تصميم نظام بصري مناسب لقياس المسافات بالليزر عالي الدقة

ملخص: مع تطور تقنية الليدار والطلب المتزايد على دقة تحديد المدى، تم طرح متطلبات جديدة لأنظمة الإرسال والاستقبال البصرية، والتي يجب أن تتمتع بخصائص الشعاع القابل للتعديل، ونقطة القياس الصغيرة، وكفاءة الصدى العالية. تصميم نظام بصري متكامل للإرسال والاستقبال يعمل في نطاق الاتصالات البصرية 1550 نانومتر. تشترك وحدات الإرسال والاستقبال في جزء من المسار البصري لتقليل المنطقة العمياء لحقل الرؤية المستقبل وتسهيل تصغير الهيكل. من أجل حل مشكلة اختلافات طاقة الصدى الناجمة عن مسافات القياس المختلفة وزوايا ميل السطح المختلفة، تم تصميم مكون توسيع الشعاع للنظام البصري كهيكل قابل للتعديل باستمرار مع تكبير 2x ~ 3.5x؛ يتم استخدام مجموعتين من العدسات الأسمنتية المزدوجة لتصحيح الانحراف اللوني. تقليل تأثير العرض الطيفي على مسافة انتشار النظام. بعد تحسين التصميم، تقل زاوية انحراف الليزر بعد تجميع النظام عن 0.3 ملي راد، ويمكن تعديل قطر نقطة الخروج باستمرار من 6.26 مم إلى 10.20 مم. بالنسبة لأهداف القياس ضمن مسافة 50 مترًا، يكون قطر نقطة الإشعاع أقل من 20 مم، وتكون زاوية الانحراف في مواضع تكبير مختلفة. تلبي جميعها متطلبات التصميم.

الكلمات المفتاحية: التصميم البصري؛ تحديد المدى بالليزر؛ نظام الإرسال والاستقبال المتكامل؛ نظام التكبير

مقدمة

منذ نجاح تطوير أول جهاز لقياس المسافات بالليزر في العالم في الولايات المتحدة في ستينيات القرن العشرين، أصبح لليدار أهمية متزايدة في مجال القياس غير التلامسي. يصدر الليدار ضوء الليزر بنشاط على سطح الهدف المكتشف، ويقيس المسافة إلى الهدف من خلال جمع إشارات الصدى. بالمقارنة مع تحديد المدى بالأشعة تحت الحمراء التقليدي وتحديد المدى بالموجات فوق الصوتية وتحديد المدى بالموجات المليمترية وغيرها من الطرق، فإن تحديد المدى بالليزر له مسافة اكتشاف أطول ودقة قياس أعلى. في السنوات الأخيرة، تطور الليدار بسرعة في كل من المجالين العسكري والمدني، واستمر الطلب على التطبيق في الزيادة، كما تم الاستفادة بشكل كامل من مزايا تقنية تحديد المدى بالليزر. على مستوى التقنيات عالية الدقة، مثل الفضاء الجوي والاستشعار عن بعد عبر الأقمار الصناعية وكشف الحطام، أصبحت تقنية الكشف بالليدار عالية الدقة محور جهود مختلف البلدان لتطويرها.

مع تقدم تكنولوجيا الليزر والرقائق، يتطور قياس المدى بالليزر في اتجاه المدى الطويل والدقة العالية والتصغير، مما يطرح أيضًا متطلبات أعلى للأنظمة البصرية. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت دقة القياس أقل من مستوى المليمتر، فيجب مراعاة خطأ النظام الناجم عن عدم المحورية. ومع ذلك، في معظم أنظمة الليدار البصرية الحالية، يستخدم نظام الإرسال ونظام الاستقبال مسارات بصرية مختلفة، مستقلة عن بعضها البعض وخارج المحور، وهناك نقطة عمياء في مجال رؤية الاستقبال. من أجل تحسين دقة القياس وضمان تصغير النظام، من الضروري تطوير ليدار مضغوط مع جهاز إرسال واستقبال متكامل.

تصمم هذه المقالة نظامًا بصريًا لقياس مدى الليزر يدمج جهاز الإرسال والاستقبال. يتم استخدام نطاق الاتصال البصري 1550 نانومتر في اختيار طول موجة الليزر. لا يتمتع هذا الطول الموجي بنفاذية جوية أفضل فحسب، بل يتمتع أيضًا بميزة سلامة العين البشرية ويمكن استخدامه في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية. في الوقت نفسه، نستفيد بشكل كامل من ميزة الضوضاء الخلفية المنخفضة لواجهة الألياف الضوئية ونستخدم الألياف أحادية الوضع كمنفذ انبعاث لشعاع الليزر. من أجل حل مشكلة النقاط العمياء في مجال الاستقبال بشكل فعال بسبب الطبيعة غير المحورية للأنظمة التقليدية، يتقاسم نظام الإرسال ونظام الاستقبال مسارًا بصريًا موسعًا للشعاع. أخيرًا، من أجل التكيف مع قياس المسافات المختلفة ومراعاة قابلية تعديل النظام، يتم تحويل مسار الضوء الموسع للشعاع إلى هيكل تكبير متغير. سيوفر النظام البصري المصمم والمُحسَّن في هذه المقالة أساسًا نظريًا وتجريبيًا لتطوير النماذج الأولية الهندسية اللاحقة.

1. مبدأ عمل جهاز الإرسال والاستقبال المتكامل وقياس المدى بالليزر

يوضح الشكل 1 مبدأ عمل نظام تحديد المدى بالليزر المتكامل للإرسال والاستقبال. يتكون الجزء البصري من أربعة أجزاء: وحدة التجميع، ومقسم الشعاع، ووحدة توسيع الشعاع ووحدة التركيز (العدسات في الشكل كلها عبارة عن رسوم توضيحية للنموذج). يتم إصدار إشارة الليزر من منفذ الألياف الضوئية ويتم تشكيلها أولاً في شعاع موازٍ بواسطة وحدة التجميع، ثم تمر عبر مقسم الشعاع (BS)، وتضخم قطر الشعاع من خلال وحدة توسيع الشعاع، وأخيرًا تشع سطح الهدف المراد قياسه. بعد انعكاس شعاع الليزر بشكل منتشر على السطح المراد قياسه، يتم جمع جزء من إشارة الصدى مرة أخرى بواسطة النظام البصري ويتم استقباله وتضخيمه بواسطة الصمام الثنائي الضوئي الانهياري (APD). من أجل حساب الفاصل الزمني من انبعاث الليزر إلى التجميع، تم تجهيز النظام بمرآة مرجعية، والتي يمكنها مقارنة الفرق في وقت التجميع بين الضوءين النبضيين وحساب المسافة النسبية إلى الهدف المراد قياسه بشكل غير مباشر.

الشكل 1. مخطط تخطيطي لجهاز الرادار الليزري المتكامل المرسل والمستقبل

من منظور المسار البصري، تعد وحدة التجميع هي أول من يشارك في تشكيل الليزر، مما يؤثر بشكل مباشر على تأثير انتشار الحزم اللاحقة؛ وتشارك وحدة توسيع الشعاع في كل من الإرسال والاستقبال، وهو محور تصميم نظام الإرسال والاستقبال المتكامل. لذلك، فإن جودة تصميم وحدة التجميع ووحدة توسيع الشعاع ستؤثر بشكل مباشر على كفاءة نظام الإرسال والاستقبال ودقة القياس.

2. النموذج النظري لتصميم النظام

نظرًا لأن عملية تصميم وحدة التجميع ووحدة توسيع الشعاع للنظام معقدة نسبيًا وتتضمن مبادئ تشكيل الليزر والتكبير المستمر، فيجب إنشاء نماذج نظرية بشكل منفصل لتوجيه تصميم النظام البصري.

2.1 تصميم وحدة المحاذاة

إن شعاع الليزر المنبعث من الألياف الضوئية له خصائص شعاع غاوسي. أثناء عملية الإرسال، يتغير مركز انحنائه ونصف قطر انحنائه باستمرار، لكن السعة والشدة تحافظان دائمًا على خصائص التوزيع الغاوسي داخل المقطع العرضي. لذلك، عند تشكيل شعاع غاوسي، لا يمكننا ببساطة استخدام البصريات الهندسية لمحاكاة الحسابات. نحتاج إلى مراعاة محيط الشعاع وزاوية التباعد ونطاق رايلي وغير ذلك من معلمات الانتشار الضوئي الفيزيائية.

يظهر الرسم التخطيطي لنظام البصريات التجميعية في الشكل 2. ينبعث شعاع الليزر من الوجه النهائي للألياف، بنصف قطر محيط الشعاع الأولي ω0، وزاوية تباعد θ، ومسافة l من عدسة التشكيل. بعد تشكيله بواسطة العدسة، لا يزال الشعاع يتمتع بخصائص الشعاع الغاوسي. نصف قطر محيط الشعاع الجديد هو ω′0، ونصف قطر البقعة ω′(z) هو دالة لمسافة الانتشار z.

الشكل 2. مخطط تخطيطي لنظام بصري تجميعي

الشكل 3. مخطط المسار البصري لنظام التجميع البصري

الشكل 4. مخطط هيكل نظام توسيع الحزمة المتغيرة التكبير الأمثل

الشكل 5. مخطط البنية العامة للمسار البصري

3 الخاتمة

تصمم هذه المقالة نظامًا بصريًا مناسبًا للقياس عالي الدقة، والذي لا يدمج جهاز الإرسال والاستقبال فقط، بل يستخدم أيضًا بنية تكبير مستمرة، تتميز بميزة الشعاع القابل للتعديل. يتم استخدام 11 عدسة فقط، مما يقلل من تكاليف المعالجة. يتم استخدام طريقة التصميم المعياري لتحليل المسار البصري إلى وحدة تجميع ووحدة توسيع الشعاع ووحدة التركيز. ثم يتم تحليل مبادئ كل وحدة وتصميمها وتحسينها على التوالي. من وجهة نظر الانبعاث للنظام البصري النهائي، فإن زاوية تباعد المجال البعيد للشعاع الخارج المشكل تحت كل تكوين تكبير متغير أقل من 0.3 مراد، وقطر البقعة الخارجة قابل للتعديل باستمرار من 6.26 مم إلى 10.20 مم. للقياسات في حدود 50 مترًا، يكون قطر بقعة إضاءة الهدف والنظام أقل من 20 مم؛ من وجهة نظر الاستقبال، تكون كفاءة استقبال الصدى لكل تكوين في مجال الرؤية 1 درجة أعلى من 90٪. الميزة الأكبر لهذا النظام البصري هي جهاز الإرسال والاستقبال المحوري، والذي يزيل هيكليًا الخطأ غير المحوري بين المرسل والمستقبل، وهو أمر مفيد لتحسين دقة تحديد المدى ويمكن أن يوفر مرجعًا لتصميم نظام رادار ليزر يدمج جهاز الإرسال والاستقبال وجهاز الإرسال والاستقبال.