Главная
страница 1 ... страница 6страница 7страница 8страница 9страница 10

5. ЛАЗЕРНАЯ ДАЛЬНОМЕТРИЯ


    1. Общие принципы лазерной дальнометрии

Лазерную дальнометрию традиционно связывают с применениями лазеров в военной технике. Отчасти это вполне справедливо, так как первые работы в области измерения расстояний при помощи лазеров действительно связаны с военными применениями и датируются 1961 годом. Вместе с тем в настоящее время области применения лазерных дальномеров существенно расширились и включают как военные применения (в т.ч., в наземной военной технике (артиллерии, танковых войсках), в авиации и на флоте), так как и в задачах зондирования окружающей среды.

В общем случае задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазово-импульсный.

Сущность метода импульсного дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылается зондирующий импульс, который одновременно запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу перед оператором на дисплее автоматически высвечивается расстояние до объекта. Минимальная погрешность в измерении расстояния, обеспечиваемая данным методом, составляет около 30 см (1 нс) Специалисты считают, что для решения большинства практических задач этого вполне достаточно, поскольку измеряемые расстояния составляют сотни метров – единицы км.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза сигнала, падающего на объект. Отраженный от объекта сигнал приходит на приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния. Погрешность измерений расстояний, обеспечиваемая фазовыми дальномерами, работающими в полевых условиях, при частоте модуляции лазерного излучения 10 Мгц составляет около 5 см

В военных применениях чаще всего используют импульсные дальномеры из-за простоты их схемы, надежности результатов измерения.



Импульсный лазерный дальномер. Импульсный дальномер может считаться самым простым по схемной реализации лазерным дальномером. Он, по сути, повторяет в другом диапазоне длин волн хорошо известный и давно применяемый в радиолокации принцип обнаружения и последующего слежения за объектом.

В сторону возможного нахождения объекта посылается короткий радиоимпульс. Затем приемник РЛС (радиолокационная станция) включается на прием отраженного от объекта сигнала. По задержке отраженного радиоимпульса относительно зондирующего определяется расстояние до цели. При этом угловые координаты направления посылки радиоимпульса соответствуют угловым координатам обнаруженного объекта. Точность измерения длины определяется длительностью радиоимпульсов. Так в миллиметровом диапазоне длин волн длительность используемых импульсов в настоящее время составляет около 30нс. Это, пожалуй, самые короткие из используемых в радиолокации импульсов.

Замена источника излучения на лазер сопряжена как с достижением новых возможностей в плане измерения дальности до объекта и его локализации в пространстве, так и с появлением ряда ограничений на его использование.

Как уже было сказано выше, импульсный лазерный дальномер, использует в качестве зондирующего короткий импульс электромагнитного излучения, но с длиной волны, лежащей в оптическом диапазоне длин волн. Чаще всего это ближний ИК диапазон.

Возможность использования лазера для локации объекта основана на реализации режима «гигантского» импульса или режима модуляции добротности резонатора. Длительность импульса генерации в этом случае равна нескольким проходам резонатора лазера (резонатор обеспечивает положительную обратную связь). Чем меньше длина резонатора, тем короче генерируемый импульс. Характерные времена импульсов в этом режиме составляют 10-20 нс. Без дополнительных усложнений можно реализовать длительности около 2 нс. Правда, энергия излучения при этом будет ограничена величиной около10 – 20 мДж.

Прием отраженного сигнала должен осуществляется скоростным фотоприемником с полосой регистрации не менее 100 МГц (эквивалентно 10 нс по времени, 3 м по расстоянию). В противном случае точность измерения упадет. В настоящее время этим задачам в большей степени соответствуют лавинные фотодиоды и p-i-n фотодиоды, используемые в скоростных линиях волоконной связи. Чувствительность этих приборов составляет порядка (0,2-0,5) А/Вт. Темновой ток около 1 нА. При наличии усиления они способны детектировать сигналы на уровне меньшем 1 нВт. Возможное использование различных модификаций этих приемников принципиально не меняет ситуацию, так как в их основе лежат те же фотодиоды. Высокоскоростные микроканальные ФЭУ очень дорогие, при этом известные типы работают фактически в видимом диапазоне длин волн (до 0.85 мкм).



Схема импульсного дальномера. Схема импульсного лазерного дальномера включает, в том или ином виде, два независимых канала – канал излучателя и канал приемника. Канал излучателя содержит источник излучения – лазер, и расширитель выходного пучка лазера – телескоп. Необходимость включения в схему дальномера телескопа обусловлена стремлением сократить угловую расходимость выходного излучения лазера. Требуемая расходимость определяется размерами цели (мишени) и расстоянием до нее. Обычно она составляет величину порядка 1 угловой минуты (2.910-4 рад).

При выборе требуемой величины расходимости обычно принимают в расчет следующие соображения. Желательно иметь на максимальном измеряемом расстоянии размер светового пятна равный размерам мишени. В этом случае вся посылаемая энергия будет участвовать в формировании отраженного сигнала. Естественно, при этом предполагается, что мы можем обеспечить заведомо лучшую (на порядок) угловую точность наведения излучения на цель. В противном случае, целесообразно увеличить размер пятна на мишени и смириться с потерей части энергии. Если расходимость большая, часть излучения, тем большая, чем больше расстояние до цели, будет расходоваться впустую. Так как расходимость лазера в многомодовом режиме составляет величину порядка 10-20 угловых минут, то увеличение телескопа выбирают обычно 10. Во столько же раз уменьшается расходимость. На выбор, естественно, могут влиять и другие соображения, например, допустимые габариты и т. п.

Приемный канал должен обеспечить регистрацию отраженного от мишени излучения. В его состав, как уже говорилось, входит объектив и фотоприемник. Каким бы сложным не был объектив, это все-таки линза, которая собирает возвратившееся излучение с апертуры объектива на фотоприемнике. Размер фотоприемной площадки известен – 0,1 мм. Угловой размер мишени тоже. Легко определить максимально допустимое фокусное расстояние приемного объектива, поделив первую величину на вторую. Строго говоря, расходимость отраженного излучения больше углового размера мишени, так как говорить о зеркальном отражении от мишени просто невозможно. Играет роль и влияние атмосферы. Обычно фокусное расстояние объектива не превосходит 100 мм. Так как эта величина завязана на конструктивное исполнение, то на ее выбор могут оказывать влияние и другие соображения.

Увеличение фокусного расстояния сужает приемную диаграмму и повышает отношение сигнал/шум, так как в качестве шума выступает рассеянное атмосферой солнечное излучение с равномерным угловым распределением. Спектральная плотность его известна. Она может служить основой для проведения оценок чувствительности приемной системы. Непосредственное увеличение приемной апертуры объектива не приводит к увеличению отношения сигнал/шум. Принимаемый сигнал растет пропорционально площади входной апертуры, так же возрастает и шум. Естественно, что для увеличения величины принимаемого сигнала, пока он не превышает шумы электронной аппаратуры разумно увеличивать входное отверстие объектива.

Оси приемного канала и канала излучателя должны юстироваться на параллельность с точностью лучшей, чем входная угловая апертура приемника. В этой ситуации отраженное от цели излучение независимо от расстояния до нее всегда будет попадать в приемный канал.

Стоит обратить внимание и на то, что вся оптика дальномера должна просветляться для уменьшения потерь излучения. Что касается приемного канала, то просветление важно и с точки зрения повышения сигнал/шум. Оно может и должно представлять собой узкий спектральный фильтр, выделяющий излучение с длиной волны используемого лазера.



Лазеры для дальномеров. В современных дальномерах стараются использовать малогабаритные лазеры с воздушным охлаждением. Выходные импульсы излучения имеют характерные энергии 10 –20 мДж. Характерная частота повторения импульсов - 1 импульс в несколько секунд, но иногда используют режим работы с большей частотой (в этом случае используют короткие серии импульсов).

Эффективность работы дальномера зависит от ряда параметров. Поэтому при выборе конструктивных решений помимо прочих соображений следует учитывать необходимость обеспечения:



  • большой энергии в импульсе;

  • максимально-возможного фокусного расстояния приемного объектива и его апертуры;

  • максимально-возможного увеличения телескопа;

  • минимального уровня темнового тока фотоприемника.


5.2. Дальномеры, применяемые в задачах дистанционного зондирования
Наряду с военными применениями, в последние годы широкое применение получили лазерные дальномеры, используемые для решения задач экологического мониторинга окружающей среды. Они применяются в составе оптических измерительных систем дистанционного зондирования, известных под общим названием лидары. В настоящее время существует два основных типа лидаров, основанных на применении лазерных дальномеров – альтиметры и батиметры.

Альтиметры - это устройства для определения высоты, которые позволяют осуществлять с высоким разрешением измерения топографии поверхностей Земли, Луны и других планет. Альтиметры устанавливаются на борту самолетов, вертолетов и космических летательных аппаратов. При альтиметрических измерениях лазер выполняет роль источника излучения очень высокой яркости и может давать импульсы с пиковой мощностью, превышающей уровень несколько мегаватт, и длительностью всего несколько наносекунд. Усреднение по нескольким выстрелам обычно не требуется, поскольку отраженные лазерные импульсы характеризуются большим отношением сигнал/шум. При использовании твердотельных лазеров с модуляцией добротности и наносекундных электронных счетчиков времени можно достичь метрового и даже субметрового вертикального разрешения с высоты полета в несколько километров и даже с орбитальных высот в несколько сотен километров.

Другой тип лидаров на базе лазерного дальномера – батиметры – применяются для измерений рельефа морского дна, а также обнаружения и измерения формы поверхности подводных объектов (подводных лодок, мин, самоходных торпед и т.д.). Возможности применения таких устройств ограничены оптическими свойствами воды (степенью прозрачности для лазерного излучения) конкретного водоема. Характерные глубины, на которых проводятся измерения при помощи батиметров, обычно составляют несколько десятков метров.

Современные альтиметры и батиметры обычно реализуются на базе Nd:YAG лазеров с модулированной добротностью и ламповой или диодной накачкой. При этом в первом случае (в альтиметрах), как правило, используются гранатовые лазеры, генерирующие излучение на основной длине волны (1064 нм), а в батиметрах – лазеры с удвоением частоты излучения (длина волны 532 нм). В последнем случае это связано с тем, что вода имеет минимальные потери энергии света в сине-зеленой части спектра. По этой причине в батиметрах целесообразно использовать лазеры с длиной волны излучения вблизи 0.5 мкм.

Характерные параметры излучения лазеров, используемых в альтиметрах и батиметрах, следующие:



  • энергия излучения в импульсе – 5-50 мДж,

  • длительность импульса - 1-10 нс,

  • частота повторения - 20-50 Гц

Излучение лазеров в альтиметрах и батиметрах обычно коллимируют для обеспечения расходимости на уровне 0.1 мрад. Для регистрации отраженного сигнала на длине волны 1.06 мкм используют кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД) с полосой 50-100 МГц, достаточной для регистрации импульсов наносекундной длительности. Обычно лавинный фотодиод в альтиметрах работает в комбинации с малошумящим предусилителем на полевых GaAs-транзисторах, что обеспечивает чувствительность измерений на уровне около 3х10-10 Вт. Это почти на порядок величины больше, чем уровень фотонного шума на длине волны 1 мкм, рассчитанный для интервала времени, равного обратной ширине полосы. Квантовый выход ЛФД с предусилителем составляет около 40%.

При работе на длине волны 0.53 мкм обычно применяют ФЭУ, работающие в режиме ограничения фотонным шумом. Квантовый выход таких ФЭУ составляет около 25%.


5.3. Трехмерное лазерное сканирование

Трехмерное лазерное сканирование является новым быстро развивающимся методом лазерных измерений, используемых для решения различных производственных и инженерных задач (проектирование, реконструкция, строительство и т.д.).

В основе метода лазерного сканирования лежит определение координат отдельных регистрируемых точек на поверхности измеряемого объекта по трем измерениям (X, Y и Z), которое выполняются с помощью высокоточного скоростного (десятки тысяч измерений в секунду) лазерного дальномера. Принцип сканирования заключается в том, что после измерения координат отдельной фиксированной точки на поверхности объекта лазерный пучок разворачивается на некоторый заданный угол для того, чтобы перейти на следующий узел мнимой координатной сетки, где вновь производится определение координат. Так продолжается до тех пор, пока не будет просканирована вся поверхность изучаемого объекта.

Следует отметить, что повышение плотности узлов в координатной сетке повышает общее количество отснятых точек, а, следовательно, увеличивает детальность съемки. Координаты отдельных точек, полученные в результате сканирования объекта, объединяются в группы, называемые облаками точек. Количество точек в облаке варьируется от нескольких сотен до сотен тысяч (а порой и миллионов). Измеряя расстояние и зная угол отклонения лазерного луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях, можно получить трехмерные координаты каждой отдельной точки в системе координат сканера, а затем с помощью дополнительных операций и специализированного программного обеспечения привязать полученное облако точек к любой другой системе координат.

Первые приборы, работающие по такому принципу, появились в конце 1980-х - начале 1990-х годов. Одним из мировых лидеров по производству коммерческих лазерных сканеров сегодня является американская компания Leica Geosystems. А началось все с того, что в 1992 году специалисты другой американской компании - Cyra Technologies (которая позднее стала одним из подразделений Leica Geosystems) - столкнулись с проблемой создания чертежей сложных производственных объектов. При работе с доступными в то время геодезическими системами съемки местности на создание каждого чертежа затрачивалось огромное количество времени и сил. В итоге это привело к тому, что компания решила разработать свою собственную измерительную систему, которая бы отвечала повышенным требованиям к точности и скорости измерений. Так родилась идея создания трехмерного лазерного сканера.

Работа большинства лазерных сканеров основана на использовании импульсных лазерных дальномеров. Сканирование лазерным пучком осуществляется шаговыми электромоторами с закрепленными на них зеркалами. Одно из зеркал отклоняет луч лазера в горизонтальном направлении, а другое - в вертикальной плоскости (см. рис. 5.1).




Рис. 5.1. 2-координатное сканирование лазерным пучком
Однако, в последнее время используется и другая система сканирования. В этой системе луч лазера в горизонтальном направлении отклоняется не зеркалом, а с помощью ступенчатого (шагового) вращения сканера вокруг собственной оси. Это позволяет осуществлять съемку всего окружающего сканер пространства. Так, например, в лазерном сканере Leica HDS3000 поле зрения составляет 360˚ по горизонтали и 270˚ по вертикали.

Многие современные лазерные сканеры обладают встроенной цифровой фотокамерой, которая служит для фотосъемки окружающего сканер пространства, в результате чего пользователь сможет увидеть на экране панорамную фотографию. В дальнейшем это дает возможность выбрать из общей фотографии только то, что требуется для достижения результата измерений, избежав сканирования ненужных фрагментов, и, как следствие, потерь рабочего времени.



Процесс измерений и обработка их результатов. Технология съемки объектов с применением лазерного сканера в значительной мере зависит от геометрии и типа снимаемого объекта. В ряде случаев для достижения требуемого результата приходится многократно переставлять сканер с места на место, выполняя съемку отдельных деталей и фрагментов объекта. Причиной этого является наличие так называемых "мертвых зон", возникающих из-за многих обстоятельств, например, наличия вблизи снимаемого здания растущих деревьев, близко расположенных автомобилей, других зданий и иных паразитных объектов. В таких случаях приходится значительно увеличивать количество точек съемки.

Естественно, что после завершения процесса съемки возникает необходимость приведения отснятого материала в некую единую систему координат, которая, как правило, задается заказчиком выполняемых работ. С этой целью во время съемки на объекте или рядом с ним устанавливаются специальные марки, с помощью которых производится объединение облаков точек, полученных с мест различных стоянок сканера, при помощи специального программного обеспечения.

Выше отчасти уже был затронут вопрос об обработке данных лазерного сканирования, когда речь шла о регистрации отдельных облаков точек в единую систему координат. Однако технология обработки не ограничивается одной лишь регистрацией. После окончания сканирования получается огромный массив точек, детально описывающий объект съемки. По сути дела, мы получаем его точечную трехмерную модель, отражающую все детали объекта.

Следующий этап работы – это извлечение из полученного набора данных той информации, ведет к получению конечного результата измерений. Этим результатом может быть, например, получение изображение сечения объекта в заданной плоскости или составление его трехмерной модели. Кроме того, можно измерить расстояния между такими точками исследуемого объекта, куда невозможно или даже опасно посылать человека с рулеткой.

По результатам сканирования не составляет большого труда выполнить и чертеж объекта. Это может быть сделано как при помощи специализированной программы, так и стандартного программного обеспечения, например, программы AutoCAD. Наконец, возможно также и создание компьютерной анимации, которая будет включать в себя «облет» полученных облаков точек (т.е. движение вокруг трехмерной модели объекта) и т.д. Все эти действия пользователь производит на экране с компьютера с точечной моделью объекта, которую можно легко поворачивать и перемещать в пространстве.

Следует отметить, что в процессе съемочных работ могут получаться гигантские (состоящие из десятков миллионов точек) массивы данных, которые требуют использования огромных (до нескольких гигабайт) объемов памяти на жестких дисках персональных компьютеров. По этой причине при лазерном сканировании предъявляются очень высокие требования к быстродействию и емкости компьютерных накопителей информации.



Примеры практического использования трехмерного лазерного сканирования. При выборе любого инструмента для работы очень важно четко понимать сферы его возможного применения на практике. Так, зная технические возможности измерительной системы, можно в значительной мере повысить эффективность ее применения. Сказанное в равной степени относится и к трехмерному лазерному сканированию.

Итак, что мы знаем о самом приборе – лазерном сканере? Это измерительный прибор, который в состоянии фиксировать координаты точек на поверхности снимаемого объекта. Фиксация данных происходит очень быстро – со скоростью несколько тысяч точек в секунду. В результате этого за относительно небольшой промежуток времени возможен сбор очень большого объема данных. Результатом работы трехмерной лазерной сканирующей системы являются облака точек, с заданной степенью детализации описывающие исследуемый объект.

Где же можно использовать такой прибор? Одной из сфер применения, где наиболее полно используются возможности лазерного сканера, является архитектура и реставрация исторических объектов. Лазерное сканирование дает возможность провести съемку памятника, фасада исторического здания или археологического объекта в считанные часы.

В качестве другого примера применения лазерных сканеров можно привести съемку объектов нефтегазовой промышленности и энергетического комплекса. Подчас объекты такого рода представляют собой немыслимое переплетение трубопроводов, насосов, вентилей, различных конструкций в виде уголков, балок и многого другого. Такие объекты зачастую эксплуатируются в течение длительного времени, прежде неоднократно подвергались модернизации, которая не всегда отражалась в соответствующих чертежах и планах, а порой бывает и так, что чертежи некоторых узлов безвозвратно утеряны.

Кроме того, на практике нередко возникают ситуации, когда оборудование должно быть модернизировано, но есть сомнения, впишется ли новая техника на место старой, не произойдет ли после этой замены каких-либо накладок? Во всех подобных случаях на помощь может придти трехмерное лазерное сканирование, которое позволяет ответить на все эти вопросы и оперативно отразить текущее состояние оборудования на экране компьютера.

При таком подходе появляется возможность не только сохранить информацию о снимаемом объекте, но и использовать ее для реконструкции предприятия (см. рис. 5.2). Например, имея информацию в виде облаков точек, мы можем импортировать в программу обработки модель нового оборудования и увидеть, что же получится в дальнейшем. Программа покажет нам все места возможных нестыковок и коллизий. По сути дела, еще на этапе проекта модернизации предприятия можно будет сделать вывод о том, насколько успешно она завершится. Очевидно, что все это дает колоссальную экономию средств.


а) б)


Рис. 5.2. Компьютерное виртуальное изображение фрагмента отсканированного производственного объекта (а) и его реконструкция (б)


Еще одной областью применения 3-мерного лазерного сканирования является съемка угольных карьеров и открытых горных выработок. На предприятиях такого рода крайне актуальна задача оперативного подсчета объема извлекаемого грунта. Эта задача также может быть успешно решена при использовании метода 3-мерного лазерного сканирования. За счет того, что сканер выдает большой объем информации за короткое время, можно не только сократить время проведения полевых работ, но и повысить детальность съемки, что положительным образом скажется и на точности определения объема извлекаемого грунта.

Следует также отметить, что в последнее время появился значительный интерес к использованию метода лазерного сканирования для сохранения объектов культурного и исторического наследия (путем архивирования информации о них). В частности, в настоящее время во многих странах мира ведутся работы по созданию 3-мерных виртуальных копий наиболее ценных произведений искусства, архитектурных памятников и археологических объектов. Такая информация позволяет восстановить памятники в случае их повреждения или утраты (например, в результате в результате актов вандализма, природных катаклизмов и т.д.). В качестве примера на рис. 5.3 приведена фотография и компьютерное изображение виртуальной копии средневековой мраморной статуи, полученное при помощи данного метода.



а) б)
Рис. 5.3. Мраморная статуя (а) и ее виртуальная копия (б), полученная при помощи метода 3-мерного лазерного сканирования


В заключение данного параграфа остается назвать ряд технических параметров, характеризующих описанный выше метод измерений. В современных лазерных сканерах обычно используются импульсные YAG:Nd лазеры (типичные выходные параметры: длина волны излучения – 0,53 мкм, длительность импульса 0,25 нс, средняя мощность – около 1 мВт). Обеспечиваемая лазерными сканерами точность измерений зависит от размеров объекта и может составлять от 50 мкм (при съемке объектов размером около 50х50 см2 с расстояния до 1 м) до 1 мм (при съемке объектов размером до 50х50 м2 с расстояния до 100 м).

<< предыдущая страница   следующая страница >>
Смотрите также:
Информационные лазерные технологии
1480.14kb.
10 стр.
Информационные системы и технологии
3769.69kb.
17 стр.
Программа «информатика и икт (информационные и коммуникационные технологии)»
301.66kb.
1 стр.
Направление подготовки: 230400. 68 Информационные системы и технологии
27.67kb.
1 стр.
Учебно-методический комплекс по дисциплине информационные технологии в лингвистических исследованиях Пенза 2007 Программа курса «Информационные технологии в лингвистических исследованиях»
242.75kb.
1 стр.
Программа по информатике. Системно-информационная концепция. Спб.: Питер, 2003. Программа курса «Информационные и коммуникационные технологии»
146.62kb.
1 стр.
1 Нормативные документы для разработки ооп бакалавриата по направлению подготовки 230400 информационные системы и технологии
765.86kb.
3 стр.
И. В. Жилавская (Томск, Россия) Информационные технологии: к истокам некоторых заблуждений Сборник
89.56kb.
1 стр.
«Информационные технологии в образовании» Центр новых педагогических технологий Московский областной общественный фонд новых технологий в образовании
8197.28kb.
45 стр.
Опыт повышения результативности обучения студентов курсу ”Введение в компьютерные информационные технологии”
88.42kb.
1 стр.
Информационные технологии в образовании
2761.59kb.
16 стр.
Кафедра "Информационные технологии и профессиональный иностранный язык" Кафедра «Информационные технологии и профессиональный иностранный язык»
74.13kb.
1 стр.