Comments 72
Потрясающая работа, не смотря ни на что — заслуживает пристального внимания и большого уважения.
Здорово! Спасибо!
Я, если честно, тоже думал, что измеряют время полёта света.
Познавательно.
Время полёта света так же измеряют, тут просто другой тип дальномера
Респект и уважуха автору, довести такое до конца, при этом не имея уверенности в успехе, это действительно круто!
Тут стоит заметить, что дальномер я делал с перерывом в два года. Сначала я пытался сделать гетеродинное преобразование, но из-за наводок и отсутствия экранирования, отсутствия регулирования освещенности конструкция практически не работала, после чего была заброшена.
Осенью ко мне попал корпус фотоприемного устройства, и я захотел снова попробовать сделать дальномер. Изначально я думал делать дальномер на ПЛИС, но потом случайно нашел в интернете уже упомянутые статьи, из которых следовало, что данные можно захватывать контроллером напрямую. От старого дальномера я оставил только усилитель сигнала фотодиода.
Однако даже когда весь дальномер был сделан практически в том виде, в каком он описывается в статье (не было только заслонки), чуть было не бросил его опять — точность была слишком низкой. Немного позже, моделируя в Mathcad влияние помех на точность измерения, практически случайно заметил, что наличие даже небольшой наводки с лазера очень сильно искажает результат. Добавил дополнительное экранирование проводов усилителя лазера — и точность стала такой, как теперь.
… реализовать автоматическое управление усилением не удалось...

Зачастую для таких задач ставят несколько усилителей и затем переключаются между ними с помошью реле для достижения требуемого усиления.
Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.


Я, конечно, понимаю, что давать в качестве «проекта со схемой конструкции» ссылку на патент это издевательство, но, на всякий случай, вот:

www.google.com/patents/US6483595
Вот именно, что есть очень много научных статей, патентов, книг — но схем нигде нет. Постоянно встречается использование лавинных фотодиодов — они обладают собственным усилением, но при этом достаточно дороги и требуют высокого напряжения для работы.
Вот здесь есть пример достаточно простого TOF дальномера для Arduino. Даже схема есть, но названия деталей не указаны.
Видимо, дело в том, что упрощенную схему выкладывать никому не интересно, а реальную предпочитают держать при себе. Ведь из мелких решений, направленных на подавление шума, подавление или стабилизацию наводки, контроль напряжения на фотоприёмнике для стабилизации задержки, выравнивание задержек на смесителях и фильтрах (чтобы дальномер не детектировал вариации фазы модулируемого сигнала) — складывается качество дальномера в целом. И дарить эти наработки конкурентам мало кто хочет.
Лавинный фотодиод — насколько я понимаю, полезен для уменьшения шума и стабилизации задержки в фотодиоде. Когда начинаешь считать каждый фотон (что приходится делать на больших расстояниях), отношение сигнала к радиотехническому шуму приходится поднимать, насколько это возможно. Остаётся фотонный шум, но от него никуда не денешься.
Вообще, точность 0.2-0.5 градуса — отличный результат. Если поднять частоту модуляции хотя бы до гигагерца, ошибка превратится в 10-20 микрон, что сравнимо с современными лазерными трекерами :)
Лавинный фотодиод не уменьшает шумы, а увеличивает отношение сигнал/шум.
Самодельный дальномер есть — дело за самодельным 3D сканером.

Меня лично заинтересовал проект дальномера для смартфона www.youtube.com/watch?v=Wcegnq0UctY, правда он TOF и для больших расстояний.
Отличная статья. Можете чуть подробнее рассказать про отражатель? Приходилось дальномером измерять расстояния 20-30 метров, на солнечной погоде, было сложно…
Кроме описываемого в статье отражателя можно посмотреть на уголковые, как используются в геодезических работах.
А почему фотодиод включен таким образом?
Вот такое включение не даст лучшие характеристики?
image
Интересно как работает лазерный дальномер в армейских системах, например в И-251 «Шквал» Там этот дальномер на расстоянии нескольких километров работает.
Задержка между отправкой и приходом импульса. Иногда — плюс фазовый набег модулированного сигнала.

Я в какой-то момент думал о разработке дальномера, смотрел на TDC-чипы (time-to-digital converter) на линиях задержки. Это специализированные чипы для измерения интервалов времени. Микросхема такого типа www.acam-usa.com/F1_Data_Sheet.pdf дает диапазон измерений от 5ns до ~8us (от 1.5m до 2400m) с шагом в 120ps (~4cm). Стоят они, правда, как крыло от самолета (я интересующий чип находил в МСК от 2к). На некоторые чипы действуют ограничения по экспорту к варварским народам типа нас.

Основные сложности — нужны хорошие фронты (при формировании импульса на лазер) и приличный детектор =)
Я вот не понимаю как там что-то отражается на таком большом расстоянии и не под прямым углом? :)

(я интересующий чип находил в МСК от 2к).
Если 2к рублей то не так это и дорого :)
Там используют твердотельные импульсные лазеры с модуляцией добротности. Мощность излучения в импульсе может доходить до мегаватта.
>На некоторые чипы действуют ограничения по экспорту к варварским народам типа нас.

Кстати да, есть такое. Ко мне обратилась китайская компания на тему покупки в США и отправки к ним входных усилителей для осциллографов на частоту 10ГГц. Усилители-то я нашел, только производитель меня сразу предупредил — только для использования внутри США, никакого экспорта.
у меня в танке T172 лазерный дальномер работал на дистанциях до 10 км. И точность около метра
Вы продемонстрировали высокий уровень подготовки в МВТУ и способность решать как вопросы разработки системы, так и отдельные технические задачи. Это радует.
Данная система имеет перспективы для измерения малых (до 10 м) расстояний, и тут важное значение будет иметь проблема точности и скорости измерений.
То, что «давно продаётся», мне показалось ультразвуковым дальномером с лазерным прицелом. Точность там была около 10 см на расстоянии 5-6 м.
Подаются как ультразвуковые дальномеры ценой до 20$, так и лазерные, ценой от 40$. На робофоруме есть даже описание реверс-инжиниринга такого дальномера: ссылка.
Подскажите пожалуйста ссылку на лазерный дальнометр ценой от 40$. Крайне интересно поглядеть.
Берите любой. Он наверняка будет «от 40$». Например, за $300000…
По ссылке ничего не понятно — ни принцип, ни рабочие частоты… Впрочем, верю, что в последнее время могли появиться и лазерные.
Есть ли хоть одна ссылка на дальномер за $40? На Амазоне в этом диапазоне удалось найти только рулетку с втягивающимся тросиком… не совсем лазерную.
Интересно. На английском амазоне отзывы, в основном, положительные (и даже восторженные), хотя кто-то пишет, что их заявленная точность 3 мм — только при +25C. Интересно, как другие подобные устройства реагируют на погоду.
Фазовые дальномеры по своей природе обладают многократно более высокой точностью.
Потенциально она соизмерима с длинной волны. Это позволяет использовать их для высокоточных измерений вплоть до применения в качестве измерительных устройств в промышленности.
«Бытовые лазерные дальномеры» для этого не годятся.
До длины волны добраться непросто. Во-первых, лазерное пятно остаётся довольно большим: даже при переменном фокусе сжать его хотя бы в 100-микронную точку на большом расстоянии не удастся, если не ставить на лазер очень большую линзу. 1 мм на 10 м — предел мечтаний. Во-вторых, даже метеостанция в самом дальномере не расскажет, какие условия будут на всём ходе луча. А изменение температуры на 1 градус — это, между прочим, 10 микрон на 10 метрах. И при неравномерных условиях трудно предсказать даже, в какую сторону пойдёт луч. Нам удавалось поворачивать лучик с помощью обычного фена — на 30 метрах пятно сдвигалось на сантиметр :)
Там еще и много других проблем.
В частности и неперпендикулярность контрольной площадки, в том числе однородность и коэффициент преломления среды по которой распространяется свет как указали Вы.
Но все хорошо в меру. Точность измерения расстояния соизмеримую с длинной волны я привел как то что может быть предельно достигнуто, На мой взгляд, достаточно было иметь доли миллиметра на 10 метрах.
Вообще, есть не так много поверхностей, для которых имеет смысл говорить о расстоянии до них (измеренном оптическим способом) с точностью лучше десятков микрон. Большинство оказываются либо блестящими (и измеряется расстояние до отраженного объекта), либо шершавыми (с физически негладкой поверхностью), либо полупрозрачными (почти вся органика, в том числе краска) — в них луч может пройти не один миллиметр, прежде чем вернётся обратно. Более-менее пригодным материалом оказался, разве что, алюминий, обработанный пескоструйкой.
А доли миллиметра на 10 метрах сейчас можно получить за 3-4 микросекунды. С помощью 12-милливаттного лазера.
В качестве отражателя на таких (с точностью до длины волны) измерителях может быть только высокоточная зеркальная поверхность. Потому что и шероховатость и неровность будет давать погрешность.
Я к тому, что говорить про «перспективность» уже поздно. Лазерные дальномеры всевозможных типов широко используются в промыщленности.

Например, они применяются для позиционирования с нанометровой точностью кремниевых пластин в микроэлектронной помышленности (это к вопросу о точности).
К сожалению, возможно Вы просто не в курсе, но при позиционировании масок (не пластин) с точностью долей нанометров используется другой способ.
Это реперные метки.
Ваша ссылка не работает, но документ ALIGN-ASML.pdf есть в Интернет.
А точность существенно разная для совмещения масок — высокая, для перемещения кристалла — много меньше.
Потому что неправильное совмещение масок приводит к невозможности самого изготовления чипа, а ошибка в расстояние между чипами не приводит к из потере.
Указанная в этом документе точность лазерного метода — 0.08 мкм = 80 нм.

И потом, для сканнера (а не степпера), перемещение должно осуществляться с той же точностью, что и начальное выравнивание.

(моя ссылка работает если скопировать её целиком, а не кликать по ней, это недостатки хабрапарсера)
Реперные метки позволяют совмещать маски с точностью много большей.
Например для 22 нм техпроцесса до единиц нм, а точность перемещения кристалла может быть та что указали Вы.
Ну ладно, заменим в моём исходном комментарии «нанометровую» точность на «десятки нанометров». Общий смысл не меняется.
Восхищаюсь и завидую (белым цветом) людьми у которых руки растут из плеч, а голова из шеи. Серьезно, вы большой молодец.
Хм, до сего времени я думал что ФД-256 довольно низкочастотный фотодиод из-за довольно ощутимой площади кристалла и следовательно большой емкости перехода. Не думал что он вытянет 10Мгц. Может, можно было бы для этого использовать фотоприемник из оптического интерфейса передачи звука? Он там часто идет целым модулем с интегрированным усилителем.
Тоже вот несколько дней назад решил попробовать использовать приемник Toslink. Уже заказал в Китае, жду.
Приехал приемник TORX147. Подключил его к дальномеру. Точность получилась никакая, несмотря на довольно приличный уровень сигнала — похоже АРУ приемника сильно влияет на фазу.
А получится сделать лазерную арфу с помощью этого метода?
Сколько времени проходит на сканирование комнаты в одной плоскости?
Крутизна — не то слово! Преклоняю колено перед автором. Мне тем очень интересна, но все мои попытки как следует набижать на реверс или запиливание «с нуля» фазового, или хотя-бы ETS дальномера разбивались о твердые и непоколебимые скалы отсутствия удобоваримого материала, достаточного количества существующих проектов и, видимо, пока еще определенной моей мозгожопостью в этих областях. Аналог, все-таки, извиняюсь, — не анал, тут голова нужна :(
DLE-50, по стопам автора статей в одной из приведенных выше ссылок удалось зареверсить (еще достаточно давно этим занимался) и получить рабочий результат, но при попытке досконально разобраться что и как там работает я уперся в микросхемсу-черный ящик и эту самую свою мозгожопость.
Далее, был приобретен для ковыряния как раз прибор за ~45 баксов фирмы UNI-T на ебэе. Там оказалась stm32 (что хорошо), оптика с драйвером и усилителем в виде отдельного модуля (что тоже хорошо), но мозгожопость застряла меня на этапе разбора механизма работы — опять же не смог толком понять зачем и как там работают два синтезатора частоты на основной плате. Схему платы с наскока тоже снять не получилось, все очень мелкое и плата многослойная, убиться проще… Или нужно убить очень-очень-очень много времени :( Пока отложил.
Сейчас присматриваюсь к вот такой штуке lightware.co.za/shop/en/6-laser-sensors Он открытый, электроника и принципы работы там несколько проще и понятнее. Буду грызть дальше.
А автору — еще раз респект!
Проект по ссылке видел, достаточно интересный, только вот они к своей схеме номиналы не указывают, что печально. Кроме того, там нужен недешевый импульсный лазер.
Почему же, номиналы там указаны в даташите сразу после схемы, списком. Другое дело, что они не соответствуют схеме (что-то одно видимо было переделано, а второе автор поправить забыл), но это как раз легко устранить, я думаю, просто попросив автора поправить неточность. Я ему, к стати, написал, посмотрим.
Спасибо за замечание, оказывается, они обновили документацию (18 марта), в старой этой информации не было.
Смотрю, диод там дорогой: >20$.
Да там и тот и другой диоды не сильно дешевые. Зато один лавинный, а другой импульсный и мощный :) Вроде железо адекватное, должно работать хорошо, для изучения принципов, азов и всяких экспериментов сгодится (ну, мне по крайней мере). Я бы, честно говоря, вообще половину схемы сделал бы на PSoC, благо у меня валяется почти без дела платка, ну и поигрался бы, покрутил-повертел, что из этого получится.
Фотодиод там обычный, PIN. Лавинный там транзистор, управляющий лазером. Оба вроде бы достаточно дешевые, каждый <2$.
Да, точно, бес попутал, там просто PIN. Значит лавинный я еще в какой-то подобной девайсине видел, а где — вспомнить не могу.
Искал свой институтский диплом по этой теме, и гугль привёл сюда. Схема по-сути была таже, только реальный образец не сделал тогда. Из интересного — частоты генераторов выбирались 4432 кГц и 4435 кГц, переключение делалось с частотой 100 кГц.
Спасибо, очень интересно. Мне как раз сейчас примерно такой нужен. Именно самодельный. Ибо ему придётся работать в связке с ещё целым комплексом оптических девайсов, и чтобы они не создавали друг другу помех, нужна полная управляемость. Единственное замечание по проекту — наверно фильтр на 10Mhz лучше было бы поставить после полевого транзистора и до основного усилителя. Тогда у Вас усиливался бы уже только сигнал в полезной полосе.
Only those users with full accounts are able to leave comments. Log in, please.