Обхватът на времето на полета с един изстрел подобрява точността

В статия, публикувана в Оптика и лазери в техникатаизследователите обсъдиха базираното на вихров лъч еднократно време на полет (TOF), вариращо с точност под дължината на вълната.

лидар

Проучвания: Единично измерване на времето на полета с точност под дължината на вълната с помощта на вихров лъч. Кредит за изображение: Ungrim/Shutterstock.com

Обхват на времето на полета в технологията за лазерно откриване и определяне на разстояние (LIDAR).

Технологията LIDAR се използва широко в оптичната обработка, производството на чипове и друг прецизен мониторинг на индустриални процеси. Времето на полет е една от най-основните техники за определяне на разстоянието, използвани в системите LIDAR.

Проведени са многобройни изследвания за увеличаване на точността на обхвата на схемата за време на полет. Създадени са търговски системи за постигане на прецизност на обхвата от милиметрова или дори микрометрова скала, варираща от амплитудно модулирано време на полет до честотно модулирано време на полет.

Оптичните честотни гребени са полезни за схеми за време на полет поради напредъка на технологията за фемтосекундни лазерни импулси. Тези нови системи демонстрираха отличителни предимства при бързо и прецизно определяне на обхвата с точност под дължината на вълната и мегахерцова скорост на придобиване.

Докато се постига висока прецизност, скоростта на подобряване на придобиването е ограничена. Не е провеждано значимо проучване за разрешаване на основния конфликт между скоростта на придобиване и точността на определяне на обхвата.

Вихрови лъчи: Параксиални светлинни полета

Параксиалните светлинни полета, наречени вихрови лъчи, носят орбитален ъглов момент (OAM).

Откриването, създаването и нововъзникващите приложения на OAM са били обект на различни изследователски проекти.

Вихрови лъчи наскоро бяха използвани в изображения, идентификация на обекти, свръхчувствителни измервания на ъгли, откриване на въртящи се обекти и квантово разпознаване на образи.

Приложения като допълнителна информация за идентифициране на естествени настройки и сканиране на LIDAR без движещи се части са възможни чрез използване на вихрови лъчи в LIDAR системи.

В това проучванеавторите демонстрираха способността на вихровите лъчи да прехвърлят времето на полет във въртенето на разпределението на пространствения интензитет на светлината, което се откриваше в един изстрел.

С помощта на този механизъм устройствата за измерване на обхвата бяха способни на точност под дължината на вълната и скорости на придобиване, достигащи един гигахерц.

Проучването показа 51 еднократни измервания на дълбочина с точност до нанометър, което позволи бързото събиране на данни за изместване за една милисекунда.

Екипът предостави чисто нов метод, базиран на вихрови лъчи за измерване на времето на полет в космическата област.

Системата показа изключителна точност и бързи скорости на откриване, неограничени от непрекъснато измерване.

В предложените експерименти подобно на венчелистче разпределение на интензитета с ъгъл на въртене, който е пряко пропорционален на времето на полет, се получава чрез наслагване на вихрови лъчи.

Авторите постигнаха измерване на дълбочината с точност от 51 нанометра в един изстрел чрез откриване на ехо светлината с масивен детектор и разрешаване на ъгъла на въртене.

За да се увеличи точността на измерване, техниката не разчита на непрекъснато измерване.

Изследователите показаха, че демонстрираната техника поддържа точността на обхвата, дори когато времето за придобиване спадна до 1 наносекунда. Предложената техника може да се използва в системи за определяне на обхвата с точност под дължината на вълната и скорости на придобиване от повече от един гигахерц, като се комбинира с високоскоростен детектор.

Двойни вихрови лъчи за ултрабързо измерване

Отклонението на Алън беше поддържано на приблизително 50 нанометра, дори при време на експозиция от само 1 наносекунда.

С времева разделителна способност от 10 пикосекунди, диапазонът на регулиране на времето за включване на усилвателя на картината беше от 0 до 10 секунди.

Вариацията на Allan варира от 1,21 до 7,51 милиметра.

Стандартното отклонение се удвои въпреки намаляването на времето на експозиция със седем порядъка.

Прост хармоничен осцилатор с амплитуда от 2 микрометра беше използван за представяне на изместването на целта.

Използвайки стандартното отклонение на остатъците за измерване на точността, предложената система показа висока точност от 51 нанометра.

Предложената схема обяснява как двойните вихрови лъчи могат да бъдат способни на ултрабърз точен диапазон, вътрешно причинен от въртенето на разпределението на интензитета по време на разпространение на светлината. В този случай времето на полет беше трансформирано в ъгъла на въртене на шаблона върху напречното сечение, който детектор на матрица можеше да улови с един изстрел.

Скоростта на въртене на модела на времето на полета беше обратно пропорционална на квадрата на радиуса на модела поради запазването на ъгловия момент.

Ъгълът на въртене, съответстващ на същото време на полет, ще бъде усилен чрез фокусиране на сигнала на сондата. Това предлага метод за подобряване на точността на обхвата без удължаване на времето за придобиване.

Изводи

Това проучване изясни, че концентрирането на сигнала на сондата с 40-кратна леща на обектив прави възможно извършването на еднократно измерване на времето на полета с точност от 51 нанометра.

Времето за реакция на детектора беше единственият фактор, ограничаващ скоростта на придобиване на предложената схема.

Системата може да запази точността на обхвата, без да я влошава дори при кратък период на придобиване от 1 наносекунда.

Тези констатации предполагат, че високоскоростен детектор може да даде възможност за вариране на времето на полета със скорости на придобиване над 1 гигахерц и точност под дължината на вълната.

Авторите споменават, че резултатите от това проучване предполагат, че измерването в космическата област може да се използва за увеличаване на скоростта на придобиване и точността независимо.

Препратки

Cen, L., Zhang, Z., Liu, L., et al. (2022) Единично измерване на времето на полета с точност под дължината на вълната с помощта на вихров лъч. Оптика и лазери в инженерството, 107189 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0143816622002421

Отказ от отговорност: Мненията, изразени тук, са тези на автора, изразени в лично качество и не представляват непременно възгледите на AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, собственикът и операторът на този уебсайт. Този отказ от отговорност е част от Правилата и условията за използване на този уебсайт.