بخشی از مقاله
چکیده- در این مقاله طراحی بهینه یک سیستم لیزري دقیق، براي سنجش فاصله ارائه شده است. سیستم مذکور با استفاده از اندازهگیري زمانی مقدار جابجایی فاز، قادر به اندازه گیري دقیق فاصله اهداف است. با انتخاب مناسب فرکانسهاي سیستم جهت ایزولاسیون مؤثر مدارات الکترونیکی، که منجر به کمینه شدن اثر همشنوایی میشود و نیز کاهش اثرات مربوط به رانش حرارتی فرکانسهاي سیستم، عوامل مؤثر در ایجاد خطا به حداقل رسیده است. در این سیستم از تکنیک هتروداین به عنوان راهی براي افزایش دقت سیستم براي اندازه گیري جابجایی فاز استفاده شده است. نتایج بدست آمده به تفکیک نمایی 6 mm، در گستره بدون ابهام 302/87 m منجر میشود.
-1 مقدمه
با وجود استفاده وسیع از سیستمهاي TOF در صنعت، ساختار ذاتی این سیستمها به گونهاي است که استفاده از آنها را در اندازهگیریهاي دقیق مسافت با دشواریهایی مواجه میسازد1]،.[2 همچنین استفاده از رادارهاي CW غیر لیزري در فواصل کوتاه براي اندازهگیري فاصله، چندان متداول نیست3]،.[4 اما سیستمهاي اندازهگیري لیزري موج پیوسته، مبتنی بر استفاده از لیزرهاي نیمه هادي، در فواصل نسبتاً کوتاه - حدود صد متر - ، میتوانند گزینه مناسبی باشند.
بر این اساس طراحی بهینه و ساخت یک سیستم لیزري فازي براي اندازهگیري فاصله اهداف مدنظر بوده است. در سیستم طراحی شده با استفاده از منابع فرکانسی که داراي رانش حرارتی پایین هستند و کاهش خطاي مربوط به همشنوایی بین سیگنالها، براي گستره کاري حدود 300 متر، دقت اندازهگیري مسافت تا حد قابل ملاحظه اي افزایش یافته است.
-2 تکنیک اندازهگیري زمانی جابجایی فاز
در سیستمهاي مبتنی بر اندازهگیري جابجایی فاز، ابتدا شدت نور گسیلی از منبع لیزري که عموما از نوع لیزر نیمه هادي است، مدوله دامنه شده سپس جابجایی فاز بین پرتو ارسالی و پرتو بازگشتی از هدف که متناسب با زمان پرواز پرتو لیزر و در نتیجه فاصله هدف از سیستم اندازهگیري است، محاسبه می شود. دقت در اندازهگیري جابجایی فاز متأثر از پدیده همشنوایی است[1].
از این گذشته با توجه به رابطه فوق مشخص است که این پارامتر فرکانس میانی و در نتیجه به دقت و پایداري فرکانس راه اندازي دیود لیزري، فرکانس محلی استفاده شده در تکنیک هتروداین و همچنین مقدار پالس ساعت شمارنده هاي بخش محاسبه و پردازش سیستم نیز وابسته است. فراهم آوردن منابع فرکانسی دقیق و پایدار براي بخش راه انداز دیود لیزري نیمه هادي و نیز فرکانس محلی سیستم کاري دشوار است و در ادامه نشان داده خواهد شد که دقت سیستم به شدت متأثر از رانش حرارتی منابع فرکانسی نیز می باشد.
-3 ساختار اساسی و مشخصات عملکردي
سیستم فاصله یاب لیزري
در سیستمهاي فاصلهیاب لیزري، پرتو لیزر با فرکانسی مناسب که متناظر با حداکثر فاصله بدون ابهام است، مدوله دامنه میشود. سیگنال بازتابی از هدف در یک آشکارساز نوري، تبدیل به سیگنالی با فاز بین جابجا شده میشود، به طوریکه میزان جابجایی فاز سیگنال بازگشتی و سیگنال ارسالی متناسب با فاصله هدف از سیستم اندازهگیري خواهد بود. براي اینکه اندازهگیري جابجایی فاز سیگنالهاي ارسالی و دریافتی به نتایج دقیقی منجر شود و در عین حال فاز سیگنالها نیز تغییر نکند، از تکنیک هتروداین استفاده میشود.
-3-1 فرستنده، گیرنده و نوسان ساز و استفاده
از تکنیک هتروداین در بخش فرستنده از یک دیود لیزري نیمه هادي با توان 5 mW و طول موج 630 nm است استفاده شده است. مدار راه انداز طراحی شده، لیزر فوق را در باند پایه توسط سیگنالی با فرکانس 247 KHz مدوله AM میکند. یک مدار کنترل کننده خودکار توان ١ - APC - فرکانس سیگنال بکار رفته جهت مدوله شدت دیود لیزري بگونه اي انتخاب شده تا امکان ایزولاسیون مناسب مدارات فرستنده و گیرنده را فراهم نماید.
ضریب مدولاسیون استفاده شده نیز برابر %4 است. نشان داده شده است که انتخاب کمینه مقدار ممکن براي ضریب مدولاسیون، نقش بسزایی در کاهش مقدار همشنوایی بین مدارات فرستنده و گیرنده خواهد داشت. در بخش نوسانساز، از دو کریستال 15/847917 MHz و 15/843750 MHz از نوع کوارتز با مقادیر رانش حرارتی بسیار پایین و یکسان استفاده میشود.
فرکانسهاي خروجی کریستالهاي فوق با استفاده از مدارات تقسیم کننده فرکانس به فرکانسهاي 247623 Hz و 247558 Hz تبدیل شده و پس از عبور از فیلترهاي میان گذر اکتیو، با فاکتور کیفیت معادل14، فرکانسهاي راه انداز دیود لیزري و فرکانس محلی را ایجاد می کنند. در شکل2 دیاگرام بلوکی مدار فرستنده و بخش نوسانساز سیستم نشان داده شده است.
طراحی بهینه جهت کاهش تأثیر منابع خطا در فاصله یابهاي لیزري مبتنی بر اندازهگیري جابجایی فاز براي اینکه مقدار توان دریافتی از هدف مقدار قابل ملاحظه اي باشد از صفحات انعکاسی پس رو، بر روي هدف استفاده میشود١. آشکار ساز نوري استفاده شده در بخش گیرنده یک دیود نوري از نوع PIN، با حساسیت - 0/59 - A / W است. یک مدار تغذیه کم نویز 25 ولتی، بایاس معکوس مورد نیاز دیود آشکارساز را فراهم می کند.
ساختار مدار در نظر گرفته شده از نوع امپدانس انتقالی است6]،[7 که از پهناي باند 1/5 MHz برخوردار است. سیگنال آشکار شده در Front End پس از عبور از مدار تقویت کننده ثانویه و فیلتر میان گذر اکتیو وارد مدار کنترل کننده خودکار بهره - AGC - 2میشود. این بخش نقش بسزایی در عملکرد مطلوب سیستم دارد، زیرا در گستره عملکرد سیستم، دامنه سیگنال آشکار شده باید تا جاي ممکن ثابت باقی بماند[2] تا مخلوط کننده هاي سیستم از عملکرد مطلوبی برخوردار باشند.
گستره دینامیکی مدار طراحی شده براي بخش AGC ، سیگنالهایی با دامنه 0/1 V تا 12 V را شامل میشود. به منظور حذف اثر پدیده همشنوایی، مدارات فرستنده و گیرنده به طور کامل از هم ایزوله می شوند و نیز سیگنالهاي ارسالی و دریافتی پیش از عبور از تزویج گرهاي نوري و مخلوط شدن با فرکانس محلی توسط مدارات محدود کننده و یکسوکننده به سیگنالهاي موج مربعی تبدیل میشوند.
از این رو انتخاب مناسب فرکانسهاي پایهاي جهت کاهش تأثیر پدیده همشنوایی، از طریق تبدیل سیگنالها ارسالی و دریافتی به شکل سیگنالهایی موج مربعی و استفاده از تزویجگرهاي نوري سازگار با سیگنالهاي TTL، جهت ایزولاسیون کامل مدارات فرستنده و گیرنده بسیار حائز اهمیت است و در سیستم طراحی شده این امر در نظر گرفته شده است. نتایج تجربی حاکی از آن است که با انجام این کار تأثیر پدیده همشنوایی به طور قابل ملاحظهاي کاهش خواهد یافت. در شکل3 دیاگرام بلوکی بخش گیرنده سیستم نشان داده شده است.
پس از ایزولاسیون مناسب مدارات فرستنده و گیرنده، هر کدام از سیگنالهاي موج مربعی مرجع و بازگشتی با سیگنال محلی، مخلوط شده و پس از عبور از فیلترهاي پایین گذر فعال، سیگنالهاي فرکانسهاي میانی - - 65 Hz را تولید خواهند کرد. سیگنالهاي فوق پس از اینکه از مدارات محدود کننده و یکسو کننده عبور داده شدند، آماده پردازش و استخراج اطلاعات جابجایی فاز خواهند شد.
