Yüksek tekrarlama frekanslı darbeli lazer ölçüm teknolojisi
Şimdiye kadar lazer mesafe ölçer üçüncü nesle güncellendi. Birinci nesil lazer mesafe ölçer esas olarak havacılık ve askeri ekipmanlarda kullanıldı. Bir fotomultiplier tüp (PMT) dedektörü ve bir kızılötesi mücevher lazerinden oluşan birinci nesil lazer mesafe ölçer sistemi büyük boyutluydu ve insan gözüne zararlıydı. , çok güç tüketiyordu ve diğer birçok eksikliği vardı, 1970'lerde yavaş yavaş ikinci nesil lazer mesafe ölçme sistemiyle değiştirildi. İkinci nesil lazer mesafe ölçme sisteminde kullanılan lazer, Nd:YAG lazerine dayalı yakın kızılötesi bir neodimyum lazerdir ve yankı dedektörü, mesafe ölçme sistemini küçük boyut ve düşük güç tüketimi yönünde geliştirmeye başlayan bir çığ fotodiyodu (APD) veya bir PIN fotodiyodudur. Ancak, insan gözü güvenliği sorunu şu anda mesafe ölçme sisteminde hala büyük bir zorluktur. Üçüncü nesil lazer mesafe ölçme sistemi insan gözü güvenliği sorunlarını dikkate almaya başladı. Sistemin yaydığı lazer dalga boylarının tamamı insan gözü güvenlik bandında olup, çoğunluğu erbiyum cam katı lazerler kullanmaktadır.
Şekil 1 Erken yakut lazerinin iç yapısı
Elektronik teknolojisinin gelişmesi ve olgunlaşmasıyla birlikte lazer ölçüm teknolojisi de küçük boyutlu, hafif, düşük fiyatlı ve basit yapı yönünde hızla gelişmektedir.
Lazer performansı, darbeli lazer ölçüm sistemlerinin ölçüm performansını etkileyen önemli faktörlerden biridir. Şu anda birçok lazer türü vardır. Bunlar arasında katı hal lazerleri kompakt yapıya, yüksek güce ve kolay kullanıma sahiptir ve endüstriyel işleme, tıbbi ve askeri alanlar için uygundur; gaz lazerleri birçok türe, yüksek dönüşüm verimliliğine ve geniş dalga boyu aralığına sahiptir ve hassas test ve ölçüm araçları için uygundur; sıvı lazerler kararlıdır Zayıf performans, çıkış lazer dalga boyu geniş bir aralıkta ayarlanabilir ve lazer tıbbı, fotobiyokimya ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılır; kimyasal lazerler kimyasal enerjiyi doğrudan ışık enerjisine dönüştürür, yüksek çıkış enerjisi ve dalga bant genişliğine sahiptir, güç kaynağı olmadan saha operasyonları için uygundur; Yarı iletken lazerler düşük maliyetlidir ve modüle edilmesi kolaydır ve iletişim ışık kaynakları, lidar vb. için uygundur.
Lazer seçimi, maliyet performansı ve teknik göstergelerin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesini gerektirir ve en uygun maliyetli lazer, tasarım göstergesi gereksinimlerini karşılamaya göre seçilmelidir. Teknik göstergeler esas olarak lazer tekrarlama frekansı, tepe gücü, merkez dalga boyu vb. içerir. Bunlar arasında, lazer tekrarlama frekansı esas olarak menzil hızını etkiler. Tepe gücü ne kadar yüksekse, ölçülen mesafe o kadar uzak olur. Lazer dalga boyu, lazer yayılma ortamının zayıflamasını ve diğer özellikleri kapsamlı bir şekilde dikkate almalıdır. Erbiyum cam lazerin kazanç ortamı Er camdır ve çıkış dalga boyu 1535 nm'dir. İnsan gözü güvenliği menzilinde yaygın olarak kullanılır. Şu anda Çin'de 100-400 μJ enerji çıkışı, 5 ns darbe genişliği ve 1MHz'den fazla tekrarlama frekansı elde edebilir. Erbiyum cam lazerler düşük güç tüketimi, yüksek tepe gücü, dar darbe genişliği, kompakt boyut sunar ve sıcaklık kontrolü gerektirmez. Son derece yüksek stabiliteye sahiptir ve -45℃~60℃ arasındaki aşırı sıcaklık ortamlarında kullanılabilir.
Şekil 2 Erbiyum cam lazerinin çalışma prensibi
Minyatürleştirilmiş göze zararsız lazer mesafe ölçer esas olarak üç parçadan oluşuyor: lazer iletim modülü, lazer alıcı sistem ve sinyal işleme sistemi.
Darbeli lazer mesafe ölçüm sisteminin lazer emisyon ünitesi esas olarak lazer sürücü modülü, lazer ve kolime edilmiş emisyon modülü olmak üzere üç alt modüle ayrılmıştır. Lazer, mesafe ölçüm sisteminin performansını etkileyen önemli bir parçadır. Lazer sürüş modülü esas olarak sürüş devresini lazerin özelliklerine göre tasarlar ve tasarım gereksinimlerine göre kontrol programında lazer tekrarlama frekansını ve dar darbeyi ayarlar. Kolime edilmiş emisyon modülü, kolime edilmiş bir emisyon lensi içerir. Lazer tarafından yayılan lazerin bir sapma açısı vardır, bu nedenle enerji sapmasını azaltmak ve sistem mesafe ölçüm mesafesini artırmak için emisyon lensinin hedefe gönderilmeden önce kolime edilmesi ve düzeltilmesi gerekir.
Algılama ışığı lazeri tarafından yayılan lazer sinyalinin hedef tarafından yansıtıldıktan sonra maksimum verimlilikle fotodedektöre bağlanabilmesini sağlamak için, sinyal alma modülünün yapısı kabaca aşağıdaki üç bölüme ayrılabilir: Birinci bölüm, zayıf yankı sinyallerinin merceğin odağına en büyük ölçüde toplanmasını sağlayan alıcı mercektir, böylece sinyalin gücü sağlanır; ikinci bölüm, tasarımı konik olan ve kaçak ışığı etkili bir şekilde izole edebilen alıcı mercek namlusudur; üçüncü bölüm sinyal Alma tabanıdır, bu bölüm fotodetektörün merceğin odağına yerleştirilmesini sağlamak için tasarlanmıştır, böylece mümkün olduğunca fazla ışık sinyalinin alınması sağlanır.
Fotoelektrik Dedektör, sistem alıcı modülünün ana bileşenlerinden biridir. Mesafe belirleme sürecindeki ana görevi, alınan zayıf ışık sinyalini elektrik sinyaline dönüştürmektir. Fotodedektörler esas olarak çığ diyotları, fotodiyotlar ve fotomultiplier tüpleri gibi fotoiletken cihazları içerir; bunların arasında çığ diyotları ve fotodiyotlar en yaygın olanlarıdır. Darbeli lazer mesafe belirleme sisteminin yankı sinyali alıcı ünitesi, dedektörü çekirdek olarak alır. Optik alıcı modül, optik sinyali dedektörün yüzeyine odaklar. Dedektör bir fotoakım oluşturur ve optik sinyali elektrik sinyaline dönüştürür. Elektrik sinyali, amplifikasyon ve şekillendirme devresinden geçer. ve ardından sinyal işleme sistemi TDC yankı sinyalini alır ve doğru mesafe bilgisi elde etmek için uçuş süresini ölçmek üzere veri işleme gerçekleştirir.
Şekil 3 Darbeli lazer menzilinin ilkesi
Darbeli lazer mesafe ölçüm teknolojisinin sürekli iyileştirilmesiyle birlikte, boyutu küçülmeye devam ediyor ve fiyatı giderek azalıyor. Lidar, bina ölçümü vb. alanlarda giderek daha fazla kullanılıyor. Etkisi, diğer mesafe ölçüm teknolojilerine kıyasla belirgin avantajlara da sahip. Şu anda, küçük mesafe ölçüm modüllerinin maksimum ölçüm mesafesi 10 km'den fazla olabilir ve mesafe ölçüm doğruluğu ±1 m'ye kadar ulaşabilir.
