00

Оптическое измерение дистанции на скорости 150 м/с

Оптическое измерение дистанции на скорости 150 м/с

Ученые разработали сверхточный метод измерения расстояния, который реализуется на базе компактной системы LIDAR.

Инженеры из Технического университета Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie, KIT) и Федеральной высшей политехнической школы Лозанны (École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) разработали самую быструю оптическую систему измерения дистанции. Ученым удалось определить профиль летящей пули с точностью до микрометров. Они использовали солитонные гребни, которые генерируются на оптическом чипе с помощью микрорезонаторов. Одно из возможных применений изобретения – 3D-камеры, работающие в режиме реального времени на основе высокоточных и компактных систем LIDAR.

Лазерное определение расстояния является широко распространенным методом измерения и называется LIDAR (Laserbased Light Detection and Ranging). Оптическое измерение расстояния используется в различных областях – например, для навигации беспилотных летательных аппаратов, таких как дроны и спутники, или для контроля процессов на интеллектуальном производстве.

Скорость измерения – 150 м/с

Новые системы должны обладать большой скоростью, точностью и дальностью измерения дистанции. Ученые создали ультрабыструю и точную систему LIDAR, которая сможет поместиться в спичечный коробок. Возможности разработки впечатляют – система смогла определить размеры пули, летящей со скоростью 150 м/с. «Мы смогли определить структуру поверхности летящей пули с точностью до микрометров», – рассказывает Филипп Троха, один из руководителей проекта. – «Для этого в секунду было проведено 100 миллионов измерений. Пока это самая высокая скорость измерения расстояния».

Оптические микрорезонаторы с малыми потерями

Такая демонстрация стала возможна благодаря разработанному в EPFL источнику света, который генерирует частотный гребень. Широкополосные частотные гребни возникают в оптических микрорезонаторах. Это крошечные структуры, в которые попадает свет из лазерного источника. В этих микрорезонаторах из непрерывного лазерного луча выделяются солитоны – специальные группы волн, которые образуют регулярный поток ультракоротких оптических импульсов и обладают широкополосным спектром длин волн. Микрорезонаторы были разработаны там же – в EPFL, поскольку именно там изучают оптические структуры из нитрида кремния. «Мы разработали оптические микрорезонаторы, которые характеризуются минимальными потерями. Наши резонаторы обеспечивают очень высокую оптическую интенсивность – основное условие для солитонных гребней», – говорит профессор Тобиас Киппенберг, – «а они в последнее время пользуются большим спросом для различных целей».

Оптические гребни и точное измерение

При разработке инженеры применили свои знания из разных областей науки. «В последние годы мы интенсивно изучаем ультрабыструю терабитную коммуникацию с использованием солитонных гребней, получаемых с помощью микрорезонаторов», – объясняет Кристиан Коос из KIT. – «Эти знания мы перенесли на другую исследовательскую область – оптическое измерение расстояния». В рамках совместной работы научных групп ученым удалось применить солитоны в системе оптической телекоммуникации.

Оптические частотные гребни – это свет, который содержит множество определенных длин волн, спектр которых на диаграмме напоминает гребни. Если знать структуру таких гребней, то при наложении двух гребней можно определить расстояние, которое проходит свет. Чем шире частотные гребни, тем точнее измерение.

Это измерение влечет за собой поток данных, обработка которых в режиме реального времени требует большой вычислительной мощности. При этом устройство должно быть компактным – датчик должен не только обеспечивать высокоточные результаты, но и иметь размеры приблизительно со спичечный коробок.

Возможности применения

Микрорезонаторы уже используются в коммерческих целях компанией Ligentec – дочерним предприятием EPFL. Компания специализируется на производстве оптических микрочипов на основе нитрида кремния. Такие датчики могут использоваться в широком диапазоне целей. Например, они могут быть задействованы для поиска брака на цифровом производстве. Пока тестирование производится на выборочных деталях и занимает много времени. Мощные 3D-камеры, оборудованные новой технологией LIDAR, в будущем могут использоваться для навигации беспилотных летающих аппаратов.   

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?