LIDAR. Pomiary odległości przy pomocy lasera i wyznaczanie prędkości światła. Opracował: Michał Posyniak

Transkrypt

1 LID Pomiary odległości przy pomocy lasera i wyznaczanie prędkości światła. Opracował: Michał Posyniak Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem lidaru oraz wykonanie za jego pomocą prostych pomiarów: wyznaczanie odległości od przedmiotów i prędkości światła. Nazwa urządzenia pochodzi od angielskiego akronimu LID, utworzonego od wyrażenia: Light Detection and anging i oznacza wykrywanie i określanie położenia za pomocą światła. Zasada działania lidaru jest podobna do zasady działania radaru: pomiar polega na wysłaniu impulsu promieniowania i detekcji jego echa powstałego wskutek rozpraszania na wykrywanych obiektach. 1. Budowa i działanie lidaru 1.1. Układ doświadczalny Lidar użyty w ćwiczeniu jest prostym lidarem rozproszeniowym. W jego skład wchodzi: nadajnik: laser azotowy (zasilacz i głowica) o parametrach: długość fali emitowanego światła: 337,1 nm, połówkowy czas trwania impulsu: ok. 5 ns, energia impulsu: 0,1 mj, częstość wytwarzania impulsów: 5 Hz. odbiornik: teleskop (teleskop Newtona o średnicy 1 cm i ogniskowej 60 cm), fotopowielacz (EMI 9558 QB ), czas narastania sygnału 17 ns, układ akwizycji oscyloskop UB (Dataman 50). Zdjęcie lidaru przedstawia ys. 1, a jego schemat ys. ys. 1. Zdjęcie lidaru na Pracowni Fizycznej ys.. chemat lidaru stosowanego w Pracowni Technik Pomiarowych 1

2 Wiązka laserowa, wysłana wzdłuż osi optycznej teleskopu (za pomocą zwierciadeł M1 i M), jest rozpraszana we wszystkich kierunkach przez składniki atmosfery (w ogólności, również pochłaniana). Światło rozproszone do tyłu jest częściowo wychwytywane przez teleskop i ogniskowane na fotokatodzie fotopowielacza (PMT). Wiązka światła rozproszonego przechodzi przez filtr (IF) o transmisji maksymalnej (~50 %) dla długości fali 337,1 nm i szerokości spektralnej 1 nm. ygnał z fotopowielacza jest zamieniany na postać cyfrową przez przetwornik analogowo-cyfrowy wbudowany w oscyloskop i przesyłany do komputera za pomocą złącza UB, gdzie może podlegać dalszej analizie. Przy otworze wyjściowym lasera znajduje się fotodioda (PD) wytwarzająca impulsy synchronizujące pracę oscyloskopu z pracą lasera oraz światłowód wychwytujący część wyjściowego impulsu światła. 1.. naliza sygnału echa Opóźnienie t sygnału rejestrowanego przez lidar w stosunku do wyjściowego impulsu laserowego jest proporcjonalne do odległości z od obiektów rozpraszających światło: t z / c, gdzie c jest prędkością światła w atmosferze. mplituda impulsu jest miarą wydajności rozpraszania wstecznego.. Wykonanie ćwiczenia Ćwiczenie obejmuje: a) pomiar odległości do wybranego obiektu, b) wyznaczenie prędkości światła w atmosferze,.1. Wyznaczanie odległości liderem prędkości światła Najprostszym lidarem jest dalmierz laserowy, urządzenie do pomiaru odległości. Jak wspomniano, wyznaczając opóźnienie sygnału echa względem wysłanego impulsu, możemy określić drogę przebytą przez impuls światła, czyli odległość od rozpraszającego obiektu. Oczywiście, w ten sposób, gdy znana jest odległość do obserwowanego obiektu, możliwe jest również wyznaczenie prędkości światła. ys 3. Przykładowa rejestracja sygnału. Wykres dolny - impuls synchronizacji z fotodiody (trigger), wykres górny - zarejestrowane przez fotopowielacz: sygnał wyjściowy i sygnał rozproszony.

3 Wykonanie: Na drodze wiązki, ale w odległości nie mniejszej niż 3 m należy ustawić przedmiot rozpraszający światło i za pomocą oscyloskopu zarejestrować impuls wyjściowy i jego echo optyczne. Przykład sygnału pokazany został na ys. 3. Wspomniane dwa impulsy widać na górnym wykresie. Na dolnym wykresie widoczny jest wytwarzany przez fotodiodę impuls synchronizacji. Dalsze postępowanie jest następujące: - mierzymy różnicę czasów odpowiadających maksimum obu impulsów, - mierzymy odległość do wyznaczonego obiektu (posługując się taśmą mierniczą). Zebrane wyniki pozwalają obliczyć: - odległość, korzystając z zarejestrowanego opóźnienia echa sygnału, - prędkość światła, korzystając z pomiaru odległości do obiektu rozpraszającego. Wykonując pomiary uzupełnij Tabelę. 1 Tabela 1. Wyniki pomiarów Δt [ ] c [ ] tablicowe z [ ] z [ ] zmierzone c [ ] wyznaczone Dla zaawansowanych:.. Wyznaczenie względnego współczynnika rozpraszania wstecznego obiektu rozpraszającego Podczas analizy sygnałów lidarowych w warunkach Pracowni Fizycznej FUW możemy jedynie porównać natężenie rozpraszania wstecznego dwóch obiektów, a więc wyznaczyć względny współczynnik rozpraszania wstecznego. Wybrane do badania obiekty rozpraszające powinny mieć płaską i jednorodną powierzchnię. Dobrymi obiektami będą również kartka papieru i wykonana z tego samego papieru siatka. Powierzchnia otworów powinna być znacznie mniejsza niż powierzchnia przekroju wiązki laserowej w odległości umiejscowienia 3

4 badanego obiektu (proszę wyjaśnić, dlaczego?). Warunek ten łatwo jest spełnić dla lasera azotowego, którego wiązka ma znaczną rozbieżność (5±1 mrad). tosujemy metodę porównawczą. W określonej odległości od lasera umieszczamy różne przedmioty i za każdym razem rejestrujemy amplitudę sygnału rozproszonego. Ze względu na takie same warunki pomiaru (stała aparaturowa, odległość z, współczynnik ekstynkcji (z)) iloraz amplitud sygnałów będzie równy ilorazowi współczynników rozpraszania obu przedmiotów (): L. (3) L W przypadku porównywania kartki papieru i siatki wartość współczynnika rozpraszania wstecznego jest proporcjonalna do oświetlanej powierzchni, dlatego można go obliczyć analizując powierzchnię siatki:. (4) Można wtedy porównać wyniki uzyskane dwiema metodami..3. Wyznaczenie współczynnika rozpraszania chmury wodnej Ponownie skorzystamy z porównawczej metody pomiaru. Na drodze wiązki wytwarzamy obłok aerozolu wodnego (umieszczając pod wiązką lasera pojemnik z gotującą się wodą). Po zarejestrowaniu impulsu światła rozproszonego pojemnik z wodą usuwamy, a umieszczamy obiekt referencyjny (siatkę) o znanym współczynniku rozpraszania. Odległość od siatki powinna być taka sama jak odległość do środka chmury wodnej. Porównanie sygnałów od obu obiektów pozwala wyznaczyć współczynnik rozpraszania dla chmury. W naszym eksperymencie badany obiekt (obłok) jest krótszy niż sondujący go impuls laserowy. Zakładamy również, że w pracowni, na dystansie analizowanych kilku lub kilkunastu metrów, w czystej atmosferze, wiązka ultrafioletowa jest absorbowana i rozpraszana w pomijalnym stopniu. W związku z tym równanie () opisujące sygnał rozproszony można zapisać w postaci: L ch e z V l V z l z, (5) gdzie π = V l, przy czym V - objętościowy współczynnik rozpraszania wstecznego, l - droga pokonywane przez wiązkę laserową w aerozolu wodnym. nalogicznie sygnał od siatki ma amplitudę: L, (6) z 0 gdzie - powierzchniowy współczynnik rozpraszania wstecznego. Dzieląc przez siebie oba równania otrzymujemy: Lch z0 V l, (7) Lz z skąd wyliczamy względny współczynnik rozpraszania wstecznego chmury wodnej. 4

5 Dodatek: Uruchomienie lasera i zasady bezpieczeństwa. W celu uruchomienie lidaru należy kolejno: - podłączyć do sieci zasilacz lasera i zasilacz fotopowielacza, - uruchomić komputer. Po wczytaniu i ustabilizowaniu systemu należy: - uruchomić oscyloskop cyfrowy (ikona dataman scope), w menu settings (górna lewa część ekranu) wyszukać load settings i otworzyć plik lidar0 (który uruchamia oscyloskop z rozdzielczością czasową 0 ns/cm (patrz - instrukcja obsługi oscyloskopu). - zdjąć osłonę z teleskopu, - założyć okulary ochronne, - włączyć zasilacz lasera przyciskiem Netz, - uruchomić laser naciskając klawisz uslössung Hand, Uwaga! Nastawy parametrów lasera zostały dobrane optymalnie!!! Zabrania się zmieniania nastaw!!! uslössung Hand Netz ys 5. Zasilacz fotopowielacza ys 4. Zasilacz lasera Uwaga! Promieniowanie laserowe, nawet rozproszone, jest szkodliwe dla oczu!!! Zabrania się zdejmowania okularów ochronnych w czasie wykonywania ćwiczenia!!! Bezpośrednie zaglądanie w okienko wyjściowe lasera, nawet w okularach ochronnych, grozi uszkodzeniem wzroku!!! Poprawność działania lidaru należy sprawdzić obserwując fluorescencję białej kartki ustawionej przed teleskopem na drodze wiązki. Przesuwając wózek ustawiamy lidar tak, by wiązka lasera trafiała w obiekt oddalony ok m (np. ściana). Włączamy zasilacz fotopowielacza i ustawiamy wartość napięcia U=100 V. Została ona dobrana optymalnie. Pod żadnym pozorem nie wolno zwiększać napięcia, gdyż grozi to trwałym uszkodzeniem fotopowielacza! Jeżeli układ jest poprawnie zestawiony, na ekranie komputera powinien pojawić się sygnał podobny do załączonego rys. 6. Po wykonaniu ćwiczenia wyłączyć układ wykonując w odwrotnej kolejności czynności wymienione przy włączaniu układu. 5