Meranie vzdialenosti laserom

[djwiktor]

Ahojte, tak rad by som tu otvoril diskusiu na trosku narocnejsiu temu - a to meranie vzdialenosti laserom.
Nie, nemam na mysli meranie lidl vyrobkami a pod, do 100m. Pohybovat sa budeme v rovine vzdialenosti od 400m do 3000m - to by mohlo stacit.
Brazdim net uz nejaku dobu, ohladom tychto teorii, takze daco som uz pokukal... ale .. nic svetoborne.
Budem rad, ak sa v nasledovnej teme vyjadria ludia, ktorim to nieco hovori a co maju tiez co k tomu povedat, aj ked kludne na teoretickej urovni.

Takze o co mi ide ?
Pre jeden projekt bude dolezite poznat tzv. Cloud base height - teda vysku zakladne oblaku ( postaci od terenu, prepocet sa dorobi z polohy z GPS - tu nepodstatne teraz.) .

Cloud base sa da sice vypocitat z LCL, pripadne z rozdielu CT a AT ( teplota oblakov a okolia), avsak pri vecsine prepoctov je presnost asi plusminus 500m. Takze nepouzitelne.

Pouzivaju sa na to originalne zariadenia zvane Ceilometer, ale ich ceny su samozrejme tak profi ako samotne zariadenia. Zacinaju od 8000$ za cinske smejdy. Samozrejme ale meraju okolo 5km a viac, co pre mna nie je potrebne.

Principialne je to jednoduche - posle sa seria impulzov z lasera, pri prvom impulze sa spusti timer, a ten rata za ako dlho bol odraz detekovany - na zaklade toho sa vyrata vzdialenost (c*t)/2. Seria impulzov je dolezita, pretoze mraky nie su linerane plochy, a odraz nastava kade tade - preto cim viac impulzov, tym vacsia sanca, ze aspon jeden zablesk sa dostane na detektor, kedy sa zastavi timer.

Tudiz, teraz tie otazky ktore mam :
1. - Asi najpodstatnesie - V akom spektre laser ? - Co studujem oblaky, je jasne, ze najvacsia absorbcia bude na vlnovej dlzke blizkej spektralnej ciare vodika a kyslika, pekne dolozene napriklad orientacne tu http://www.astropix.com/IMAGES/I_ASTROP ... /CURVE.JPG .
Preto mi z toho logicky vyplyva, ze pouzitie zeleneho laseru by mohlo byt pouzitelne.

2. Aky vykon lasera ? - Mam par laserovych diod a ukazovatok, niektore dosvit do 100m, niektore az 3km. ( udavane vyrobcom, okom veru tazko zisit) . Obzrel som trochu ebay, je tam vsetko mozne, ale priklanam sa k nazoru ze by mohlo stacit 50-100mW pri divergencii <2mRad .

3. Detekovanie - samozrejme najjednoduchsie bude detekovanie nejakym optoprvkom ( fototranzistor napr), pri ktorom predpokladam bude treba pouzit filter - pravdepodobne teda zeleny - podla lasera. Rovnako asi uprava tak, aby reagoval na skokove zmeny - kedze to budu impulzy, tak je to logicke, ze by nemal reagovat na zmenu urovne postupnu. Ake parametre ale potom sledovat pri fototranzistore napriklad ? napada ma reakcny cas, kapacita prechodu - tie budu mat vplyv urcite na spravne detekovanie.

4. Generovanie pulzov - Treba nejako poslat tie impulzy laserom, teda treba ich vygenerovat - tu netusim aky cas by mal trvat jeden impulz? Pouzity procesor suvisi s bodom 5.

5. Spracovanie signalu - Kedze napriklad pri 100m vyske oblaku od zariadenie, vychadza TT ( travel time ) na 0.66us ( tam aj spet), bude treba nejaky rychly procesor. Ktore by napriklad vyhovovali ? S PIC nejake zaciatky mam, FPGA je bohuzial pre mna spanielska dedina.

6. Namerane data - netreba ultra realtime spracovanie dat - takze ked pridu data napriklad na serial port raz za 30s, je to uplne postacujuce. Pretoze vyska oblakov sa nemeni az tak rychlo . Rovnako aj laserova dioda ma nejaky ten svoj duty cycle aby sa neprehrievala.

Viem ze toto uz je trosku obsirnejsia tema, ale myslim si ze z tolko registrovanych ludi tuna, sa isto najde niekto, kto ma k tomu co povedat.

[juraj77]

Nedá sa diskutovať o tejto problematike na skle ???

[djwiktor]

Este upresnim teda - mal som tam chybu, pisal som o 0.66ns, spravne maju byt 0.66us.
Zeleny laser pre to, pretoze H2O absorbuje najviac modru a cervenu, zelenu len malo, preto by sa prave dala pouzit na odraz.

[juraj77]

0,66 ns nezmeriaš s obyčajným mikroprocesorom od Michrochipu. Nato budeš potrebovať minimálne DPS procesory, ale to som si tiež neni istý či vedia zmerať tak krátky čas(Skor nie) Mám aj vážne pochybnosti či takéto dialkomery sú založené na princípe ako si opísal. Také zariadenie by potom nestálo 8000 dolárov....A ďalšia vec je že píšeš o absorbcii laser. lúča .Lúč by sa mal odrážať,nie ???

[djwiktor]

Juraj, pisal som ze som tam spravil chybicku, a som ju upravil. nie ns , ale us.. a aj o odraze som napisal. prejdi si to prosim este raz.

[juraj77]

OK ,neskoro som si to všimol

[dxr]

Pohybovat sa budeme v rovine vzdialenosti od 400m do 3000m - to by mohlo stacit.

Mam profi HILTI masinku a 90m ten bod jednak neudrzim a ani nevidim
a 3km to budes ako triafat na nejaku reflexnu stenu a ako zabezpecis ze ten luc bude bod
* cez slnecny letny den to napriklad od steny povie ze ERROR musim tam dat nieco cierne a reflexne
inak to nezmeram.

120m som dal so stativom a optika ktora zbiera odraz je asi 8x6 cm na 3km to bude asi o dost vacsie
400m pokial to bude mat vykon a rozptyl tak chudak ten co bude na opacnej strane.

Kamarat robil na STM32F myslim ultrazvukovy distance meter mozno pozret ARM-a

[djwiktor]

Ach chlapci, netrapte ma Precitajte si prosim vas vsetci to zadanie aspon 2x
Detektor by mohol mat tiez kludne optiku
Za dalsie, cele to bude umiestnene ( teda ked to bude vyrobene) , na podstavci, ktory nejaku tu vahu ma, smerovat to bude priamo nahor - takze bod 2 - nebude tam na druhej strane nikto kto by mohol byt vyslepeny

[juraj77]

Pozri si systém LIDAR na internete. Čo sa týka prímača može byť s fototranzistorom avšak plus nejaká elektronika.Je to na dlho to vysvetlovať s čoho sa skladá taký prímač.Ide o to aby bol prímač čo najcitlivejší a zachytil odraz, čo sa prejaví zmenou úrovne na výstupe prímača.Ak nenájdeš podrobnosti o LIDARE najdi si konštrukciu ultrazvukového dialkomera čo je v princípe podobné

[pin]

Jeden diaľkomer bol kedysi riešený tak, že mal čítač 10 MHz, ten sa spúšťal fototranzistorom od časti odchýleného vyslaného svetelného impulzu a zastavil ho fototranzistor od prijatého impulzu. To preto, aby oneskorenie štartu bolo rovnaké ako stopu. Potom každá jednotka v čítači znamenala vzdialenosť 15 m, čiže dráhu 30 m. Z vyslaného výkonu impulzu sa prijal iba malý zlomok, tak sa vysielali dosť dobré "pecky".

[retepko]

Ale jednalo sa o dva fototranzistory z ktorých jeden bol pri vysielacej dióde a druhý o kúsok vedľa mimo osvetlenia diódy alebo o jeden fototranzistor, ktorý aj následne prijímal?

[Washu]

Predstavujes si to ako hurvinek valku
Dam ti par napovied, vies co je to Q-switch?
Pocul si uz o PIN diode?
Na MCU zabudni, zachytavat budes FPGA a spracovavat pomocou DSP.
BTW: Pouzivaju sa aj polovodicove lasery ale tak ci tak myslim ze si si vzal prilis velke susto.
PS: Zelene ukazovatko nemozes len tak lahko pouzit, skus sa zamysliet preco asi. Ak nato prides sam je aspon teoreticka sanca ze sa niekam posunies. Ak nie, vzdaj to rovno.
PPS: Ked zistis kolko stoji slusny laser, cocky, detektor a zapocitas cas a naklady na vyvoj tak ak potrebujes len jeden kus ten profi vlastne vobec nieje drahy

[djwiktor]

Ahoj Washu, dakujem za podstatne pripomienky. temu som sem dal ako teoreticku uvahu - sice by to bolo fajn pre mna zariadenie, ale teoreticka pre to, lebo viem, ze to tak skoro nebude.

Q-switching ano, je jasne, to som aj pisal hore, ze bude treba Laserove pulzy - teda urcite nie CW prevadzku.
Co sa tyka ukazovatka - to som len nadhodil, aby sa bolo od coho odrazit - laserove moduly priemyselne som narychlo prebehol, ceny nie su take hrozne. Co sa tyka optiky - tu napriklad skusenosti nemam vobec ziadne - maimalne dake zaklady z fyziky zo skoly, ale to je asi nie prilis platne.

este k tym 8000$ - to som tam pisal, ze za cinske smejdy - nie som pozeral u cinanov, a ceny tam zacinali, ale samozrejme ani Datasheet ziaden, minimum vypisanych parametrov - a tie co boli popisane, mali take nelinearity a presnosti uvedene, ze som to oznacil ako cinsky smejd.

[remmidemmi]

k přesnému změřeni 0,66usec, tedy 660 nsec potrebujes presny meric kmitoctu/period. Presnost je urcena zakladnim oscilatorem a ten je drahy. Dalsi problem, budes potrebovat presnou optiku, cocky, a ty jsou take drahe. Presny citac, meric period je mozno udelat i doma, optiku a cocky doma neudelas. Takze ten laser s optikou bude nutno koupit hotovy a to je velmi nakladne. To same - optiku nutno mit i pro prijimac.
K tomu je nutna spousta dilu z jemne mechaniky, budes potrebovat nekoho, kdo umi vyrabet presne mechanicke dily pro fotoaparaty nebo mechanicke hodiny.

Ad 1/ citac, meric period - pred casem jsem zacal jeden takovy delat, ale usnulo to pro nedostatek penez, ale predevsim pro nezajem. Projekt ale muzu obnovit a pokracovat.

Ad 2/ optika - pro prijimac lze pouzit objektivy pro fotaky, teleobjektivy, popripade adaptovat digitalni fotak s teleobjektivem, coz by asi bylo nejsnazsi. Potrebujes totiz zaostrit na merene misto a ziskat elektricky signal k zastaveni měřiče periody.
Optiku pro vysilac budeš muset koupit, bude podobna te přijímací, musí umožnit zaostření na měřící bod a především průchod paprsku laseru. Nikdy jsem neskoušel poslat laserový paprsek objektivem od foťáku, takže nevím co to udělá, ale můžeš to zkusit.

Ještě dodatek - rozsah vzdialenosti od 400m do 3000m je dost velký rozsah. Budeš totiž potřebovat teleobjektiv, který dokáže zaostřit v tomto rozsahu na měřený bod. Čím přesněji a čím menší ploška na cíli, tím lépe, jenže takový objektiv je příšerně nákladný. To samé pro vysílací stranu. Představ si, že na vzdálenost 2 km chceš zaostřit na plošku 10x10 cm. Čím ta ploška bude větší, tím větší musí být výkon laseru.
Jiná věc, různé materiály mají různou odrazivost. Když cíl bude kovový, lesklý a kolmo natočený k tobě, budeš mít dobré výsledky. Když cíl bude kovový lesklý ale naklopená rovina, paprsek se k tobě nikdy neodrazí, půjde Pánu Bohu do oken. A do třetice, když cílová ploška bude tmavá, zrnitá, pohlcující světlo, nic se neodrazí.

A na konec, jistě víš z fyziky , že intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Takže si spočti, jaká musí být energie vyslaného paprsku, aby prošel 2 km k cíli, tam se z toho co dorazilo, se odrazí řekněme 10% správným směrem (k tobě) a z těchto 10% po 2 km zpáteční trase, kolik energie dorazí na snímač, který má vygenerovat signál k zastavení měřiče periody.

[rudko]

Jiná věc, různé materiály mají různou odrazivost. Když cíl bude kovový, lesklý a kolmo ...

Remmi ja teda nie som velky rypal, ale uz si videl kovove leskle oblaky?

[Tuf]

Pre inšpiráciu sa pozri na stránky profíkov, napríklad
http://www.arm.gov/measurements/cloudbase - meranie spodnej hranice oblačnosti
BLC : Belfort Laser Ceilometer - http://www.arm.gov/instruments/blc, ktorý bol nahradený v roku 2000 typom VAISALA 25K CEILOMETER
http://www.arm.gov/instruments/vceil s vertikálnom dosahom max 7700 m, atď...

[remmidemmi]

rudko, on chce měřit výšku oblaků? Jsem pochopil, že chce měřit vzdálenost nějakého objektu. Pokud to má být letadlo v oblacích, to je kovové. Pokud to mají být oblaky, pak je laserem nezměří ani náhodou.
Nicméně, spíše než na laser bych to viděl na mikrovlnný signál. Můžeš si vybrat pásmo 10 GHz, 24 GHz nebo 35-36 GHz. Ty poslední dvě pásma jsou nejvhodnější.

[rudko]

staci si precitat prvy prispevok

Takze o co mi ide ?
Pre jeden projekt bude dolezite poznat tzv. Cloud base height - teda vysku zakladne oblaku ( postaci od terenu, prepocet sa dorobi z polohy z GPS - tu nepodstatne teraz.) .

a potom sa pozret sem:

Pre inšpiráciu sa pozri na stránky profíkov, napríklad
http://www.arm.gov/measurements/cloudbase - meranie spodnej hranice oblačnosti
BLC : Belfort Laser Ceilometer - http://www.arm.gov/instruments/blc, ktorý bol nahradený v roku 2000 typom VAISALA 25K CEILOMETER
http://www.arm.gov/instruments/vceil s vertikálnom dosahom max 7700 m, atď...

a zistis ze laserom to ide

[petersno]

niesom ziadny odbornik na svetlo a optiku, preto moze prosim niekto vysvetlit, ako sa toto :

... intenzita záření klesá s druhou mocninou vzdálenosti...

tyka sustredeneho svetelneho luca ?

[hanci.miso]

Pánove tak zrovna toto riešim ale na iné účely.

V prvom rade sa to robí technológiou TOF (time of fly) teda meria sa čas od vyslania impulzu po návrat impulzu.

Impulzne sa to rieši hlavne pre zabezpečenie triedy lasera a teda dosiahnutie síce čo najväčšieho výkonu (najviac fotonov) pre impulz ale zanedbateľného výkonu sa jednú sekundu.

Samotné meranie času nie je problém a ja to robím s rozlíšením 54ps. Dá sa to samozrejme aj presnejšie a používajú sa na to obvody TDC tzv. time to digital converter.

Dostávam sa k prvému problému:
Treba si uvedomiť že do oblohy za žiadnych okolnosti nesmieš svietit viditeľným laserom a teda voľba by mohla byť IR. Ja konkrétne používam 905nm lebo je najdostupnejší a hlavne kremíkové diody sú v tejto oblasti pomerne citlivé.

Druhý problém je že potrebuješ vysielať impulzy rádovo okolo 2ns ak použiješ laser okolo 10W. Takéto impulzy musíš riešiť len vysokým napätím a lavínovým tranzistorom. Riešenie je aj kúpiť hotový driver od Laser components napr. ale 2ns s aspoň 20A stojí okolo 800eur.
Teda problém je so samotným budením lasera.

Ak toto zvládneš tak prídeš na to že potrebuješ ten laser zaostriť na konkrétnu vzdialenosť ale ako? takéto kratne impulzy zachytíš len s kvalitnou monochromatickou kamerou s dlhou uzávierkou a pri vzdialenosti nad 100m si myslím že aj s chladenou kamerou (redukcia šumu) to bude problematické vzhľadom na intenzitu svetla. Tu len dodám že optika je najmenší problém.

Ideme dalej:
Ak sa ti aj toto podarí odrazený signál potrebuješ niečim zachytit. Jedinou rozumnou voľbou je APD (lavínová dioda). Pre túto však potrebuješ vysokonapäťový zdroj a používať ju v gaigerovom móde. celé sa to komplikuje aj tým že pracuješ s tak malým prúdom že zistíš že každé meranie musíš robiť aspoň merákom s 200MOhm vstupom čo vôbec nebýva bežné. Toto sa dá pomerne ľahko okabátit ale stále nebudeš vedieť realitu ale len to k čomu sa dopočítaš a samozrejme k tomu celému chce to aj kvalitný osciloskop aspoň na 10Gs/s aby si aspoň ako tak vyzistil čo ti leze z APD.

Nakoniec príde to najjednoduchšie ak vôbec zachytíš signál už ho len bez šumu zosilniť prehnať cez dobrý a rýchli schmittov triger a celé to skalibrovať lebo pri všetkom tom balaste zistíš že tvoj čas letu pozostáva hlavne z rôznych propagation delay a dalších oneskorení na komponentoch.

K tomu celému ale musím na záver dodať že možné to je ale stojí to veľa námahy a hlavne penazí.

Zaujímave pojmi na objasnenie sú: TOF measure, TDC time to digital converter, APD Bisa voltage, Single photon counter ...