Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 2015 17 3 Výkonová bilance laserového dálkoměru Power Balance laser rangefinder Martin Kotol xkotol00@stud.feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Abstrakt: Tento článek se zabývá výkonovou bilancí laserového dálkoměru. Stručně jsou popsány atmosférické jevy ovlivňující funkci laserového dálkoměru. Uveden je výkonový úrovňový diagram zahrnující všechny podstatné veličiny a parametry podílející se na výkonové bilanci dálkoměru. Správnost energetického modelu laserového dálkoměru byla experimentálně ověřena. Výsledky měření jsou v dobré shodě s výsledky získanými pomocí numerického modelu. Abstract: This article discusses the power balance laser rangefinder. Briefly describe the atmosphere events affecting the functionality of the laser rangefinder. Given the power level diagram covering all essential variables and parameters involved in the power balance rangefinder. Correctness laser energy model rangefinder has been experimentally verified. The measurement results are in good agreement with the results obtained by the numerical model.
Výkonová bilance laserového dálkoměru Martin Kotol Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: xkotol00@stud.feec.vutbr.cz Abstrakt Tento článek se zabývá výkonovou bilancí laserového dálkoměru. Stručně jsou popsány atmosférické jevy ovlivňující funkci laserového dálkoměru. Uveden je výkonový úrovňový diagram zahrnující všechny podstatné veličiny a parametry podílející se na výkonové bilanci dálkoměru. Správnost energetického modelu laserového dálkoměru byla experimentálně ověřena. Výsledky měření jsou v dobré shodě s výsledky získanými pomocí numerického modelu. 1 Úvod Laserové dálkoměry jsou určeny k měření vzdálenosti mezi dálkoměrem a měřeným objektem. V dnešní době se v laserových dálkoměrech používají sofistikované technologie, které umožňují měřit vzdálenost s přesností jednotek milimetrů. Tento článek je zaměřen na modelování výkonové bilance laserového dálkoměru pro použití v interiérech hal, skladů, místností, atd. Modelování je podpořeno experimentem u něhož se předpokládá, že se bude blížit reálnému měření dálky. V úvodní části je stručný popis atmosférických vlivů, které ovlivňují optický svazek na cestě k měřenému objektu a zpět. Dále je popsán výkonový úrovňový diagramu, ve kterém jsou zahrnuty úrovně optického výkonu v nejdůležitějších částech optické cesty. V experimentální části článku byla ověřena platnost vytvořeného numerického modelu výkonové bilance s měřením v laboratorních podmínkách. 2 Jevy ovlivňující přijatý optický výkon Je-li laserový paprsek použit pro měření dálky, musí vyslaný paprsek dorazit k cíli, odrazit se od něj a dopadnout na detektor s měřitelnou úrovní výkonu. Při průchodu atmosférou působí na laserový paprsek nehomogenity prostředí, které podstatným způsobem ovlivňují parametry paprsku (tvar dráhy, rychlost šíření apod.). Nehomogenity prostředí ovlivňují svazek zejména na velké vzdálenosti. Chyby měření vzdálenosti pomocí laserového svazku šířícího se atmosférou závisejí zejména na změnách indexu lomu vzduchu a na přítomnosti aerosolů. V důsledku toho dochází k náhodnému pohybu stopy laserového svazku po cíli. 2.1 Útlum aerosoly Aerosoly jsou v atmosféře zastoupeny organickými materiály, prachem, sněhovými vločkami, vodními kapkami deště atd. Aerosoly jsou v atmosféře přítomny v různých koncentracích: největší koncentracemi aerosolů obvykle bývá ve výšce 1 až 2 km nad zemským povrchem [1]. Aerosoly můžeme dělit podle oblasti jejich obvyklého výskytu na aerosoly mořské, venkovní, městské a pouštní. Typická velikost aerosoly se pohybuje od setin až po desítky mikrometrů. V mlze a mracích se nacházejí kapalné aerosoly což jsou vodní kapky dále se nachází aerosoly pevné např. ledové krystalky. Další pevné aerosoly jsou obsaženy v prachu a kouři. Významnými aerosoly jsou také částice mořské soli uvolňující se nad oceánem, které jsou buď kapalné nebo po odpaření vody, tuhé. Zdroje aerosolů můžeme rozdělit do dvou druhů a to na zdroje přírodní a zdroje dané lidskou činností. Koncentrace aerosolů je výrazně mění s prostředím. Zatím co nad oceánem jsou koncentrace aerosolů řádově stovky nad neznečištěnou přírodou tisíce a nad průmyslovými oblastmi mohou být koncentrace až miliony aerosolových částic na kubický metr [1]. Při průchodu laserového paprsku prostředím tento paprsek interaguje s těmito aerosoly a dochází k jeho rozptylu. 2.2 Molekulární absorpce Při průchodu laserového svazku atmosférou dochází k interakci mezi zářením a částicemi atmosféry. Tato interakce je spektrálně závislá a projevuje se jako absorpce, jejímž důsledkem je procházejícího laserového svazku. Největší míra molekulární absorpce se projevuje ve spektrálních pásmech 0,70 µm, 0,80 µm, 0,96 µm, 1,10 µm, 1,38 µm a 1,90 µm [1]. Absorpce vln je v těchto pásmech spojena s vodními parami. 2.3 Atmosférické turbulence Na vzniku atmosférických turbulencí se podílí dva činitelé, kterými jsou sluneční záření a pohyb atmosféry který, je buď laminární nebo turbulentní. Atmosférické turbulence lze rozdělit na termické a mechanické. Termická turbulence je způsobena nestejnorodým ohříváním zemského povrchu, který následně ohřívá vzduch. Protože teplejší vzduch má nižší hustotu, stoupá vzhůru a způsobuje neuspořádaný vertikální pohyb vzdušné masy. Tyto vzdušné masy mohou mít velikost od jednotek mm až po stovky m. Mechanická turbulence je způsobena prouděním vzduchu přes terénní překážky, jakými jsou hory, údolí, lesy, budovy, atd. Při mechanické turbulenci se posouvá vzdušná masa a promíchává se různě teplý vzduch. Pokud je terén méně členitý, jsou mechanické turbulence menší. Vlivem atmosférické turbulence dochází k náhodnému pohybu stopy laserového svazku po povrchu cíle, což negativně ovlivní přesnost měření dálky. 71
3 Výkonový úrovňový diagram Výkonový úrovňový diagram je základním nástrojem návrhu systémů optické komunikace a optické metrologie. V diagramu jsou zakresleny výkonové úrovně optického výkonu v nejdůležitějších částech optické cesty laserového paprsku (Obrázek 1). Obrázek. 1: Obecná cesta světelného paprsku laserového dálkoměru (LD laserová dioda, TXA vysílací apertura, RXA přijímací apertura) Výkonový úrovňový diagram vychází z výkonové bilanční rovnice vyjadřující energetickou bilanci spoje [2]: =, +, (1) kde P p je hodnota přijatého výkonu v dbm na fotodiodě, P LD je vysílaný výkon laserové diody v dbm, L c zahrnuje všechny y přenosové trasy v db a G c zahrnuje všechny zisky na trase v db. Správná činnost celého systému bude zajištěna, pokud přijímaný výkon P p bude větší než citlivost fotodiody a menší nežli úroveň její saturace. Situace kdy nejsou splněny tyto podmínky zobrazují obrázky 3 a 4. Výchozím bodem digramu je vysílaný výkon P LD. Tento výkon je třeba zvolit tak, aby: - Nepřekročil povolené hygienické limity infračerveného záření. - Výkon přijatý po průchodu atmosférou, odrazu na cíli a průchodu optickými částmi dálkoměru byl větší, než je citlivost přijímací fotodiody. Důležitou částí diagramu jsou y, které vznikají při průchodu laserového paprsku vlastním systémem L SYS. Tyto y nejsou závislé na vzdálenosti cíle. Pro systémové ztráty L SYS platí: = +, (2) kde L T jsou ztráty v db na vysílací části laserového dálkoměru a L R jsou ztráty v db na jeho přijímací části. Pro ztráty na vysílací části L T můžeme psát: = / + +, (3) kde L LD/TXA je vazby laserové diody s vysílací aperturou, L TXA je vysílací apertury a L W je krycího skla dálkoměru. (Všechny veličiny jsou uvedeny v db.) Pro ztráty na přijímací části L R můžeme v logaritmické míře psát: = / + + +, (4) kde L RXA/PD je vazby přijímací apertury s fotodiodou, L IF je interferenčního filtru, L RXA je přijímací optické apertury a L W je krycího skla. (Všechny veličiny jsou uvedeny v db.) Aby vazby přijímací apertury s fotodiodou L RXA/PD bylo možno považovat za nulový, musí být velikost aktivní plochy fotodiody větší než velikost stopy přijatého záření na fotodiodě. Významnou roli při energetické bilanci dálkoměru hraje, který vzniká při šíření optického svazku L S. Tento závisí na vzdálenosti cíle od dálkoměru L 12 a aktivní ploše fotodiody S A. Při uvažování cíle s difúzní odrazivostí a stopou laserového paprsku mnohem menší, než je plocha cíle. V decibelové míře platí [2]: =20..!! #, (5) " Dalšími významnými y, které jsou svázány s šířením paprsku, jsou y atmosféry L ATM1 (trasa od vysílače k cíli) a L ATM2 (trasa od cíle k přijímači). Tyto y lze v decibelové míře vyjádřit jako součet u aerosoly L A a u turbulencemi L T. $% = $& = + ', (6) Číselné hodnoty u aerosoly L A vycházejí ze statistických modelů (Tabulka 1). Číselná hodnota u turbulencemi byla odhadnuta na L Tu = 2 db/km [3]. Pro na odrazné ploše cíle L p v logaritmické míře můžeme psát [2]: = 10 (+), (7) Kde ρ je odrazivost cíle. Odrazivost ρ vypočteme dle vztahu [2]: + = -, (8) kde P 0 je odražený optický výkon a P je optický výkon dopadající na odraznou plochu. Do diagramu výkonových úrovní musíme zahrnout zisk optické soustavy v decibelové míře platí [2]: =10 log [ 234 " ], (9) kde D pos je plocha přijímací apertury a S A je aktivní plocha fotodiody. Úplnou rovnici výkonové bilance získáme dosazením ů (2) (7) a zisku (9) do výkonové bilanční rovnice (1): P p = P LD (L T + L S + L ATM1 + L p + L ATM2 + L R )+ G RXA. (10) 72
Obrázek. 2: Výkonový úrovňový diagram optického laserového dálkoměru Odpovídající diagram výkonových úrovní je zobrazen na obrázku 2. V tomto obrázku značí L LD/TXA vazby laserové diody a vysílací apertury, L TXA vysílací apertury, L W krycího skla, L S šířením, L ATM atmosféry, L p na odrazné ploše cíle, G RXA zisk na přijímací apertuře, L RXA na přijímací optické apertuře, L IF interferenčního filtru, L RXA/PD vazby přijímací apertury a fotodiody, P LD výkon laserové diody, P s saturační výkon přijímače, P p přijímaný výkon, P o citlivost přijímače (přijímací fotodiody), NEP výkon ekvivalentního šumu, SNR poměr signálu a šumu, ρ rez systémovou rezervu a dynamiku přijímače. Toto značení platí také pro obrázky 3 a 4. Tab. 1: Útlum atmosféry v závislosti na přímé viditelnosti popis mlha přímá viditelnost [km] λ=785nm λ=1550nm [db/km] [db/km] 0,05 340 340 0,2 85 85 0,5 34 34 mlha/opar 1 14 10 opar čistá atmosféra 4 Experimentální ověření 2 7 4 4 3 2 10 1 0,4 23 0,5 0,2 V experimentální části byla platnost numerického modelu výkonové bilance laserového dálkoměru ověřena měřeními v laboratorních podmínkách. Blokové zapojení měřícího pracoviště viz obrázek 5. Numerický model je sestaven pro typické systémové parametry (tabulka 2) při uvažování cíle s difúzní odrazivostí a pro stopu laserového paprsku mnohem menší, než je plocha cíle. Obrázek. 3: Výkonový úrovňový diagram optického laserové dálkoměru pro případ kdy je přijímaný výkon P p menší než citlivost fotodiody Obrázek. 4: Výkonový úrovňový diagram optického laserové dálkoměru pro případ kdy je přijímaný výkon Pp vetší než saturace fotodiody Numerický model dále předpokládá stopa laseru nevyjede z cíle, který bude vždy vidět. Vliv atmosféry, byl v laboratorních podmínkách zanedbán. Přijatý výkon P P lze vypočítat podle [4]: = 6 32 7, (11) kde 8 ' je napěťová citlivost a U OP je napětí na výstupu optického přijímače. Přijatý výkon P P v decibelové míře je potom daný vztahem: [9:;]=10 log [;<], (12) Cílem měření bylo určit přijatý optický výkon P P v závislosti na vzdálenosti měřeného objektu od zdroje laserového záření. Při měření byl použit laser o vlnové délce 670 nm, který byl zaměřený na referenční difúzní plochu s odrazivostí ρ = 0,87. Odražený světelný výkon jsme zaznamenali optickým přijímačem ve formě výstupního napětí detektoru U OP. Z naměřených hodnot byla podle vztahu (11) a (12) určena hodnota výkonu P P přijatého v bodě aktivní plochy přijímací fotodiody. Celý postup jsme opakovali pro vzdálenosti referenční difuzní plochy od detektoru 0,2 m až 5,0 m s krokem 0,2 m. 73
Obrázek. 5: Blokové zapojení měřícího pracoviště pro měření výkonové bilance laserového dálkoměru Tab. 2: Tabulka systémových parametrů dálkoměru parametr označení velikost jednotka výkon laserové diody P LD 4,77 dbm vlnová délka λ 670 nm vazby laserové diody a vysílací apertury vysílací apertury L LD/TXA 1,5 db L TXA 1 db krycího skla L W 1,5 db přijímací apertury interferenčního filtru L RXA 1 db L IF 1 db P[dBm] 5 0-5 -10-15 -20-25 -30 Obrázek. 6: Porovnání změřeného optického výkonu (modrá) a vypočítaného optického výkonu (červená) v závislosti na vzdálenosti mezi dálkoměrem a cílem 5 Závěr V článku jsme popsali základní atmosférické jevy, které ovlivňují šíření optického svazku volným prostorem. Zaměřili jsme se zejména na y aerosoly, molekulární absorpcí a atmosférickými turbulencemi. Dále jsme popsali obecný výkonový úrovňový diagram a rozebrali výpočet ů a zisků, které se v diagramu vyskytují. V laboratoři jsme změřili výkonovou bilanci laserového dálkoměru v závislosti na jeho vzdálenosti od cíle. Změřenou závislost jsme porovnali s výpočtem. Z porovnání vyplývá, že naměřené hodnoty odpovídají numerickému modelu výkonové bilance laserového dálkoměru (při zanedbání vlivu atmosféry a použití referenční odrazné plochy s odrazivostí 0,87). Výkonová bilance laserového dálkoměru je určena pro dálkoměru používané ve vnitřních prostorách budov, hal, sálů pro architektonické či stavení účely. Literatura Přijatý výkon 0 2 L 4 12 [m] Výkon numerického modelu vazby přijímací apertury s fotodiodou L RXA/PD 0 db [1] BISWAS, A.,PIAZZOLLA, S. The atmospheric channel. dostupné na WWW: http://descanso.jpl.nasa. gov/monograph/series7/descanso%207_chap03.pdf efektivní průměr vysílací apertury efektivní průměr přijímací apertury Odrazivost referenční difůzní plochy obsah aktivní plochy fotodiody D vys 60 mm D pos 60 mm ρ 0,87 - S A 17,16 10-6 m 2 Na obrázku 6 porovnáváme závislost změřeného optického výkonu (modrá) a vypočítaného optického výkonu (červená) na vzdálenosti dálkoměru od cíle. Měření a výpočet vykazují velmi dobrou shodu. [2] HRBÁČKOVÁ. P. Optický spoj pro vnitřní bez kabelovou síť. Diplomová práce. Brno: FEKT VUT v Brně, 2010. [3] WILFERT O., DORDOVÁ L., Calculation and comparison of turbulence attenuation by different methods, Brno: Brno University of Technology, 2010. 6 pages. [4] WILFERT O. Optoelektronika. Skripta. Brno: FEKT VUT v Brně,2004. [5] KOTOL, M. Výkonová bilance laserového dálkoměru. Diplomová práce. Brno: FEKT VUT v Brně, 2014. 74