Laseravstandsmåler

En laseravstandsmåler som kan måle avstander opp til 20 km, her montert på et trefotstativ med vinkelskala i festet. Samlet kan dette systemet brukes for å angi avstand, asimut og høydemåling.

En laseravstandsmåler, også kjent som et lasertelemeter, er en avstandsmåler som bruker en laserstråle for å bestemme avstanden til et objekt. Den vanligste typen laseravstandsmåler fungerer ved utregning fra flyvetiden ved at det sendes ut en laserpuls i en smal stråle mot objektet, og at man deretter måler tiden inntil refleksjonen har blitt returnert til og detektert hos avsenderen. På grunn av den høye lyshastigheten er denne teknikken ikke godt egnet til presisjonsmåliger med mindre enn millimeteroppløsning, i slike tilfeller bruker man ofte istedet triangulering eller andre teknikker.

Puls

Pulsen kan kodes for å redusere risikoen for at avstandsmåleren kan jammes. Det er også mulig å bruke teknikker basert på Dopplereffekten for å bedømme om et objekt beveger seg mot eller bort fra avstandsmåleren, og i så fall hvor fort.

Nøyaktighet

Presisjonen til instrumentet bestemmes av stige eller falletiden til laserpulsen og hastigheten til mottakeren. En måler som har svært skarpe laserpulser og en veldig rask detektor kan gi avstandsmålinger med presisjon på noen få millimeter.

I praksis spiller også værforhold en rolle. Mange avstandsmålere vil få noe kortere rekkevidde på dager med skodde, snø eller på svært solfylte dager.

Maksavstand og avstandsfeil

Til tross for at laserstrålen er smal er den ikke helt rett, men har noe spredning grunnet divergens (konisk i størrelsesordenen mindre enn én milliradian), og vil til slutt spre seg på grunn av scintillasjon og strålevandringseffekter forårsaket av tilstedeværelsen av luftbobler i luften som fungerer som linser som varierer i størrelse fra mikroskopisk til omtrent halvparten av høyden av laserstrålens bane over jorden.

Disse atmosfæriske forvrengningene kan, koblet med divergensen til selve laseren og sidevinder som skyver atmosfæriske varmebobler sidelengs, sammen gjøre det vanskelig å få en presis avstandsmåling, særlig dersom objektet ligger under trær eller bak busker, samt på lengre avstander generelt (f.eks. over 1 km) selv når terrenget er åpent og oversiktlig (f.eks. åpent ørkenterreng).

Det kan hende at man får unønskede refleksjoner av laserlyset fra objekter som er nærmere enn det objektet man ønsker å måle, som for eksempel fra løv og greiner som står i veien. Dette gir en tidligere retur, og dertil en avlesning som er for lav.

Alternativt kan man for avstander over 350 meter, særlig dersom objektet er nærheten av bakken, også oppleve at laserstrålen forsvinner i varmeflimmer (med tilhørende tap av avstandsmåling) på grunn av at laserlyset bøyes av temperaturgradienter i luften i nærheten av den oppvarmede overflaten. Alle disse effektene må tas i betraktning.

Utregning

Skisse av prinsippet for avstandsmåling ved hjelp av flyvetid.

Distansen (D) mellom punkt observasjonspunktet og målet er gitt ved

$D={\frac {ct}{2}}$

hvor c er lysets hastighet og t er tiden for rundturen (frem og tilbake) mellom observasjonspunktet og målet. Tiden t kan videre uttrykkes som

$t={\frac {\phi }{\omega }}$

hvor φ er faseforsinkelsen til lyset som beveger seg og ω er vinkelfrekvensen til den optiske bølgen.

Ved å substituere verdiene i ligningen får man

$D={\frac {1}{2}}ct={\frac {1}{2}}{\frac {c\phi }{\omega }}={\frac {c}{4\pi f}}(N\pi +\Delta \phi )={\frac {\lambda }{4}}(N+\Delta N)$

hvor λ er bølgelengden c/f; Δφ er den delen av faseforsinkelsen som ikke oppfyller $\pi$ (altså, φ modulo $\pi$); N er heltallet av antall bølge-halvsykluser for rundturen, og ΔN er den gjenværende brøkdelen.

Teknologi

EN OLS-27 IRST med laseravstandsmåler på Sukhoi Su-27

Flyvetid fungerer som nevnt ved at man måler tiden det tar for en lyspuls å nå et mål og bli reflektert tilbake. Følgelig kan man beregne avstanden ved å kjenne lyshastigheten og foreta en nøyaktig måling av tiden. Mange laserpulser skytes sekvensielt, og den gjennomsnittlige responsen er mest brukt. Denne teknikken krever at man har en krets med svært nøyaktig tidsmåling med presisjon i størrelsesordenen under et nanosekund.

Multippel frekvensfaseskift går ut på at man istedet måler faseskiftet på refleksjoner fra flere frekvenser, og deretter regner ut noen simultanligninger for å gi en endelig avstandsmåling.

Interferometri er den mest nøyaktige og mest nyttige teknikken dersom man skal måle endringer i avstand i stedet for absolutte avstander.

Bruksområder

Forsvar

En amerikansk soldat med en GVS-5 laseravstandsmåler.

Avstandsmålere kan brukes for å gi en nøyaktig avstand til mål som ligger utenfor kloss hold, og brukes blant annet av skarpskyttere og artilleri. De kan også bruke til militær rekognosering og av ingeniører.

Vanlige håndholdte militære avstandsmålere virker på avstander fra 2 km til 25 km, og er ofte kombinert i samme enhet som en kikkert eller monokulær. Dersom avstandsmåleren er utstyrt med et digitalt magnetisk kompass og et klinometer er den i stand til å angi magnetisk asimut, helling og høyden (lengden) til målet. Noen avstandsmålere kan også måle målets hastighet relativt til observatøren. Noen avstandsmålere har kablede eller trådløse grensesnitt for å overføring av måledata til annet utstyr som for eksempel avfyringssystemer. Noen modeller kan også integreres med nattoptikk. De fleste håndholdte avstandsmålerne benytter vanlige ikke-oppladbare eller oppladbare batterier.

Et makkerpar av nederlandskeskarpskyttere som en del av ISAF-styrken.

For å gjøre laseravstandsmålere og laserstyrte våpen mindre nyttige mot militære mål har det blitt utviklet laserabsorberende maling. Selv uten slik maling vil det være noen objekter som ikke reflekterer laserlys særlig bra, og det vil dermed være vanskelig å bruke en laseravstandsmåler på dem.

Den første kommersielle laseravstandsmåleren var Barr & Stroud LF1 som var utviklet i samarbeid med Hughes Aircraft og ble tilgjengelig i 1965. Etterfølgeren Barr & Stroud LF2 var integrerte i et stridsvognsikte, og ble brukt på Chieftain-stridsvognen i 1969 som den første stridsvognen med et slikt system. Begge systemene bruker en rubinlaser.

3D-modellering

En lidarskanner som kan brukes til å skanne bygninger, steinformasjoner, og så videre, for så å bygge en 3D-modell. Lidaren fungerer ved at en laserstråle presist måler avstand til punktene som skal kartlegges. Hodet roterer horisontalt, og et et speil flipper vertikalt.

Laseravstandsmålere er mye brukt til oppgaver innen datasyn som 3D-modellering eller gjenkjenning av 3D-objekter. Laseravstandsmåleren utgjør en hovedkomponent i disse 3D-skannere og er basert utregning av flyvetid, men er mye mer presis enn de militære instrumentene som er beskrevet ovenfor.

En rekke algoritmer har blitt utviklet for å slå sammen avstandsmålinger fra ulike vinkler til ett enkelt objekt for å gi en 3D-modell med så liten feil som mulig. En av fordelene med laseravstandsmålere fremfor andre metoder for datasyn er at datamaskinen ikke trenger å korrelere funksjoner fra to bilder for bestemme dybdeinformasjonen som man må med stereoskopiske metoder.

Laseravstandsmålere brukt for datasyn har ofte en dybdeoppløsning på tidels millimeter eller mindre. Dette kan oppnås ved å bruke triangulering eller teknikker med refraksjonsmålinger i motsetning til flyvetidsteknikkene som brukes i lidar.

Skogbruk

En TruPulse-laseravstandsmåler til skogsbruk som kan brukes sammen med Field-Map-teknologi for analyse.

Spesielle laseravstandsmålere brukes i skogbruk for datainnsamling til analyse. Disse målerne har filtre som skal hindre målestøy forårsaket av blader, og fungerer ved hjelp av reflektorer. Laserstrålen skal bare reflektere fra denne reflektoren, og skal derfor sikre nøyaktig avstandsmåling.

Sport

Laseravstandsmålere brukes i mange aktiviteter og idretter hvor det er ønskelig med presis avstandsmåling, som for eksempel golf, jakt og bueskyting.

Industrielle produksjonsprosesser

Laseravstandsmålere brukes til styringssystemer og automatisering av produksjonsprosesser, eksempelvis innen stålindustrien.

Lasermåleverktøy

Eksempel på lasermåleverktøy for byggebransjen (Bosch GLM 50 C).

Laseravstandsmålere brukes også innen bransjer som bygg, renovering og eiendomsforvaltning som et alternativ til en målebånd. Den første laseravstandsmåleren til slik bruk ble introdusert av Leica Geosystems i 1993 i Frankrike. Eksempelvis kan bruk av målebånd for å måle opp et rom føre til at man trenger to personer, en til å høde båndet inntil den ene veggen og en annen til å trekke båndet i rett linje over til den andre siden av rommet. Med lasermåleverktøy kan denne jobben utføres av én operatør gitt av man har en fri siktlinje. I mange tilfeller kan målebånd gir en mer nøyaktig måling, men ved å ha et kalibrert lasermåleverktøy og gjennomføre flere målinger kan man generelt få et pålitelig resultat. Lasermåleverktøy kan også ha funksjoner som måling areal eller volum av et rom.

Pris

Laseravstandsmålere kan variere i pris avhengig av produktets kvaliteter (f.eks. nøyaktighet, maksavstand) og tiltenkt bruk (f.eks. vanntetthet, støtmotstand). Militære avstandsmålere må være så nøyaktige som mulig og virke over store avstander, og kan koste flere hundretusener. Avstandsmålere til sivile bruksformål som jakt eller golf er ofte betydelig rimeligere og lett tilgjengelige.

Sikkerhet

Eksponering for laser kan utgjøre en fare for synet. Lasere deles inn i 4 laserklasser med flere underklasser. Avstandsmålere solgt til forbrukere er vanligvis klassifisert som klasse 1 eller klasse 2, og anses som relativt trygge. Likevel kan de utgjøre en fare for synet, og direkte eksponering mot øyne bør alltid unngår. De fleste laseravstandsmålerne for militær bruk har energinivåer som overstiger klasse 2.

Se også

• Lidar
• Laserbelyser
• Trigonometrisk avstandsbedømming; se milliradian