روش های فاصله یابی  توسط ليزر    

روش های اساسی که برای فاصله يابی ليزري به کار می‌رود عبارتند از :

روش اندازه‌گيری زمان رفت و برگشت (Time of flight)

روش اندازه‌گيري جابجايی فاز (Phase shift)

روش مثلثاتی (Triangulation)

روش تداخل سنجی کامل (Absolute interferometry)

هر کدام از اين روش‌ها برای فاصله و شرايط مختلف مناسب هستند.

   روش اندازه‌گيري زمان رفت و برگشت   

فوتون ها مدت زمانی براي رفتن از آشکارساز تا هدف و برگشتن نياز دارند، اين زمان با فاصله طي شده مستقيماّ متناسب است و به راحتي از سرعت نور در محیط بدست مي‌آيد. قيمت و پيچيدگي اين روش به دقت مورد نياز بستگي دارد. دريافت و تحليل الکترونيکي اطلاعات بايد در حدود نانو ثانیه باشد.

دقت اندازه گیری در محدودة دسي متر به آساني با تپهاي نانو ثانيه حاصل مي‌شود. اما دقت اندازه گیری در حدود ميليمتر و زير يک ميليمتر نياز به عرض تپ چند ده پيکو ثانيه و مدار مجتمع الکترونيکی با پاسخ زمانی بالا دارد. انحراف در اندازه‌گيري فاصله با مدت زمان صعود تپ متناسب است و با نسبت سيگنال به نوفه نسبت معکوس دارد.

در فاصله‌هاي چند کيلومتر و بالاتر مشکل متفاوتي به وجود مي­آيد، در چنين فاصله‌هايي میزان فوتون بازتابيده شده که به آشکارساز مي‌رسد بسيار کم است. شدت سيگنال با متمرکز کردن(كم كردن واگرائي) پرتو در منبع و يا با استفاده از يک پس بازتابنده[1] در هدف مي‌تواند بهتر شود. براي مثال در آزمايش فاصله یابی قمری ناسا، با استفاده از قرار دادن يک مجموعه بازتاب کننده روي ماه توانستند فاصله ماه تا زمين را با دقت بهتر از 5cm اندازه‌گيري کنند.

برد مؤثر هر فاصله یاب مي‌تواند با استفاده از يک آشکارساز حساس­تر، بهتر شود. براي مثال يک فتو ديود بهمني(APD) ارزان قيمت در مقايسه با يک فتو ديود PIN مي‌تواند اندازه‌گيري فاصله را به 4 برابر افزايش دهد و يک نوع ديگر از ديود بهمني ( High-end APD ) با همان توان لیزر اندازه‌گيري فاصله را تا 10 برابر افزايش مي‌دهد.

ساخت وسايل کم حجم و قابل حمل به وسيله اپتیک هم محور (براي فرستادن وگرفتن پرتو ) و استفاده از مدارهاي مجتمع الکترونيکي ممکن مي‌شود. اين چنين وسايلي براي مثال در بازتاب سنجی حوزه زمانی نوری optical Time Domain reflectormetry) OTDR) کاربرد پيدا مي­کند که سيگنال بازتابيده براي شناسايي از راه دور و شناسايي آسيب در فيبر نوري استفاده شده است. دستگاه‌های LIDAR براي سالهاي زيادی در مطالعات هوايي استفاده شده اند و براساس اصل اندازه گیری فاصله به روش TOF( Time Of Flight )کار می‌کنند.

   روش اندازه‌گيری جابجايی فاز   

اين روش بازگشت يک موج مدوله شدة پيوسته را اندازه‌گيري مي­کند. اختلاف فاز بين دو سيگنال دريافته شده و فرستاده شده متناسب است با فاصلة طي شده که به آساني بدست مي‌آيد.

بیشترین فاصلة قابل اندازه‌گيري در این روش برابر با نصف طول موج مدولاسيون نور است. اگر اختلاف فاز بيش از 360° درجه شود خطاي فاصله يابي جزئي نيست. اين روش براي اندازه‌گيري فاصله‌هايي در حد چند متر مورد استفاده قرار مي­گيرد. (فاصله مفيد اندازه‌گيري مي‌تواند با مدولاسيون FM يا استفاده از تعداد بيشتري فرکانس لحظه­اي، زيادتر شود )

مشخص کننده فاصله می‌باشد و نباید از 360º بیشتر باشد

    روش مثلثاتی   

اين روش بيشتر براي فاصله 10 متر و کمتر از آن معمول است. يک ليزر يا LED براي توليد پرتو موازي شده استفاده شده است که به سمت سطح هدف ارسال مي‌شود. هدف، پرتو‌ها را به جهت‌هاي مختلفي بازتاب مي­کند و قسمتي از آنها به آشکارساز مي‌رسد. مکان نور بازگشتي متركز شده بر روي آشكار ساز به فاصله بين آشکارساز و هدف بستگي دارد.

آشکارسازهايي از قبيل آشکارسازهای حساس به مکان '(PSD)'position sensitive detector و آرایه‌هایCCD يا آرایه‌های دیودی قادر هستند که پرتو بازتاب شده را با دقت زياد و در فرکانس نمونه برداري بالا آشکار کنند (بالاتر از چند MHz). فاصلة آشکارساز تا هدف به طور مثلثاتي معمولاً بادقت % 5/0 محاسبه مي‌شود. زمان اندازه‌گيري کمتر از ms 10( زمان لازم براي مطالعه جسم متحرک يا لرزان) است. قطر لکه پرتو بایستی تا حد امکان کوچک شود و دارای کمترین واگرایی باشد. مدولاسيون دامنه براي حذف اثر نورهای سرگردان استفاده می‌شود.

ليزرهاي نيمه‌هادي موازي شده (که در طول موج مرئي و نزديک مادون قرمز موجود هستند ) اين شرايط را ارضا مي­کند و بنابراين به عنوان منبع نوري براي آشکارسازهاي مثلثاتی پيشنهاد مي‌شود. جايي که يک آشکارساز تنها به کار رود لبه‌ها و گوشه‌ها در آشکارسازي باعث ايجاد عدم دقت مي‌شود که با استفاده از دو آشکارساز که در شکل2-2 نشان داده شده است مي‌توان بر اين مشکل غلبه کرد.

شکل : فاصله یابی مثلثاتی. نور از سطح C بازتاب کرده پس از عبور از اپتیک E به گیرنده در نقطه F میرسد. اگر هدف در نقطه C´ یا C˝ باشد نور پس از عبور از اپتیک E به گیرنده در نقطه F´ یا F˝ میرسد.

دامنه سيگنال بازگشتي با انرژي ليزر ارتباط مستقيم دارد. براي اطمينان از رسيدن توان كافي به آشكار ساز مي‌توان از يك ليزر با توان كنترل شده اتوماتيك استفاده كرد اين روش اجازة محاسبه فاصله را با دقت 0.01 % مي‌دهد. کاربردهاي فاصله یابی به روش مثلثاتی زياد است. از جمله آن نظاره(پایش) و کنترل کردن فرآيند توليد، کنترل کيفيت و مکان قرار گرفتن بازوهاي روبات می‌باشد.

    روش تداخل سنجی   

برای مسافتهای کوتاه تا 50 متر روشهای تداخل سنجی به کار گرفته می‌شوند که درآنها از یک لیزر هلیم – نئون پایدار شده فرکانسی به عنوان منبع نور استفاده می‌شود.

در اندازه گیری مسافت به روش تداخل سنجی، از تداخل سنج مایکلسون( شکل 2-3 ) استفاده می‌شود. باریکه لیزر به وسیله یک تقسیم کننده نور به یک باریکه اندازه گیری و یک باریکه مرجع تقسیم می‌شود باریکه مرجع با یک آینه ثابت بازتابیده می‌شود در حالی که باریکه اندازه گیری از آینه‌ای که به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می‌کند. سپس دو باریکه بازتابیده مجدداً با یکدیگر ترکیب می‌شوند به طوری که با هم تداخل می‌کنند و دامنه ترکیبی آنها با یک آشکار ساز اندازه گیری می‌شود. هنگامی‌که محل جسم در جهت باریکه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر کند سیگنال تداخل از یک بیشینه به یک کمینه می‌رسد و سپس دوباره بیشینه می‌شود.

بنابراین یک سیستم الکترونیکی شمارش فریزها می‌تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولاً در کارگاههای ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد و امکان اندازه گیری طول با دقت یک در میلیون را می‌دهد. باید یادآوری کرد که در این روش فقط می‌توان فاصله را نسبت به یک مبدا اندازه گیری کرد. برتری این روش در سرعت، دقت و انطباق با سیستم‌های کنترل خودکار است.

شکل : تداخل سنج مایکلسون

جدول : مقایسه روشهای فاصله یابی با لیزر

   بررسي فاصله ياب ليزري براي پروژه بين المللي مريخ نورد  mars-1996   

در پروژه بين الملليmars-96 در سال 1996 يک سفينه بي سرنشين قرار بود که به مريخ برسد و يک بالن پر شده با گاز را به جو مريخ برساند. براي شناور شدن در ارتفاع 50 m تا 5 Km از سطح مريخ در طول روز و نشستن بر روي مريخ در شب، وسايل علمي درسبد و روي طنابهاي آويزان زير بالن نصب مي‌شدند. يکي از وسايل علمي که در سبد قرار مي‌گرفت يک ليزر ارتفاع سنج بود که براي اندازه گیری فاصله از سطح کره از راه دور طراحي شده بود. اين وسيله، اطلاعاتي از سطح زيرين و خصوصيات بازتابش سطح مي‌داد. دقت اندازه گیری افقي و عمودي در بالاترين ارتفاعي که براي آن طراحي شده (يعني 5 Km ) به ترتيب m 15و 1.5 m و سرعت دريافت آن بين 0.2 Hz تا 0.5 Hz بود. مدت زمان عمليات طراحي شده براي بالون در حدود دو هفته بود به اين معني که اندازه و توان مصرفي ارتفاع سنج بايد تا جايي که ممکن است کم باشد.

در اين بخش ساختار این ليزر ارتفاع سنج، خصوصيات ليزر حالت جامد، گیرنده نوري و الکترونيکي را تشريح مي‌کنیم. نتايج اندازه‌گيري به کاليبره هدف بستگي دارد که با آخرين مدلهاي آزمايشگاهي در داخل اتاقهاي خلاء و در فضاي آزاد بدست آمده است. ارتفاع سنج ليزري كه به روش TOF كار مي‌كرد طوري طراحی شد كه بر روي قسمتي از بالن (gondola) که در جو مريخ معلق شد، اضافه شود.

منبع نوري، ليزر حالت جامد( PGT:Nd   1.067) بود که تپهايي با عرض حدود 10ns و سرعت تکرار 0.2 Hz داشت. انرژي هر تپ در حدود 7.5 mJ بود. تلاشهاي خاصي در جهت کم کردن اندازه و وزن و توان مصرفي در اين ارتفاع سنج شد که در نتيجه وزن آن به 450 g و توان مصرف شده در قسمتهاي الکترونيکي و قسمتهاي ليزر به ترتيب به حدود 30 mV و 0.6 W-0.8 کاهش يافت که اين کار از طريق روشن کردن منبع تغذيه براي قسمتهاي اندازه‌گيري و ارتباط تنها در 50 ms دوره اندازه‌گيري انجام می‌شد. زمان پرواز نور، بطور ديجيتالي به وسيله شمردن تپهاي ساعت يک نوسان ساز 100 MHz اندازه‌گيري می‌شد. فاصله قابل اندازه‌گيري و دقت آن به ترتيب در حدود 6 km و1.5 m است. ليزر ارتفاع سنج حاوي دو آشکارساز پيك براي اندازه‌گيري دامنه تپهاي دريافت شده و ارسال شده براي ثبت پرتو‌هاي بازتابيده شده از سطح مريخ است. نتايج آزمايش نشان مي‌دهد که ارتفاع سنج قابليت کار در بازه دمايي ْ60 + تا ْ 80- و فشار هواي چند تور (torr) را دارد. کمینه بازتابش از سطح مريخ حدود 0.1 است. که برد اندازه‌گيري 13 Km را، اگر حداقل سيگنال به نوفه اندازه‌گيري در حدود 10 باشد در اختيار قرار مي‌دهد.