Giải pháp thiết kế hệ ăng ten thu cho thiết bị đo xa Laser

Vật lý N. V. Thương, L. V. Cường, Đ. Q. Phong, “Giải pháp thiết kế ăng ten thu đo xa laser.” 116 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ ĂNG TEN THU CHO THIẾT BỊ ĐO XA LASER Nguyễn Văn Thương1*, Lương Văn Cường1, Đặng Quốc Phong2 Tóm tắt: Tính toán, thiết kế hệ ăng ten thu phù hợp với chức năng và kỹ chiến thuật cho thiết bị đo xa laser như: thu được nhiều năng lượng laser, lọc được nhiễu tín hiệu, kích thước hạn chế, đồng thời giá thành giảm, đơn giản, dễ căn chỉnh là một trong những bài toán khó. Đặc biệt vấn đề nâng cao năng lượng thu đồng thời giảm kích thước hệ ăng ten. Trong bài báo, tác giả trình bày một giải pháp thiết kế hệ ăng ten thu cho thiết bị đo xa laser có thể đáp ứng được các yêu cầu nêu ra. Từ khóa: Ăng ten thu, Đo xa laser, Đầu thu xung, Phin lọc bức xạ laser. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc chế tạo thiết bị đo xa laser là thiết kế hệ ăng ten thu đảm bảo thu được nhiều năng lượng laser, lọc được nhiễu tín hiệu từ môi trường xung quanh và đảm bảo dễ dàng gia công căn chỉnh. Theo nguyên lý thiết kế các hệ quang cho các đầu thu quang nói chung và đầu thu cho đo xa laser nói riêng, cự ly nhạy phụ thuộc vào đường kính vật kính của ăng ten thu [1]. Đường kính vật kính của ăng ten thu càng lớn thì cự ly đo được càng xa. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn tới chiều dài của hệ quang sẽ tăng lên, làm ảnh hưởng đến kích thước của thiết bị. Mặt khác, để đảm bảo việc xác định cự ly được chính xác, tránh ảnh hưởng của nhiễu sáng gây ra bởi môi trường xung quanh, điều bắt buộc phải đặt thêm một phin lọc giao thoa trong hệ quang (phin lọc này chỉ cho phép ánh sáng trong dải hẹp (o± 10nm) đi qua [2]). Giảm kích thước của phin lọc giao thoa trong hệ ăng ten thu cũng là một vấn đề công nghệ cần được quan tâm. Trong hệ quang ăng ten thu đơn giản (Hình 1), hệ quang chỉ bao gồm 2 hoặc 3 vật kính để hội tụ chùm tia laser vào đầu thu photodiode [3]: Hình 1. Hệ quang ăng ten thu đơn giản. 1 - phin lọc giao thoa, 2 - hệ vật kính, 3 - đầu thu photodiode. Nhằm tránh quang sai gây ra, phin lọc giao thoa 1 bắt buộc phải đặt ở trước hệ vật kính 2 [3]. Kích thước của phin lọc khi đó sẽ lớn (50mm). Để làm giảm kích thước của phin lọc, một số thiết bị đo xa laser như BD1, LPR1 sử dụng ăng ten thu có 2 thành phần: hệ chuẩn trực kepler để tạo chùm tia laser song song có vết nhỏ và hệ vật kính hội tụ [4]. Phin lọc giao thoa sẽ được đặt vào giữa hai hệ, ngay sau hệ kepler. Ưu điểm của phương pháp này là làm giảm được kích thước của phin lọc, tuy nhiên chiều dài của hệ vẫn rất lớn, lên tới 200mm (Hình 2) [3]. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 117 Hình 2. Hệ quang ăng ten thu của thiết bị BD1. 1 - Hệ kepler ; 2 - Hệ vật kính hội tụ ; 3 - Phin lọc giao thoa. Trong bài báo, tác giả đề xuất một phương pháp thiết kế hệ quang ăng ten thu có thể khắc phục được những khuyết điểm của các hệ quang nêu trên. 2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP,TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ Nếu hai hệ chuẩn trực galile và kepler có cùng đường kính thông quang D, cùng hệ số phóng đại G, đều sử dụng hai thành phần thấu kính có tiêu cự f1 và f2 thì chiều dài tương ứng hai hệ sẽ được tính như sau:Lg = f1 - f2 và Lk = f1 + f2. Như vậy, hệ kepler sẽ dài hơn hệ galile một khoảng là Lk-Lg = 2f2. Với D = 50 mm ; G = 2 thì đường kính đồng tử ra: D’ = D/G = 25 mm. Theo điều kiện khẩu độ tương đối D’/f2 không vượt quá 1:3, tiêu cự của thành phần thứ 2 là f2 sẽ nằm trong khoảng từ (4070) mm. Như vậy, hệ kepler sẽ dài hơn hệ galile khoảng từ (80 140) mm. Trên cơ sở phân tích ở trên, qua nghiên cứu điều kiện công nghệ trong nước hiện nay và phân tích đánh giá các hệ cơ sở cho hệ ăng ten thu nói chung, nhóm tác giả đã đề xuất lựa chọn phương án thiết kế hệ quang ăng ten thu có 2 cụm thành phần gồm: hệ chuẩn trực galile 1 và hệ vật kính hội tụ 2 (hình 3). Trong đó, hệ chuẩn trực galile có ưu điểm so với hệ kepler được phân tích ở trên là có tác dụng thu nhỏ đường kính chùm tia, tạo chùm tia song song đồng thời rút ngắn được chiều dài hệ chuẩn trực. Hệ vật kính hội tụ sẽ hội tụ chùm tia song song vào mặt phẳng tiêu diện của đầu thu. Hình 3. Sơ đồ hệ quang ăng ten thu đề xuất. 1 - Hệ galile ; 2 - Hệ vật kính hội tụ ; 3 - Phin lọc giao thoa. Đường kính thông quang của hệ được xác định theo công thức sau [1]: . 1 2 2 m pr mL pr m per E D L e E            (1) trong đó, perE là năng lượng đầu phát laser; Epr.m là năng lượng nhỏ nhất của chùm tia laser mà đầu thu có thể thu được đối với mỗi bước sóng và độ rộng xung cho trước; 1 , 2 tương ứng là hệ số truyền qua của hệ ăng ten phát và thu. Dpr là Vật lý N. V. Thương, L. V. Cường, Đ. Q. Phong, “Giải pháp thiết kế ăng ten thu đo xa laser.” 118 đường kính thông quang của hệ ăng ten thu; Lm là cự ly đo; là hệ số suy hao trong khí quyển;  là hệ số phản xạ của mục tiêu; 0/sE E  là hệ số, được xác định bằng tỷ số giữa phần năng lượng chiếu lên mục tiêu sE với toàn bộ năng lượng của chùm tia laser tới mục tiêu (năng lượng đi qua mặt phẳng đặt vuông góc với chùm tia laser tại vị trí đặt mục tiêu). Với một thiết bị đo xa laser quân sự có cự ly đo lên đến 20 km, sử dụng đầu phát là loại laser rắn AYG-Nd3+ với perE = 40 mJ; đầu thu photodiode là loại ФПУ-21ВА (Nga) có Epr.m = 1,2.10 -15J ; các đại lượng τ1= 0,9; τ2= 0,8 ; α =0,5km -1;  = 0,2 ;  = 1 [1], theo công thức (1) prD ≈ 54 mm. Sử dụng phần mềm Zemax để tối ưu hệ ăng ten thu, dữ liệu thiết kế hệ quang thu được như trong bảng 1. Bảng1. Dữ liệu thiết kế hệ quang ăng ten thu. Kiểu bề mặt Bán kính Độ dày Vật liệu Đường kính thông quang Vật Tiêu chuẩn STO Tiêu chuẩn 79,43 8,2 LZ_K8 27 2 Tiêu chuẩn -929 0,5 26,63 3 Tiêu chuẩn 72,95 5,8 LZ_K8 25,57 4 Tiêu chuẩn 150 55 24,75 5 Tiêu chuẩn -44,99 2 LZ_K8 9,31 6 Tiêu chuẩn 26 14 8,78 7 Tiêu chuẩn 31,16 3 LZ_K8 8,76 8 Tiêu chuẩn 90,02 0,5 8,56 9 Tiêu chuẩn 18,57 4 LZ_K8 8,35 10 Tiêu chuẩn 56,36 28,522 7,77 ảnh Tiêu chuẩn Vô cùng 0,1 Chất lượng hệ quang được đánh giá thông qua đồ thị điểm ảnh và đồ thị hàm MTF như trong hình 4. a) b) Hình 4. a) Đồ thị điểm ảnh; b) Đồ thị hàm MTF. 0E Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 119 Từ kết quả trong hình 4, bán kính kích thước vết lớn nhất đối với chùm tia song song là 0,4μm, hàm MTF ở tần số 100 đạt 6,1. Như vậy, hệ quang thiết kế đảm bảo chất lượng cao [4]. Trên cơ sở hệ quang đã được thiết kế, cơ cấu cơ khí gá lắp, căn chỉnh hệ ăng ten thu đã được thiết kế như hình 5. Hình 5. Bản vẽ thiết kếcơ cấu gá lắp hệ quang ăng ten thu. 1 - Hệ galile, 2- Hệ vật kính hội tụ, 3 - Đầu thu photodiode, 4 - Phin lọc giao thoa. Theo bảng số liệu 1 và hình 5, đường kính thông quang của hệ đạt 54 mm, chiều dài hệ quang đạt gần 120mm, chiều dài cả ăng ten thu đạt 140 mm. So với hệ quang sử dụng hệ kepler như đã phân tích ở trên có chiều dài tới 200 mm thì hệ quang được thiết kế đạt yêu cầu về tiêu chuẩn kích thước nhỏ gọn. Kích thước phin lọc giao thoa của hệ thiết kế là 20 mm, nhỏ hơn một nửa so với phương án thiết kế hệ quang như hình 1.Trong phương án thiết kế này, thiết bị đo xa laser S-DL-2 đã được thiết kế chế tạo trên cơ sở đầu thu ФПУ-21ВА (LB Nga). 3. GIA CÔNG CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM Sau khi gia công chế tạo, ăng ten được thử nghiệm và so sánh với ăng ten thu của thiết bị đo xa laser cũ BD1 (Nga). Quá trình thử nghiệm đánh giá sự phụ thuộc năng lượng đầu thu thu được vào năng lượng đầu phát laser và sự phụ thuộc cự ly đo được vào năng lượng đầu phát laser được thực hiện theo sơ đồ trên hình 6. Kết quả trình bày trên hình 7. Hình 6. Sơ đồ thí nghiệm. 1 – Nguồn nuôi ; 2 - Đầu phát laser ; 3 - Ăng ten thu thiết kế; 4 - Ăng ten thu của thiết bị BD1; 5 - Mục tiêu; 6 - Máy tính. Vật lý N. V. Thương, L. V. Cường, Đ. Q. Phong, “Giải pháp thiết kế ăng ten thu đo xa laser.” 120 a) b) Hình 7. a) Sự phụ thuộc năng lượng đầu thu thu được vào năng lượng đầu phát laser khi đo ở cự ly 5km. b) Sự phụ thuộc cự ly đo được vào năng lượng đầu phát laser Eper - năng lượng đầu phát laser ; Epr - năng lượng đầu thu thu được. Từ hình 7 nhận thấy rằng, ăng ten thu thiết kế thu được nhiều năng lượng hơn và cự ly đo được cũng lớn hơn so với ăng ten thu của thiết bị BD1. Với giá trị năng lượng phát là lớn nhất Eper = 40 mJ thì ăng ten thu thiết kế vẫn đảm bảo thu được cự ly lớn nhất là 20 km. Tuy nhiên, việc so sánh ở đây mới chỉ dừng lại ở một thiết bị đo xa laser cũ, cho nên kết quả thử nghiệm có sự chênh lệch. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các hệ quang ăng ten thu cho thiết bị đo xa laser, từ đó đánh giá được những mặt ưu, khuyết điểm của các hệ quang này. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã đề xuất một phương án thiết kế cải tiến hệ trên để khắc phục được những khuyết điểm của những hệ trước, song vẫn đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật: thu được nhiều năng lượng laser, lọc được nhiễu tín hiệu, kích thước nhỏ. Với các thông số này, hệ cơ khí sẽ hợp lý hơn trong thiết kế, khả năng căn chỉnh sẽ tăng lên và giá thành có thể giảm hơn được phần nào. Sản phẩm sẽ được hoàn thiện thêm và hy vọng sẽ được đưa vào sử dụng trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Балашов.И.Ф.“Энергетическая оценка импульсных лазерных дальномеров”. Санкт-Петербург, 2000.-16c. [2].Универсальная оптическая лаборатория, Казанский госудаственный университет им. В. И. Ульянова – Ленина, раздел 4, Казань – 1996. [3]. Парвулюсов Ю.Б. и др. “Проетирование ОЭП” – М.;ЛОГОС, 2000.-488 с. [4]. [5]. “TÝnh to¸n n¨ng l­îng bøc x¹ cña chïm tia laser trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ thiÕt bÞ ®o xa laser”, T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN Qu©n sù, Sè §Æc sanVLKT, 09 – 2013. [6]. Robert E. Fischer“Optical System Design”,2015 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 ăng ten thu thiết kế ăng ten thu của thiết bị BD1 Eper, mJ Epr, 10 -15J 0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 ăng ten thu thiết kế ăng ten thu của thiết bị BD1 Eper, mJ L, km Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 121 ABSTRACT SOLUTION IN DESIGNING A RECEIVING ANTENNA SYSTEM FOR LASER RANGEFINDER Calculating and designing a receiving antenna system for laser rangefinder to satisfy many different requirements such as obtaining a lot of laser enerygy, filtering signal noise, size restrictions, reasonable price, simple, easy alignment, etc., is one of the difficult problems. In the paper, a solution for designing a receiving antenna system for laser rangefinder satisfying the stated requirements is presented. Keywords: Receiving antenna, Laser rangefinder, Pulse receiver, Laser radiation filter. Nhận bài ngày 11 tháng 05 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 08 năm 2016 Địachỉ: 1Viện Vật lý kỹ thuật - Viện KH&CN quân sự; 2Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội; *Email: sonythuong@gmail.com.