Ống nhòm đo khoảng cách là gì?

Ống nhòm đo khoảng cách laser (ống nhòm hồng ngoại) là thiết bị chứa tia laser sử dụng để đo khoảng cách đến vật thể. Thông thường, ống nhòm hoạt động theo phương pháp đo thời gian phản hồi hoặc với phương pháp dịch pha. Cả hai phương pháp sẽ được giải thích dưới đây. Đối với các phương pháp đo khoảng cách khác với laser, xem bài viết về đo khoảng cách bằng laser.

Xem thêm: Cảm biến độ ẩm và Cảm biến từ tính

Cách Ống nhòm đo khoảng cách hoạt động

Các thiết bị khác nhau đã được phát triển. Một số có thể đo khoảng cách đối tượng cách nhiều km, trong khi những số khác được thiết kế cho khoảng cách nhỏ hơn nhiều, ví dụ như trong một tòa nhà. Thông thường, khoảng cách đối tượng thu được xuất hiện trên màn hình kỹ thuật số.

So với các thiết bị siêu âm hoặc sóng vô tuyến và vi sóng (radar), ưu điểm chính của kỹ thuật đo khoảng cách bằng laser là ánh sáng laser có bước sóng nhỏ hơn nhiều, cho phép người ta phát ra chùm tia thăm dò tập trung hơn nhiều và do đó đạt được không gian ngang cao hơn giải quyết.

Một rangefinder thường chứa một thiết bị xem hay ống kính (màn hình) để xác định chính xác mục tiêu.

Máy đo khoảng cách laser thường chứa các màn hình hiển thị, cho phép người dùng điều hướng chính xác chùm tia laser vào đối tượng quan tâm chỉ bằng cách định hướng thiết bị sao cho đối tượng quan tâm xuất hiện ở trung tâm của hình ảnh được xem, được đánh dấu bằng đấu cộng. (Khoảng cách đo có thể được hiển thị trong màn hình.)

Trong các trường hợp khác, có thể nhìn thấy chùm tia laser nhìn thấy (từ laser đo hoặc có thể từ một con trỏ laser tích hợp riêng) trên một vật thể không quá xa để kiểm tra vị trí mục tiêu.

Ngoài laser, bộ tách sóng quang và các bộ phận quang học, ống nhồm đo khoảng cách laser có chứa các thiết bị điện tử, thường bao gồm bộ vi xử lý, để điều khiển laser, tính toán và hiển thị khoảng cách đo, theo dõi và sạc pin, v.v.

Tính thời gian phản hồi

Nguyên tắc đo đơn giản nhất là gửi một xung laser ngắn từ thiết bị đến đối tượng quan tâm và theo dõi thời gian cho đến khi ánh sáng phản xạ hoặc tán xạ có thể được phát hiện bằng bộ tách sóng quang đủ nhanh. Khoảng cách sau đó có thể được tính đơn giản bằng một nửa thời gian trở lại đo được chia cho vận tốc ánh sáng.

Sự kết hợp giữa độ nhạy cao và độ phân giải thời gian cao của bộ tách sóng quang là không dễ dàng đạt được.

Rõ ràng, độ phân giải không gian có thể đạt được bị giới hạn bởi thời lượng xung và / hoặc tốc độ của bộ tách sóng quang. Người ta thường sử dụng các xung từ laser Q-switching , có thời lượng vài nano giây hoặc đôi khi dưới 1 ns, như có thể thu được từ các laser đặc biệt nhỏ gọn, ví dụ như laser vi mạch Q-switching thụ động nguyên khối .

Một photodiode nhanh có thể cung cấp độ phân giải thời gian theo cùng một trật tự, mặc dù điều đó không dễ đạt được đối với các công suất quang nhận được rất thấp, do đó cho các khoảng cách quan sát lớn, đặc biệt là khi ánh sáng từ tán xạ khuếch tán phải được sử dụng.

Lưu ý rằng năng lượng xung quang nhận được tỷ lệ với bình phương nghịch đảo của khoảng cách quan sát miễn là độ phân kỳ chùm của chùm tia đi là không đáng kể; mặt khác, nó phân rã thậm chí nhanh hơn cho khoảng cách tăng.

Trong khoảng cách xa, sự phân kỳ chùm tia có thể dẫn đến kích thước điểm tăng đáng kể trên vật thể và biến dạng khí quyển có thể thêm vào thách thức đó.

Riêng đối với các vật thể nhỏ, việc tăng kích thước điểm trên vật thể có thể làm giảm cường độ tín hiệu thu được và có thể có nhiễu do ánh sáng tán xạ trên các vật thể lân cận.

Các biện pháp khác nhau có thể được thực hiện để cải thiện cường độ tín hiệu thu được và tỷ lệ nhiễu tín hiệu, để có thể thực hiện các phép đo trên khoảng cách lớn:

Một số biện pháp có thể được thực hiện để tối ưu hóa phạm vi khoảng cách của máy đo khoảng cách.

Rõ ràng, một năng lượng xung cao của laser có thể giúp đỡ. Tuy nhiên, những hạn chế có thể phát sinh không chỉ từ việc sử dụng công nghệ laser, mà còn từ khía cạnh an toàn của mắt – đặc biệt đối với laser gần hồng ngoại.

Sự phân kỳ chùm tia có thể được giảm bằng cách sử dụng kính viễn vọng để tăng bán kính chùm tia ở khẩu độ đầu ra . Kính thiên văn tương tự có thể được sử dụng để thu thập thêm ánh sáng từ vật thể. Tuy nhiên, phương pháp này có thể bị giới hạn bởi độ nhỏ gọn cần thiết và trọng lượng thấp của thiết bị hoặc bởi chi phí của kính viễn vọng khẩu độ lớn.

Với một số gương được căn chỉnh chính xác hoặc một loại bộ thu hồi , người ta có thể dễ dàng thu được các tín hiệu mạnh hơn nhiều. Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi, ví dụ, với các bộ thu hồi được đặt trên tàu thăm dò mặt trang Appollo. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng yêu cầu hoạt động với các đối tượng tán xạ khuếch tán.

Người ta có thể sử dụng một bộ tách sóng quang đặc biệt nhạy cảm , ví dụ như một photodiode.
Bộ lọc thông dải quang giúp loại bỏ rất hiệu quả các ảnh hưởng nhiễu ở các tần số quang khác.

Hơn nữa, xử lý tín hiệu điện tử có thể giúp đáng kể. Người ta có thể nhận dữ liệu từ nhiều xung laser và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm bằng các kỹ thuật lấy trung bình.

Để cập nhật đo nhanh hoặc cho mục đích lấy trung bình, người ta có thể sử dụng chuỗi xung thông thường với tốc độ lặp lại nhất định.

Đối với tỷ lệ lặp lại cao, điều này tạo ra một sự mơ hồ phạm vi; thiết bị phải xác định xung gửi đi mà xung nhận được thuộc về. Tốc độ lặp lại thay đổi hoặc cụm xung có thể được sử dụng để giải quyết điều đó.

Máy đo khoảng cách laser cũng có thể phải đối phó với các thách thức bổ sung, chẳng hạn như tín hiệu giả từ các vật thể nhỏ bay trong không khí (ví dụ như lá cây) hoặc các nỗ lực gây nhiễu hoặc chói mắt (trong các ứng dụng quân sự).

Phương pháp dịch chuyển nhiều tần số

Thay vì sử dụng các xung laser, người ta có thể phát ra ánh sáng với điều chế cường độ hình sin tần số cao. Điều này có thể thu được từ laser sóng liên tục, chùm đầu ra được gửi qua bộ điều biến cường độ , tạo ra điều chế cường độ hình sin mạnh ở tần số cao.

Ngoài ra, người ta có thể điều chỉnh trực tiếp laser, ví dụ thông qua dòng điện của diode laser. Bộ tách sóng quang sau đó cũng sẽ nhận được tín hiệu với điều chế đó và sự dịch pha tương đối giữa hai tín hiệu điều chế phụ thuộc vào khoảng cách của vật thể.

Đối với tần số điều chế cố định f , có một sự không rõ ràng của phép đo: nếu khoảng cách đối tượng bị thay đổi bởi nhiều số nguyên c  / (2  f ) , pha của tín hiệu máy dò thay đổi bởi nhiều số nguyên 2 π , nghĩa là, hiệu quả không phải ở tất cả.

Sự mơ hồ này có thể được loại bỏ bằng cách thực hiện các phép đo với nhiều tần số khác nhau và kết hợp các kết quả, thường là với phần mềm phù hợp chạy trên bộ vi xử lý. Nguyên tắc đó hoạt động tốt đặc biệt nếu các yêu cầu về khoảng cách đối tượng tối đa và độ phân giải không gian không quá nghiêm ngặt.

Những thách thức trong việc phát hiện tín hiệu yếu đối với khoảng cách vật thể lớn về nguyên tắc tương tự như đối với các phép đo thời gian bay trực tiếp, nhưng người ta có thể sử dụng bộ khuếch đại khóa để phát hiện các điều chế với sự triệt tiêu mạnh các ảnh hưởng nhiễu ngẫu nhiên.

Nhìn chung, việc phát hiện trở nên dễ dàng nhận ra hơn so với phương pháp bay trực tiếp. Do đó, hầu hết các máy đo khoảng cách cầm tay bằng laser cho khoảng cách đối tượng vừa phải đều hoạt động dựa trên phương pháp dịch pha.

Tính năng bổ sung

Một số máy đo khoảng cách laser có các tính năng bổ sung có thể phù hợp với một số ứng dụng nhất định:

Các thiết bị xem nâng cao, có thể với độ phóng đại thay đổi , giúp dễ dàng xác định và nhắm mục tiêu chính xác các đối tượng nhất định.
Ngoài khoảng cách, một số máy đo khoảng cách laser có thể đo vận tốc tương đối giữa vật thể và người quan sát bằng cách phát hiện sự dịch chuyển của tần số quang gây ra bởi hiệu ứng Doppler. Điều đó thường yêu cầu sử dụng nguồn laser tần số đơn và phương tiện bổ sung để phát hiện tín hiệu quang và xử lý tín hiệu quang.

Một số ống nhòm hồng ngoại cung cấp tính toán các khu vực hoặc khối lượng từ nhiều khoảng cách đo.
Có thể lưu trữ nhiều kết quả đo và / hoặc truyền chúng sang các thiết bị khác, ví dụ thông qua kết nối không dây với máy tính xách tay hoặc máy tính bảng.

Các khía cạnh an toàn của Laser

Phát hiện phạm vi với laser có thể gây ra các vấn đề an toàn nghiêm trọng về laser , đặc biệt là khi các xung cực mạnh từ laser Q-switching được sử dụng; thường được yêu cầu cho khoảng cách phát hiện lớn để không chỉ thu được lượng ánh sáng bị trả lại mà còn để tránh ảnh hưởng chi phối của ánh sáng xung quanh. Tuy nhiên, sau đó, các biện pháp bổ sung bất tiện có thể phải được thực hiện để đảm bảo an toàn, đặc biệt đối với mắt người.

Thông thường, người ta cố gắng thiết kế các thiết bị để vận hành loại an toàn laser loại I, do đó không cần phải có các biện pháp an toàn laser đặc biệt. Tuy nhiên, điều đó có thể hạn chế nghiêm trọng năng lượng quang học có thể được gửi đến mục tiêu và do đó khả năng phát hiện.

Sự đánh đổi như vậy có thể được giảm thiểu bằng cách áp dụng các tia laser an toàn cho mắt , ví dụ như trong vùng quang phổ 1,5 μm, nơi có thể sử dụng nhiều năng lượng quang học hơn nhiều so với trong vùng 1 μm. Tuy nhiên, cả sự lựa chọn của laser và bộ tách sóng quang (và hiệu suất của chúng) sau đó bị hạn chế đáng kể và chi phí hệ thống có thể cao hơn đáng kể.
Các vấn đề khác nhau

Như đã đề cập ở trên, sự phân kỳ chùm tia có thể là một vấn đề nghiêm trọng đối với khoảng cách vật thể lớn. Sau đó, một kính thiên văn quang học lớn và laser với chất lượng chùm tia cao là mong muốn.

Về cơ bản là tất cả các kỹ thuật đo lường khác sử dụng laser, các phép đo khoảng cách laser có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu laser – mặc dù nhiễu phát hiện thường là vấn đề chính. Các vấn đề khác liên quan đến tiếng ồn có thể phát sinh từ ánh sáng đi lạc và hiệu ứng lốm đốm laser .

Các mục tiêu có thể có các thuộc tính phản xạ và tán xạ rất khác nhau. Các vấn đề có thể phát sinh đối với phản xạ rất thấp hoặc đối với phản xạ gương . Trong trường hợp sau, rất nhiều ánh sáng tới có thể bị phản xạ theo các hướng không hữu ích cho việc phát hiện.

Các ứng dụng của ống nhòm hồng ngoại

Ống nhòm hồng ngoại có một số ứng dụng khá khác nhau:

Có những thiết bị quân sự thường cho phép người ta đo trên khoảng cách vài km hoặc thậm chí hàng chục km, ví dụ cho mục đích trinh sát. Họ có thể sử dụng các xung laser khá mãnh liệt với năng lượng đa millomanle, điều này khá nguy hiểm cho mắt người (→  an toàn với tia laser ) ngay cả khi sử dụng bước sóng An toàn mắt của nhà vệ sinh.

Các thiết bị tương tự, thường là khoảng cách theo dõi, được sử dụng, ví dụ cho các phép đo trắc địa và trên các công trường xây dựng lớn.

Có những thiết bị được sử dụng trong lâm nghiệp, ví dụ như để kiểm kê rừng. Chúng có thể chứa các bộ lọc quang học đặc biệt để triệt tiêu tác động bất lợi của lá lên các phép đo.

Các loại ống nhòm hồng ngoại khác nhau được sử dụng cho các quy trình sản xuất công nghiệp khác nhau và cho kỹ thuật dân dụng.
Có ống nhòm hồng ngoại giá rẻ để sử dụng trong nhà, chỉ phù hợp với khoảng cách khá hạn chế, nhưng với các lỗi khoảng cách, ví dụ chỉ vài mm.

Chúng có thể được sử dụng, ví dụ để đo nhanh kích thước phòng, chỉ cần một người. Họ có thể cung cấp các tính năng bổ sung, ví dụ: tính toán các khu vực hoặc khối lượng từ nhiều khoảng cách đo được.

Một số loại thể thao (ví dụ như chơi gôn) và săn bắn đòi hỏi phải đo khoảng cách có thể được thực hiện với máy đo khoảng cách tiêu dùng tương đối rẻ tiền.