متر لیزری چیست و کاربرد آن کجاست ؟
تاريخ :
۱۳۹۰/۸/۲۹
فاصله سنج لیزری چیست؟
فاصله سنج لیزری وسیله ای است که از پرتو لیزر برای تعیین فاصله اجسام استفاده میکند.عمومی‌ترین نوع فاصله سنج براساس زمان پرواز نمونه به وسیله فرستادن یک پالس لیزر در یک باریکه پرتو به سمت جسم و اندازه گیری زمان صرف شده پرتو برای اینکه از هدف منعکس شده و به فرستنده باز گردد عمل میکند . به خاطر سرعت بالای نور این تکنیک برای اندازه گیری‌های با دقت کمتر از میلیمتر مناسب نیست به طوری که اغلب سه گوشه سازی و روشهای دیگر به کار می روند.
طرز کار فاصله یاب لیزری براساس همان اصولی است که د ر رادارهای معمولی بکار می‌رود. یک تپ لیزری YAG و یا CO2 به هدفی که نشانه روی شده است ارسال می‌شود. پس تپ ارسالی به هدف خورده باز می‌گردد و سپس توسط یک سیستم مناسب گیرنده نوری آشکار می‌شود.
فاصله مورد نظر با تعیین مدت زمانی که طول می‌کشد تا تپ ارسالی مسیر رفت و برگشت را طی کند، بدست می‌آید.طرح کلی یک فاصله یاب Nd: YAG متشکل از فرستنده (لیزر)، گیرنده و دوربین است. پس با ارسال تپ ارسالی به هدف ، نور پراکنده شده از هدف توسط عدسیهای L1 و L2 روی یک آشکار ساز تمرکز یافته و یک سیگنال الکتریکی حاصل می‌شود. اگر لحظه t0 تپ لیزری از سیستم به سمت هدف ارسال شود و سیگنال بازگشتی در لحظه t1 آشکار شود، با توجه به اینکه نور با سرعت C در مدت زمان t1 - t0 فاصله 2x (رفت و بازگشت سیگنال) را پیموده است، فاصله x بدست می‌آید:
(X = (1/2) C(t1 - t0
مشاهده می شود که دقت در تعیین فاصله به دقت در تعیین زمان بستگی دارد. سیستمهای نظامی با شمارش نوسان‌های یک بلور کوارتز در مدت زمان t1 - t0 فاصله مورد نظر بصورت عددی روی دستگاه ظاهر می‌شود.
قابلیت های فاصله سنج لیزری
یک فاصله سنج برد بالا که قادر به اندازه گیری فاصله 20 کیلومتر است و روی یک سه پایه با پایه سه گوش سوار شده است. این دستگاه حرکات قوسی و بالا و پایین را نیز پشتیبانی می کند.
فاصله سنج لیزری وسیله ای است که از پرتو لیزر برای تعیین فاصله اجسام استفاده میکند.عمومی.ترین نوع فاصله سنج لیزری براساس زمان پرواز نمونه به وسیله فرستادن یک پالس لیزر در یک باریکه پرتو به سمت جسم و اندازه گیری زمان صرف شده پرتو برای اینکه از هدف منعکس شده و به فرستنده باز گردد عمل می.کند . به خاطر سرعت بالای نور این تکنیک برای اندازه گیری.های با دقت کمتر از میلیمتر مناسب نیست به طوری که اغلب سه گوشه سازی و روش.های دیگر به کار می روند.
ایجاد پالس
پالس ممکن است طوری کدگذاری شود که احتمال دچار پارازیت شدن فاصله یاب کاهش یابد. این امر با استفاده از تکنیک.های اثر داپلر اثر داپلر برای تشخیص اینکه ممکن است شی به سمت فاصله یاب یا جهت.های دیگر حرکت کند و اینکه چه سرعتی دارد ممکن می شود.
زمان پرواز: زمان صرف شده برای یک پالس نور برای طی کردن فاصله رفت و برگشت تا هدف. با دانستن سرعت نور و اندازه گیری دقیق زمان طی شده، فاصله محاسبه می شود.تعداد زیادی پالس پشت سر هم پرتاب می.شود که معمولاً پاسخ متوسط مورد استفاده قرار می گیرد. این روش به مدار خیلی دقیق دارای زمان بندی زیر نانو ثانیه نیاز دارد.
انتقال فاز چند فرکانسی: این روش، انتقال فاز فرکانس.های چندگانه بازگشتی را اندازه گیری می.کند وسپس چند معادله همزمان را جهت اندازه گیری نهایی حل می.کند .
تداخل: دقیق.ترین و مفیدترین تکنیک برای اندازه گیری تغییرات فاصله نسبت به فواصل مطلق.
تصویر: یک فاصله سنج برد بالا که قادر به اندازه گیری فاصله ۲۰ کیلومتر است و روی یک سه پایه با پایه سه گوش سوار شده است. این دستگاه حرکات قوسی و بالا و پایین را نیز پشتیبانی می کند.
دقت ابزار فاصله یاب لیزری
به وسیله زمان سقوط یا صعود پالس لیزر و سرعت دریافت کننده تعیین می شود. نوعی که از پالس.های لیزری خیلی سریع استفاده می.کند و یک آشکارساز خیلی سریع دارد می تواند فاصله شی را تا حد چند میلیمتر تعیین کند.
حوزه تغییر در فاصله سنج لیزری
با وجود اینکه پرتو باریک شده، ولی میتواند در طی فواصل طولانی در نتیجه واگرایی پرتو لیزر گسترش یافته و پخش شود.
این پدیده به علت مجاورت با حباب.های هوا -که مانند لنزی عمل می کنند که تغییراتی در حدود اندازه.های میکروسکوپی تا تقریبا نصف ارتفاع مسیر پرتو لیزر بالای زمین دارند- ایجاد می شود.
این اغتشاشات اتمسفری با پراکندگی خود لیزر و با حلقه.های متقاطع بهم می پیوندد که سبب می.شود حباب.های گرم به طورجانبی بهم فشرده شوند، که ممکن است به صورتی که سبب مشکل در صحت خواندن فاصله یک شی شوند با هم ترکیب گردند، مثلا زیر برخی درختان یا پشت بوته.ها و شاخ و برگ.ها یا حتی در فواصل طولانی بیشتر از ۱۰ کیلومتر در فضای باز و نواحی خالی تاریک.
بعضی نورهای لیزری ممکن است که از شاخ و برگهای نزدیک تر به شیء بازگشت داده شوند که باعث بازگشت دادن زود و خواندن کم دقت می شود.در عوض در فواصل بیشتر از ۳۶۵ متر، هدف اگر در مجاورت زمین باشد ممکن است به راحتی در یک سراب ناپدید شود، که این سراب به دلیل تغییرات دما در هوا در مجاورت بیابان داغ که باعث خمیدگی نور لیزر می.شود بوجود می آید.
تمامی اثرات باید در محاسبات گنجانده شوند.
محاسبات در فاصله سنج لیزری
فاصله بین نقطه A وB با رابطه زیر داده شده:
D=ct/۲: که c سرعت نور در اتمسفر و t مقدار زمان برای طی طریق بین A و B است.
t= φ/ω: که تاخیری است که به وسیله جابجایی نور ایجاد می.شود ω فرکانس زاویه ای تلفیق نوری است. سپس با جایگذاری مقادیر در معادله اول داریم
D=ct/۲,D=۱/۲ ct=۱/۲ c·φ/ω=c/(۴πf) (Nπ Δφ)=c/۴f (N ΔN)=U(N
در این رابطه U به عنوان واحد طول ، Δφ به عنوان تاخیر قسمتی که کامل نشده، ΔN به عنوان مقدار دسیمال ΔN=φ/ω هستند.
تمییز دادن یا قدرت تشخیص تفاوت در فاصله یاب لیزری
بعضی ابزار قادرند که بین چند انعکاس را تشخیص دهند، مانند بالا.این ابزار از آشکارسازهای مشخص کننده شکل موج استفاده میکنند به طوری که می توانند مقدار نور بازگشتی در یک زمان مشخص را تعیین کنند، که معمولاً خیلی کوتاه است.شکل موج یک پالس لیزر که به یک درخت و سپس به زمین برخورد می.کند دو پیک خواهد داشت. اولین پیک فاصله تا درخت خواهد بود و دومی فاصله تا زمین.
کاربرد فاصله یاب لیزری
لیزرهای فاصله یاب معمولا کاربرد نظامی دارند. اینک از لیزرها به عنوان ضد موشک و برد و هدایت اسلحه و ... استفاده می‌شود. هواپیماهای جنگی برای مصون ماندن از پدافندهای مجهز به لیزر باید در ارتفاع کم و با سرعت زیاد حرکت کنند، لذا خلبان ممکن است فقط چند ثانیه برای پیدا کردن هدف، نشانه گیری و انداختن مهمات خود دقت داشته باشد. با یک لیزر خوب این کار میتواند تقریبا بطور آنی با اندازه گیری فاصله زمانی بین روشن کردن لیزر و آشکار ساختن تابش برگشتی پراکنده از هدف انجام گیرد. بنابراین حتی در سرعتهای خیلی زیاد هواپیماهای مدرن، اگر لیزر به خوبی خنک سازی شود اندازه گیری فاصله میتواند 10 تا 20 بار در ثانیه انجام شود. بنابراین آخرین اطلاعات را به مقدار کافی در اختیار خلبان یا کامپیوتر قرار می‌دهند.
بناباین این وسیله کاربردهای زیادی را برای دولت و ارتش و مردم تامین می کند، برخی از آن ها شامل موارد زیر می شود:
ابزارهای حمل و نقل هوایی و دریایی
- ساختن "زمین عریان"، نقشه.های مکان نگاری شده با حذف درختان
- ساختن نقشه.های دارای تراکم گیاهی
- عمق سنجی (اندازه گیری مکان نگاری زیر اقیانوس)
- خطر آتش جنگل ها
- تهدید شسته شدن موانع جزایر
- توانایی ابزارهای سوار شده بر هواپیما برای تشخیص درون سایه.های غلیظ و سطوح نیمه انعکاسی دیگر مانند اقیانوس
کاربردهای نظامی:
یک سرباز آمریکایی با یک فاصله سنج لیزری GVS-5
یک تیر انداز ماهر هلندی در حال استفاده از دوربین‌های دو چشمی فاصله سنج لیزری و تفنگ مگنام فاصله سنج‌ها یک فاصله دقیق را برای اهدافی که دورتر از فاصلهٔ شلیک مستقیم هستند برای تیراندازها و توپخانه.ها فراهم می کنند. آنها همچنین می توانند برای تلفیق و مهندسی نظامی هم استفاده شوند.
فاصله سنج های نظامی دستی در محدوده‌های ۲ تا ۲۵ کیلومتری عمل می کنند و با دوربین‌های دو چشمی و تک چشمی ترکیب می شوند. وقتی فصله سنج با یک قطب نمای مغناطیسی دیجیتال (DMC) و انحراف سنج ترکیب شود می تواند گرای مغناطیسی، شیب و ارتفاع (طول) اهداف را فرا هم کند. بعضی از فاصله سنج.ها همچنین می توانند سرعت اهداف را نسبت به مشاهده کننده تعیین کنند. بعضی دیگر از فاصله سنج‌ها کابل یا ارتباط بیسمی دارند که آنها را قادر می سازد که داده هایشان را به سایر تجهیزات مثل رایانهٔ کنترل آتش بفرستند.بعضی مدلها همچنین امکان اضافه کردن مدلهای دید در شب را ارائه می کنند.اکثر فاصله سنج‌ها از باتریهای استاندارد یا قابل شارژ استفاده می کنند.
مدلهای قویتر فاصله سنج.ها فاصله را تا ۲۵ کیلومتر اندازه می گیرند و به طور معمول روی سه پایه یا مستقیما روی یک خودرو یا شاسی توپ جنگی نصب می شوند.در موارد امروزی تر مدلهای فاصله سنج با تجهیزات دمایی مداری و دید در شب و روز ترکیب می شوند. اکثر فاصله سنج‌های پیشرفته نظامی می توانند با رایانه.ها ترکیب شوند.
برای کم اثر کردن فاصله سنج.های لیزری و اسلحه های ردیاب لیزری در برابر اهداف نظامی، نیروهای نظامی متفاوت رنگ.های جذب کننده لیزر را برای وسایل نقلیه خود گسترش داده اند. بعضی از اجسام نور لیزر را خیلی خوب بازتاب نمی کنند و استفاده از فاصله سنج لیزری روی آنها دشوار است.
مدلسازی سه بعدی
این پویشگر scanner) LIDAR) می تواند برای پویش ساختمانها، بناهای سنگی و ... به منظور تولید یک مدل سه بعدی استفاده شود. LIDARمی تواند پرتو لیزری خود را در محدوده های وسیع هدایت کند: سر آن افقی می چرخد، یک آینه عمودی حرکت می کند. پرتو لیزری برای اندازه گیری فاصله تا اولین جسم روی مسیرش استفاده می شود.
این پویشگرscanner ) LIDAR )می تواند برای پویش ساختمانها، بناهای سنگی و ... به منظور تولید یک مدل سه بعدی استفاده شود. LIDARمی تواند پرتو لیزری خود را در محدوده.های وسیع هدایت کند:سر آن افقی می چرخد، یک آینه عمودی حرکت می کند. پرتو لیزری برای اندازه گیری فاصله تا اولین جسم روی مسیرش استفاده می شود.
فاصله سنج‌های لیزری به شدت در شناسایی و مدلسازی اجسام سه بعدی و انواع زیادی از رشته های مرتبط با تصاویر مجازی رایانه ای استفاده می شوند. این فناوری قلب پویشگرهای(scanner) سه بعدی زمان پرواز(time-of-flight) را تشکیل می دهند.در مقایسه با ابزارهای نظامی توصیف شده در بالا فاصله سنج.های لیزری توانایی‌های پویشی (scanning) با دقت بالا را با حالتهای یک وجهی یا پویش ۳۶۰ درجه ای ارائه می کنند.
تعدادی از راهکارها (algorithms) برای تطبیق محدودهٔ داده هایی که از زوایای متفاوت از یک جسم دریافت شده اند به منظور تولید مدلهای سه بعدی کامل با حداقل خطای ممکن گسترش یافته اند.یکی از مزیتهایی که فاصله سنج.های لیزری نسبت به سایر روشهای تصویر مجازی رایانه ای دارند این است که رایانه نیازی به مرتبط کردن خصوصیات دو تصویر برای تعیین اطلاعات عمق (مثل روشهای برجسته بینی) ندارد.
فاصله سنج.های لیزری که در کاربردهای تصاویر رایانه ای استفاده می شوند معمولاً وضوح عمق با دقت یک دهم میلیمتر یا کمتر را دارند.با استفاده از فنهای(techniques) سه گوشه سازی یا اندازه گیری شکست می توان به این هدف رسید.
ورزشی
فاصله سنج های لیزری می توانند به طور موثر در ورزشهای متفاوتی که به اندازه گیری دقیق فاصله احتیاج دارند استفاده شوند مثل گلف، شکار و تیراندازی.
فرآیندهای تولید صنعتی
یکی از کاربردهای مهم، استفاده از فناوری فاصله سنج لیزری در طول اتوماسیون سامانه‌های مدیریت انبار و فرآیندهای تولید در صنعت فولاد است.
ابزار اندازه گیری لیزری
فاصله سنج.های لیزری همچنین می توانند در چندین صنعت مثل ساختمان، نوسازی و املاک به جای متر استفاده شوند.در حالیکه برای اندازه گیری یک فضای بزرگ مثل یک اتاق در یک مسیر مستقیم بدون مانع با متر نیاز به دو نفر است، با یک وسیلهٔ اندازه گیری لیزری می توان این کار را با یک نفر آن هم تنها با نیاز به یک مسیر دید انجام داد.ابزار اندازه گیری لیزری نوعا توانایی تولید بعضی محاسبات را دارند مثل مساحت یا حجم یک اتاق.
موارد ایمنی
فاصله سنج های لیزری برای مشتریان، دستگاههای لیزری کلاس یک هستند و بنابراین برای چشم ایمن شناخته می شوند. بعضی از فاصله سنج‌های لیزری برای استفاده‌های نظامی از سطح انرژی کلاس یک تجاوز می کنند.
یک کاربرد عالی از کاربرد تکنولوژی لیزر
یک مثال بسیار عالی از کاربرد تکنولوژی لیزر در فن استفاده از دستگاههای الکتریکی و خودکار در هوانوردی نظامیLRTS (مسافت یاب و هدف مارکدار یاب لیزری)
Laser Ranger Marked Target Seeker است که به RAF (نیروی هوایی سلطنتی) توسط شرکت فرانتی (Ferranti Limited) تحویل می‌شود. این سیستم دارای یک خاصیت خیلی مهم و اضافی است و آن اینکه هدفی مانند تانک، خودرو یا ساختمان میتواند توسط سربازی در زمین با یک لیزر نئودیمیوم و یک دوربین دو چشمی مستقر در یک جعبه قابل حمل که نشانگذار زمین نام دارد، مشخص شود.
با نگاه کردن در چشمی، سرباز یک تصویر بزرگ شده از محل را که روی آن مجموعه‌ای از خطوط متعامد بر هم نصب شده است و مشخص کننده دقیق نقطه‌ای است که لیزر بر روی آن هدف گیری می‌شود، می‌بیند. البته خود خال لیزری نامرئی است.
در هواپیما سکویی وجود دارد که نسبت به چرخش پایدار است که بر روی آن تلسکوپ منعکس کننده‌ای نصب شده است که از پنجره‌ای در نوک هواپیما به بیرون سمتگیری شده است. تلسکوپ، نور لیزری پراکنده شده (باز گشته) از علامتگذار زمینی را از طریق هدف دریافت میکند. در تلسکوپ یک آشکار ساز ویژه که به وضوح حساس است قرار دارد و علامات حاصل از آن در نشانه گیری مستقیم تلسکوپ به روی هدف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
بدین ترتیب با مرکزی کردن تصویر هدف، تلسکوپ نشانه گیری هدف را بدون توجه به حرکت هدف یا هواپیما ادامه می‌دهد. حال هم محور با سیستم جستجوگر در هواپیما، یک بردیاب لیزری مجهز به یک لیزر نئودیمیوم خنک شده با آب - گلیکول وجود دارد که به محض پیدا شدن هدف توسط جستجوگر بطور خودکار روشن می‌شود و بدون وقفه برد و موضع لحظه‌ای هدف را بررسی و به کامپیوتر متصل به سلاح که در خارج هواپیما قرار دارد، اطلاع می‌دهد.
یک صفحه علایم در بالای سر خلبان برای نشان دادن موضع هدف قرار دارد و دستگیره‌هایی برای تشکیل اسلحه نصب شده‌اند. بدین ترتیب خلبان میتواند برای انجام مأموریت رزمی بر علیه علامت در صفحه علایم پرواز کند و اصلا نیازی به دیدن هدف اصلی در پشت علامت نیست.
مزایا
وزن سبک دستگاه و قیمت و پیچیدگی بسیار کمتر آن نسبت به رادارهای عادی قدرت کاری دستگاه در شرایط نه چندان مساعد، حتی وقتی هدف در بالای سطح آب و یا روی زمین در حال حرکت باشد.
معایب
اشکال فاصله یاب لیزری در آن است که کاربرد دستگاه متضمن دید مستقیم است و باریکه لیزر در شرایط نامساعد به شدت در محیط جذب می‌شود. فاصله یابهایی که با برد تا تقریبا 15km بکار برده می‌شوند عبارتند از:
- فاصله یاب های دستی با برد ماکزیمم 10Km و دقت کمتر از 10m
- فاصله یابهایی که روی تانک سوارند
- فاصله یابهای ضد هوایی