Sähköoptinen etäisyyden mittaus

Laser ase käyttää optista etäisyyden mittausta.

Elektro-optinen etäisyyden mittaus (myös välit , etäisyyden mittaus ) tai laser etäisyyden mittaus on elektroninen etäisyyden mittaus (EDM) käyttämällä kulkuajan vaiheen mittaus kannan mittaus tai laserkolmiomittauksen valon, yleensä laser .

Muita aktiivisen ja passiivisen optisen etäisyyden mittausmenetelmiä ovat: a. kevyt osa menetelmää ja kolmiomittauslaitteista alalla geodesian ja kartoituksen .

Laserkolmiointi ja laserinterferometri sopivat edullisesti lyhyille etäisyyksille (muutamasta mikrometristä 100 metriin), kun taas kuljetusaikamenetelmät soveltuvat paremmin pitkiä matkoja varten (metri - 10 ¹¹ metriä).

Ajonaikainen mittaus

Kuljetusaikaa mitattaessa lähetetään lyhyt valopulssi. Pulssin läpimenoaika on aika, joka kuluu valonsäteen kulkemiseen lähteestä heijastimeen, enimmäkseen heijastimeen, ja takaisin lähteeseen. Mittaamalla tämä kulkuaika , lähteen ja kohteen välinen etäisyys voidaan määrittää valon nopeudella . Kerroin ottaa huomioon, että valon on kuljettava etäisyys kohteeseen kahdesti, kerran siellä ja kerran takaisin. Valon nopeutta pienentää ympäröivä väliaine taitekertoimella . ${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle l}$${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$ ${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle l \; = \; {\ frac {c \ cdot \ Delta t} {2 \ cdot n \,}}}$

Tämän menetelmän etuna on lyhyt mittausaika. Menetelmän mittausalueet ovat metristä useisiin kymmeniin kilometreihin. Haittana on vaadittu mittaus erittäin tarkan ajanmittauksen aikaansaamiseksi (nano-pico-sekuntia), ja siksi on vaikeaa korkeampi resoluutio kuin muutama senttimetri.

Jotta voitaisiin vähentää tarkkuutta koskevat vaatimukset ajan mittauksen , menetelmiä käytetään, jossa lasersäde itse on taajuus-moduloitu tai moduloidaan suurtaajuussignaalin.

Tätä menetelmää käyttävät Lidar , Satellite Laser Ranging , TOF-kamerat ja PMD-anturit .

Mittaus vaiheen asennon kautta

Laseretäisyysmittari, joka mittaa vaiheen sijaintia. Laserin punaisen valon ja niiden vieressä olevan valodiodin aukot sijaitsevat etupuolella

Vaihesiirto heijastuneen lasersäteen tai sen modulaation suhteessa emissiokeilan on etäisyys-riippuvainen. Tämä vaihesiirto voidaan mitata ja käyttää kuljetun matkan määrittämiseen.

Laserinterferometri

Jos itse lasertaajuutta käytetään päällekkäin, laite toimii kuin laserinterferometri . Laser interferometrit ei mitata absoluuttista polkua pituuksia, mutta vain suhteellinen muutos, kun kohde tai viittaus peili siirretään. Peiliä liikuttaessa säteilevän ja heijastuneen säteen summa moduloidaan säännöllisesti ( häiriö ). Kun se siirtyy puolella valoaallonpituutta, se kulkee täsmälleen yhden jakson. Jos lasket kohdat ja kerrot ne valon aallonpituudella , saat etsimäsi matkan. Signaalin tarkemmalla arvioinnilla voidaan saavuttaa noin aallonpituuden tarkkuus , joka on muutama nanometri näkyvälle valolle . Valon aallonpituus riippuu kuitenkin ilman taitekertoimesta ja muuttuu lämpötilan, paineen ja kosteuden mukaan. Tarkkoja mittauksia varten valon aallonpituuksien määrä on korjattava näillä ilman ominaisuuksilla ( ilman tiheyden korjaus ). ${\ displaystyle 1/100}$

Suuremmilla etäisyyksillä käytetään laser-amplitudin suurtaajuusmodulaatiota, eikä laserin aallonpituutta arvioida, vaan näiden moduloitujen suurtaajuisten signaalien vaihe-asemaa. Jos oletat, että lähetetty säde moduloitiin taajuudella , saat seuraavan kuvan: ${\ displaystyle f = 1 / T}$

Vaihe-ero saadaan yhtälöstä:

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ Delta t} {T}} \ cdot 2 \ pi}$

Etäisyys voi

${\ displaystyle s_ {n} = {\ frac {c \ cdot T} {4 \ pi}} \ cdot (\ phi +2 \ pi \ cdot n) = {\ frac {c} {2}} \ cdot ( n \ cdot T + \ Delta t)}$

voidaan laskea.

Näiden menetelmien etuna on suurempi resoluutio verrattuna ajonaikaisiin menetelmiin , mikä voidaan saavuttaa pienemmällä teknisellä vaivalla. Mittausetäisyys on kuitenkin lyhyempi - koska laser toimii välttämättä jatkuvasti pienellä teholla.

Toinen ongelma on signaalien ainutlaatuisuuden puuttuminen puolet laser- tai modulointiaallonpituuden kerrannaisista.

Absoluuttisen mittauksen saavuttaminen

Interferometristen menetelmien epäselvyys voidaan kiertää laserin taajuusmodulaation tai sen korkean taajuuden modulointisignaalin avulla. Siirtymäajan komponentti viedään siten vaihemittaukseen. Pienempi taajuus (= pidempi jakso) antaa suuremman etäisyyden selkeään tulokseen, mutta pienemmän resoluution. Katso periaatteesta myös FMCW-tutka . HF-moduloidulla laserilla tehdyillä menetelmillä saavutetaan suurin mittausetäisyys noin 200 metriä.

Kaksi menetelmää absoluuttisen etäisyyden mittaamiseksi mittaamalla vaiheen sijainti:

Menetelmä 1

Jatkuva taajuusmodulaatio (toimii kuten FM-tutka); Jos verrataan alkuperäistä heijastuneeseen signaaliin, näiden kahden välillä on taajuusero. Tämä ero on verrannollinen etäisyyteen.

Vaihe-ero huomioon ottaen:

${\ displaystyle L = \ Delta \ phi \ cdot {\ frac {1} {2}} \ cdot {\ frac {\ lambda _ {1} \ cdot \ lambda _ {2}} {\ mid \ lambda _ {1 } - \ lambda _ {2} \ mid}}}$

Laserin aallonpituutta ei kuitenkaan voida tarkasti ohjata. Siksi sen aallonpituutta on käytettävä vertailuna.

${\ displaystyle L = L _ {\ mathrm {ref}} \ cdot {\ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta \ phi _ {\ mathrm {ref}}}}}$

Laserin suoralla taajuusmodulaatiolla saavutetaan noin 1 mikrometrin resoluutiot. Perinteisillä lasereilla saat kuitenkin enintään 1 metrin mittausetäisyyden.

Menetelmä 2

Suhteellisen interferometrisen mittauksen epävarmuuden eliminoimiseksi vaiheen sijainti mitataan kahdella tai useammalla erillisellä taajuudella. Taajuudet voivat puolestaan ​​olla itse lasertaajuus (eri laserit pienimmillä etäisyyksillä) tai yhden ja saman laserin modulointitaajuudet (taajuuksien on vastattava etäisyyksiä ja mittausalueita).

Laserkolmiointi

Laserkolmioinnin periaate

Laserkolmoinnin avulla lasersäde (alhaisilla vaatimuksilla myös valodiodin säteily ) kohdistetaan mittauskohteeseen ja havaitaan sen vieressä sijaitsevalla kameralla sensorissa , spatiaalisesti erottuvalla valodiodilla tai CCD- linjalla. Jos mittauskohteen ja anturin välinen etäisyys muuttuu, muuttuu myös kulma, jossa valopiste havaitaan, ja siten sen kuvan sijainti valokuvavastaanottimessa. Kohteen ja laserprojektorin välinen etäisyys lasketaan asennon muutoksesta kulmatoimintojen avulla .

Valokuvavastaanotin on valolle herkkä elementti, joka määrittää valopisteen sijainnin kuvassa. Anturin ja kohteen välinen etäisyys lasketaan tästä kuvan sijainnista.

Triangulaation etuna on se, että se on puhtaasti trigonometrisiä suhteita. Mittaus voi siis tapahtua jatkuvasti ja soveltuu siksi hyvin liikkuvien kohteiden etäisyyksien mittaamiseen. Ulkoisen valoherkkyyden ja epähomogeenisesti heijastavien pintojen vaikutuksen vähentämiseksi mittauspisteen on oltava mahdollisimman pieni ja kirkas. Tällaiset anturit toimivat usein myös pulssitilassa.

Menetelmä soveltuu vain lyhyille etäisyyksille, koska sen herkkyys laskee neljänteen tehoon (kaksisuuntainen vaimennus) lähettimen ja vastaanottimen välisen etäisyyden kanssa. Laser- ja valokuvavastaanotin sijoitetaan yleensä yhteen koteloon.

Yllä oleva kaavio kuvaa eri etäisyyksien välisiä suhteita. Avulla trigonometrian on mahdollista määrittää etäisyyden päässä mitattu etäisyys : ${\ displaystyle x-x_ {0}}$${\ displaystyle x'-x_ {0} '}$

${\ displaystyle \ tan \ delta = {\ frac {x'-x_ {0} '} {f}} \ to \ tan \ alpha = {\ frac {x_ {0}} {D}}}$

${\ displaystyle x = D \ cdot \ tan (\ alpha + \ delta) = D \ cdot {\ frac {\ tan \ alpha + \ tan \ delta} {1- \ tan \ alpha \ cdot \ tan \ delta}} }$

${\ displaystyle x = D \ cdot {\ frac {{\ frac {x_ {0}} {D}} + {\ frac {x'-x_ {0} '} {f}}} {1 - {\ frac {x_ {0}} {D}} \ cdot {\ frac {x'-x_ {0} '} {f}}}}}$

Yhteenveto

Mittauslaite

Geodeesiassa etäisyyden mittauslaitteita, jotka toimivat siirtymäajan mittauksen tai vaihemodulaation periaatteella, kutsutaan takymetritiksi tai välikeiksi .

DIY- sektorille on olemassa lukuisia laitteita, jotka vaihtelevat muutamasta cm: stä yli 200 m: iin ja joiden tarkkuudet ovat millimetrin alueella. Paremmin varustetut laitteet voivat tallentaa arvoja, laskea pinta-alat ja tilavuudet ja mitata epäsuorasti esim. B. määritetään sisäänrakennetun kaltevuusmittarin perusteella.

Katso myös

• Vaihesiirtomenetelmä
• Etäisyyden mittaus
• Optinen etäisyyden mittaus geodeesiassa
• Etäetäisyys (kamera)
• Confocal-tekniikka (optinen etäisyyden mittaus kudosnäytteissä ja karheuden mittaamiseen)

nettilinkit

• Ilmakehän korjauksen online-laskenta
• Vaihemittaus selitetty täydellisesti

Yksittäiset todisteet

1. ↑ Laseretäisyysmittari: mitä sisällä ja miten se toimii? Käytetty 30. tammikuuta 2020 (saksa). 
2. ↑ Joeckel / Stober / Huep: Elektroninen etäisyyden ja suunnan mittaus ja niiden integrointi nykyisiin paikannusprosesseihin . 5. painos. Wichmann, 2007, ISBN 978-3-87907-443-3 . 
3. ↑ https://www.ti.com/de-de/sensors/specialty-sensors/time-of-flight/overview.html
4. ↑ https://www.jenoptik.de/produkte/lidar-sensoren-technologien/laser-entfernungsmesser
5. Ly Willy Matthews: Laseretäisyysmittari - käytä optimaalisesti ja mittaa tarkasti . ISBN 978-1-69814-700-0 .