صور نظام Lidar رصاصة في الرحلة

اعتُمد مختبر GE Energy في نسكايونا ليكون موطنًا لبعض معدات الليزر. لقد احتفظوا بالإشارة (من المفترض أن يخيفوا الزوار).اعتاد مختبر GE Energy في Niskayuna أن يكون موطن البعض معدات الليزر. أبقوا علامة (يفترض أن يخيف الزوار).

Lidar التصوير موجود منذ ما يقرب من التكنولوجيا التي تقوم عليها ، الليزر. ولكن على عكس أكثر شهرة ابن عمه ، الرادار ، وكان يستخدم في الغالب لأغراض البحث. السبب يعرف العلماء الكثير عن كثافة الهباء في الجزء العلوي الجو يرجع إلى حد كبير إلى ممارسة إطلاق النار قوية أشعة الليزر في الغلاف الجوي وفحص إشارة العودة. أن يلخص الفرق الرئيسي بين ليدار والرادار: يدير ليدار ذات طول موجي أقصر حتى يتمكن ، من حيث المبدأ ، من اكتشاف و (في بعض الأحيان) صورة الأشياء الصغيرة ، مثل جزيئات الهباء الجوي.

لقد تم الآن إعطاء هذا الاختلاف مظاهرة مذهلة ، مع الباحثين تصوير الملف الشخصي لرصاص بندقية الهواء في رحلة مع قرار من حوالي واحد ميكرومتر (بندقية الهواء رصاصة حوالي 5 ملليمتر طويلة). بينما بنادق الهواء لديها منخفضة إلى حد ما سرعة كمامة ، يمكن للباحثين تصوير الرصاصة من سلاح ناري مع سرعة كمامة عالية جدا وكان لا يزال قرار حوالي 10 ميكرومتر.

اثنين من الليزر التي ليست توائم تماما

أنظمة ليدار قديمة الطراز (وحتى ليدار أحدث) تعمل عليها مبدأ مجربة وصحيح من وقت الرحلة. أساسا ، أنت ترسل من نبض الضوء وتسجيل الوقت الذي يستغرقه لاستلام صدى صوت. هذا نظام بسيط للغاية ، بشرط ألا تريده دقة مسافة جيدة.

لوضعها في منظورها الصحيح ، بنى صديق لي نظام ليدار لقياسات الهباء الجوي. انبعث منه ليزر نبضات كانت على وشك خمسة نانوثانية (نانوثانية هي المليار من الثانية) في مدة ، والذي يمنحه ، في أحسن الأحوال ، قرار مسافة حول متر واحد. بالنظر إلى أنه كان يدرس الهباء الجوي في الأعلى الغلاف الجوي ، وكان قرار متر واحد على ما يرام.

كما أنه ليس من الصعب صنع نبضات خفيفة أقصر بكثير. عملت مرة واحدة مع ليزر يحتوي على 35 مدة النبض فيمتوثانية (فيمتوثانية المليون من الثانية ، 10-15s) ، والتي ، إذا كنت قد استخدمت ل Lidar ، أعطاني قرار المسافة من حوالي خمسة ميكرومتر. إلا أنه لن يكون. المشكلة هي أن الضوء الإلكتروني أجهزة الكشف ليست سريعة بما فيه الكفاية. في الجانب الكاشف ، نبض 35fs يتم تسجيل نبض 0.5ns ، حوالي 15000 مرة أطول. إذا كان نبض ترتد قبالة كائن مثل رصاصة ، أستطيع أن أرى انعكاس ، ولكن التغيير في شكل نبض ، والذي يحمل المعلومات حول شكل الرصاصة ، يتم غسلها ببطء الإلكترونيات.

لقد بنينا أنظمة بصرية جيدة يمكنها قياس التغيرات فيها المسافة في نطاق picometer (10-12m) باستخدام التداخل – إذا كنت تأخذ كاشفات موجة الجاذبية ك قياسي ، يمكننا أن نفعل 10 مليون مرة أفضل من picometer. ال الفرق بين هذه النظم ونظام ليدار وقت الرحلة هو أن التداخل مقارنة الضوء الذي ينعكس من يعترض على الضوء الذي يسافر مسافة ثابتة. نقيس الفرق في المسافة بين التداخل بين الاثنين أشعة الضوء.

hangup المحتملة الوحيدة هي أنه إذا كان الكائن ينقل لها بعد طول موجة واحدة بالضبط ، إشارة من تدخل يبدو هو نفسه تماما. على مسافات قصيرة ، كما هو الحال في المجهر ، وهذا يمكن التعامل معها. ولكن لمسافات طويلة و كائنات كبيرة ، مشكلة تحديد التغييرات التي هي المسافة أكبر من الطول الموجي للضوء تصبح صعبة حقا.

الحل ، على ما يبدو ، هو الجمع بين وقت الرحلة و التداخل.

الليزر التي تنتج نبضات قصيرة جدا من الضوء خاصة جدا. من حيث الوقت ، فإنها تنتج سلسلة منتظمة جدا من قصيرة ، نبضات الضوء الحاد. ولكن إذا نظرت إلى الضوء الذي الليزر تنبعث ، أنها ليست لون واحد. في الواقع ، إذا كنت على استعداد ل التضحية بالعين من خلال النظر في إخراج مثل هذا الليزر ، عينيك سوف (لفترة وجيزة ، قبل الذهاب أعمى) ينظر إليها على أنها بيضاء ضوء من مصباح مكتبي.

أن المظاهر ستكون خادعة. في حين أن الليزر تنبعث منها ، الكثير الألوان ، فإنه لا ينتج طيفًا سلسًا. بدلا من ذلك ، كل لون هو لون نقي محدد بوضوح ، ويتم فصل كل منها عن الجار بتردد ثابت. إنها هذه الخاصية – نبض خفيف التي تتكون من عدد كبير من متميزة وبدقة ألوان مفصولة — توفر مفتاحًا للنطاق الدقيق.

الأضواء، الكاميرا، إبدأ

للقيام فعلا القياسات في هذه الدقة المطلوبة أ نظام ليزر جديد بالكامل. ويستخدم الباحثون بالفعل نسختين من نفس نظام الليزر. لن أخوض في التفاصيل هنا ، بخلاف أن أقول إن التقنية التي يستخدمونها يولد نبضات على حد سواء قصير جدًا وله تردد تكرار نبض عالي جدًا 100GHz ، على الرغم من أن اثنين من الليزر لديها تكرار مختلف قليلا الترددات. لديهم أيضا تباعد مختلف قليلا بين الألوان.

إجراء القياس معقد بعض الشيء ، ولكن هنا الخطوط العريضة لذلك. لدينا اثنين من أشعة الليزر التي سأتصل بها الليزر والليزر المرجعي. إذا كانت تلك أشعة الضوء اثنين أشرق معا على photodetector ، والنتيجة تعتمد على ما إذا كان تتداخل البقول في الوقت المناسب. عندما نبضات من اثنين من الليزر لا تداخل ، الثنائي الضوئي يخرج اثنين من تردد الميكروويف إشارات – واحدة تقابل الفجوة بين الألوان في النطاق الليزر والآخر من الفجوة في الليزر المرجعي. عندما تتداخل نبضات من الليزرين ، واثنين من الراديو إضافية تظهر الترددات: هذان الترددان الجديدان يتوافقان مع الفصل بين الألوان من ليزرين مختلفين.

الليزر لديها ترددات تكرار نبض مختلفة قليلا ، لذلك بمرور الوقت ، يتأرجح خرج الثنائي الضوئي من إنتاج اثنين من الإشارات لإنتاج أربعة والعودة مرة أخرى. المرحلة من هذا التذبذب يخبرنا عن التداخل بين الاثنين نبضات.

وهذا بالضبط ما يستخدمه الباحثون لتحديده المسافة إلى كائن. وينعكس الليزر تتراوح قبالة كائن ، ويتم خلط إشارة عودة مع الليزر المرجعية. اعتمادا على التداخل بين النبضين ، المسافة إلى يمكن تحديد الكائن بدقة تتراوح بين 250nm و 12nm (حسب المدة التي يقضيها الباحثون). في الحقيقة هي يعتمد على مرحلة هذا التداخل التذبذب مقارنة ب الإشارة المرجعية التي يتم إنشاؤها بواسطة الضوء الذي لا يترك النظام.

مدى السرعة التي يمكنك تحديث موقف على الكائن؟ هذا يعتمد على على سرعة التذبذب التداخل ، وهو حوالي 100MHz ، وهذا يعني تحديث كل 10ns. المتوسط ​​يزيد من الدقة في حين التضحية سرعة التصوير. بأعلى دقة ، يتم تحديث الموقف كل 13 ميكروثانية.

يجمع نظام Lidar بين أفضل من lidar وقت الرحلة مع أفضل أجهزة استشعار التداخل. لسوء الحظ ، هو أيضا يجمع بين عيوبها. في الإعداد الحالي ، النبضات من يتم فصل ليزر المدى بحوالي 1.5 ملم. إذا كانت المسافة إلى كائن هو مضاعف ذلك ، ثم إشارة تبدو بالضبط نفسه. هناك طرق لإصلاح ذلك ، لكن هذه التحسينات ستكون موجودة لانتظار التكرار في المستقبل.

ستحتاج إلى أكثر من بطاقة ذهبية لهذا الغرض

هذه التقنية تتطلب بعض المعدات المثيرة للإعجاب. الليزر نفسها هي دنيوية جدا وتستند إلى مكونات على نطاق واسع المستخدمة في أنظمة الاتصالات الألياف البصرية. نبضات قصيرة جدا يتم إنشاؤها عن طريق توجيه الضوء في حلقة صغيرة ، ودعا microring مرنان ، في رقاقة زجاجية. على الرغم من أن هذه microring خاصة الرنانات ليست متاحة تجاريا ، فهي مصنوعة باستخدام تقنيات التصنيع القياسية – رقاقة منها باهظة الثمن ، ولكن لديها الكثير من الحلقات.

إنه كاشف الضوء – والطريقة التي يكتشف بها الباحثون و قم بمعالجة ترددات الراديو من كاشف الضوء الذي يأخذني يتنفس بعيدا. لاستخدام هذا لواحد من يدر الأكثر شيوعا التطبيقات ، كنا نتحدث عن مضاعفة تكلفة حلم سيارة مستقلة.

رسم الباحثون انطباع فنان عن كيفية استخدامها قد يبدو النظام. في صورتهم ، يتم تشغيل النظام بأكمله بواسطة اثنين من الليزر ديود – إصدارات أغلى قليلا من أشعة الليزر المستخدمة في مشغلات الأقراص المدمجة. هذه يقترن مباشرة إلى الأجهزة التي تنشئ نبضات قصيرة للغاية – الشريحة الصغيرة من الزجاج يحتوي على الرنانات microring – ومن هناك ، يذهب الضوء إلى نظام النطاق.

ويشير الباحثون إلى أن كل من كاشف مكلفة و يمكن استبدال معدات معالجة الإشارات بحقل مجموعة بوابة قابلة للبرمجة (FPGA) ومحول تمثيلي إلى رقمي. من حيث المبدأ ، هذا صحيح. لكن الكاشف هو السبب نطاق أخذ العينات الرقمية (لا شيء أكثر من عدد قليل من FPGAs ، محول التناظرية إلى الرقمية وعلامة سعر مطلية بالذهب) هو هكذا مكلفة. أنا بصراحة لا أعتقد أن هذا سيكون معقولاً نظام ليد بأسعار في أي وقت قريب.

الشيء الآخر الذي ذكره الباحثون بالمرور هو ذلك لا يمكن تشغيل هذا النظام حاليًا بواسطة الثنائيات الليزرية. في الحقيقة، في نظام البحث ، يستخدمون ليزر قوي بشكل معقول قدها. يعتقد الباحثون أنه يمكن حل هذه المشكلة عن طريق تحسين تصنيع الحلقات الزجاجية. أنا أعرف الشركات التي تم العمل على هذه المشكلة لبعض الوقت ، والتحسينات بطيئة وتأتي على حساب الكثير من الأفكار الفاشلة.

باختصار ، هذا العمل جميل ، لكنه قد يكون طويلًا من قبل يمكنك أن تطرد الكثير من استخدامه.

العلوم ، 2018 ، دوي: 10.1126 / science.aao3924

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: