Лазер vs воздух

[Kerghan]

Была тут тема "Есть идея" с идеей лазерной воздухосмотрелки от Igor_65. Ее выпилили чели?

[Kerghan]

Хм.. это внезапно обнаружилось сегодня утром?

[KiT]

шкода що тему видалили... я вчора над цим цілий день думав, тільки не було часу на форумі відписувати...
пс можете написати яка мінімальна висота і мінімальна відстань(радіус) будуть цікавими? наприклад висота 200м радіус 200м (кут 45) лазерна пляма на землі виходить в 300м від приймача. чи це дуже мало?

[Kerghan]

В таком виде как оно предполагается непосредственно - стремно, я бы не брался. Идея сама безусловно достойна внимания, но "на коленке" реализовать не получится никак.
 
Тему удалять не стоило, так как все-таки полезные мысли там были в обсуждении. И даже если оказалось, что идея в непосредственно предложенном виде на практике работать не будет, это не нужно скрывать, так как может кто-то увидит как указанные проблемы обойти и предложит/реализует рабочую идею. У меня сохранился бэкап темы и ща я его выложу.

[Kerghan]

Igor_65

Сезон заканчивается. Есть время подумать и обсудить такую идею:

1 Берем малогабаритный красный лазер (указка например) и жестко соостно совмещаем его с малогабаритной видеокамерой. Обьектив камеры имеет усиление такое, чтобы проекция отметки лазера находилась в центре фокуса и занимала 30% от видимого участка. Выглядит это примерно так же как оптический прицел + лазерная отметка.

2 Размещаем сию конструкцию на высоте 50 - 100 м и ориентируем вниз под углом 40-60 градусов.

3 В спокойном воздухе отметка лазера находится в центре экрана.

4 Если поместить на пути луча лазера воздушную неоднородность, имеющего температуру выше окружаещего пространства, например телый воздух от свечки или  пузырь теплого воздуха то  в этом случае по физике на границах более плотной и менее плотной среды произойдет преломление лазерного луча и отметка от лазера на удаленном обьекте сместится относительно своего первоначального положения вверх. Чем ближе к лазеру такая неоднородность, тем больше будет смещение зайчика лазера.

5 В случае более холодного воздуха в неоднородности, отметка лазера сместится вниз от первоначального положения.

Необходимо оценить  (проверить) насколько чуствительной будет такое устройство в прохождению через луч лазера атмосферных неоднородностей (термиков).  Если эффект будет достаточным сильным, в перспективе позможно создание нового устройства для сканирования окружающего воздуха.

Система мгновенного действия, поэтому в малогабаритном исполнении, закрепленный на шлеме прибор следует за взглядом пилота. По смещениям (дрожанию) отметки лазера можно оценить наличие или отсутствие впереди областей прогретого воздуха (термиков)

Добавлю, что в случае рабочей концепции, видеокамеру можно заменить микрообьективом на очках пилота проецирующим картинку на матовый экран 5х5 мм или использовать несколько фоточуствительных элементов, поскольку интересует нас не изображение, а смещение светового пятна лазера относительно нулевого значения. Электроника должна выдать бип нужной тональности в зависимости от величины и направления смещения зайчика лазера. В идеале - поворот головы пилота от левого к правому карабину позволит обследовать пространство впереди. Чем сильнее отклонение - тем ближе и мощнее тепловая неоднородность впереди.

В солнечном свете световое пятно лазера не очень хорошо видно, поэтому промодулировав интренсивность излучения на выходе приемника можно выделить переменную составляющую нужной частоты. Для исключения эффектов микротурбулентности она должна быть выше 50 Гц.

Как по сложности электроники, то я думаю это не сложнее обычного варика или GPS прибора.

Проверить концепцию легко. Достаточно иметь у себя на окне стационарно закрепленные лазер и бинокль. Луч направить слегка вниз. В солнечную погоду должен наблидаться дребезг "зайчика" от лезера на удаленных обьектах.

P.S. есть идея но нет времени для  проверки. Надо довести до ума термокомпас. Так что милости просим... Кто заинтересован - в личку или сюда.

GO!

Игорь, ты скоро из параплана A320 сделаешь! 

Igor_65

Игорь, ты скоро из параплана A320 сделаешь! 

Идеи возникают на уровне подсознания и с этим надо что то делать. Согласись, что обнаружить метров за 800 только только выстреливающий поток - это того стоит.

Pet

Цитата: Igor_65 от Вчера в 11:02:20 am

    Сезон заканчивается. Есть время подумать и обсудить такую идею:
    1 Берем малогабаритный красный лазер (указка например) и жестко соостно совмещаем его с малогабаритной видеокамерой.

Т.к. в моей работе расчёты ведутся по температуре, как-то экспериментировал с лазерным термометром. Мы знаем, что сам воздух не нагревается и не охлаждается.  В основном определялась Т облаков и участков земли. Тоже очень поучительно. Можно определять более теплую зону и направляться туда. Но это не дает сто% уверенности, что там есть подсос или пузырь. Можно сказать 50 на 50.

Цитата: Igor_65 от Вчера в 12:01:05 pm

    Идеи возникают на уровне подсознания и с этим надо что то делать. Согласись, что обнаружить метров за 800 только только выстреливающий поток - это того стоит.

Я определял тепературу на 11000 метрах.

South_w

Еще такое мнение. Если в том виде как есть, то получается что будет лазер и к примеру какой то объектив, на который мог бы смотреть пилот. Если я правильно понял то это будет просто лазерное шоу и мне кажется что не безопасное? Летит человек 30 и у всех такие лазеры и все крутят головами лазеры будут попадать в глаза. Важный вопрос, дабы не оказалось что при начальных экспериментах не вышло за рамки безопасности.
РС. лирическое мнение. Все эти приборы на мой взгляд конечно да дают новые возможности, но отодвигают романтику полета

Igor_65

    Т.к. в моей работе расчёты ведутся по температуре, как-то экспериментировал с лазерным термометром. Мы знаем, что сам воздух не нагревается и не охлаждается.  В основном определялась Т облаков и участков земли. Тоже очень поучительно. Можно определять более теплую зону и направляться туда. Но это не дает сто% уверенности, что там есть подсос или пузырь. Можно сказать 50 на 50. Я определял тепературу на 11000 метрах.

Поиск более нагретых участков поверхности был озвучен ранее. Действительно вероятности попасть в термик малы за счет того, что поиск происходит на высоте а не на поверхности.

В связи с Ваше работой, навскидку, несколько вопросов:

1. На каком максимальном расстянии можно стабильно отследить зайчик от лазерного луча, направленного к поверхности под углом 60-80 градусов?
2. Существуют ли готовые модули по приему отраженного от поверхности лазерного излучения, каковы из параметры по точности и направленности.
3. Возможно ли создать малогабаритный приемник излучения, где приемные элементы будут расположены так, чтобы определить смещение отметки лазера на удаленном обьекте.
4. Есть ли у Вас возможность провести стационарный эксперимент, который установит степень отклонения луча от неоднородностей прогретого воздуха. Возможно Вы уже сталкивались с этим эффектом при измерениях температуры.

    Летит человек 30 и у всех такие лазеры и все крутят головами лазеры будут попадать в глаза.

Любую идею можно довести до абсурда. В группе и так видно потоки. Вопрос относится больше к одиночным полетам для местности без явно выраженных тригеров.

    Если в том виде как есть, то получается что будет лазер и к примеру какой то объектив, на который мог бы смотреть пилот.

Только на этапе проверки концепции. В противном случае пришлось жестко связать такой обьектив с глазом пилота. Гораздо привликательнее иметь сбоку шлема небольшой модуль однонаправленных лазер и приемник. А  степень отклонения озвучивать высотой звука, как в варио. Поворачивая голову, можно достаточно точно определить направление по более высому тону. Типа того.

Pet

Можно ссылку на
Цитата: Igor_65 от Вчера в 12:35:13 pm

    Поиск более нагретых участков поверхности был озвучен ранее.

Отвечу, что помню. Более точно напишу после просмотра тех.данных прибора.
По  памяти: дальность 18000м; угол брал до 45 гр.; размер  150х50х25мм; приём менее сек.
Что касается отклонений, то не отслеживал. Впечатление, что оно незначительно. ИМХО.
Ещё раз отмечу, что у воздуха мы не сможем измерить температуру, только плотные предметы(земля, самолёт, вода и пр.) и облака. И на основе показаний этих температур определить более тёплую зону.

KOLDUN

Если я правильно понял то луч направляем в землю и по отклонению отраженного луча определяем структуру среды, через которую он прошел.
Если так, то Идея офигенная. Даже в вопросе своевременного старта.

Игорь, в военке подобным образом (по отклонению отраженного лазера от оси) производится наведение ракет.

Но лазер реально опасен для глаз. В детстве (в военном училище) мы квантовым дальномером ворон сбивали . (Чесно, не вру, сам, подлец, этим занимался . Но тогда я еще не летал.)
 
А что если ультразвук или э/магнитные волны. Они, по идее, тоже должны отклонятся на границе сред. Ну еще можно импульс сделать коротким по времени, что б луч не успевал навредить.
Но это к людям, ботанирующим ( в очень хорошем смысле этого слова) в этих сферах.

Igor_65

Цитировать

    Если я правильно понял то луч направляем в землю и по отклонению отраженного луча определяем структуру среды, через которую он прошел.

По отклонению светового (лазерного пятна) на поверхности земли. Влияние лазера на пилота исключено полностью. А отражение улавливается не глазом а приемником. Для человека отраженный свет пренибрежимо мал. Единственно, кто на очень короткое время может поймать зайчик - люди на земле. Но вследствие движения параплана и головы пилота - световое пятно будет оставаться на одном месте десятую секунды.

KiT

Цитата: Igor_65 от Вчера в 12:35:13 pm

    1. На каком максимальном расстянии можно стабильно отследить зайчик от лазерного луча, направленного к поверхности под углом 60-80 градусов?
    2. Существуют ли готовые модули по приему отраженного от поверхности лазерного излучения, каковы из параметры по точности и направленности.
    3. Возможно ли создать малогабаритный приемник излучения, где приемные элементы будут расположены так, чтобы определить смещение отметки лазера на удаленном обьекте.
    4. Есть ли у Вас возможность провести стационарный эксперимент, который установит степень отклонения луча от неоднородностей прогретого воздуха. Возможно Вы уже сталкивались с этим эффектом при измерениях температуры.

1. сильно залежить від характеру поверхні. також від потужності лазера.
2. лазерний далекомір ( http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_rangefinder ). наврядче підійде для Вашої задачі : по-перше дорого, по-друге реєстрації зміщення лазерної плями по висоті в цьому приладі немає(точно не знаю, але мені так здається)
3. важко сказати... теоретично можливо. на практиці може бути багато ускладнень, для початку треба знати наскільки сильно промінь буде відхилятися. продумати ТЗ тоді дивитись, чи можна його виконати.
4. можна спробувати тримати(закріпити) указку поруч із конфоркою електроплитки і подивитись, якщо ефект буде помітний треба думати як те саме повторити в полі(в принципі теж є ідеї як це зробити).

пс дешеві лазерні указки мають малу потужність і, що важливіше, велику розбіжність випромінювання. дорожчі мають більшу потужність і відповідно потенційно небезпечні, особливо якщо будуть працювати автоматично... імовірність попасти комусь в очі з висоти 100м звісно мала, але можливо все...
ппс закріплення на шоломі теж під питанням, при нахилі(не повороті) голови вліво-вправо "вертикаль" приїмаючої системи буде не співпадати із реальною вертикаллю.
пппс задача цікава, але думаю, що якби був простий розв'язок, то його б вже придумали)))

KiT

Цитата: Igor_65 от Вчера в 04:31:02 pm

    Единственно, кто на очень короткое время может поймать зайчик - люди на земле. Но вследствие движения параплана и головы пилота - световое пятно будет оставаться на одном месте десятую секунды.

важлива потужність лазера, іноді достатньо і коротшого імпульсу... 

Igor_65

Лазерная указка мин мощности - около 10 мВт. Есть и более мощные аж до 200 мВт. Вся опасность излучения - в нагреве облучаемого обьекта. Для глаза - это помутнение хрусталика.  10 мВт не хватит даже для нагреве капли воды на 1 градус в течение длительного времени.

Цитировать

    пппс задача цікава, але думаю, що якби був простий розв'язок, то його б вже придумали)))

Под лежачий камень портвейн не течет. Если так думать - то и термокомпас должен быть бы давно изобретен. Просто вопрос применения лазера в этом ракурсе не ставился. Скорее наоборот - решалась проблема уменьшения искажений луча при наведении различного вида вооружений.

KiT

200мВт це дуже багато))) не можу точно згадати але здається для ока граничними є ті самі 5мВт , вікіпедія пише, що :
Цитировать

    Class IIIa/3R lasers are usually up to 5 mW and involve a small risk of eye damage within the time of the blink reflex. Staring into such a beam for several seconds is likely to cause damage to a spot on the retina.

небезпека лазерного випромінювання в тому що його легше сфокусувати в пляму маленького розміру, знову ж таки вікіпедія про це пише:
Цитировать

    Today, it is accepted that even low-power lasers with only a few milliwatts of output power can be hazardous to human eyesight, when the beam from such a laser hits the eye directly or after reflection from a shiny surface. At wavelengths which the cornea and the lens can focus well, the coherence and low divergence of laser light means that it can be focused by the eye into an extremely small spot on the retina, resulting in localized burning and permanent damage in seconds or even less time.

Цитата: Igor_65 от Вчера в 05:04:40 pm

    Под лежачий камень портвейн не течет. Если так думать - то и термокомпас должен быть бы давно изобретен. Просто вопрос применения лазера в этом ракурсе не ставился. Скорее наоборот - решалась проблема уменьшения искажений луча при наведении различного вида вооружений.

мав на увазі інше))) задача дійсно є цікавою і дійсно нетривіальною. між іншим ідея термокомпасу не була простою))) вона стала простою після того як Ви його придумали:)
...2-3 роки назад від одного викладача чув що його студент/аспірант цікавився цією задачею, спитаю в чому там була проблема, щоб не наступати на ті самі граблі)))

KiT

можливо просто відхилення буде дуже маленьким і відповідно важко буде досягти хорошої точності... але це треба перевіряти)))

Igor_65

ок

Эдуард Цыганов

Это если ты неподвижно по горизонту голову держать сможешь... но ты ж ею киваешь... это разве не влияет?

Igor_65

Цитата: Эдуард Цыганов от Вчера в 09:57:30 am

    Это если ты неподвижно по горизонту голову держать сможешь... но ты ж ею киваешь... это разве не влияет?

Нет. Если обьяснить на пальцах: В одну трубу бинокля ставим лазер, в другой - оптика с прицелом. Как бы ты не крутил головой - зайчик от луча будет всегда в центре.
Теперь посмотрим через такой бинокль слева-направо. Если на пути лазера встретится оптическая неоднородность, мы увидим к какой то момент времени скачок зайчика в прицеле от своего центрального положения или услышим звук как предлагалось выше. совершенно нетрудно взглядом определить направление, где этот звук будет максимальным по тону.
Просто смотреть нужно не на линию горизонта, а на удаленные обьекты на земле, в общем обычно смотреть.

GO!

Можно гироскоп в голову встроить.

Igor_65

Цитата: GO! от Вчера в 10:05:21 am

    Можно гироскоп в голову встроить.

Смотри пост на ступеньку выше (http://paragliding.in.ua/index.php?topic=9806.msg83748#msg83748)

GO!

Цитата: Igor_65 от Вчера в 10:25:31 am

    Цитата: GO! от Вчера в 10:05:21 am

        Можно гироскоп в голову встроить.

    Смотри пост на ступеньку выше (http://paragliding.in.ua/index.php?topic=9806.msg83748#msg83748)

Оно написано до того как ты сообщение отредактировал.

Это ж стеб. Я просто делаю тему популярной. Вдруг тебе тоже дают евро за пост в теме. Так глядишь и на проект насобираем 

Kerghan

Такой проект по сложности может сравниться с построением системы GPS. Сильно дофига всего нужно учитывать..

Насколько я понимаю, эта идея, если работает, то за счет конечности скорости света. Если бы свет летал мгновенно, состояние атмосферы за такой короткий промежуток времени [ ] не менялось бы), и точка от лазера оставалась бы в центре всегда. При рабочих расстояниях порядка 1км-10км задержка составляет 3-30мксек. Предполагается, что за это время атмосфера слегка меняется, так что в свою очередь меняется оптимальная траектория от пятна на земле до сенсора, пучок отраженного света проходит через оптическую систему чуть под другим углом и соответственно изображение пятна на сенсоре немного смещается. Отсюда требование к сенсору - выдержка должна быть порядка нескольких мксек (иначе вместо изображения пятна от лазера будет просто болшое пятно вокруг оптического центра) - мягко говоря, далеко не каждая камера может себе такое позволить.

Кроме того, амплитуда регистрируемых сенсором колебаний сильно зависит от расстояния до пятна (скорее всего прямо пропорциональна) и довольно сложно будет отличить - то ли это реально штырево в воздухе прямо по курсу внизу, толи пилот сильно далеко смотрит.. можно конечно пробовать извращаться с акселерометром и пытаться определять куда смотрит пилот относительно горизонта, но в воздухе на его бошку действует много других ускорений кроме гравитации, в общем это будет непросто, или можно оценивать мощность вернувшегося сигнала, но на него сильно влияет рельеф, от которого сигнал отразился.

Также, угол расходимости лазера составляет порядка 1e-3радиан или больше, а значит на расстоянии 1км пятно будет иметь размер порядка метра. Если взять 1Ваттный лазер (стремная штука и вряд ли совместима с парапланом), освещенность от лазера будет ощутимо меньше 1Вт/м2, тогда как от солнца в ясный день может прилетать и под 1кВт/м2. Можно поставить узкополосный фильтр на сенсор под частоту лазера, но едва ли он радикально сможет сменить ситуацию. В общем сенсор должен быть еще и малошумным.

Короче нужен достаточно мощный лазер (но так чтобы случайно без строп совсем не остаться и рядом летящие парапланы не порубать)), очень точно откалиброванную систему (угол между лучом лазера и оптической осью должен быть не более/порядка угла расходимости лазера), прецизионную оптику, очень быстрый(!) малошумный и чувствительный сенсор. В общем принципиальной нереализуемости я пока здесь не вижу, но на практике это мягко говоря крайне сложно реализуемо.. Но в порой бывает что идеи, которые кажутся совсем сумасшедшими, все-таки находят свою реализацию .

[Igor_65]

Задача:
На высоте Н находится лазер, луч которого направлен вниз под углом 40 градусов. На высоте H/2 расположен куб с ребром D. Луч направлен в центр куба. Температура окружаещего воздуха 20С  Расхождение луча лазера 1 мрад (0.001*180/3.14) градуса. Начальный диаметр луча -1.1мм

Найти откланение луча от первоначального значения  и размеры светового пятна на поверхности,  если:
 температура воздуха в кубе  22 С , 25 С
 размер D  25, 50 или 100 м.
Высота H - 500м, 1000м

Изменение плотности воздуха  от высоты при расчете не учитывать.

[Kerghan]

Лучше для начала прикинуть угол отклонения лазера на границе сред теплого и холодного воздуха. Есть тулбоксина для рассчета коеффициента преломления воздуха:
http://emtoolbox.nist.gov/Wavelength/Ciddor.asp
Пусть давление 95кПа (~540м), влажность скажем 60%, температуры - 20С и 25С. Лазер - красный 700нм. Получаем:

Input   Amount
Vacuum Wavelength:   700 Nanometers [nm]
Air Temperature:   20 Degrees Celsius
Atmospheric Pressure:   95 Kilopascals [kPa]
Air Humidity:   60 Relative Humidity, Percent
Carbon Dioxide Content:   450 Micromole per Mole [parts per million, ppm]
 
Output   Result
Wavelength in Ambient Air:   699.822494 Nanometers [nm]
Refractive Index of Air¹:   1.000253644
Uncertainty of Calculated Index²:   0.000000025

Vacuum Wavelength:   700 Nanometers [nm]
Air Temperature:   25 Degrees Celsius
Atmospheric Pressure:   95 Kilopascals [kPa]
Air Humidity:   60 Relative Humidity, Percent
Carbon Dioxide Content:   450 Micromole per Mole [parts per million, ppm]
 
Output   Result
Wavelength in Ambient Air:   699.825604 Nanometers [nm]
Refractive Index of Air¹:   1.0002492
Uncertainty of Calculated Index²:   0.000000027

Максимальный угол отклонения будет когда луч проходит почти вдоль границы слоев - случай полного отражения, выходит что-то типа:
alpha = pi/2-arcsin(1.0002492/1.000253644) ~ 0.00298 (радиан). Если под каким-то углом - то соответственно меньше.

То есть луч отклонятся на границе сред будет ощутимо (относительно угла расходимости лазера). Но тут больший интерес представляет как поменяется атмосфера за время прохождения лазера туда-назад и простая модель вроде подымающегося шара/куба, мне кажется, плохо может что-то описать.. Взять бы какуюнить WRF (http://www.wrf-model.org/index.php) да просветить ее лазером), да времени [разобраться во всем] это потребует немерянно..

[Igor_65]

В случае двух сред - смещение около 1 метра.

Если в качестве модели взять куб, то после прохождения луча, смещение будет минимальным и близким к 0

В реальности термик представляет слой перегретого воздуха (центр) и переферийные зоны слива с температурой ниже среднего значения. К тому же на стадии формирвания потока - это тепловые пузыри с прослойкой более холодного воздуха. Прюс микровихри как эффект второго поряка. Достойную модель при таком разнообразии получить невозможно для всех случаев.  Гораздо проще провести эксперименты и замерить оклонения в термичный день с помощью стационарного лазера и хорошего бинокля.

Но тут больший интерес представляет как поменяется атмосфера за время прохождения лазера туда-назад

Никак не поменяется. Но путь, по которому отраженный свет вернется в обьектив будет отличным от направления туда. Например если лазером через рефленное прозрачное стекло посветить на стену, на стене будет одна отметка. Но глаз рядом с лазером булет видеть сразу несколько отметок при возврате света, отраженного от стены, потому что источник света из когерентного направленного превратился в точечный всенаправленный.

- Пересчитай для синего лазера. Синий более подвержен влиянию атмосферы. Красный - менее всего.

[Kerghan]

В общем по идее могут образовываться "миражи"/отражения от пограничных слоев видимые как ослабленные изображения пятна. Но основной поток отраженного света, на сколько я понимаю, должен вернуться тем же маршрутом, так как это кратчайший путь в данный момент. Хотя если оптическая неоднородность очень сильная, то может получаться просто какое-то изменчивое пятно вокруг более яркой центральной точки. Так чтобы просто смещалась точка, мне кажется вряд ли. Вообще действительно, если есть возможность, то лучше бы не теоретизировать, а попробовать на практике. Отдолжить бы у кого-то снайперку с лазерным прицелом  ..
Цікава задачка вообще  .

Для синего лазера смотрел, выходит те же 3мрад. Коеффициенты преломления, ясно, больше, но соотношение их практически не меняется.

P.S. Мож назвать тему как-то по-другому?

[Igor_65]

кто создавал - тот и может поменять название

[Kerghan]

угу, я к тому, как лучше назвать возможный девайс?

[Igor_65]

Название таким системам давно придумано Лидар  http://ru.wikipedia.org/wiki/Лидар

а эффект очень близок к шлирен фотографии шлирен-съемка
http://trendclub.ru/blogs/chat/3609
http://www.webpark.ru/comment/nevidimoe