Medições de longa distância com resolução de pente de frequência

Introdução

A medição de distância de precisão desempenha um papel fundamental em muitas áreas, como medição industrial, navegação autônoma, robótica e teledetecção. Ele é capaz de localizar e mapear objetos com precisão, detectar pequenas mudanças na distância e monitorar ambientes dinâmicos com alta precisão.

A medição de distância de precisão utiliza uma variedade de métodos, incluindo tecnologias baseadas em laser, como medição de tempo de voo (ToF), interferência e radar de onda contínua modulada (FMCW) (detecção de luz e medição de distância). Estes métodos usam o princípio das ondas de luz ou eletromagnéticas para determinar a distância com base em medições de tempo de propagação ou deslocamento de fase.

Radar laser de pente duplo

O radar a laser de pente duplo é uma tecnologia de sensores de ponta que combina os princípios de tempo de voo (ToF) e medição de interferência, ao mesmo tempo que se baseia na tecnologia de amplificação de sinal coerente do radar a laser de onda contínua modulada (FMCW). Esta abordagem inovadora combina as vantagens dessas tecnologias para permitir medições de distância absoluta rápidas e de alta precisão.

Os sistemas tradicionais de radar a laser geralmente dependem do método de tempo de voo ou do método de interferência para medir a distância. A Lei do Tempo de Voo mede o tempo necessário para que o pulso laser entre o objeto alvo e o outro, enquanto a Lei da Medição de Interferença analisa o padrão de interferência do feixe laser. No entanto, ambos os métodos têm limitações em termos de precisão, velocidade ou alcance de medição.

O radar laser de pente duplo superou essas limitações usando dois pentes de frequência ligeiramente diferentes em frequências repetitivas. Quando a luz emitida interage com o objeto alvo, parte da luz é refletida de volta. Outra parte da luz é refletida pelo espelho de referência. Resultados precisos de medição da distância podem ser obtidos ao fazer com que a luz refletida por um pente de frequência através do alvo e do espelho de referência interfera com a luz de outro pente de frequência e medir o atraso entre o interferograma resultante.

Os principais determinantes do radar laser de pente duplo incluem largura de banda de pulso, frequência de repetição e frequência de repetição pobre. Usando o efeito cursor (ou seja, trocando o papel do oscilador local e do oscilador de amostragem durante o mesmo processo de medição), o radar laser de pente duplo permite uma faixa de medição extremamente longa e sem borrosidade. Este alcance pode se estender até centenas de quilômetros, excedendo as necessidades da maioria das aplicações práticas. Ao mesmo tempo, o sistema é capaz de manter a precisão em nível de mícrons, que é determinada pela duração do pulso (geralmente dentro da faixa de epissegundos) e pela velocidade de coleta de dados. Além disso, o radar laser de pente duplo obtém sinais de interferência para obter precisão de medição em comprimentos de onda subjacentes. Essas características combinadas tornam o radar laser de pente duplo uma tecnologia poderosa.

Esquema de um sinal de medição de distância em um radar laser de pente duplo. A medição da distância é repetida a cada 1/Δfᵣₑₚ. O intervalo de tempo entre o pulso alvo e o pulso de referência codifica a informação de distância. As distâncias podem ser determinadas apenas com base no tempo de voo e também podem ser otimizadas usando a fase óptica.

Radar laser de pente duplo com base em laser de pente duplo de câmara única

O uso de um laser de pente duplo de câmara única em um sistema de radar de pente duplo é essencial para impulsionar a aplicação prática da tecnologia. Ao adotar um design de câmara única, o sistema se torna mais compacto, o que é ideal para a integração em uma variedade de plataformas e dispositivos. O uso de uma única fonte laser elimina a necessidade de sincronização complexa e simplifica toda a arquitetura do sistema.

Além disso, o método de laser de pente duplo de câmara única é escalável em termos de produção. Devido à simplificação do projeto, o processo de fabricação é mais eficiente e permite a produção eficiente e econômica de sistemas de radar de pente duplo. Essa escalabilidade é especialmente importante para a ampla aplicação e comercialização da tecnologia.

Vantagens da medição de distância de precisão K2 Photonics

• Velocidade de digitalização rápida

O laser de pente duplo de câmara única permite medições de alta resolução com taxas de atualização mais rápidas, até 100 kHz e, em casos especiais, até perto de 1 MHz.

• Alta precisão

O radar laser de pente duplo oferece uma excelente precisão de medição através da amostragem óptica utilizando o fator de estiramento do tempo, garantindo um registro de pulsos de retorno com precisão do nível de femtosecondos. Além disso, a utilização de informações de fase óptica melhora ainda mais a precisão da medição, permitindo uma função de medição de distância precisa e detalhada.

• Pequeno tamanho
Os sistemas de radar compactos podem ser desenvolvidos com lasers de pente duplo compactos de câmara única, especialmente aqueles que operam em frequências repetitivas de GHz ou mais altas.

• Alta sensibilidade

A amplificação coerente da oscilação no radar laser de pente duplo permite uma detecção de alta sensibilidade ao reflexo de retorno. Além disso, os lasers de estado sólido de bloqueio produzem lasers com ruído ultra-baixo (RIN e temporização) em alta frequência, permitindo medições com alta sensibilidade e ruído limitado em granulado.