تنتشر تطبيقات تقنية تحديد المدى بالليزر على نطاق واسع في مجالات مختلفة. وفيما يلي بعض السيناريوهات الشائعة التي تُستخدم فيها:
-
المسح المعماري : في مجال الهندسة المعمارية، تساعد تقنية تحديد المدى بالليزر في قياس ورسم مخططات الطوابق والخرائط ثلاثية الأبعاد للمباني. كما تسهل أيضًا قياس الأبعاد بدقة وتخطيط التصميم.
-
الاستكشاف الجيولوجي : في المسوحات الجيولوجية، يتم استخدام أجهزة تحديد المدى بالليزر لقياس ارتفاعات التضاريس وفروق ارتفاع الأرض، مما يوفر دعمًا قيمًا للبيانات للاستكشاف الجيولوجي وأنظمة التحذير من الكوارث.
-
التطبيقات العسكرية : تتمتع تقنية تحديد المدى بالليزر بتطبيقات واسعة في المجال العسكري، وخاصة في تحديد وقياس الأهداف البعيدة، مثل نيران المدفعية بعيدة المدى وملاحة الطائرات بدون طيار.
-
الملاحة الآلية : يتم استخدام هذه التقنية في الملاحة الآلية والاستشعار. من خلال قياس المسافة بين الروبوت والعقبات، تساعد الروبوتات على تجنب الاصطدامات والتخطيط للمسارات المثلى.
-
المنازل الذكية : تساهم تقنية تحديد المدى بالليزر في استشعار الإنسان وتحديد المسافة في المنازل الذكية، مما يتيح للأجهزة الذكية الاستجابة بشكل أفضل للسلوك والاحتياجات البشرية.
بناءً على طرق قياس مختلفة، يمكن تصنيف تحديد المدى بالليزر إلى تحديد المدى النبضي وتحديد المدى الطوري. يوفر الأول دقة قياس أقل، وهو مناسب للمسوحات العسكرية والهندسية حيث لا تكون الدقة من الأولويات القصوى. يوفر الأخير دقة أعلى ويُستخدم على نطاق واسع في المسوحات الجيوديسية والهندسية.
مقدمة في تحديد المدى باستخدام نبضات الليزر
- مبدأ تحديد المدى بنبضات الليزر
نظرًا لأن سرعة الضوء ثابتة ويسافر الضوء في خط مستقيم، فمن خلال قياس وقت السفر ذهابًا وإيابًا لشعاع الضوء على المسافة المراد قياسها، يمكن حساب المسافة في خط مستقيم بين نقطتين. إن مبدأ تحديد المدى بنبضات الليزر هو التحكم في المؤقت ليبدأ بإصدار نبضة ليزر ويتوقف عن طريق استقبال نبضة الليزر المرتدة. هذا يقيس وقت السفر ذهابًا وإيابًا لشعاع الليزر على المسافة المراد قياسها، مما يكمل عملية تحديد المدى.
- بنية جهاز قياس المسافات النبضي بالليزر
يظهر الرسم التخطيطي الهيكلي المبسط لجهاز تحديد المدى النبضي بالليزر في الشكل 6-18. تتم عملية عمله تقريبًا على النحو التالي: عندما يتم توجيه جهاز تحديد المدى نحو الهدف، يصدر الليزر نبضة ضوئية قوية وضيقة. تمر نبضة الضوء هذه عبر التلسكوب الناقل لضغط زاوية التباعد. إذا أخذنا ليزر الياقوت كمثال، فإن زاوية تباعد شعاعه تكون عمومًا بضعة ميلي راديان، والتي يتم ضغطها إلى بضعة أعشار ميلي راديان من خلال التلسكوب الناقل. ستشكل نبضة الضوء هذه، عند إطلاقها على مسافة 10 كم، بقعة ضوئية بقطر بضعة أمتار فقط. عندما يتم إصدار نبضة الضوء، ينعكس جزء صغير منها على الفور بواسطة مرآتين في التلسكوب المستقبل. بعد المرور عبر مرشح، تصل إلى المحول الكهروضوئي، مما يحول نبضة الضوء إلى إشارة كهربائية. يتم إرسال هذه النبضة الكهربائية، بعد التضخيم والتشكيل، إلى نظام قياس الوقت لبدء التوقيت. إن نبضة الضوء الموجهة نحو الهدف سوف تنعكس دائمًا جزءًا منها بسبب الانعكاس المنتشر للهدف. يدخل هذا الضوء المنعكس إلى التلسكوب المستقبل، ويمر عبر الفلتر والمحول الكهروضوئي ودائرة التضخيم والتشكيل، ويدخل إلى نظام قياس الوقت لإيقاف التوقيت. يتم حساب الوقت المسجل بواسطة نظام قياس الوقت وعرضه مباشرة على الشاشة، مما يوضح المسافة من جهاز تحديد المدى إلى الهدف.
- متطلبات نبضات الضوء في أجهزة تحديد المدى النبضية بالليزر
لتوسيع نطاق القياس وتحسين دقة القياس، يجب أن يلبي جهاز تحديد المدى المتطلبات التالية لنبضات الضوء:
(1) يجب أن تكون نبضة الضوء ذات شدة كافية.
بغض النظر عن كيفية تحسين اتجاه الشعاع، فمن المحتم أن يكون له تباعد معين. إلى جانب امتصاص الهواء وتشتت الضوء، كلما كان الهدف أبعد، كان الضوء المنعكس أضعف، أو قد لا يتم استقباله. لقياس مسافات أطول، يجب أن يصدر مصدر الضوء ضوءًا بكثافة طاقة عالية.
(2) يجب أن تكون اتجاهية نبضة الضوء جيدة.
يخدم هذا غرضين. من ناحية، يمكنه تركيز طاقة الضوء داخل زاوية صلبة أصغر، مما يضمن مسافة إطلاق أطول مع تحسين السرية. من ناحية أخرى، يمكنه تحديد موقع الهدف بدقة.
(3) يجب أن تكون أحادية اللون لنبضة الضوء جيدة.
سواء كان النهار أو الليل، سيكون هناك دائمًا أضواء ضالة مختلفة في الهواء، والتي غالبًا ما تكون أقوى بكثير من إشارة الضوء المنعكسة. إذا دخلت هذه الأضواء الضالة وإشارة الضوء معًا إلى نظام الاستقبال، يصبح القياس مستحيلًا. يسمح الفلتر في الشكل 6-18 فقط للضوء أحادي اللون من إشارة الضوء بالمرور، مما يحجب ترددات الضوء الضال الأخرى. من الواضح أنه كلما كانت أحادية اللون لنبضة الضوء أفضل، كان تأثير الترشيح أفضل، مما يحسن بشكل فعال نسبة الإشارة إلى الضوضاء لنظام الاستقبال ويضمن دقة القياس.
(4) يجب أن يكون عرض نبضة الضوء ضيقًا.
يشير عرض نبضة الضوء إلى الفاصل الزمني بين "حدوث" و"انطفاء" الفلاش. يمكن أن يتجنب عرض نبضة الضوء الضيق التداخل بين الضوء المنعكس والضوء المنبعث. نظرًا للسرعة العالية للضوء، إذا كانت مسافة القياس من جهاز تحديد المدى إلى الهدف 15 كم، فإن وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا لنبضة الضوء هو واحد على عشرة آلاف من الثانية فقط. لذلك، يجب أن يكون عرض نبضة الضوء أقل بكثير من واحد على عشرة آلاف من الثانية للقياس العادي. بالنسبة للمسافات الأقرب، يجب أن تكون نبضة الضوء أضيق.
حاليًا، تشمل أشعة الليزر المستخدمة في أجهزة تحديد المدى ليزر الياقوت، وليزر زجاج النيوديميوم، وليزر ثاني أكسيد الكربون، وليزر أشباه الموصلات، وما إلى ذلك. تُستخدم أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة عادةً كمصدر للضوء النبضي في أجهزة تحديد المدى طويلة المدى، بينما تُستخدم أشعة الليزر أشباه الموصلات بشكل أكثر شيوعًا في أجهزة تحديد المدى قصيرة المدى.
- توليد نبضات الليزر العملاقة
إن قوة نبضات الضوء المستخدمة في تحديد المدى عالية جدًا، وعادة ما تكون قوتها القصوى أكثر من ميغاواط واحد وعرض نبضة أقل من عشرات النانوثانية. وغالبًا ما تسمى هذه النبضات الضوئية "نبضات عملاقة". أما نبضات الليزر العامة فهي ليست نبضات عملاقة. فهي تتمتع بعرض نبضة أوسع (حوالي 1 مللي ثانية) وقوة نبضة غير كافية، وبالتالي لا يمكنها تلبية متطلبات تحديد المدى. ومن خلال تبني تقنية التبديل Q المقدمة في القسم 4.6، يمكن جعل الليزر يلبي متطلبات تحديد المدى.
- عرض المسافة
إن زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا للنبضات في نطاق النبضات قصير جدًا، لذا تُستخدم عادةً بلورات متذبذبة عالية التردد لتسجيل عدد الاهتزازات للتوقيت. [ملاحظة: يبدو أن هناك خطأ في التنسيق أو معلومات مفقودة بعد "A.10" في النص الأصلي. بافتراض أنه إشارة إلى شكل أو رسم بياني، يمكن تجاهله أو استبداله بوصف مناسب في الترجمة.] يظهر الرسم التخطيطي الأساسي لمثل هذه المعدات في الشكل.
عندما تدخل النبضة الضوئية المرجعية المنبعثة إلى جهاز الاستقبال وتتحول إلى نبضة كهربائية، يتم إدخالها إلى "البوابة الرئيسية" (دائرة البوابة الرئيسية) في الشكل 6-19، والتي تفتح البوابة الرئيسية في نفس الوقت. في هذا الوقت، تمر النبضات الكهربائية التي يولدها مذبذب بلورة الكوارتز عبر البوابة الرئيسية وتدخل العداد، الذي يبدأ العد. في نفس الوقت، تشير الشاشة الرقمية باستمرار إلى عدد النبضات الكهربائية التي سجلها العداد. عندما تدخل إشارة النبضة الضوئية المنعكسة إلى جهاز الاستقبال وتتحول إلى نبضة كهربائية يتم إدخالها إلى البوابة الرئيسية، تغلق البوابة الرئيسية على الفور، ولا يمكن لإشارة النبضة الكهربائية التي يولدها مذبذب بلورة الكوارتز دخول العداد، مما يتسبب في توقف العداد عن العد. يمثل الرقم المعروض على الشاشة عدد النبضات الكهربائية التي يولدها المذبذب خلال الوقت من وقت انبعاث النبضة الضوئية حتى عودتها.
إن دقة قياس المدى لأجهزة قياس المسافات النبضية بالليزر تصل في الغالب إلى "أمتار"، وهو ما يناسب بعض المشاريع في المسوحات العسكرية والهندسية حيث لا تكون هناك حاجة إلى الدقة العالية. كما تُستخدم طرق النبض في القياسات المكانية لمسافات طويلة، لأن خطأ القياس في حدود "أمتار" في الأماكن النائية يعتبر بالفعل عالي الدقة.
شكرا لكم على قراءة مشاركتنا اليوم، والتي انتهت الآن.
