Системата Lidar изобразява куршум в полет

Лабораторията за контрол на GE Energy в Нискаюна беше дом на някаква лазерна предавка. Те запазиха табелата (вероятно за да изплашат посетителите).Лабораторията за управление на GE Energy в Нискаюна беше дом на някои лазерна предавка. Те запазиха табелата (вероятно за да изплашат посетителите).

Lidar изображения са около почти толкова дълго, колкото на технология, на която се основава, лазерът. Но за разлика от по-известните си братовчед, радар, той се използва най-вече за изследователски цели. Причината учените знаят толкова много за плътността на аерозолите в горната част атмосферата се дължи до голяма степен на практиката да се стреля мощно лазери в атмосферата и изследване на връщащия сигнал. Че обобщава ключовата разлика между lidar и радара: lidar оперира с по-къса дължина на вълната, така че по принцип може да открие и (понякога) изобразявайте по-малки предмети, като аерозолни частици.

Сега на тази разлика беше показана грандиозна демонстрация, с изследователи, изобразяващи профила на куршум на въздушна пушка полет с разделителна способност около един микрометър (въздушна пушка куршумът е дълъг около 5 мм). Докато въздушните пушки са доста ниски скоростта на муцуната, изследователите можеха да си представят куршума огнестрелно оръжие с много голяма скорост на муцуната и все още имаше а разделителна способност около 10 микрометра.

Два лазера, които не са съвсем близнаци

Старомодните лидарни системи (и дори по-новите лидарни) работят изпитаният принцип на времето на полета. По принцип изпращате изкарайте пулс светлина и запишете времето, необходимо за получаване на ехо. Това е доста проста система, при условие че не искате много добра точност на разстоянието.

За да го кажа в перспектива, мой приятел изгради система lidar за аерозолни измервания. Неговите лазерни излъчвания бяха около пет наносекунди (наносекундата е милиардна част от секундата) в продължителност, която му дава в най-добрия случай разделителна способност от около един метър. Като се има предвид, че той изучава аерозоли в горната част атмосфера, разделителна способност от един метър беше просто добре.

Също така не е толкова трудно да се правят светлинни импулси, които са значително по-къса. Някога работех с лазер, който имаше 35 продължителност на фемтосекундния импулс (фемтосекундата е милион милиарда от секунда, 10-15s), което би, ако го използвах lidar, като ми даде разделителна способност от около пет микрометра. Само дето нямаше да има. Проблемът е, че електронната светлина детекторите не са достатъчно бързи. От страна на детектора, импулсът 35f се записва като 0.5ns импулс, някои 15 000 пъти по-дълъг. Ако импулсът отскача от обект като куршум, виждам отражение, но промяната във формата на пулс, която задържа информация за формата на куршума, се измива от бавното електроника.

Създадохме добри оптични системи, които могат да измерват промените в разстояние в диапазона на пикометъра (10-12 м), използвайки интерферометри – ако вземете гравитационни детектори за вълни като свои стандартно, можем да направим 10 милиона пъти по-добре от пикометър. Най- разлика между тези системи и лидарна система по време на полет е, че интерферометрите сравняват светлината, която се отразява от обект на светлина, който изминава фиксирано разстояние. Ние измерваме разлика в двете разстояния от интерференцията между двете светлинни лъчи

Единственият потенциален затваряне е, че ако обектът измести своята разстояние с точно една дължина на вълната, сигналът от намесата изглежда точно така. На къси разстояния, като в микроскоп, това може да се справи. Но за дълги разстояния и големи обекти, проблемът с определянето на промените на разстоянието, които са по-големи от дължината на вълната на светлината стават наистина трудни.

Изглежда решението е да се съчетаят времето на полет и интерферометрията.

Лазерите, които произвеждат много къси светлинни импулси, са много специални. По отношение на времето, те произвеждат много редовна серия от къси, остри светлинни импулси. Но ако погледнете светлината, която лазерът излъчва, не е един цвят. Всъщност, ако бяхте готови жертва око, като погледне изхода на такъв лазер, вашето око би го (накратко, преди да ослепее) да го възприема като бялото светлина от настолна лампа.

Появите биха били заблуждаващи. Докато лазерът излъчва много, много цветове, той не произвежда гладък спектър. Вместо това всеки цвят е рязко определен чист цвят и всеки е отделен от своя съсед по фиксирана честота. Това е това свойство – светлинен импулс което е съставено от огромен брой ясно и точно разделени цветове – което осигурява ключ за точното диапазон.

Светлини, камера, действие

За да се извършат действително измервания с тази точност, се изисква a изцяло нова лазерна система. И изследователите всъщност използват две копия на същата лазерна система. Тук няма да навлизам в подробности, освен да се каже, че техниката, която използват, генерира импулси, които са и двете много къси и имат много висока честота на повторение на пулса – около 100GHz, въпреки че двата лазера имат леко различно повторение честоти. Те също имат малко по-различно разстояние между тях цветовете.

Процедурата на измерване е малко сложна, но ето едно контур от него. Имаме два лазера, които ще нарека гама лазер и референтен лазер. Ако тези два светлинни лъча са светещи заедно на фотодетектора, резултатът зависи от това дали импулсите се припокриват във времето. Когато импулсите от двата лазера не го правят припокриване, фотодиодът извежда две микровълнови честоти сигнали – един, съответстващ на разликата между цветовете в диапазона лазер, а другият от пролуката в референтния лазер. Когато импулсите от двата лазера се припокриват, две допълнителни радио появяват се честоти: тези две нови честоти съответстват на разделяне между цветовете от двата различни лазера.

Лазерите имат малко по-различни честоти на повторение на импулси, така че с течение на времето изходът на фотодиода се колебае от генериране на два сигнала за производство на четири и обратно. Фазата от това колебание ни говори за припокриването между двете импулси.

И точно това използват изследователите, за да определят разстояние до обект. Далечният лазер се отразява на разстояние обект, а връщащият сигнал се смесва с референтния лазер. В зависимост от припокриването между двата импулса, разстоянието до ан обект може да се определи с точност между 250 nm и 12nm (в зависимост от това колко дълго средните са изследователите). Всъщност това зависи от фазата на това колебание на припокриване в сравнение с a референтен сигнал, който се генерира от светлина, която никога не напуска система.

Колко бързо можете да актуализирате позицията на обекта? Това зависи на скоростта на колебанията на припокриването, която е около 100MHz, което означава актуализация на всеки 10ns. Усредняването увеличава точността като същевременно се жертва скоростта на изображението. С най-висока точност позицията се актуализира на всеки 13 микросекунди.

Системата lidar съчетава най-доброто от лидар с време на полет с най-доброто от интерферометрични сензори. За съжаление, също съчетава недостатъците им. В текущата настройка импулсите от лазерът за разстояние е разделен с около 1,5 мм. Ако разстоянието до обект е кратно на това, тогава сигналът изглежда точно на един и същ. Има начини да се поправи това, но тези подобрения ще има да изчакаме бъдеща итерация.

За това ще ви трябва повече от златна карта

Тази техника изисква малко впечатляващо оборудване. Лазерите самите са доста светски и се основават на компоненти широко използва се в оптичните комуникационни системи. Много късите импулси се генерират от насочваща светлина в малък пръстен, наречен микрорин резонатор, в стъклен чип. Въпреки че тези конкретни микроринги резонаторите не се предлагат в търговската мрежа, те се правят с използване стандартни техники за производство – една вафла от тях е скъпа, но има много пръстени.

Това е светлинният детектор – и начинът, по който изследователите откриват и обработвайте радиочестотите от светлинния детектор – това ми отнема дъх далеч. За да използвате това за един от най-често срещаните лидари приложения, бихме говорили за удвояване на цената на вашите мечтае автономно превозно средство.

Изследователите очертават впечатлението на един художник колко полезен може да изглежда системата. В тяхната картина цялата система се захранва от няколко диодни лазера – малко по-скъпи версии на лазери, използвани в CD плейърите. Те са свързани директно към устройства, които създават много късите импулси – малкото стъкло който съдържа микроринг резонатори – и оттам светлината отива към системата за класиране.

Изследователите предполагат, че всички скъпи детектор и оборудване за обработка на сигнали може да бъде заменено с поле програмируем масив на портата (FPGA) и аналогово-цифров преобразувател. По принцип това е правилно. Но детекторът е причината техния дигитален обхват на дискретизация (нищо повече от няколко FPGA, аналогово-цифров преобразувател и позлатен етикет) е така скъпо. Честно казано не мисля, че това ще бъде разумно цена lidar система скоро.

Другият бит, който изследователите споменават в миналото, е това понастоящем тази система не може да се захранва от лазерни диоди. Всъщност, в изследователската система използват разумно мощен лазер карам го. Изследователите смятат, че този въпрос може да бъде решен от подобряване на изработката на стъклените пръстени. Знам, че компании работим над този проблем от известно време и подобрения са бавни и идват с цената на много провалени идеи.

Накратко, тази работа е красива, но може да е известно време можете да бъдете изгонени от партидата, като го използвате.

Наука, 2018, DOI: 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: :???: :?: :!: