مقياس المدى الليزري
مقياس المدى الليزري Laser rangefinder جهاز يستخدم شعاع الليزر لقياس البعد بين الجهاز وهدف ما، وهناك ثلاثة مبادئ مختلفة يمكن حتى تصنّف وفقها قوائس المسافة الليزرية هي:
قائس المسافة الليزري النبضي time of flight laser range finder: يعتمد على مبدأ قياس زمن الطيران إلى الهدف ذهاباً وإياباً لنبضة ليزرية ضيقة زمنياً، ثم حساب المسافة، وهوالأكثر استخداماً، خصوصاً في المجال العسكري، ويسمح بقياس مسافات بعيدة وبدقة الأمتار.
قائس المسافة الليزري الطوري phase difference laser range finder: يعتمد على مبدأ تعديل مطال شعاع الليزر بتردد راديوي، ثم قياس فرق الطور للحزمة المرتدة عن الهدف، ومنه تحسب المسافة. يسمح هذا النوع بقياس مسافات قريبة نسبياً حتى مئات الأمتار وبدقة الميلمتر.
قائس المسافة الليزري التداخلي interferometric laser range finder: يعتمد على مبدأ التداخل بين موجة شعاع ليزري مرجعي متَّجه نحوالهدف والموجة المرتدة عن الهدف، ويسمح بقياس مسافات قصيرة جداً بدقة أجزاء من طول موجة الليزر المستخدم.
النبض
يشابه مبدأ عمل قائس المسافة الليزري النبضي مبدأ عمل الرادارات المعروفة، ويمكن اختصار ذلك بالمراحل الآتية:
1ـ ترسل نبضة ليزرية ضيقة زمنياً باتجاه الهدف.
2ـ عند الاصطدام بالهدف تتبعثر في جميع الاتجاهات، ويرتد جزء منها إلى المستقبِل الضوئي.
3ـ تضخّم هذه الإشارة، وتوقف عداداً بدأ بالعمل عند انطلاق النبضة الليزرية.
4ـ بفهم الزمن اللازم للنبضة الليزرية لبتر المسافة إلى الهدف ذهاباً وإياباً، تحسب المسافة وفق القانون:
المسافة = نصف الزمن المسجَّل × سرعة الضوء في الهواء
مكوِّنات قائس المسافة الليزري النبضي
1ـ مرسِل ليزري: يتألف المرسل الليزري ـ كما هومبين في الشكل (1) ـ من حجرة تجاوب ضوئي optical resonator مكوَّنة من مرآة عاكسة كلياً، ومن مرآة خرج عاكسة جزئياً وتحوي الوسط الليزري الفعّال الذي يمكن حتىقد يكون صلباً أوغازياً. يتم الحصول على النبضات القصيرة بوساطة مفتاح جودة Q-switch لحجرة التجاوب يمكن حتىقد يكون ميكانيكياً كموشور دوَّار، أوعنصر كهربصري electro-optical element أوعنصر بصري غير فعّال passive Q-switch يمتص الأشعة خلال زمن معين، ويخرجها في نبضة واحدة قصيرة جداً مثل Cr4+ :YAG.
يجب حتى يعطي المرسِل الليزري نبضات ليزرية قصيرة لا تزيد على 20نانوثانية، وفي هذه الحالة تكفي طاقة لاتزيد على عشرة ميلي جول لقياس مدى الأهداف حتى 10كيلومترات.
يحوي المرسل أيضاً نظاماً بصرياً تلسكوبياً، هدفه الحصول على حزمة ليزرية ذات تباعد صغير من مرتبة الميلي راديان.
2ـ المستقبِل: يتكون من نظام بصري تلسكوبي أيضاً، هدفه استقبال الإشارة وتصفيتها إلى حد ما من الضجيج المحيط باستخدام مرشِّح مناسب وحِظار. الكاشف الكهرضوئي يمكن حتىقد يكون فوتوديود عادياً أوفوتوديود انهيارياً diode avalanche photo، وتكون الحساسية من أجل النوع الانهياري من مرتبة 10نانوواط. يلي الكاشف وحدة معالجة الإشارة، هدفها تضخيم الإشارة وانتزاعها من الضجيج، ويجب حتىقد يكون الربح متوافقاً مع المسافة المقطوعة. من أجل الأهداف البعيدة، ولإبعاد آثار التبعثر؛ تصمّم فجوة زمنية يحجب استقبال الإشارة خلالها.
3ـ العداد الإلكتروني: تؤثر هذه الوحدة على دقة القياس، فمثلاً من أجل عداد 30MHzقد يكون ارتياب القياس: ±5m، أما من أجل عداد 100MHz فيكون ارتياب القياس: 1.5m±.
الدقة
المدى
الحساب
تقنيات
بارا مترات مدى القياس
إن العوامل التي تحدّ من مدى القياس في القوائس الليزرية عديدة، منها:
ـ نفوذية الجو: للجونفوذية متغيّرة، تتعلق بطول الموجة وبعوامل مختلفة، منها امتصاص الأشعة بوساطة الجزيئات العالقة، التبعثر، ومن أجل استطاعة الليزر العالية يمكن حتى تتشكل بلازما في الجوتؤدي إلى ضياعات كبيرة في الطاقة الليزرية. النوافذ الجوية المتعلقة بطول الموجة الليزرية محدودة نسبياً، وتوجد ليزرات تتوافق معها، مثل 1.06ميكرومتر في الليزر النيوديمي، و10.6ميكرومتر في ليزر ثاني أكسيد الكربون CO2.
ـ أحوال الطقس: النفوذية الجوية المتعلقة بأحوال الطقس والحالة الجوية تؤثر في المدى الذي يمكن قياسه، فعندماقد يكون مدى النظر 20كيلومتراًقد يكون عامل التخامد attenuation factor مساوياً 0.5 dB/Km، وفي حالة من الضباب عندماقد يكون مدى النظر 2كيلومتر فقط؛قد يكون عامل التخامدخمسة dB/K، أما عندماقد يكون مدى النظر 100متر فإن عامل التخامد يغدو150 dB/Km. وبالطبع، حدثا كان عامل التخامد أكبر كان المدى الممكن قياسه أقل.
ـ أنواع الأهداف: تختلف إمكانيات القياس لقائس المسافة الليزري تبعاً لنوع الأهداف المراد قياس بعدها وأبعادها. فمثلاً هدف مبعثر ذوأبعاد كبيرة لمسافة أبعد من هدف مبعثر ذي أبعاد صغيرة، أما بالنسبة لهدف متوافق (مرآة مثلاً) فيمكن قياسه لمسافات أبعد بكثير.
ـ المسافة: حدثا بعدت المسافة قلت الطاقة الليزرية التي تصل إلى الهدف، وإذا تقلصت الطاقة التي تعود إلى الكاشف؛ فإن القياس يغدوصعباً بعد مدى معين.
تطبيقات
عسكرية
قائس ليزر نيوديمي Nd:YAG، صلب، طول موجته 1.064 ميكرومتراً، رائج في الاستخدام العسكري.
3-D Modelling
الغابات
الرياضية
عمليات إنتاج صناعي
أمثلة على قوائس المسافة الليزرية
1ـ قائس ليزر نيوديمي Nd:YAG، صلب، طول موجته 1.064 ميكرومتراً، رائج في الاستخدام العسكري.
2ـ قائس ليزر الإيريبيوم، صلب، طول موجته 1.54 ميكرومتراً، يعرّف بأنه آمن ويتميّز بضرر أقل للعين.
3ـ قائس ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون طول موجته 10.6 ميكرومتر. من فوائد هذا النوع حتى له مدى أبعد في جوضبابي أوغائم، ويتوافق مع أنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء. ولكن من سلبياته حتى له مدى أقل في جوصافٍ جداً، بسبب التبعثر والامتصاص الناجم عن بخار الماء وغاز CO2
الأمان
انظر أيضا
 |
مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Laser range finders. |
- Laser applications
- مقياس المدى
- LIDAR
- 3D scanner
- Satellite laser ranging
- List of laser articles
المصادر
- ^ جمال صبح سعيد. "قائس (مقياس) المسافة الليزري". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-09-01.
مراجع للإستزادة
- M.L.STITCH, Laser Ranging in Laser Handbook,Vol. II (North Holland Publ. 1972).
- H.MAILLET, Le laser, Principes et techniques d’application (Technique et Documentation Lavoisier, Paris 1990).
