Laseretäisyyslaskentakaava: kuinka paljon pulssien energiaa etäisyyslinkki oikeasti tarvitsee?

Kysymys, jonka insinöörit todella esittävät

Melkein jokainen laseretäisyyshanke alkaa samalla lauseella: "Minun täytyy mitata 2 km." Se on väärä ensimmäinen lause, koska kantama ei ole laserdiodin ominaisuus. Kantama on koko linkin ominaisuus: lähettimen energia, lähetysoptiikka, kohteen heijastuvuus, ilmakehän läpäisy, vastaanoton aukko, optinen suodatus, detektorin vahvistus ja havaintokynnys, jota olet valmis käyttämään.

Sanotaanpa niin, että täytyy aloittaa jostain, ja hyödyllinen lähtöpiste on pulsseenergian määrä, ei huipputehoa. Tämä artikkeli rakentaa budjetin energiassa ja muuntaa sitten takaisin huipputehoksi, jonka tietolomake ilmoittaa.

Laajennetun kohteen kantama-kaava

Kohteelle, joka ylittää laserpisteen – seinä, rinne, ajoneuvo, puu – paluu noudattaa tutkan kantaman Lambertin muotoa:

missä

Ratkaise R ja korvaa P_rx = P_mds:

Koska P_tx = E / t_p, ja koska sovitetun suodattimen vastaanottimen minimihavaittava energia on suunnilleen vakio niin kauan kuin sähköinen kaistanleveys seuraa pulssin leveyttä, P_tx ja t_p kumoutuvat suurelta osin. Jäljelle jää pulssin energia:

Tämä on yksittäisin hyödyllinen fakta laseretäisyyden mittauksessa: pulssin lyhentäminen parantaa resoluutiota, ei kantamaa. Jos haluat enemmän etäisyyttä, osta energiaa. Jos haluat tarkemman mittauksen, osta lyhyempi pulssi samalla energialla - mikä tarkoittaa enemmän huipputehoa.

k:n kalibrointi todellisiin tuotteisiin

Teoria antaa kaavan muodon, mutta ei vakioarvoa, koska P_mds riippuu detektorista, jota et ole vielä valinnut. Kalibrointi tunnetuilla suorituskykyisillä tuotteilla on nopeampaa ja rehellisempää.

905 nm pulssitetun laserdiodin, jonka teho on 180 W ja ohjausaika 100 ns, toimittama:

Tämä osa löytyy käsikäyttöisistä etäisyysmittareista, jotka on määritelty noin 1,5 - 2 km heijastavilla kohteilla ja 500 m tummalla maastolla. Ottaen arvoksi 1,6 km heijastinmerkistä:

Sama ankkuri hajanaisessa maastossa (noin kolmannes heijastuvasta kantamasta, nyrkkisääntö, joka vastaa lähes kaikkia kaupallisia LRF-laitteita) antaa k_diffuse ≈ 126.

1535 nm:n silmäturvallisessa linkissä vastaanottoketju on InGaAs APD, jossa on korkeampi kohinataso, mutta lähetysenergiat ovat yhdestä kahteen kertaan suurempia ja optiikka on suurempaa. Empiirisesti, k_retro ≈ 600 ja k_diffuse ≈ 200 sopivat julkaistuihin erbium-lasisäteenkorkeusmittarin spesifikaatioihin.

Suunnittelupöytä

Pulssienergia, joka tarvitaan tietylle kantamalle, 905 nm:llä Si APD -vastaanottimen kanssa:

Lue diffuusi sarake ja johtopäätös on väistämätön: 905 nm pulssidiodi ei voi saavuttaa 2 km pimeällä maastolla 100 ns pulssilla. 250 µJ 100 ns:ssa on 2,5 kW huipputehoa, mikä ei ole TO56-laite. Vaihtoehtosi ovat:

• Siirry 1535 nm aallonpituuteen, jossa 100-300 µJ moduulit ovat vakio-osia.
• Hyväksy pidempi pulssi ja enemmän keskiarvotusta, vaihtamalla tarkkuutta kantaman hyväksi.
• Paranna vastaanottopuolta: suurempi aukko, kapeampi suodatin, matalahäiriöisempi detektori.

Viimeinen vaihtoehto on se, missä suurin osa käytännön eduista on, ja se on käsitelty vastaanottimen valinta -artikkelissa.

Energian muuttaminen takaisin osanumeroiksi

Kun tiedät tarvittavan energian, datalehden muunnos on:

Joten 10 µJ vaatimus täyttyy millä tahansa seuraavista:

• 100 W 100 ns ajaksi
• 200 W 50 ns ajaksi
• 1000 W 10 ns ajaksi

Nämä eivät ole samanarvoisia järjestelmiä. 1000 W / 10 ns -vaihtoehto antaa sinulle 10 kertaa paremman etäisyysresoluution ja paljon lyhyemmän sokean vyöhykkeen, kustannuksena on ohjain, jonka täytyy kytkeä 1000 W puhtaasti 10 ns:ssä, tarkemmat ajoituselektroniikat ja vastaanotin, jonka kaistanleveys on noin 100 MHz. Tämä kompromissi – resoluutio vastaan ohjaimen vaikeus – on todellinen päätös, ja siksi ohjaimen suunnitteluartikkeli on yhtä tärkeä kuin diodin valinta.

Mitä kaava tahallisesti jättää pois

Yllä oleva malli olettaa yksittäisen pulssin kynnysvärähtelyn havaitsemisen, kirkkaan ilman, kohteen, joka on suurempi kuin pistemäinen tarkennusalue, ja hyvin kohdistetun optisen akselin. Todellisissa suunnitelmissa kantamaa menetetään seuraaville tekijöille:

• Ilmankosteusvaimennus. Sade, sumu ja usva aiheuttavat 3 - 30 dB häviön riippuen olosuhteista. 1535 nm ja 1550 nm sijaitsevat vesi-imemisvyöhykkeessä; se on haitta sateessa ja etu silmäturvallisuuden kannalta.
• Speckle. Karkeasta kohteesta takaisin heijastuva kuvio aiheuttaa energian vaihtelua jokaisen pulssin välillä. Varaudu 3-6 dB luotettavan havaintotodennäköisyyden saavuttamiseen.
• Säteen liike ja kohdistus. Pienet kulma-virheet pitkällä kantamalla siirtävät valopistettä vastaanottimen näkökentän ulkopuolelle.
• Ilmaisimen kaistanleveys. Vastaanotin, joka on laajempi kuin pulssi, integroi enemmän kohinaa kuin signaalia. Sovita kaistanleveys pulssiin: BW ≈ 0.4 / t_p.
• Kynnyksen valinta. Kiinteä kynnys, joka toimii retroheijastimella, ei toimi puussa. Vakio-osuus- tai aika-muuttuvat kynnysarvot palauttavat useita desibelejä.

Käytännön luvut sovellettuna

Ota PLD905-180W-M: 180 W huipputeho, 1 - 100 ns, 6 lähettävää yksikköä, 18 µJ 100 ns:ssa.

Kaikelle muulle todellisessa maastossa rehellinen vastaus on pidempi aallonpituus. Katso 905 nm vastaan 1535 nm vastaan 1550 nm sen päätöksen tueksi.