روش های اندازه گیری فاصله

در حالت کلی روش های مستقیم و غیر مستقیمی برای اندازه گیری فاصله بین دو نقطه وجود دارد.

روش های مستقیم شامل روش هایی است که در زندگی روزمره برای کاربرد های ساده از آن ها استفاده می کنیم ، مانند: متر کشی (متر نواری) _ قدم برداری  و حتی قبل از توسعه ی تکنولوژی ، از چرخ های  غلتان( با شمارش تعداد دور و مشخص بودن محیط   :      طول= دور* محیط ) استفاده می شده است ؛ حتی با در دست داشتن مختصات کارتزین می توان از روابط محاسباتی ریاضی  برای بدست آوردن فاصله استفاده کرد.

مهندسان عمران برای اندازه گیری فاصله از دوربین های بخصوصی استفاده می کنند که  در نوعی از آن ها مکانیزم کاری چندان پیچیده ای وجود ندارد وصرفا با خواندن مقدار طول قائم (به روش استادیمیتری) وطول افقی (به روش پارالاکتیک) از روش خط کش مندرج و اندازه گیری زاویه بین دو پاره خط (به کمک فاصله یاب های الکترونیکی)  و محاسبات کامپیوتری ریاضی ، فاصله را می سنجند.

دوربین زاویه @ را اندازه  می گیرد  و اندازه  AB از صفحه مندرج خوانده می شود و در نهایت می توان OB را بدست آورد.(شکل 1)

در این مقاله قصد داریم تا به طور تخصصی تر مکانیزم های رادار ها و تجهیزات الکترونیکی و الکترواپتیکی را در سنجش فاصله بررسی کنیم.

دستگاه های فاصله یاب بر اساس نوع موج مورد استفاده به دوقسمت کلی تقسیم می شوند.

• فاصله یاب های الکترواپتیکی

• فاصله یاب های مایکروویو

با این حال اساس کار همه آن ها مشابه هم است به این صورت که امواج الکترومغناطیسی به وسیله طول یاب به سوی منعکس کننده انتشار می یابند ، رفلکتور با بازتابی 180 درجه ای بلافاصله آن هارا به سمت دستگاه منعکس می کند؛طول یاب موج بازگشتی را دریافت می کند وآن را با موج ارسالی مقایسه می کند وبا استفاده از مدار های الکترونیکی فاصله بین دو نقطه را محاسبه می کند. بلوک دیاگرام کلی این مکانیزم به صورت زیر است.

به طور کلی طول یاب ها به 5روش فاصله مورد نظر را به کمک موج ارسالی و دریافتی اندازه گیری می کنند که به شرح زیر است.

• 1) روش زمان پرواز:

ازمرسوم ترین روش های فاصله سنجی لیزری می باشد که بازه ی اندازه گیری گسترده ای شامل چند سانتی متر  تا ده ها کیلومتر را پوشش می دهد . دراین روش مدت زمان رفت وبرگشت سیگنال لیزر مبنای محاسبه فاصله می باشد که با توجه به رابطه روبه رو می توان فاصله را محاسبه کرد:       

که در آن d : فاصله _c : سرعت نور _ t: زمان رفت و برگشت سیگنال   می باشد.

از خصوصیات برجسته این روش می توان موارد زیر را نام برد.

• 1) نیاز به مدارات با فرکانس بالا

• 2)طراحی پیچیده الکترونیکی

• 3)مناسب برای فواصل طولانی

• 4)امکان طراحی با دقت 1mm

بیشترین کاربرد های این روش در دوربین های نقشه برداری ، تحقیقات فضایی صنایع هوا نوردی می باشد. اصول کلی روش زمان پرواز ثابت است اما روش های متفاوتی برای پیاده سازی این اصول وجود دارد که استفاده از هریک از این روش ها تاثیر مستقیمی در دقت دستگاه، محدوده کار، قیمت و… خواهد داشت.

بلوک دیاگرام این روش به صورت مقابل است.

• 2) روش اختلاف فاز:

در این روش بر اساس جابه جایی فازی ایجاد شده بر روی سیگنال دریافتی از هدف به تخمین فاصله می پردازیم ،در واقع در این روش از تبدیل تاخیر زمانی ایجاد شده در رفت وبرگشت به جابه جایی فاز استفاده می شود .

محدوده اندازه گیری  در این روش وابسطه f0  به می باشد. هر چه  بزرگ تر باشد دامنه ی اندازه گیری بیشتر می شود.به طور کلی از این روش  برای فواصل چند سانتی متری تا چند ده متری استفاده می شود. به کمک رابطه روبه رو و اندازه گیری اختلاف فاز ، فاصله مد نظر محاسبه می شود.

از خصوصیات برجسته این روش می توان موارد زیر را نام برد:

• 1) حساسیت بالا به خطا های ایجاد شده .

• 2) مبتنی بودن بر محاسبات پیچیده ریاضی که سخت افزاری با قدرت پردازش بالا می طلبد.

• 3) برد 10cm تا چند10cm .

3)روش FMCW:

در این روش براساس جا به جایی فرکانسی ایجاد شده بر روی سیگنال دریافتی از هدف،فاصله اندازه گیری می شود و از مقایسه پارامتر های موج مدوله شده FM فرستاده و گرفتاده شده بدست می آید. اگر پرتوی لیزر ارسالی مدوله شده توسط یک پالس باشد در این صورت می توان زمان رفت و برگشت آن را مبنای محاسبه فاصله قرار داد(همان روش زمان پرواز) اما اگر پرتوی لیزری مدوله شده توسط یک موج سینوسی با فرکانس باشد، زمان انتشار به شیفت فرکانسی میان فرکانس موج منتشر شده  و فرکانس سیگنال برگشتی تبدیل می شود. از آن جا که  مدوله شده در فاز هیچ مشکلی با میزان فاصله ایجاد نمی کند خواهیم داشت:

که در آن d nar  محدوده نا مبهم در اندازه گیری می باشد.انتخاب فرکانس مدولاسیون بستگی به کاربرد آن دارد به عنوان مثال فرکانس 10 مگاهرتز منجر به d nar=15cm می شود.

4)روش تداخل سنجی:

این روش مناسب برای فاصله و جا به جایی های کوچک است . در این روش ،فاصله برحسب طول موج به کار گرفته شده محاسبه می شود ودقت های یک دهم طول موج به راحتی به دست می آیند.در این روش از شمارش تعداد نوار های تداخلی استفاده می شود. مزیت این روش دقت بسیاربالا در حدود 20 الی 50  میکرومتر وخود تنظیمی ذاتی آن و عدم وجود سایه و استفاده از قطعات کم در پیاده سازی می باشد.

5)روش مثلث سازی:

در این روش با استفاده از قوانین هندسه وزاویه پرتوی لیزر ارسالی و دریافتی میزان فاصله تا هدف تخمین زده می شود که این روش با دقت بسیار خوبی برای فواصل کم مناسب می باشد. محدوده اندازه گیری این روش از 1mm  الی cm50 و دقت آن در حد یک میکرومتر می باشد.با زیاد تر شدن فاصله دقت این روش دچار افت شدیدی می شود. این روش در صنعت نیز به دلیل تکنولوژی ساده تر و مقاومت ودقت بالا وقیمت ارزان  مورد توجه قرار دارد.

اساس کار این روش به صورت زیر است که فرستنده که معمولا یک دیود لیزری با قدرت کم وطول موج 670mm و اشعه نور مرئی می باشد؛ ابتدا پرتویی را به هدف می تاباند وگیرنده بازتاب نور از هدف را جمع می کند و تصویر را بر روی سنسور آشکارساز تشکیل می دهد ،سپس آشکارسازمحل نقطه نورانی را به پردازشگر گزارش می دهدتا فاصله را تعیین کند. دو نوع از آشکارساز های رایج در روش مثلث سازی psdها و آشکاساز های آرایه ای می باشند.

Psd ها :

آشکارساز های آنالوگی هستند که یک بعدی با خروجی جریان الکتریکی  بوده ومیزان جریان خارج شده از هر خروجی با موقعیت نقطه نورانی بازتابیده شده بر روی آشکارساز متناسب است.

آشکارساز آرایه ای :

یک نوع آشکارساز دیجیتال هستند به این معنا که خروجی آن از مقادیر گسسته ولتاژ که نشان دهنده مقدار نوری است که بر روی هر یک از المان های آشکارساز می تابد ، تشکیل می شود. هرکدام از 256 المنت آشکارساز از 256 نمونه گسسته که در مورد سیگنال خروجی به ما اطلاعات می دهند تشکیل شده است. آشکارساز های آرایه ای به پردازش بیشتری نسبت به psd ها نیاز دارند و سرعت اطلاعات نیز به طور طبیعی کند تر است. مهم ترین مزیت سیستم های با آشکار ساز آرایه ای ، توانایی انجام پردازش بر روی سیگنال است ودر ساده ترین حالت ، موقعیت نقطه نورانی به وسیله گرفتن یک میانگین وزنی از دیتای آشکارساز مشخص می شود.

تفاوت فاصله یاب های الکترواپتیکی با مایکروویو:

همان طور که از نام آن ها بر می آید  نوع موج ارسالی است که تفاوت بین این دو فاصله یاب را رقم می زند.

در فاصله یاب های الکترواپتیکی  بیشتر از نور مادون قرمز یا نور مرئی (از جمله نور لیزر) استفاده می شود؛ در این فاصله یاب ها رفلکتور مجموعه ای از یک یا چند منشور چند وجهی است . مزیت عمده سیستم های نوری سهولت حمل ونقل کم اثر بودن عوامل جوی ، دقت بالا با انجام اندازه گیری های تکراری و میانگین گیری و… است.

در فاصله یاب های مایکروویو از امواج رادیویی استفاده می شود .طول موج ارسالی بین 3 تا 30 میلی متر است. هر سیستم اندازه گیری از دودستگاه همانند تشکیل شده که یکی به عنوان دستگاه اصلی (مستر) ودیگری به عنوان دستگاه فرعی (ریموت) عمل می کند.مزیت این سیستم ها برد زیاد آن ها است وامکان اندازه گیری در شرایط مختلف جوی  و امکان برقراری ارتباط صوتی بین دو دستگاه  است .اما معایب آن ها در سنگینی وزن، بالا بودن قیمت نیاز به دو دستگاه و دو عامل همزمان می باشد و این که محل استفاده از این دستگاه ها نباید در مجاورت خطوط انتقال نیرو ویا برج های مایکروویو باشد.

در نهایت شاهد نمونه های مختلفی از فاصله یاب ها خواهیم بود.