2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống quét laser mặt đất
2.1.2. Nguyên lý hoạt động khối đo dài của thiết bị quét laser mặt đất
Đo dài khoảng cách trong các thiết bị quét laser mặt đất được thực hiện nhờ sóng điện từ trong dải sóng quang học (dải hồng ngoại hoặc dải nhìn thấy). Tín hiệu được truyền đi từ nguồn phát trong khối thiết bị quang - cơ quay hướng, đi qua quãng đường tới đối tượng địa vật và phản xạ lại vào nguồn thu. Trong khoảng thời gian đó tín hiệu đi qua hai lần khoảng cách 2D đến điểm quét. Như vậy giá trị khoảng cách cần xác định là D sẽ bằng một nửa đường đi của tia bức xạ. Việc xác định độ dài
khảng cách 2D trong hệ thống thiết bị quét laser có thể thực hiện bằng 3 phương pháp: Đo xung; Đo pha và đo tam giác laser.
2.1.2.1. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung
Khi xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung thì việc xác định thời gian tia bức xạ đi qua quãng đường 2D rất quan trọng. Khi chúng ta đã biết được vận tốc truyền sóng điện từ V thì hồn tồn có thể xác định được khoảng cách [59].
D =
Ở đây: + t2D là thời gian được tính từ thời điểm truyền xung lên Diot laser và thời điểm thu nhận tín hiệu trở lại. Như vậy tín hiệu đi qua khoảng cách 2D;
+ V là vận tốc truyền sóng điện từ.
Hình 2.5. Nguyên lý phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách [59] Để
xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung, thường sử dụng những xung ngắn, tức là nguồn phát chỉ làm việc trong khoảng ngắn thời gian. Để nhận được giá trị đơn trị của đại lượng D thì chu kỳ khảo sát xung cần phải lớn hơn thời gian t2D. Những yếu tố cơ bản xác định độ chính xác của phương pháp đo xung chính là độ chính xác xác định đo thời gian (ghi đếm xung). Đánh giá sai số xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung được tính theo cơng thức:
MD =
Ở đây: M 2D - là sai số đo thời gian 2D
Thiết bị đo xung hiện nay ghi đếm xung với độ chính xác 10-12 cho phép đo
38
dài khoảng cách với độ chính xác 1mm. Một trong những yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác đo dài khoảng cách trong phương pháp đo xung này là dạng của xung phản xạ lại. Dạng xung này phụ thuộc vào sự kéo dài xung, đặc tính phản xạ của xung, cấu trúc đối tượng vật phản xạ, bề mặt hứng phản xạ và mơi trường khí quyển truyền xung. Trường hợp gặp dạng xung bị tán sẽ dẫn đến không thể ghi đếm được xung [55].
Ưu điểm của phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách bằng thiết bị quét laser mặt đất là đo được xa khi công suất phát xung không cao. Kết quả nhận được là đơn trị (độ dài khoảng cách tỷ lệ thuận với thời gian truyền xung). Nhược điểm của phương pháp đo xung này là độ chính xác khơng cao so với phương pháp đo pha, bị giới hạn tần số xung theo khoảng cách từ nguồn phát đến đối tượng vật quét.
2.1.2.2. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha
Nguyên lý xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha được thể hiện qua hình 2.6. Nguyên lý này bao gồm việc xác định số lượng giá trị nguyên của độ dài bước sóng giữa máy phát laser và đối tượng vật được quét tới cùng với hiệu pha bức xạ sóng gửi đi và nhận lại qua tín hiệu bộ điều biến giao động. Ở đây độ rộng của dải băng tần truyền sóng đến 10Hz khi sử dụng Diod laser mới hiện nay. Việc bức xạ đi xa phải yêu cầu liên tục sẽ địi hỏi làm tăng cơng suất bức xạ laser phát ra so với phương pháp đo xung. Ưu điểm chính của phương pháp đo pha là cho độ chính xác cao đạt đến 0,4mm. Để đạt được độ chính xác đó giữa nguồn phát và đối tượng quét cần thiết:
1. Xác định số lượng giá trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến N truyền dẫn đi qua trên khoảng cách đó
2. Xác định được hiệu pha ∆ giữa sóng nhận về và sóng gốc phát đi và đánh giá được khoảng cách phụ tương ứng với sóng cuối cùng phản hồi về khơng đầy đủ.
Hình 2.6. Sơ đồ xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha [55] Đo
chiều dài cạnh bằng phương pháp đo pha dựa trên cơ sở xác định hiệu pha gửi đi và nhận lại qua tín hiệu của bộ điều biến. Trong trường hợp này độ dài khoảng cách được tính theo cơng thức [59]:
D =
Ở đây: + đại lượng 2R là hiệu pha giữa tín hiệu tại điểm gốc trạm quét và tín hiệu tại điểm quét đối tượng địa vật;
+ f là tần số của bộ điều biến.
Công thức (2.4) 2R có thể triển khai ra thành phần nguyên và thành phần phân số. Nếu các giá trị N và ∆ được xác định thì độ dài khoảng cách sẽ tính theo cơng thức:
D=Nλ+
Ở đây: λ - là độ dài bước sóng của bộ điều biến (λ = ν/2 ).
N- số lượng trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến truyền dẫn trên khoảng cách D
Công thức đơn giản trên cho phép đủ làm sáng tỏ về độ chính xác cao xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha. Độ chính xác của đại lượng λ được xác định ổn định tần số của máy phát điều biến giao động. Trong điều kiện hiện nay các tham số của thiết bị điều biến giao động này được xác định với độ chính xác rất cao. Ngồi ra đại lượng ∆ cũng có thể xác định đủ độ chính xác cao. Độ chính xác này phụ thuộc vào loại máy quét laser. Đại lượng ∆ có thể xác định bằng phương pháp đo bằng thiết bị đo pha hoặc tín hiệu nhận ở dạng số được ghi lưu trên băng từ
và phân tích pha bằng các module phần mềm chuyên dụng. Trong mọi trường hợp đều xác định được ∆ với độ chính xác cao bởi các lý do sau:
Áp dụng quy luật hình Sin của bộ điều biến, mà độ rộng phổ của tín hiệu đầu vào và đầu ra rất nhỏ. Về mặt lý thuyết có thể nói là nhỏ vơ cực của dải phổ hẹp hay về tần số được rời rạc hóa duy nhất.
ω =
Ở đây: C–Tốc độ ánh sáng trong chân không; ω–Tần số rời rạc hóa duy nhất Điều quan trọng là bức xạ vào và ra có thể khác nhau về cường độ (theo biên
độ sóng của bộ điều biến) và khơng theo tần số ω. Đây chính là điều kiện đáp ứng về hiệu quả và về độ chính xác cao của phương pháp số hiệu chỉnh để tính tốn tìm giá trị hiệu pha ∆ .
Phương pháp đo pha khác với phương pháp đo xung là nhận được nhiều giá trị đo và cho phép đánh giá độ chính xác và độ tin cậy khi xác định độ dài khoảng cách từ kết quả phân tích mối quan hệ hàm số hiệu chỉnh bức xạ truyền đi và nhận về với độ chính xác nhỏ hơn giá trị ngưỡng cho phép.
Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha bằng thiết bị quét laser mặt đất cho năng suất cao, với số lượng đo dài trong thời gian giây và đáp ứng cả độ chính xác và đem đến kết quả có độ tin cậy cao.
2.1.2.3. Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo tam giác quét laser Bản
chất của phương pháp đo chiều dài khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser là nhờ ống phóng tia laser cơng suất thấp, lệch so với hướng ban đầu. Góc Ɵ1 được tạo bởi đường đáy thiết bị quét và tia quét laser, giá trị góc tính theo vị trí tâm hình ảnh của vệt qt laser trên máy thu của thiết bị tích nạp liên kết camera 1. Góc Ɵ2 được tạo bởi trục (đường đáy) thiết bị quét và véc tơ lan truyền tín hiệu phản xạ từ đối tượng quét được ghi đếm trên thiết bị tích nạp liên kết camera 2. Với tiêu đề thuật ngữ phương pháp tam giác quét laser được hiểu tương tự như bài tốn giao hội thuận đo góc: với đại lượng đo Ɵ1, Ɵ2 và d để xác định khoảng các từ trạm quét đến đối tượng quét [48, 52].
41
Hình 2.7. Nguyên lý làm việc của hệ thống quét laser mặt đất Mensi Soisic [48]
Để phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác xác định chiều dài khoảng cách bằng phương pháp giao hội thuận đo góc dựa theo cơng thức mối liên hệ giữa khoảng cách cần xác định với các trị đo. Ở đây sử dụng cơng thức hình 2.8.
S = d1 tan Ɵ1
S = d2 tan Ɵ2
Hình 2.8. Xác định khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser [52]
Từ hình vẽ 2.8 cho thấy:
Ở đây d là đường đáy thiết bị quét (phương pháp tam giác)
Sau khi thay công thức (2.9) vào công thức (2.7) và thực hiện một số biến đổi nhận được:
S + S
1
Với giá trị cho p1 và p2 nhỏ nhiều lần so với d và tan Ɵ2 = f2 /p2
S =
Ở đây: + f2 – độ dài tiêu cự của ống kính chụp thiết bị tích nạp liên kết 2; + p2 – là hồnh độ của tâm hình ảnh vệt quét laser (tín hiệu phản hồi từ đối tượng quét) lên ma trận thiết bị tích nạp liên kết 2.
Những giá trị cực đại và cực tiểu đo khoảng cách đến đối tượng quét Smax và Smin có thể xác định theo cơng thức (2.11) khi cho giới hạn góc nghiêng tia quét Ɵ1max và Ɵ1min. Đại lượng hiệu của Smin - Smax được gọi là độ sâu của vùng quét.
Từ công thức (2.11) cho thấy độ chính xác tính độ dài khoảng cách đến điểm đối tượng quét bằng phương pháp tam giác quét laser phụ thuộc vào các đại lượng đo d và f2 và độ chính xác định vị ghi đếm của đại lượng p2. Sai số của đại lượng p2
phụ thuộc vào kích thước của các thành phần trong thiết bị tích nạp liên kết-ma trận. Tăng kích thước ma trận và khơng thay đổi kích thước các thành phần thiết bị tích nạp liên kết cho phép tăng độ sâu vùng quét trong quá trình quét (Hình 2.9), điều này sẽ dẫn tới tăng giá thành của thiết bị tích nạp liên kết.
Hình 2.9. Ảnh hưởng đo kích thước thiết bị tích nạp tới độ sâu quá trình quét [48] Sự
thay đổi độ dài tiêu cự dẫn đến thay đổi hai tham số, đó là độ chính xác tọa độ của điểm quét và độ nét của hình ảnh trên thiết bị tích nạp liên kết ma trận. Hiệu quả nhất là sử dụng ống kính tiêu cự ngắn, điều này sẽ đáp ứng độ nét của hình ảnh và độ sâu lớn của vùng quét. Vì vậy quá trình khai thác phương pháp tam giác quét laser cần tính đến các tham số (d, f2, Ɵ1, p2) để lời giải sẽ đáp ứng hài hòa nhất.
Ngày nay phương pháp tam giác quét laser cho phép thực hiện quét đối tượng vật cách trạm quét với độ dài hàng chục cm đến 25 mét. Các sai số do khúc xạ khí quyển, dao động sóng tắt dần, thực tế không ảnh hưởng đến kết quả đo. Độ chính xác
43
về tọa độ khơng gian điểm qt đạt từ 50 μkm đến 0,3 mm chủ yếu phụ thuộc vào độ dài khoảng cách từ trạm quét đến điểm quét. Ngoài ra sai số phụ thuộc vào phản xạ chất liệu bề mặt, đặc tính và hình dáng của đối tượng qt. Các sai số thiết bị, phương pháp được xử lý bằng phần mềm chuyên dụng. Việc ứng dụng phương pháp tam giác quét laser để xác định chiều dài khoảng cách chủ yếu trong lĩnh vực địi hỏi độ chính xác rất cao như: chế tạo máy, lĩnh vực y học và trong chế tạo thiết bị hàng không.