ساعت ٥:۳٦ ‎ب.ظ روز سه‌شنبه ٢۳ بهمن ،۱۳۸٦  

طراحی و ساخت یک  فاصله یاب لیزری

به روش  شیفت  فاز برای فواصل کوتاه 5/0 متر تا 10 متر

قسمت دوم

 

ساختار

الف : اپتیک

هدف از طراحی اپتیکی بدست آوردن عدسی هایی است که فاصله یاب مورد نظر بتواند فاطله های بین ا متر تا 10 متر را اندازه بگیرد ودر نتیجه آن تغییرات توان نوری دریافت شده در اثر تغییرات فاصله مینیمم شود.وSNR   حداقل 10 به 1 حاصل می شود.

دو روش معروف برای طراحی اپتیکی، یکی روش کواسیکال ودیگری روش موازی می باشد.اپتیک کواسیکال معمولا برای اندازه گیری فاصله استفاده نمی شود.چون محورهای اپتیکی گیرنده وفرستنده یکسان است. توان نوری در گیرنده در این روش متناسب با عکس مجذور فاصله می باشدو درنتیجه در محدوده فاصله  1m تا 10 m به نسبت 100 به 1 تغییر می کند.

در اپتیک موازی از آنجا که محورهای اپتیکی گیرنده وفرستنده یکسان نمی باشند توان نوری دریافت شده در فاصله های خیلی کوتاه بسیار کم می شود.در این روش وقتی شئ بین فاصله یاب و نقطه تقاطع محورهای نوری قرار می گیرد، تغییرات توان نوری دریافت شده مانند اپتیک کواسیکال می باشد.

فاصله یاب ساخته شده مورد بحث از اپتیک موازی استفاده می کند که ما در آن برای فرستنده از یک لنز محدب کوچک به قطر 14 mm  و فاصله کانونی  15 mm  و برای گیرنده از لنز محدب به قطر 50 mm  و فاصله کانونی 60 mm  استفاده نموده ایم.

ب : فرستنده

برای فرستنده از یک دیود لیزر IR  ، CW  و20 mw   استفاده شده است. این دیود لیزر توسط یک منبع جریان تحریک می شود که این منبع جریان توسط فرکانس  15 MHz  مدوله می شود تا پرتو خروجی یک پرتو نورانی سینوسی بافرکانس 15 MHz باشد.از آنجا که جریان زیادی برای تحریک دیود لیزر پیوسته 20 mw   لازم  می باشد و از طرف دیگر این جریان زیاد باید با فرکانس15 MHz مدوله شود، لذا با مسائل فرکانس بالا و وات بالا مواجه می شویم. شکل شماره (2) دیاگرام درایو این دیود لیزر را با اسیلاتور اصلی نشان می دهد.

ج : گیرنده

در گیرنده از یک فتودیود  (avalunche photodiode)  APD   که ماکزیمم حساسیت آن در طو موجی نزدیک به طول موج لیزر است استفاده نموده ایم. فتون های تابیده شده به فتودیود به جریانی از الکترونها تبدیل می شود که نسبت الکترونهای آزاد شده به فتون های تابیده شده همان گین ذاتی        APD است. جریان تولید شده توسط یک PreAmp   به ولتاژ تبدیل می شود. این PreAmp باید تا حد امکان کم نویز و دارای پهنای باند بالا باشد. ولتاژ بدست آمده توسط یک تقویت کننده تقویت می شود. از آنجا که ممکن است سیگنال های ناخواسته در سیگنال اصلی وجود داشته باشد  که ورود میکسر را به اشباع ببرد، لذا این سیگنال را از یک فیلتر میان گذر عبور می دهیم و توسط یک تقویت کننده نهایی به حد لازم می رسانیم.

د : پردازش

فاصله یاب هایی که از روش آشکار سازی فاز استفاده می کنند، خود به دو دسته تقسیم می شوند :

یکی آشکار سازی فاز به طور مستقیم و دیگری آشکار سازی به روش هتروداین.

در آشکار سازی مستقیم  اختلاف فاز میان دو سینوس فرکانس بالا، یعمی سینوس مدوله کننده نور لیزر وسیگنال سینوسی آشکار شده در گیرنده کالیبره می شود. ولی در روش هتروداین، سینوسی مدوله کننده نور و سینوسی آشکار شده در گیرنده با یک سینوسی با فرکانس نزدیک به فرکانس مدولاسیون لیزر میکس می شود.از آنجا که میکسر، فاز را تغییر نمی دهد و از بین نمی برد، اختلاف فاز میان سینوسی ها در فرکانس مدولاسیون به اختلاف فاز در فرکانس  IF  منتقل می شود.برای کم کردن نویز معادل پهنای بانداز فیلتر میان گذر در فرکانس IF استفاده می کنیم. حال اختلاف فاز میان این دو سیگنال را می توان توسط یک فازمتراندازه گیری کرد.با معادل کردن این اختلاف فاز با پهنای یک پالس واندازه گیری آن توسط یک پروسسورمی توانیم اصله را کالیبره کنیم و روی LCD  نشان دهیم.

منابع خطا

همانطور که در قسمت الف گفته شد توان نوری رسیده به گیرنده در محدوده مورد نظر مکن است خیلی تغییر کند. مثلا در فواصل 2 الی 3 متری خروجی تقویت کننده نهایی به سمت اشباع برود.ودر فواصل نزدیک 10 متر خروجی تقویت کننده خیلی کوچک باشد که برای میکسر تعریف شده نباشد.و از طرف دیگر اگر ما حتی اشباع در خروجی تقویت کننده نداشته باشیم و سیگنال برای 10 متر نیز طوری باشد که برای میکسر تعریف شده باشد، (با کم و زیاد کردن وات لیزر برای فواصل مختلف می توانیم این کار را انجام دهیم) تغییرات دامنه سیگنال در حد 500 میلی ولت در ورودی میکسر باعث می شود شیفت فاز از حالت خطی بیرون آید. بنابراین وجود یک AGC  ضروری بنظر می آید.

منبع خطای دیگری که در فاصله یاب های لیزری نوع فاز وجود دارد عبارت است از تداخل میان مدارهای گیرنده و فرستنده وباعث می شود که دقت محدود شود، چون در فرکانس MHz  15 ،SNR  را نمی توان خیلی بالا برد از طرفی با جدا کردن منابع تغذیه گیرنده وفرستنده و شیلد کردن گیرنده تداخل کاملا از بین نمی رود.

 نتیجه

در این مقاله ما به چگونگی طراحی وساخت یک فاصله یاب لیزری به روش هتروداین در آشکار سازی فاز پرداختیم.برای بدست ۀوردن دقت خوب در فاصله مورد نظر مجبوریم که فرکانس مدولاسیون لیزر را برابر MHz  15 بگیریم ولذا با مسائل و مشکلات فرکانس بالا مواجه هستیم.همچنین تغییر دامنه در ورودی میکسر باعث خطا در انداه گیری فاز می شود. بنابراین وجود یک AGC  ضروری بنظر می آید.با در نظر گرفتن تمام منابع خطا وداشتن یک فازمتر با دقت 1.5 درجه به خطای 10 سانت در 10 متر می رسیم.

 

اولین همایش سیستم های دفاعی هوشمند  در دانشگاه صنعتی مالک اشتر

ارائه دهندگان :

1- حسن کاتوزیان      2- علی اکبر واحدی زارچ            3- حسن طاهری

از دانشگاه صنعتی امیرکبیر

 

در زندگی همه چیز عادلانه نیست و بهتر است با این حقیقت کنار بیایید.

اصل اول بیل گیتس


کلمات کلیدی: