Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 10 – vyšlo 23. března, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

10/2018

Ultrapřesné měření vzdálenosti aneb lze měřit tvar střely za letu?

Jakub Jirsa

Měření vzdálenosti je nedílnou součástí našeho všedního života. Každý den měříme různé vzdálenosti – o kolik centimetrů vyrostly naše ratolesti, jaké rozměry má nábytek, nebo velikosti místností, chceme-li je pronajmout. Pro tato měření nám stačí běžné měřicí přístroje (nejčastěji metr). Co když chceme měřit vzdálenosti s malou nejistotou, a to při vysokých rychlostech? Zde se situace značně komplikuje díky času, který máme na samotné měření k dispozici. Proto se často využívá technologie LIDARLIDAR – Light-Imaging Detection and Ranging, detekce a určování vzdálenosti za pomoci laseru. Jde o metodu zjišťování vzdálenosti a vlastností objektu na základě analýzy rozptýleného světla laseru. Analogií v rádiovém oboru jsou radary. Vzdálenost objektu se určí z časové prodlevy odraženého signálu. Lidary se využívají hojně v geologii, seismologii a při sledování vlastností atmosféry., která umožňuje provádět rychlá a přesná měření. Za pomocí laseru se osvítí objekt, jehož vzdálenost chceme znát. My jsme poté schopni detekovat paprsek odražený od objektu. Výslednou vzdálenost objektu zjistíme následovně: rychlost světla v daném prostředí vydělíme časem, který uplynul mezi vysláním a detekcí fotonů. Dráha je díky tomu dvojnásobná, musíme ji tedy vydělit dvěma. Systémy LIDAR se hojně využívají jak pro vědecké účely (mapování atmosféry, geologie atd.), tak v komerční sféře (řízení autonomních aut, průmyslová měření atd.). Zde je kladen důraz na přesná a rychlá měření. Husarský kousek se povedl vědcům z KITKIT – Karlsruhe Institute of Technology, jedna z největších výzkumných univerzit v Německu. Univerzita vznikla v roce 2009 sloučením Karlsruhské univerzity (založené v roce 1825) a Karlsruhského výzkumného centra (založeného v roce 1956). Z KIT a jejích předchůdců vzešlo šest nositelů Nobelových cen. Podle citačního indexu jde o šestou nejvýznamnější evropskou univerzitu. Příkladem vědeckých aktivit může být spektrometr KATRIN, který se pokouší změřit hmotnost neutrin., kterým se povedlo sestavit systém umožňující změřit polohu objektů pohybujících se rychlostí 150 m/s s rozlišením 2 µm.

Třírozměrná rekonstrukce okolí z dat lidaru umístěného
na střeše automobilu. Zdroj: Clear Path Robotics.

LIDAR – Light-Imaging Detection and Ranging, detekce a určování vzdálenosti za pomoci laseru. Jde o metodu zjišťování vzdálenosti a vlastností objektu na základě analýzy rozptýleného světla laseru. Analogií v rádiovém oboru jsou radary. Vzdálenost objektu se určí z časové prodlevy odraženého signálu. Lidary se využívají hojně v geologii, seismologii a při sledování vlastností atmosféry. KIT – Karlsruhe Institute of Technology, jedna z největších výzkumných univerzit v Německu. Univerzita vznikla v roce 2009 sloučením Karlsruhské univerzity (založené v roce 1825) a Karlsruhského výzkumného centra (založeného v roce 1956). Z KIT a jejích předchůdců vzešlo šest nositelů Nobelových cen. Podle citačního indexu jde o šestou nejvýznamnější evropskou univerzitu. Příkladem vědeckých aktivit může být spektrometr KATRIN, který se pokouší změřit hmotnost neutrin. EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier, vláknový zesilovač elektromagnetického signálu dopovaný erbiem. Zeslabený signál z optického vlákna je smísen se silným signálem jiné frekvence, který excituje erbiové atomy v zesilovači. Tyto excitované atomy předají energii zeslabenému signálu a poté se vrátí na původní energetickou hladinu. Jde o přímé zesílení signálu bez nutnosti ho převádět na elektrický signál. Heterodynní detektor – detekce intenzity i fáze elektromagnetického signálu založená na jeho smísení se signálem lokálního oscilátoru (heterodynu), jehož záření má stejný směr jako signál a pevně danou známou frekvenci.

Dvojitý frekvenční hřeben

Optický frekvenční hřeben je systém, který má ve svém spektru miliony ekvidistantních čar. V časové oblasti tomu odpovídá interference mnoha signálů s různou frekvencí. Optický frekvenční hřeben lze realizovat několika způsoby. Jednou z hojně využívaných metod je použití laseru, který generuje ultra krátké pulzy (femtosekundy až desítky pikosekund). Jestliže takový laser generuje pulzy s určitou frekvencí a různou intenzitou, lze vygenerovat takový signál, který má ve frekvenční oblasti hřebenové spektrum.

V mnoha aplikacích (spektroskopie, měření vzdáleností atd.) se používá zapojení se dvěma frekvenčními hřebeny. Jeden signál je použit jako referenční a druhý jako měřicí. Po interferenci obou signálů je možné dopočítat hledaný parametr (například vzdálenost).

Ukázka vytvoření frekvenčního hřebene ze série opakujících se impulzů, jejichž posun fáze postupně narůstá. Ve frekvenční oblasti vzniká ekvidistantní spektrum složené z mnoha frekvencí. Za objev metody optického frekvenčního hřebenu získali Nobelovu cenu za fyziku Roy Glauber, John Hall a Theodor Hänsch v roce 2005 (viz AB 47/2005, AB 15/2015). Zdroj: Caltech/Vahala.

Ultra přesné měření v KIT

Vědci z Karlsruhského institutu technologiíKIT – Karlsruhe Institute of Technology, jedna z největších výzkumných univerzit v Německu. Univerzita vznikla v roce 2009 sloučením Karlsruhské univerzity (založené v roce 1825) a Karlsruhského výzkumného centra (založeného v roce 1956). Z KIT a jejích předchůdců vzešlo šest nositelů Nobelových cen. Podle citačního indexu jde o šestou nejvýznamnější evropskou univerzitu. Příkladem vědeckých aktivit může být spektrometr KATRIN, který se pokouší změřit hmotnost neutrin. použili dva generátory hřebenového signálu – lokální oscilátor a generátor signálu. Signály z obou generátorů jsou zesíleny v erbiovém zesilovačiEDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier, vláknový zesilovač elektromagnetického signálu dopovaný erbiem. Zeslabený signál z optického vlákna je smísen se silným signálem jiné frekvence, který excituje erbiové atomy v zesilovači. Tyto excitované atomy předají energii zeslabenému signálu a poté se vrátí na původní energetickou hladinu. Jde o přímé zesílení signálu bez nutnosti ho převádět na elektrický signál. a následně rozděleny pomocí vláknové rozbočnice do dvou větví v poměru 1:1. Takto vzniknou celkem čtyři signály. Dva z nich (jeden z lokálního oscilátoru a druhý z generátoru signálů) jsou sloučeny ve směšovači a přivedeny do heterodynního detektoruHeterodynní detektor – detekce intenzity i fáze elektromagnetického signálu založená na jeho smísení se signálem lokálního oscilátoru (heterodynu), jehož záření má stejný směr jako signál a pevně danou známou frekvenci., tento signál je použit jako referenční. Zbylé dva signály z obou genrátorů jsou také sloučeny ve směšovači a detekovány v heterodynním detektoru, rozdíl je ovšem v tom, že signál z generátoru signálu je vyveden ven kde se odrazí od měřeného objektu, a teprve potom dojde ke sloučení obou signálů – tak vznikne měřicí signál, který je ovlivněn vzdáleností objektu. Porovnáním obou signálů (referenčního a měřicího) je možné zjistit výslednou vzdálenost objektu. Podrobné schéma experimentu je na následujícím obrázku.

Měřicí systém v Karlsruhském institutu technologií. Optický cirkulátor je zařízení, které vstupující svazek vyšle ven na nejbližším dalším výstupu. Erbiový zesilovač je označem EDFA, kontinuální laser písmeny CW (Continual Wave). Zdroj KIT.

Měření profilu střely za letu a v klidu. Souhlas profilu změřeného za letu s profilem měřeným staticky je vynikající. Liší se jen v zadní části střely, kde je vroubkování. Zdroj: Karlsruhský institut technologií (KIT).

Závěr

Vědci v Karlsruhském institutu technologií (KIT) dokázali zaznamenat vzdálenost letícího objektu, a tím jeho profil, s vysokou přesností za pomocí technologie dvojitého frekvenčního hřebenu. Měření proběhlo v rekordním čase. Odborníci z této špičkové evropské univerzity slibují, že brzy vyvinou systém v kapesní velikosti. Je tedy dobře možné, že autonomní auta budou používat právě jejich nově vyvinutou technologii.

Umělecká vize budoucího čipu pro měření polohy za letu. Zkratka PD označuje
fotodetektory. Zdroj: KIT.

Odkazy