مبدأ الليزر وتقنية تحديد المدى بالليزر
تتميز وحدة قياس المدى بالليزر ERDI LASER® Eyesafe بقدرتها على قياس أهداف الناتو بعيدة المدى التي تتجاوز 35 كم، حيث تجمع بين نطاق قياس واسع ودقة عالية. كما أن استهلاكها المنخفض للطاقة وحجمها الصغير يجعلها حلاً ممتازًا لقياس المدى بالليزر للطائرات بدون طيار والمنصات المحمولة جواً وغيرها من الأجهزة البصرية الإلكترونية. وهي مجهزة بمجموعة مختارة من واجهات الاتصالات الكهربائية UART (TTL_3.3V) أو RS232 أو RS422، وتتميز ببرنامج كمبيوتر مضيف مدمج ومجموعات تعليمات وبروتوكولات اتصال، مما يسهل التطوير الثانوي للمستخدمين.
ما هو الليزر؟
الليزر (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع) هو اختصار لـ "تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع". إنه مصطلح طويل وصعب الفهم، لذا فلنبدأ بالنظر إلى الرسم التخطيطي التالي:
يشير الإشعاع التلقائي إلى العملية التي تنتقل فيها ذرة عند مستوى طاقة أعلى تلقائيًا إلى مستوى طاقة أقل، فتنبعث منها فوتون في هذه العملية. وبعبارات بسيطة، يمكن فهم ذلك على النحو التالي: تخيل كرة في أكثر موضع ثابت لها على الأرض. عندما يتم دفع هذه الكرة في الهواء بواسطة قوة خارجية (تُعرف بالضخ)، وفي اللحظة التي تختفي فيها القوة الخارجية، تسقط الكرة من الهواء وتطلق كمية معينة من الطاقة. إذا كانت هذه الكرة تمثل ذرة معينة، فخلال انتقالها، ستصدر الذرة فوتونًا بطول موجي محدد.
ولادة جهاز الليزر
في عام 1960، قام ثيودور مايمان من مختبرات هيوز للأبحاث في الولايات المتحدة بتطوير أول ليزر ياقوتي، يصدر ضوء الليزر الأحمر عند 694.3 نانومتر، والذي يُعرف على نطاق واسع بأنه أول جهاز ليزر في العالم.
كان طول موجة الليزر المنبعثة من جهاز الليزر الخاص بمايمان 694.3 نانومتر، وهو ما يقع ضمن طيف الضوء المرئي، ومن هنا جاء اللون الأحمر المرئي لشعاع الليزر. وفي الأبحاث والتطويرات اللاحقة، اخترع العلماء ليزرًا بأطوال موجية مختلفة. وحاليًا، الطول الموجي الأكثر شيوعًا لليزر هو 1064 نانومتر، وهو ما يقع خارج طيف الضوء المرئي وبالتالي لا يمكن رؤيته بالعين البشرية.
تصنيف الليزر
بعد فهم مبدأ توليد الليزر، بدأ الناس في تطوير أشكال مختلفة من الليزر. إذا تم تصنيفها وفقًا للوسط الذي يعمل به الليزر، فيمكن تقسيمها إلى ليزر غازي، ليزر الحالة الصلبة، ليزر أشباه الموصلات، وما إلى ذلك.
- تتضمن تصنيفات الليزر الغازي الليزر الذري والجزيئي والأيوني. الوسط العامل لليزر الغازي هو الغاز أو بخار المعدن، والذي يتميز بمجموعة واسعة من أطوال موجات خرج الليزر. النوع الأكثر شيوعًا هو ليزر ثاني أكسيد الكربون، حيث يعمل ثاني أكسيد الكربون كوسيط عامل ويولد ليزر الأشعة تحت الحمراء 10.6 ميكرومتر من خلال إثارة التفريغ الكهربائي.
وبسبب الحجم الضخم لأشعة الليزر الغازية الناتجة عن وسط عملها الغازي، والأطوال الموجية الطويلة التي تنبعث منها، والتي لا تعد مثالية لمعالجة المواد، فقد تم التخلص من أشعة الليزر الغازية بسرعة من السوق. وهي تستخدم الآن فقط في مجالات محددة، مثل وضع العلامات بالليزر على أجزاء بلاستيكية معينة.
- تصنيف الليزر الحالة الصلبة: روبي، Nd:YAG، الخ.
تستخدم أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة مواد مثل الياقوت والزجاج المضاف إليه النيوديميوم واليتريوم والألومنيوم والجارنيت (YAG) كوسيط نشط لها. يتم إنشاء هذه الليزرات عن طريق إضافة كمية صغيرة من الأيونات بشكل موحد، والمعروفة باسم الأيونات المنشطة، إلى البلورة أو مصفوفة الزجاج للمادة المضيفة. تتكون أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة من وسط نشط ونظام ضخ وتجويف رنيني وأنظمة تبريد وتصفية.
في الصورة أدناه، يمثل المربع الأسود في المنتصف بلورة الليزر، والتي تبدو وكأنها قطعة زجاجية شفافة فاتحة اللون. وهي تتكون من بلورة شفافة مشبعة بمعادن أرضية نادرة. إن البنية الذرية الفريدة لهذه المعادن الأرضية النادرة هي التي تسمح بانعكاس السكان (تخيل العديد من الكرات على الأرض يتم دفعها في الهواء) عند تعرضها للضوء. عندما تخضع الجسيمات للانتقال وتنبعث منها الفوتونات، وعندما يكون هناك ما يكفي من الفوتونات، يتشكل ضوء الليزر. لضمان توجيه ضوء الليزر المنبعث في اتجاه واحد، يتم استخدام مرآة انعكاس كلي (عدسة يسارية) ومرآة خرج شبه عاكسة (عدسة يمينية). بعد انبعاث ضوء الليزر، يخضع لتصاميم بصرية معينة لتكوين طاقة الليزر.
الصورة التالية تصور جهاز نقل ليزر الألياف الضوئية YAG النموذجي. في الصورة، الجزء الرمادي هو قضيب بلورة الليزر المشبع بأيونات النيوديميوم. يتم تشعيعه بمصباح زينون أحمر لتوليد ضوء الليزر. بعد توصيل الليزر بالألياف للنقل، يصل إلى سطح قطعة العمل.
نظرًا لقدر معين من التآكل والتلف في مصباح زينون الذي ينبعث منه ضوء الليزر، على غرار كيفية تعطل مصابيح الفلورسنت في المنزل بعد فترة من الاستخدام، تم إجراء تحسينات على الليزر المضاء بمصابيح الفلورسنت. إذا تم استبدال مصباح الفلورسنت بأشباه موصلات تنبعث منها الفوتونات من خلال انتقالات الإلكترونات الداخلية، فسيتم تمديد عمر الليزر بشكل كبير. تم إجراء تحسينات على ليزر الحالة الصلبة YAG في جانبين: من ناحية، تم استبدال مصباح زينون (مستهلك) الذي يثير الليزر بأشباه موصلات (ثنائي ضوئي)؛ من ناحية أخرى، تم تعديل قضيب بلورة الليزر لتخدير أيونات الأرض النادرة مباشرة في الألياف. ونتيجة لذلك، تم دمج ليزر الحالة الصلبة الضخم في مولد ليزر صغير. بعد التكامل، يسمى هذا النوع من الليزر ليزر الألياف.
عندما يتعلق الأمر بأشعة الليزر شبه الموصلة، فيمكن فهمها ببساطة على أنها صمام ثنائي ضوئي. يوجد داخل الصمام الثنائي تقاطع PN. عندما يتم تطبيق تيار معين، تحدث انتقالات إلكترونية داخل شبه الموصل، مما يؤدي إلى إطلاق الفوتونات وبالتالي توليد ضوء الليزر.
عندما تكون طاقة الليزر التي تطلقها أشباه الموصلات صغيرة نسبيًا، يمكن استخدام أجهزة أشباه الموصلات منخفضة الطاقة كمصدر مضخة (مصدر إثارة) لليزر الألياف، وبالتالي تشكيل ليزر الألياف.
إذا تم زيادة قوة الليزر شبه الموصل إلى مستوى يمكن من خلاله إخراجه مباشرة لمعالجة المواد، فإنه يصبح ليزر شبه موصل مباشر. حاليًا، وصلت ليزرات أشباه الموصلات المباشرة في السوق إلى مستوى 10000 واط.
بالإضافة إلى الليزر المذكور أعلاه، اخترع الناس أيضًا الليزر السائل، المعروف أيضًا باسم ليزر الوقود. وبالمقارنة مع الليزر الصلب، فإن الليزر السائل أكثر تعقيدًا من حيث الحجم ومواد العمل، ونادرًا ما يتم استخدامه.
مبدأ عمل أجهزة تحديد المدى بالليزر
بالإضافة إلى استخدام الليزر لمعالجة المواد في الصناعة، فإن مجالات أخرى مثل الفضاء والجيش تتطور باستمرار لتطبيقات الليزر. إن استخدام الليزر في تطبيقات الطيران والجيش يتزايد باستمرار، وتطبيق الليزر الرئيسي في هذا المجال هو قياس المسافات بالليزر. مبدأ قياس المسافات بالليزر هو أن المسافة تساوي السرعة مضروبة في الوقت. نظرًا لأن سرعة الضوء ثابتة، ويمكن اكتشاف وقت انتشار الضوء بواسطة جهاز الكشف، فيمكن حساب المسافة إلى الجسم الذي يتم قياسه.
الرسم التخطيطي هو كما يلي:
ما هي تطبيقات أجهزة تحديد المدى بالليزر؟
تُستخدم أجهزة تحديد المدى بالليزر على نطاق واسع في مجال الفضاء. فقد حملت مركبة أبولو 15 قطعة خاصة من المعدات إلى القمر أثناء مهمة هبوطها على القمر - وهي عبارة عن عاكس زاوية كبير، استُخدم لعكس شعاع الليزر المنبعث من الأرض. ومن خلال تسجيل وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا، يمكن حساب المسافة بين الأرض والقمر. وفي الوقت نفسه، تُستخدم أجهزة تحديد المدى بالليزر أيضًا في مجالات الفضاء الجوي الأخرى:
- التطبيقات العسكرية لأجهزة قياس المسافات بالليزر:
تم تجهيز العديد من أنظمة البحث والتتبع الكهروضوئية على الطائرات المقاتلة ومعدات القتال البري بمقاييس مدى ليزرية يمكنها تحديد المسافة إلى العدو بدقة وإجراء الاستعدادات الدفاعية المناسبة. ومن بينها، تم تجهيز بعض أسلحة القتال البري، مثل بنادق القتال البري، بمقاييس مدى ليزرية لمعرفة المسافة بين العدو ونفسنا. مع تطبيق مقاييس المدى بالليزر في الجيش، يدرس الناس باستمرار أنظمة الاستطلاع بالأسلحة الليزرية.
ومن بينها، يمكن استخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء لمراقبة شعاع الليزر، وتتبع مصدر الضوء بناءً على شعاع الليزر، وتحديد موقع شعاع الليزر، كما هو موضح في وضع مصدر الليزر الذي رصدته كاميرا الأشعة تحت الحمراء:
-
تطبيق تحديد المدى بالليزر في مسح التضاريس ورسم الخرائط
تُعرف أجهزة تحديد المدى بالليزر المستخدمة في مسح التضاريس ورسم الخرائط باسم أجهزة قياس الارتفاع بالليزر، والتي يتم تركيبها في المقام الأول على الطائرات أو الأقمار الصناعية لقياس بيانات الارتفاع. على سبيل المثال، كانت أجهزة قياس الارتفاع بالليزر "تشانغ إي-1" و"تشانغ إي-2" حمولات رئيسية لأقمار استكشاف القمر، المكلفة بالحصول على بيانات ارتفاع ثلاثية الأبعاد لسطح القمر. تم إطلاق القمر الصناعي "تشانغ إي-1" في عام 2007، بينما تم إطلاق القمر الصناعي "تشانغ إي-2" في عام 2010. من خلال الجمع بين بيانات الارتفاع والصور من كاميرا ستيريو CCD، تم الحصول على التضاريس الأساسية لسطح القمر، وتم تحديد الوحدات الهيكلية، وتم تجميع خريطة أولية جيولوجية وهيكلية للقمر. بالإضافة إلى بيانات الارتفاع، حصل مقياس الارتفاع بالليزر "تشانغ إي-2" أيضًا على معلومات انعكاس سطح القمر، مما يوفر بيانات مرجعية للهبوط الناعم اللاحق. -
تطبيق تحديد المدى بالليزر في الهبوط المستقل للمركبات الفضائية
إن استخدام المجسات غير المأهولة للهبوط على أسطح الأجرام السماوية المستهدفة مثل القمر أو المريخ أو الكويكبات للاستكشاف الميداني وحتى جلب العينات هو طريق مهم لاستكشاف الإنسان للكون ونقطة ساخنة في تطوير أنشطة استكشاف الفضاء العميق في المستقبل. إن إطلاق الأقمار الصناعية أو المجسات للهبوط الناعم على أسطح الكواكب الأخرى هو اتجاه حاسم في استكشاف الفضاء. -
تطبيق تحديد المدى بالليزر في الالتقاء والالتحام الفضائي المستقل
إن عملية الالتقاء والالتحام الفضائي المستقل هي عملية معقدة ودقيقة للغاية. تشير عملية الالتقاء إلى اجتماع مركبتين فضائيتين أو أكثر في موضع ووقت محددين مسبقًا في مدار فضائي، بمسافة عمل تتراوح من 100 كيلومتر إلى 10 أمتار. تتطلب هذه العملية توجيهًا بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ورادارًا ميكروويفًا وليدارًا وأجهزة استشعار تصوير بصري للقياس. يشير الالتحام الفضائي إلى الاتصال الميكانيكي لمركبتين فضائيتين بعد الالتقاء في مدار فضائي، بمسافة عمل تتراوح من 10 أمتار إلى 0 متر. تعتمد هذه العملية بشكل أساسي على أجهزة استشعار التوجيه بالفيديو المتقدمة (AVGS).
- تطبيق تحديد المدى بالليزر في الكشف عن الحطام الفضائي
يعد اكتشاف الحطام الفضائي حاليًا أحد مجالات التطبيق المهمة لتكنولوجيا الكشف بالليزر في الفضاء العميق. وتمثل الولايات المتحدة وروسيا، اللتان تقومان بأنشطة فضائية منذ فترة طويلة، أكثر من 90٪ من إجمالي الحطام الفضائي الناتج. لا يمكن لأحد أن يحصي العدد الدقيق للحطام الفضائي. حاليًا، لا يمكن للبشر تتبع ومراقبة الحطام الذي يبلغ قطره 10 سنتيمترات أو أكثر. يوجد حاليًا أكثر من 17000 من هذه الحطام، وفقط الولايات المتحدة وروسيا في العالم لديهما القدرة على مراقبتها جميعًا. خصصت الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا) رقمًا لكل حطام. يُقدر أن هناك عشرات الملايين إلى مئات الملايين من الحطام الأصغر من سنتيمتر واحد، ولم يعد بإمكان المركبات الفضائية تجنب الاصطدام بها. لا يمكنها الاستجابة إلا من خلال تعزيز قدراتها الوقائية الخاصة. من أجل تطوير واستخدام موارد الفضاء بأمان واستدامة، من الضروري تحسين تكنولوجيا تتبع ومراقبة الحطام الفضائي باستمرار، وتعزيز القدرة على تحليل بيئة الحطام الفضائي والتنبؤ بها، والسعي إلى تدابير فعالة للسيطرة على الحطام الفضائي.
اتجاه تطوير أجهزة تحديد المدى بالليزر
في الوقت الحالي، تتطور أجهزة تحديد المدى بالليزر نحو أحجام أصغر ودقة أعلى ومسافات قياس أطول. ومن بين الشركات المصنعة لأجهزة تحديد المدى بالليزر في السوق Keyence وLeica.
كانت شركة ERDI في طليعة العالم في مجال أجهزة تحديد المدى بالليزر 1535 نانومتر. والتزامًا بقيم الدفاع العسكري والسلام البشري، اعتمدت الشركة تقنية الليزر الزجاجي الإربيوم 1535 نانومتر التي طورتها بنفسها لتصنيع ليزر زجاج الإربيوم 1535 نانومتر وإنتاج سلسلة 1535 نانومتر من وحدات تحديد المدى بالليزر. هذه الوحدات آمنة للعين البشرية، مع قدرة على تحديد المدى من 1 إلى 35 كيلومترًا، ودقة عالية، وأداء مستقر، واستهلاك منخفض للطاقة، وحجم صغير، وهيكل مضغوط. وهي تسمح بانبعاثات ضوء 107 وتتمتع بعمر خدمة طويل، مما يوفر حلول تحديد المدى بالليزر ممتازة للطائرات بدون طيار والمحمولة جواً وغيرها من المنصات البصرية الإلكترونية. وهي مجهزة بواجهات كهربائية للاتصالات UART (TTL_3.3V) وRS232 وRS422 (اختر واحدة من الثلاثة). مع وجود برنامج كمبيوتر مضيف مدمج ومجموعة تعليمات وبروتوكول اتصال، من الملائم للمستخدمين إجراء تطوير ثانوي. فيما يلي بعض المعلمات الأساسية للعديد من النماذج، لمزيد من منتجات مقياس المسافات بالليزر 1535 نانومتر، يرجى زيارة https://erdicn.com/collections/1535nm-laser-rangefinder-module .
|
مواصفات LRF |
لرف00308ج |
لرف0612ج |
لرف0815ج |
ل ر ف 1017 سي |
ل ر ف 1221 ج |
ال ار اف 1830 سي |
|
|
المدى الممتد (كم) |
4.2 |
7.1 |
20 |
20 |
25 |
30 |
|
|
المدى لمركبة الناتو (2.3 × 2.3 متر) |
القياس الفردي (كم) |
3.5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
18 |
|
مستمر (10 هرتز) (كم) |
3.5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
18 |
|
|
بشري (0.5 × 1.8 متر) قياس فردي (نانومتر) |
2 |
3.8 |
4 |
5 |
6 |
9 |
|
|
بشري (0.5 × 1.8 متر) مستمر (10 هرتز) (نانومتر) |
2 |
3.8 |
4 |
5 |
6 |
9 |
|
|
الطول الموجي (نانومتر) |
1535±1 |
1535±1 |
1535±5 |
1535±5 |
1535±5 |
1535±5 |
|
|
زمن القياس الفردي |
≤0.03 |
≤0.03 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≤0.5 |
|
|
القياس المستمر (1، 4، 10، 20، 100، 200، 500 هرتز) |
1~10(قابلة للتعديل) |
1~10(قابلة للتعديل) |
1~10(قابلة للتعديل) |
1~10(قابلة للتعديل) |
1~10(قابلة للتعديل) |
1~10(قابلة للتعديل) |
|
|
الدقة (سم) |
±100 |
±100 |
200 |
200 |
200 |
200 |
|
|
معدل الكشف الكاذب (%) |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
≤1% |
|
|
انحراف الشعاع (هرتز × فرت) (مراد) |
~0.6 |
~0.3 |
≤0.35 |
≤0.35 |
≤0.3 |
≤0.3 |
|
|
تمييز الهدف (م) |
20 |
50 |
30 |
30 |
30 |
30 |
|
|
دقة بوابة النطاق (م) |
1 |
1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
|
|
محاذاة الليزر (نعم/لا) |
نعم |
نعم |
نعم |
نعم |
نعم |
نعم |
|
|
دورة الليزر |
الصف الأول |
الصف الأول |
الصف الأول |
الصف الأول |
الصف الأول |
الصف الأول |
|
|
استهلاك الطاقة (واط) |
≤2 واط |
≤4 واط |
2 واط |
2 واط |
2.5 واط |
3 وات |
|
|
متوسط عمر الخدمة بين الأعطال مع الافتراضات |
≥1500 ساعة |
≥1500 ساعة |
1×10 6 عدد مرات الإطلاق |
1×10 6 عدد مرات الإطلاق |
1×10 6 عدد مرات الإطلاق |
1×10 6 عدد مرات الإطلاق |
|
|
واجهة تسلسلية |
UART (TTL_3.3V) |
UART (TTL_3.3V) |
422/TTL |
422/TTL |
422/TTL |
422/TTL |
|
|
درجة حرارة التشغيل |
-40~70 درجة مئوية |
-40~70 درجة مئوية |
-40 درجة مئوية-+65 درجة مئوية |
-40 درجة مئوية-+65 درجة مئوية |
-40 درجة مئوية-+65 درجة مئوية |
-40 درجة مئوية-+65 درجة مئوية |
|
|
الأبعاد (مم) |
≤48×31×25 |
≤65×48×32 |
≤80×64×42 |
≤107×62×72 |
≤115×60×62 |
≤125×100×70 |
|
|
الوزن (جم) |
≤32±1 |
≤58±1 |
≤180 |
≤280 |
≤350 |
≤410 |
|
ملحوظات:
- حجم الهدف 2.3 × 2.3 متر، الرؤية 25 كم، أقصى وقت للقياس، انعكاسية الهدف 30%، احتمالية الكشف 90%.
- عند ضبط النطاق على 6 كم، وعند ضبط النطاق على 12 كم، يكون وقت القياس 0.5- 2.4 ثانية
- يعتمد أداء النطاق على المعدل المطبق.
- اعتمادا على المسافة وانعكاس الهدف.
- اعتمادًا على مستوى الإشارة المستلمة. ما يصل إلى ثلاثة (3) أهداف: الأول والثاني والأخير *6) استهلاك الطاقة < 1.8 وات قابل للاختيار مع أداء نطاق 85٪.
- استهلاك الطاقة <2 وات قابل للاختيار مع نطاق أداء 85٪.
- الصف 1 / الصف 1م.
- في نطاق CMM 10 هرتز، الأداء يصل إلى هدف الناتو 7300 / 13500 متر
SMM=وضع القياس الفردي
CMM = وضع القياس المستمر
ملخص:
إن الليزر المعروف باسم "أسرع شفرة" و"أكثر مسطرة دقة" سوف يتم تطبيقه في جوانب مختلفة من حياة الناس وسوف يجد تطبيقات واسعة النطاق في مجال الطيران والمجالات العسكرية. إن الليزر أداة وسلاح في نفس الوقت. ومن المهم أن نستخدمه جميعًا بشكل سلمي، ونسعى إلى تحقيق السلام العالمي.
