8

บทท 1

บทน า

1. ความเปนมาและความส าคญของปญหา

กองทพบกไดจดหารถหมเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มลลเมตร เขามาประจ าการในกองทพบกเมอ ป 2522 ปนใหญทตดตงมากบรถมขดความสามารถในการยงเปาไดทงภาคพนดน และเปาอากาศยานระดบต า เชน เฮลคอปเตอร โดยสามารถยงเปาไดไกลสดประมาณ 3 กโลเมตร รถเกราะ V-150 ไมมระบบควบคมการยงตดตงมาดวย ท าใหการยงปนใหญขนอยกบความช านาญของ พลประจ ารถ ในการยงปนใหญแตละครง พลประจ ารถ (พลยงแล ผบ.รถ) จะตองประมาณระยะทางเปาดวยตาเปลา (เพราะไมมเครองมอในการหาระยะทาง) จากนนจงตงมมทศ และมมทางระยะของปนตามระยะทางทคาดคะเน ดงนนความแมนย าในการยงจงขนอยกบความถกตองในการคาดคะเนระยะทางของพลประจ ารถ ในทางปฏบต การคาดคะเนระยะทางดวยตาเปลาของมนษยมความผดพลาด (error) มากกวาการใชเครองมอ ทงนเนองจากมนษยมปจจยทแปรเปลยนเขามาเกยวของ ไมวาจะเปนเรองอารมย สมาธ สภาพแวดลอมภายในรถ การฝกฝนทท าอยเปนประจ า สภาพดนฟาอากาศภายนอก เปนตน ตางจากเครองมอทมหลกการท างานหรอทฤษฎทแนนอน เชน ใชหลกการสามเหลยมมมฉากเพอค านวณดานตรงขามมมทไมทราบคา หรอการจบเวลาไป-กลบของแสงในการค านวณระยะทาง เปนตน นอกจากนเครองมอยงสามารถท างานซ าๆกนกรอยกพนหนกไดโดยยงใหผลลพธคงท ขณะทมนษยไมสามารถท าไดเชนเครองจกรเลย ปจจบนในทองตลาดมเครองมอในการวดระยะทาง (distance measurement instrument) ใหเลอกใชมากมายขนอยกบการน าไปใชงาน วาตองการวดระยะทางไกลสด (maximum range) เทาใด การคาดคะเนระยะทางอาจเกดความผดพลาด (error) เปนไมโครเมตร (หนงในพนลานเมตร) มลลเมตร (หนงในพนเมตร) หรอเมตร เชน ระบบเรดาห (RADAR system) สามารถวดระยะทางไดไกลหลายสบกโลเมตร การคาดคะเนมความผดพลาดหลายเมตร แตการเจาะจงเปาไมด ระบบ Laser วดระยะทางมขนาดใหญกนไฟมาก หรอระบบวดระยะทางดวยคลนเสยงความถสง (ultrasound system) วดระยะทางไดไกลไมกเมตร ขนาดเลกกระทดรด สามารถพกพาไปไดสะดวก กนกระแสไฟนอย หรอระบบออปตก (optical triangulation) ทสามารถวดระยะทางไดหลายสบกโลเมตรแตการใชงานขนอยกบสถาพอากาศ วามองเหนเปาไดชดเจนหรอไม และมความผดพลาดสงเปนหลายๆ เมตร หรอระบบวดระยะทางดวยแสงเลเซอร (laser distance measurement) ทสามารถวดระยะทางไดตงแตเปนเมตรจนกระทงเปนหลายสบกโลเมตร มความผดพลาดเปนหนงในลานเมตรจนกระทงเปนเมตร เปนตน ในบรรดาเครองวดระยะทางทงหมดทกลาวถง ระบบวดระยะทางดวยแสงเลซอรนบวามความเหมาะสมส าหรบทจะน ามาใชในการชวยยงปนใหญรถเกราะ V-150 ทสด เนองจากสามารถวดระยะทางไดไกลหลายสบกโลเมตร มความผดพลาดเปนเมตรซงอยภายในรศมการท าลายของปนใหญและการยอมรบไดในทางยทธวธ เนองจากความผดพลาดและนอกจากนระบบ Laser วดระยะทางยงมขนาดเลกกระทดรด พกพาไปไดสะดวกทนทานตอแรงสนสะเทอนและแรงกระแทกตลอดจนกนกระแสไฟนอยมากโดยสามารถใชไฟจากแบตเตอรขนาดเลกทมขายทวไปได หลกนยมการรบของทหารทวไป การยงยานเกราะขาศกตองยงใหเขาเปาในนดแรก (first round hit) ใหได มฉะนนเสยงปนทดงและควนปนทพงออกจากปากกระบอก จะเปดเผยต าแหนง

2

ทตงใหขาศกทราบ ท าใหขาศกสามารถยงอาวธโตตอบกลบมาท าลายทตงเราได การทจะยงปนใหแมนย า (accuracy) จ าเปนตองอาศยขอมลระยะทางทถกตองและแนนอน ดวยเหตผลดงกลาวขางตน ศนยการทหารมาจงมแนวความคดในการทจะน าเอาระบบวดระยะทางดวยแสงเลเซอรเขามาประกอบกบระบบปนใหญ 90 มม. ของรถหมเกราะ V-150 เพอใหเกดประสทธภาพสงสดในการรบและปองกนการถกท าลายจากขาศกฝายตรงขาม อกทงยงท าใหขดความสามารถของหนวยในการปฏบตทางยทธวธเพมมากขน

2. วตถประสงค

เพอใหไดตนแบบเครองหาระยะดวยแสงเลเซอร ของรถเกราะV-150 ตดตงปนใหญขนาด90 มม.

3. สมมตฐานการวจย ไดตนแบบเครองหาระยะดวยเลเซอรของรถเกราะ V-150 ตดตง ปถ. ขนาด 90 มม. ทสามารถใชงานไดและท าให ปถ. มประสทธภาพในการท าลายตอเปาหมาย

4. ขอบ เขต

เปนการวจยและพฒนาทมความตองการใหไดตนแบบเครองหาระยะดวยเลเซอรของรถเกราะ V-150 ตดตง ปถ. ขนาด 90 มม.ดวยการสรางระบบวดระยะทางดวยแสงเลเซอร ขนาดเลกกะทดรดเพอตดตงบนรถหมเกราะ V-150 โดยระบบสามารถวดระยะไดไมต ากวา 10 กโลเมตร มความผดพลาดในการวด + 5 เมตรตลอดระยะทาง

5. วธด าเนนการวจย

5.1 รปแบบของการวจย เปนการวจยเชงทดลงดานยทโธปกรณ ดวยการสรางตนแบบเครองหาระยะดวยแสงเลเซอรของรถเกราะ V-150 เพอน ามาทดสอบการใชงานแลวน าขอมลทไดมาวเคราะหเชงเนอหา โดยการน าเสนอในรปแบบเชงพรรณนา

5.2 ขนการด าเนนการแบงออกเปน 2 ขน 5.2.1 ขนเตรยมการ

1.) ศกษาขอมลเครองควบคมการยงของรถเกราะ V-150 2.) ศกษาขอมลเครองหาระยะทางดวยแสงเลเซอร 3.) ก าหนดรปแบบ/ออกแบบระบบ 5.2.2 ขนการด าเนนการ 1.) จดหาวสดงานวจย 2.) จดท าตนแบบ 3.) ทดสอบการท างานของตนแบบ 3.1) ทดสอบภายในหองทดลอง 3.2) ทดสอบภาคสนามโดยนกวจย ครงท 1 3.3) การปรบปรงแกไขตนแบบ 3.4) ทดสอบภาคสนามโดยนกวจย ครงท 2 3.5) ทดสอบภาคสนามโดยคณะกรรมการกองทพบก

3

4.) สรปประเมนผลการทดสอบ 5.) จดท าเอกสารรายงานการวจย ตารางท 1-1 ขนตอนการด าเนนงาน

6. งบประมาณทใช/ระยะเวลาการด าเนนวจย 6.1 งบประมาณทใช ขอรบการสนบสนนงบประมาณ จาก วท.กห. รวมเปนเงน 1,658,325 บาท 6.2 ระยะเวลาการด าเนนงานวจย ระยะเวลาด าเนนการ 1 ป (ต.ค. 53 – ก.ย. 54) ขอขยายระยะเวลาถง ก.ย. 55

7. นยามศพทเฉพาะ นยามศพทเฉพาะ 1. เครองหาระยะดวยแสงเลเซอร หมายถง ระบบอปกรณทประกอบดวยชดหวเลเซอรวดระยะทางทได ท าการอไลเมนทกบกลองเทเลสโคปภายในหองทดลองเรยบรอยแลว และระบบการแสดงผล

4

2. ปนใหญขนาด 90 มม. ของรถเกราะ V – 150 หมายถง ปนใหญทมขนาดกวางปากล ากลอง 90 มม. ซงตดตง บนปอมปนของรถเกราะ V – 150 เปนอาวธหลกประจ ารถท าการลนไกดวยระบบไฟฟา และดวยเทา ยกปนไดสง 28 องศา, กดปนต าสด -8 องศา หมนไดรอบตว 360 องศา 3. รถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. หมายถง รถเกราะเอนกประสงค ขบเคลอน 4 ลอ ทไดรบการพฒนามาใชในทางทหาร โดยการออกแบบปอมปนใหญและน าปนใหญขนาด 90 มม. มาท าการตดตงทปอมปนใหญ 4. ปอมปนใหญรถเกราะ V – 150 หมายถง สถานทรบของพลยง และ ผบ.รถ ทใหการปองกนจากการยง ของปนเลก และสะเกดระเบดได โดยท าการตดตงปนใหญ ขนาด 90 มม. จ านวน 1 กระบอก 5. การบอรไซด หมายถง การปรบเสนเลงของปนใหญรถเกราะ เขากบกลองเลงของพลยง และ ผบ.รถ ทระยะ 1000 เมตร 6. การอไลเมนทระบบ หมายถง การปรบเสนเลงกลองเทเสสโคป กบระบบวดระยะทาง (หวเลเซอร) ภายในหองทดลอง 7. เปาหมาย หมายถง เปาส าหรบยงอาวธรถถง เปนแผงสเหลยมจตรส ขนาด 15 ฟต x 15 ฟต กรดวยผาดบ สขาว 8. ขอจ ากดของการวจย ยทโธปกรณ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. ของ รร.ม.ศม. ไมมความพรอมส าหรบการด าเนนงานตามแผนงาน (กรซย. สพ.ทบ. เรยกเขาซอมปรบปรงท จว.นครราชสมา) อกทงการซอมปรบปรงไมเสรจตรงตามเวลาทก าหนด ท าใหทมงานวจยตองขออนมตเปลยนสถานท ท าการวจยจาก รร.ม.ศม. จว.สระบร เปนหนวยม.พน.7 จว.อตรดตถซงมยทโธปกรณดงกลาวบรรจอยในอตราและระยะทางไกล ท าใหการด าเนนงานของทมงานวจย ตองมขอจ ากดในการเดนทาง โดยเฉพาะเรองยานพาหนะ ทงนการจดท าและทดสอบระบบอยท ม.เกษตรศาสตร กรงเทพฯ สวนการตดตงระบบและการทดสอบภาคสนามอยท จว.อตรดตถ ท าใหการด าเนนตามแผนงานไมเปนไปตามกรอบเวลาทก าหนด

9. ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 9.1 ไดตนแบบเครองหาระยะดวยแสงเลเซอรของรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. 9.2 เพมประสทธภาพ และความแมนย าในการยงปนใหญของรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. ท าใหพลประจ ารถเกดความมนใจในการใชปนใหญขนาด 90 มม. 9.3 ขยายผลงานวจยและพฒนาเขาสระบบการผลต และแจกจายใหกบหนวยใช (ม.พน.7, ม.พน.12 และ ม.พน.31

5

บทท 2 แนวคดทฤษฏและวรรณกรรมทเกยวของ

ส าหรบงานวจยฉบบน ผวจยไดศกษางานวจยและเอกสารทเกยวของ ตลอดจนรวบรวมแนวคดทฤษฏจากเอกสาร และงานวจยตางๆ ทเกยวของเพอน ามาเปนขอมลประกอบในการด าเนนการวจยใหมความสมบรณและมประสทธภาพยงขน ซงผวจยไดท าการศกษาแนวคดทฤษฎและงานวจยทเกยวของดงน 1. ขอมลยานยนตหมเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. 2. ทฤษฎเกยวกบการพฒนาระบบสารสนเทศและการจดการฐานขอมล 3. โปรแกรมทใชในการพฒนาระบบ 4. งานวจยทเกยวของ

1. ขอมลยานยนตหมเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. 1.1 คณลกษณะโดยทวไป รถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. เปนรถเกราะทไดรบการพฒนามาโดยล าดบ มความคลองตวสงปฏบตการสะเทนน าสะเทนบกได ขบเคลอนทง 4 ลอ มโครงสรางทแขงแรง ตดตงเครองยนตดเซลและครองเปลยนความเรวแบบอตโนมต สามารถขามเครองกดขวาง เชน ตอไม ค และเครองกดขวางทางดงไดสง 36 นว (.9 เมตร) เคลอนทไปในภมประเทศทเปนหลมโคลน หรอ ในน าไดอยางสะดวกใชยางสงครามขนาดใหญ แบบ Run Flat ไมมยางในตวรถสรางจากแผนเกราะเหลกกลาเชอมประสานกนใหเปนมมลาดตาง ๆ เพอใหเกดการแฉลบของกระสนเมอถกยง และสามารถปองกนกระสนปนเลก ระเบดขวางและทนสงหารไดรอบๆ ตวรถ

6

จะมแทงแกวตรวจการณทสามารถปองกนกระสนไดเชนเดยวกบแผนเกราะตวรถ มพลประจ ารถ จ านวน 5 นาย (ผบ.รถ,พลยง,พลยงผชวย,พลขบ,พลวทย) 1.2 ปอมปนใหญขนาด 90 มม. รถเกราะ V-150 เปนปนขนาด 90 มม.เปนสถานรบของพลยงและ ผบ.รถ ทใหการปองกนจากการยงของปนเลกและสะเกดระเบดได อาวธทตดตงประจ ารถไดแก ปนใหญขนาด 90 มม.จ านวน 1 กระบอก ปนกลขนาด 7.62 มม. 2 กระบอก แยกเปน ปนกลบนปอม 1 กระบอก, ปนกลรวมแกน 1 กระบอก และเครองยงลกระเบดควนและสงหาร 2 ชด 12 ทอยง ตดตงอยดานขางทางทายปอม ขางละ 6 ทอยง (ระเบดควน 3 ทอ, สงหาร 3 ทอ) และไฟฉายประจ ารถตดตงอยท โลปนดานหนา กระสนปนใหญขนาด 90 มม.เปนอาวธหลกประจ ารถเกราะ V-150 มกระสนปนใหญขนาด 90 มม.จ านวน 41 นด พรอมรบ 10 นด (ใตปนใหญ 8 นด, ขางปอมซายมอ ผบ.รถ 2 นด) ในทเกบบรรทก (ราวปนในรถ 31 นด) 1.3 เครองควบคมการยงเลงตรงของรถเกราะ V-150 คอกลองตรวจการณของพลยงใชเลงทหมายใหกบปนใหญ ขนาด 90 มม.และปนกลรวมแกนขนาด 7.62 มม.(MG3) เปนกลองแบบตาเรอ มระบบขยาย 1 เทา และ 8 เทา ในกลองเดยวกน ลกษณะกลองประกอบดวย 1.3.1 กลองตรวจการณระบบขยาย 8 เทา และ 1 เทา 1.3.2 รองเสยบเครองใหแสงสวางกลองเลง M50 ใหแสงสวางมาตราประจ าแกวของกลองเลง ระบบขยาย 8 เทา โดยใชไฟจากแบตเตอรแหง 3 โวลต (หมนตรวจเสมอหากไมใชใหถอดถานออกเกบทนทและอยางปลอยทงไวในกระบอกเดดขาด) มปมเรงความเขมของแสงทหวกระบอก 1.33 กลองตรวจการณขยาย 1 เทา มชองมองเปนรปสเหลยมผนผา มยานการเหนกวางมจดเลงเปนวงกลมสแดง ใชส าหรบตรวจการณเพอหาเปาหมายครงแรก เมอไดเปาหมายทางทศและทางสงใหกงกลางของวงกลมทาบทบเปาหมาย เมอมองในระบบ 8 เทา กจะเหนเปาหมายทนท

8

2. หลกการวดระยะทางดวยแสงเลเซอร

2.1 การวดระยะทางดวยแสงเลเซอร การวดระยะทางดวยแสงเลเซอรสามารถท าไดหลายวธ ขนอยกบระยะทางไกลสดทตองการ

วด (maximum range) ความผดพลาด (error) ขนาดและน าหนกของระบบ ปจจบนมหลายวธแต ในทนจะขอน ามาพจารณา 3 วธทสามารถจะน ามาประยกตใชทางการทหารได คอ 1.) วธแทรกสอด (Interferometry method) 2.) วธมอดเลทล าแสง (Beam modulation telemetry method) และ3.) วธจบเวลาไปกลบของแสง (Time of flight method)

2.1.1 วธแทรกสอด (Interferometry method) ใชหลกการแทรกสอดของล าแสง [2] เมอมล าแสงความถเดยวกนสองล าแสงเดนทาง

ในทศทางเดยวกนและทบซอนกน (superposition) จะเกดภาพการแทรกสอด (Interference pattern) มลกษณะเปนแถบสวาง-มดสลบกนไปเรยกภาพการแทรกสอดอกอยางวา ฟรนจ (Fringe) เราสามารถค านวณระยะทางไดจากฟรนจ ไดอะแกรมอยางงายของระบบวดระยะทางดวยวธแทรกสอดแสดงในภาพท 2-1 ล าแสงจากเลเซอรจะถกแบงออกเปนสองเสนทางดวยขนาดทเทากนโดยแผนแบงล าแสง (Beam Splitter) ล าแสงหนงเดนทางหกเหเปนมมฉากไปยงกระจก M1 ซงอยกบทแลวสะทอนกลบมาในแนวเดมผานแผนแบงล าแสงอกครง จงเดนทางไปตกกระทบตวรบแสง (optical detector) เราเรยกเสนทางแสงนวา แขนอางอง (reference arm) สวนอกล าแสงหนงจะเดนทางผานแบงแสงตรงไปยงกระจก M2 ทเคลอนทได (ในทางปฏบตมกใชปรซมสะทอนกลบหมดหรอ Retro reflector แทนกระจกเรยบ เนองจากมเสถยรภาพตอการสนสะเทอนและงายตอการปรบ) สะทอนกระจก M2 และกลบไปยงแผนแบงล าแสงอกครงแลวจงหกเหไปตกยงตวรบแสง เรยกเสนทางนวา แขนวด (measurement arm) ล าแสงทงสองทสะทอนจากกระจก M1 และ M2 จะรวมกนท าใหเกดภาพการแทรกสอดบนตวรบ เราสามารถค านวณระยะทางทกระจก M2 เคลอนทหางออกไปจากกระจก M1 ไดจากการนบจ านวนแถบสวาง-มดหรอจ านวนฟรนจทเคลอนทผานตวรบแสงหรอจดอางอง

ภาพท 2-1 ไดอะแกรมการวดระยะทางโดยวธแทรกสอด (Interferomery method)

Laser

กระจกอางอง (M1)

กระจกเคลอนท (M2) Beamsplitter

ตวรบแสง (detector)

แขนการวด

แขนอางอง

x

8

จ านวนฟรนจ ทเคลอนทผานตวรบสามารถหาไดจาก

x

4 2.1

โดย = จ านวนฟรนจทเคลอนทผานตวรบแสง x = ระยะทางทกระจก M2 เคลอนทไปจากกระจกอางอง M1 (m) = ความยาวคลนแสงเลเซอร (m) จากสมการ ท 2.2 เราสามารถค านวณระยะทางทกระจกเคลอนทไปจากจดอางองไดโดยจดสมการใหมเปน

4

x 2.2

สมการ ท 2.2 แสดงใหเหนวาความผดพลาด (error) ในการวดสามารถขนอยกบความยาวคลนแสง () ทใช

ส าหรบระยะทางไกลสดทวธการนสามารถวดไดขนอยกบไลนวดธ (linewidth) หรอความยาวโคฮเรนท (coherent length) ของแหลงก าเนดแสงเลเซอร ตามสมการท 2.3

nc

x/

max 2.3

โดย xmax = ระยะทางไกลสดทระบบสามารถวดได (m) c = ความเรวแสงในสญญากาศ (m/s) n = ดชนการหกเหของตวกลางทแสงเดนทางผาน = laser linewidth (s-1) ตวอยางเชนถาใชฮเลยมนออนเลเซอรความยาวคลน 632.8 นาโนเมตร ทม Linewidth

1500 MHz จะสามารถวดระยะไดไกลสด 20 เซนตเมตร เปนตน การวดระยะทางดวยวธนเหมาะส าหรบระยะทางสนๆ เปนเมตรและตองท าการวดในสถานทควบคมสภาวะแวดลอมได เชน ในหองทดลอง เนองจากคาดชนการหกเหของตวกลางไมสม าเสมอสงผลตอความยาวคลนแสงไมคงทตลอดเสนทางทแสงเดนทาง

2.1.2 วธการมอดเลทล าแสง (Beam modulation telemetry method) การวดระยะทางดวยวธการแทรกสอด (Interferometry) มขอจ ากดในเรองของ

ระยะทาง เนองจากความไมสม าเสมอของคาดชนการหกเหตวกลาง (refractive index) ทแสงเดนทางผานสงผลใหความเรวแสงไมคงท ระยะทางทค านวณออกผดพลาดดวย ท าใหไมสามารถวด

9

ระยะทางไดไกลเทาทควร โดยปกตระยะไกลสดทวธนสามารถวดไดไมเกน 10 เมตรขนอยกบคณสมบตของแสงเลเซอรทใช หากจะวดระยะทางใหไดไกลกวานตองใชวธการมอดเลทล าแสง (Beam modulation telemetry) ซงมไดอะแกรมตามภาพท 2.2 ล าแสงจากเลเซอร เชน ฮเลยม-นออนเลเซอรหรอไดโอดเลเซอร จะถกมอดเลทขนาด (amplitude modulation) ดวยมอดเลเตอร (modulator) ทความถเหมาะสม แสงเลเซอรจะเดนทางผานปรซมตรงไปยงเปา (target) ทตองการวดระยะทาง เมอแสงเลเซอรกระทบเปาจะมแสงสะทอนกลบมายงระบบ แสงทสะทอนกลบจะถกรวบรวมดวยเทเลสโคปเพอรวมแสงใหไปตกยงตวรบแสง (detector) ตวรบแสงจะเปลยนสญญาณแสงหรอโฟตอนใหเปนสญญาณไฟฟาจากนนกน าสญญาณนไปเปรยบเทยบเฟส (phase) กบสญญาณแสงทสงออกไป ดวยวงจรผสม (mixer) ความตางเฟสทวดได (phase different) จะถกน าไปเปลยนเปนระยะทางตามสมการท 2.4

Rng

22

0

2.4

โดย = ความตางเฟส (phase difference) ระหวางสญญาณทสงออกไปกบสญญาณทสะทอน

กลบจากเปา (rad) ng = ดชนการหกเหกลม (group refractive index) ของอากาศทแสงเดนทางผาน

0 = ความยาวคลนแสงในสญญากาศทถกมอดเลท (m) R = ระยะทางทตองการวด (m)

ภาพท 2-2 ไดอะแกรมการวดระยะทางโดยวธมอดเลทล าแสง (Beam Modulation Telemetry)

ระยะทางสามารถค านวณไดโดยการแทนคา ทไดจาก phase meter ความยาวคลนแสงเลเซอรทใชและดชนการหกเฉลยของตวกลางทแสงเดนทางผานลงในสมการท 2.4 โดยปกตการวดระยะทาง

มกเซอร

เฟสมเตอร

เลเซอร

มอดเลเตอร

เปา ตวรบ

เทเลสโคปรวมแสง

ออสซเลเตอร

10

ดวยวธนสามารถวดไดไกลหลายรอยเมตร แตกสามารถท าใหวดไดไกลขนเปนหลายกโลเมตรโดยใชกระจกสะทอนกลบหมด (retro reflector) ชวยในการสะทอนแสง เลเซอรทใชเปนแหลงก าเนดแสงสวนใหญใชเลเซอรไดโอด เนองจากมขนาดเลก กนกระแสไฟนอย มอดเลทสญญาณไดงายกวาเลเซอรชนดอนโดยสามารถมอดเลตแสงทออกไดโดยตรงจากกระแสทปอนให ความผดพลาดของการวดขนอยกบความถทมอดเลทใหกบเลเซอร โดยทวไปมความผดพลาดเปนมลลเมตร การวดระยะทางดวยวธนสวนใหญใชในงานส ารวจตางๆ

2.1.3 วธจบเวลาไปกลบ (Time of flight method) การวดระยะดวยวธนตางจากสองวธแรกกลาวคอ ใชแสงเลเซอรทมลกษณะเปนลกๆ

หรอพลซ (pulse) แทนทจะเปนล าแสงตอเนอง หลกการท างานของวธนคอ สงสญญาณแสงเลเซอรชนดพลซไปยงเปา รอรบสญญาณทสะทอนกลบจากเปา ขณะเดยวกนกจบเวลาทใชในการเดนทางไป-กลบของแสง (Time of flight) จากนนกน าเวลานไปค านวณเปนระยะทางตามสมการ R = c.t/2 โดย R คอ ระยะทางจากระบบวดระยะถงเปา c คอความเรวแสงในสญญากาศ (3x108 เมตร/วนาท) และ t คอ เวลาทแสงเดนทางไป-กลบ (วนาท) ภาพท 2-3 แสดงไดอะแกรมอยางงายระบบวดระยะทางเลเซอรโดยวธจบเวลาไป-กลบ ระบบประกอบดวย 1.) ภาคสง (Transmitter) ท าหนาทผลตแสงเลเซอรชนดพลซก าลงงานสง 2.) ภาครบ (Receiver) ท าหนาทรบพลงงานแสงทสะทอนกลบจากเปาแลวเปลยนเปนสญญาณไฟฟา และ 3.) ภาคเปลยนเวลาเปนระยะทาง (time to range converter) ท าหนาทเปลยนเวลาไป-กลบเปนระยะทาง

ภาพท 2-3 ไดอะแกรมระบบวดระยะทางดวยวธจบเวลาไป-กลบ

ภาคสง (transmitter) ท าหนาทผลตแสงเลเซอรแลวสงออกไปยงเปา ขณะเดยวกนแสง

บางสวนจะถกน ามาใชเปนสญญาณเรมตนในการจบเวลาไป-กลบ (start pulse) เมอแสงเลเซอรกระทบเปาจะมพลงงานบางสวนถกดดกลนและบางสวนกระเจงออกโดยรอบทผว จะมพลงงานบางสวนทสะทอนกลบมายงระบบ ภาครบ (receiver) จะคอยรบสญญาณทสะทอนกลบโดยมเลนซวตถท าหนาทรวบรวมแสงใหไปตกยงตวรบแสง (Photodetector) ตวรบจะท าหนาทเปลยนพลงงานแสงใหเปนพลงงานไฟฟา จากนนกจะถกประมวลดวยวงจรอเลกทรอนกสเพอผลตสญญาณหยด

ภาคสง (transmitter)

ภาครบ (receiver)

ภาคเปลยนเวลาเปนระยะทาง (time-distance converter)

ภาคแสดง (diaplay)

Laser output

สญญาณสะทอนจากเปา

เปา

Start pulse

Stop pulse

11

(stop pulse) ภาคเปลยนเวลาเปนระยะทาง จะใชวงจรนบ (counter) ท าหนาทเปลยนเวลาไป-กลบเปนระยะทางโดยการนบสญญาณนาฬกาอางองแลวคณดวยความผดพลาดของระบบ (resolution) จากนนกแสดงผลระยะทางดวยภาคแสดง (display) วธนสามารถวดระยะทางไกลสดเปนหลายสบหรอหลายรอยกโลเมตรขนอยกบก าลงงานของเลเซอร มมบานของล าแสงและความไวของตวรบ สวนความผดพลาด (error) ขนอยกบความกวางของเลเซอรพลซ ความความสามารถในการประมวลสญญาณของภาครบ ความถของสญญาณนาฬกาอางอง (reference clock) และความผดพลาดในการนบสญญาณนาฬกา โดยทวไปอยระหวาง เซนตเมตรถงเมตร

จากหลกการวดระยะทางดวยแสงเลเซอรทกลาวทงหมด การวดระยะทางดวยวธจบเวลาไปกลบของแสงเหมาะสมทสดทจะน ามาใชในทางการทหารเนองจากสามารถวดระยะทางไดไกลหลายสบกโลเมตรซงอยในระยะท าการยงของปนใหญหรอจรวดและมความผดพลาดเปนเมตรซงอยภายในรศมการท าลายของลกปนใหญหรอจรวด นอกจากนเลเซอรทใชสามารถใชเลเซอรของแขง (solid-sate laser) หรอไดโอดเลเซอรซงมขนาดเลกกระทดรดและทนทานตอการกระแทก

2.2 หลกการวดระยะเลเซอร (Laser Range Finder) ในการวดระยะทางดวยแสงเลเซอรชนดจบเวลาไปกลบ ถาภาคสงผลตล าแสงทเปนล าขนาน

ไมมการบานออกของล าแสงตามภาพท 2.4

ภาพท 2-4 ล าแสงเลเซอรทตกกระทบลเปาไมมการบานออก

พลงงานของล าแสงเลเซอรทงหมดจะตกกระทบเปา และมบางสวนทเดนทางกลบมายงตวรบ พลงงานนค านวณไดจาก

rTransmitte

ReceiverrTransmitte

DetectorP

R

DTP

2

22

16

2.5

โดย

PDetector = พลงงานต าสดทตวรบสามารถดเทคได (w) PTransmitter= พลงงานทออกจากภาคสง (w)

Photo Detector

Objective lens

Target

Light pulse

transmitter

R

12

T = Atmospheric transmission = exp(-R) โดย คอ สประสทธการดดกลนของบรรยากาศ (km-1)

= การสะทอนของเปา (target reflectance) Transmitter = ประสทธภาพของภาคสง Receiver = ประสทธภาพของภาครบ D = เสนผาศนยกลางของเลนซ (m) R = ระยะไกลสดทสามารถวดได (m)

แตในความเปนจรงล าแสงเลเซอรจะมการบานออกเนองจากปรากฏการณการเลยวเบนของแสง (Diffraction effect) ภายในระบบเลเซอร (Saleh and Teich, 1991) ตามภาพท 2.5

Photo

detector

Objective

lens

Target

Light pulse

transmitter

R

Diverging laser

light

ภาพท 2-5 การบานของล าแสงเลเซอรท าใหมพลงงานเพยงบางสวนเทานนทตกกระทบเปา

ดงนนจงมพลงงานเพยงบางสวนเทานนทตกกระทบเปาและสะทอนกลบมาตกกระทบยงตวรบพลงงานทตกกระทบตวรบสามารถค านวณไดจาก

rTransmitte

TargetReceiverrTransmitte

DetectorP

R

ADTP

42

22

16

. 2.6

โดย = มมบานของล าแสงเลเซอร (mrad)

จากสมการท 2.5 และ 2.6 จะเหนวาถาล าแสงเลเซอรมการบานออก พลงงานทสะทอนกลบจะแปรผนกลบกบระยะทางยกก าลงส แตถาถาล าแสงเปนล าขนานพลงงานทสะทอนกลบจะแปรผนกลบกบระยะทางยกก าลงสองเทานน

ดงนนหากตองการออกแบบระบบใหวดระยะทางไดไกล จ าเปนอยางยงทจะตองท าใหล าแสงเลเซอรมมมบาน () นอยทสดเทาทจะท าได ในทางปฏบตใชคอลเมเตอรเปนตวลดมมบานของล าแสงลงโดยการขยายขนาดเสนผาศนยกลางของล าแสงใหใหญขน นอกจากตวแปรมมบานบานแลว

13

ยงมตวแปรอนทส าคญในการออกแบบ ไดแก ขนาดเสนผาศนยกลางของเลนซรบ (D) และก าลงงานแสงเลเซอรทสงออกไป (Ptransmitter ) ประสทธภาพของภาคสง และภาครบ

2.3 หลกการเลเซอร (Laser principle) ค าวา “LASER” เปนค าผสมทเกดจากการน าเอาอกษรตวหนาของแตละค ามารวมกน ค าเหลานนไดแก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation แปรโดยรวมคอ แสงทเกดจากการปลอยแบบถกกระตน (Siegman, 1986) ซงมคณสมบตแตกตางจากแสงทวไปคอ เปนแสงสเดยว (monochromatic) มความพรอมเพรยงภายในล าแสง (coherence) และเปนล าขนาน (directioanal) องคประกอบพนฐานทส าคญของระบบเลเซอรประกอบดวย 1.) ตวกลางเลเซอร (laser medium) 2.) แหลงพลงงานภายนอก (external energy) และ 3.) กระจกสองอนวางครอมหวทายตวกลางเลเซอร เรยกวา คาวต (cavity) หรอ เรโซเนเตอร (resonator) ตามภาพท 2-6

ภาพท 2-6 โครงสรางระบบเลเซอรโดยทวไปประกอบดวย ตวกลางเลเซอร แหลงพลงงานภายนอก

และกระจกสองอนเรยกวา คาวตหรอเรโซเนเตอร

ตวกลางเลเซอร (Laser medium) ประกอบดวยอะตอมหรอโมเลกลของธาตใดๆ ทอาจอยในสภาพ ของแขง (solid-state) กาซ (gas) ของเหลว (liquid) หรอสารกงตวน า (semiconductor) ท าหนาทปลอยแสง การทเลเซอรจะใหแสงความยาวคลนอะไรขนอยกบตวกลางเลเซอรวาเปนธาตอะไร เชน Nd:YAG ใหแสง 1.064 ไมครอน ฮเลยมนออนใหแสง 632.8 นาโนเมตร คารบอนไดออกไซดใหแสง 10.6 ไมครอน เปนตน

แหลงพลงงานภายนอก (external energy) เปนตวสรางสภาวการณใหเกดการปลอยแบบตวเอง (spontaneous emission) เมอพลงงานจากภายนอกถกปอน (pumped) ใหกบตวกลางเลเซอร อะตอมหรอโมเลกลจะเกดการกระตนโดยอเลกตรอนทอยระดบพลงงานต ากวาจะเคลอนทขนสระดบพลงงานทสงกวา เรยกสภาวะนวา สภาวะถกกระตน (excited state) อะตอมจะอยในสภาวะนไดไมนาน (ขนอยวาเปนธาตอะไร มชวงอายในระดบพลงงานนเทาไร) อเลกตรอนทเคลอนทขนไปกจะตกกลบมาสระดบพลงงานเดม ขณะทอเลกตรอนตกกลบลงมายงชนพลงงานเดมกจะปลอยหรอคายพลงงานทดดกลนออกมา ไดอะแกรมเลเซอรสามระดบแสดงในภาพท 2-7 เมอปอนแสงความยาวคลน 1 เขาไป อะตอมจากระดบพลงงาน E1 จะเคลอนทขนสระดบพลงงาน E3 และตกลงมาอยทระดบพลงงาน E2 ดวยความรวดเรวและปลอยพลงงานออกในรปอนทไมใชแสง เชน ความรอน

ตวกลางเลเซอร

แหลงพลงงานภายนอก

กระจกหลงŠ

กระจกหนา แสงเลเซอร

14

อะตอมจะอยทระดบพลงงาน E2 สกพกหนง เรยกระดบพลงงาน E2 วา “metastable level” จากนนกจะตกกลบสระดบพลงงาน E1 และปลอยแสงความยาวคลน 2 ออกมา แหลงพลงงานภายนอกทนยมปมพลงงานใหกบตวกลางเลเซอรไดแก หลอดแฟลช (flashlamp) การดสชารทประจอเลกตรอน (electrical discharge) และ ปฎกรยาเคม (Chemical reaction)

E1

E2

E3 Non-radiation

1 2

ภาพท 2-7 ไดอะแกรมระบบเลเซอรสามระดบพลงงาน

คาวต (cavity) หรอ เรโซเนเตอร (resonator) ประกอบดวยกระจกสองอนวางครอมหวทาย

ตวกลางเลเซอร เพอเปลยนแสงทเกดจากการปลอยแบบตวเอง (spontaneous emission) ใหเปนแสงแบบถกกระตน (stimulated emission) (Einstein, 1917) โดยการท าใหเกดการสะทอนกลบไปกลบมาของแสงระหวางตวกลางเลเซอร ขณะเดยวกนกจะเกดการขยายแสงไปดวย การขยายแสงจะเกดขนได กระจกทงสองจะตองมระยะหางทสมพนธกบความยาวคลนตามสมการท 2.7 เพอท าใหเกดคลนหยดนง (standing wave) ระหวางทคลนก าลงเคลอนทกลบไปกลบมา ถาแสงเดนทางครบหนงรอบและมเฟสเหมอนกนคลนจะเสรมกน เกดการขยายแสง แตถาคลนทสะทอนกลบไปกลบมามเฟสตางกน 180 องศา กจะเกดการหกลางกน เกดการลดขนาด ตามภาพท 2-8 (Siegman, 1986)

ภาพท 2-8 คาวตหรอเรโซเนเตอรประกอบดวยกระจก M1 และ M2 วางครอมหวทายตวกลางเลเซอร

ความยาวคลนทสามารถจะสะทอนกลบไปกลบมาภายในคาวตโดยไมลดขนาดลงจะตองสมพนธกบความยาวคาวต (L) ตามสมการ

nL

2

, 2.7

L

M2 M1

15

โดย n คอ เลขจ านวนเตม 1,2,3,….. L = ระยะหางระหวางกระจกหรอความยาวคาวต กระจกทางดานทแสงเลเซอรเดนทางออก (M1) เรยกวา กระจกหนา (coupler mirror) มคาการสะทอนนอยกวารอยเปอรเซนต เชน 90 เปอรเซนต สวนกระจกอกอนหนง เรยกวา กระจกหลง (high reflection mirror) มคาการสะทอนรอยเปอรเซนตหรอเกอบรอยเปอรเซนตขนอยกบการประยกตใชงาน

2.4 เลเซอรชนดปลอดภยตอตา (Eye-safe laser) ลกตามนษยมรปรางเกอบเปนทรงกลมยาว 24 มลลเมตร กวาง 22 มลลเมตร ตาม

ไดอะแกรมภาพท 2-9 ประกอบดวยแกวตา (cornea) เลนซตา (lens) และจอรบภาพ (Retina) แสงทเขาตาจะเดนทางผานกระจกตาทมคาก าลงทางแสง (optical power) คงทตลอดผวโคง จากนนผานชองทบรรจของเหลวใสทเรยกวา Aqueous humor กอนถงเลนซตาทสามารถปรบก าลงทางแสงไดโดยปรบสวนโคงของเลนซ ทดานหลงของเลนซจะมชองทบรรจของเหลว vitreous humor สดทายแสงจะตกลงทดานหลงสดของตาคอ จอรบภาพ (retina) ซงเปนสวนทจะดดกลนแสง

Cornea

Aqueous Humor

Vitreous Humor

Crystalline Lens

Retina

24 mm

ภาพท 2-9 ไดอะแกรมตามนษย

ตามนษยยอมใหแสงความยาวคลนในชวง 400 -1400 นาโนเมตร ผานไปจนถงจอรบภาพ (Perger,1991) โดยชวง 400-700 นาโนเมตร (visible region) เปนชวงทจอรบภาพตอบสนองได จงท าใหมนษยมองเหนแสงในยานน สวนยานทต ากวา 400 นาโนเมตร เรยกวายานเหนอมวง (Ultraviolet) และยานสงกวา 780 นาโนเมตร เรยกวา ยานใตแดง (Infrared) จอรบภาพไมตอบสนองท าใหเราไมสามารถมองเหนแสงในยานน อยางไรกตามแสงยานนสามารถเดนทางผานเขาไปถงจอรบภาพได และสามารถท าความเสยหายตอจอรบภาพไดหากแสงเลเซอรมพลงงานสงมากพอ

ล าแสงเลเซอรท าใหเกดความเสยหายตอจอรบภาพจากการทแสงตกกระทบแลวเปลยนเปนความรอนท าใหอณหภมสงขน อณหภมทสงขนเพยงแค 10 องศา เพยงพอทจะท าลายเซลของจอรบภาพได นอกจากนล าแสงเลเซอรเปนล าแสงขนาน (Directionality) และมความพรอมเพยงสง (Coherency) สามารถทจะถกรวมเปนจดทมขนาดเสนผาศนยกลางเลกมากบนจอรบภาพดวยเลนซ

16

ตา มรายงานวาเดกอาย 11 ขวบไดรบบาดเจบและทพพลภาพทางสายตาชวคราวจากการเลนเลเซอรพอยเตอร (laser pointer) โดยฉายเพอยเตอรขนาด 5 มลลวตต เขาตาตวเองเปนเวลานาน 10 วนาท ผลทเกดขนคอจอรบภาพเสยหายบางสวนแตกรกษาใหหายไดหลงจาก 3 เดอน ถาเลเซอรมพลงงานมากพอ ความเสยหายตอตาจอรบภาพจะเกดขนอยางถาวรและสามารถเกดขนไดภายในเสยววนาทหรอเรวกวากระพรบตา

เราเรยกเลเซอรทใหแสงความยาวคลนมากกวา 1400 นาโนเมตร เรยกวา เลเซอรทปลอดภยตอตา (eyesafe laser) เนองจากแสงในยานนจะถกดดกลนดวยกระจกตา (cornea) และเลนซตา (lens) ดงนนจงไมสามารถเดนทางเขาไปถงจอรบภาพซงเปนจดทออนไหวทสดได ดงนนการใชเลเซอรความยาวคลนผาน 1.4 ถง 1.8 ไมครอน จงมแนวโนมเพมขนเรอย ๆ ทงในวงการทหารและเอกชน ตวอยางของเลเซอรชนดปลอดภยตอตา คอ Erbium glass ทใหแสงความยาวคลน 1540 นาโนเมตร ซงเปนยานทปลอดภยตอตา มสตรทางเคมวา Er:Glass เลเซอรชนดนจดเปนเลเซอรของแขง (solid-state laser) ประกอบดวยตวกลางเลเซอรมลกษณะเปนแทงกลมใส (rod) ท าจากแกวฟอสเฟส (phosphate) เจอดวย ธาต Erbium (Er) และ Ytterbium (Yb) เนองจาก Erbium มลกษณะเปนเลเซอร 3 ระดบพลงงานซงมประสทธภาพต าท าใหดดกลนพลงงานแสงทปอนเขาไดนอย จงจ าเปนตองเจอธาต Yb เขาไปเพอเพมประสทธภาพการดดกลนพลงงานใหสงขน ธาต Yb จะดดกลนแสงในยาน 900 - 1000 นาโนเมตร ไดดจากนนจงไปถายเทพลงงานใหกบธาต Er อกตอหนงโดย Er จะเปนตวปลอยแสงความยาวคลน 1540 นาโนเมตร ตามภาพท 2-10 จะเหนวาแทงเลเซอรดดกลนแสงชวง 900 - 1000 นาโนเมตร ไดดและยอมใหแสงความยาวคลน 1540 นาโนเมตร ผานได

ภาพท 2-10 กราฟการปลอยแสงของเออรเบยมเลเซอร แทงเลเซอรดดกลนแสงยาน 900 -1000 นาโนเมตร และจะปลอยแสงความยาวคลน 1540 นาโนเมตร (Kigre Inc.) โครงสรางเลเซอรเออรเบยมแสดงในภาพท 2-11 ภายในประกอบดวยแทงเออรเบยม (Er:Glass) สเขยว ขนาบหวทายดวยกระจกเงาดานหนา (M1) และกระจกเงาดานหลง (M2) กระจกทงสองท า

17

หนาทเปนคาวตเพอใหแสงทเกดจากแทงเลเซอรสะทอนกลบไปกลบมาอยภายใน แทงเลเซอรจะถกปมพลงงานทางขางดวยหลอดแฟลชทภายในบรรจกาซเฉอยซนอน ทหลอดแฟลชใหแสงความยาวในชวงตามองเหนไดจนกระทงยายใตแดง ซงรวมถงแสงความยาวคลน 980 เมตร ซงเปนยานทแทงเลเซอรดดกลนไดดและเปลยนเปนแสงความยาวคลน 1540 นาโนเมตร

ภาพท 2-11 โครงสรางเลเซอร Er:Glass

2.5 ออปตกภาคสงและภาครบ (Optical Transmitter and Receiver) ไดอะแกรมสวนทเปนออปตกของกลองวดระยะทางเลเซอรชนดมอถอรน LP7 แสดงในภาพ

ท 2-12 ระบบออปตกประกอบดวยหวเลเซอร (laser head) ใหแสงเปนพลซก าลงงานสง คอลเมเตอร (collimator) และกลองเลง (telescope) ซงประกอบดวย เลนซวตถ (objective lens) ชดปรซม (prism block) และเลนซตา (eyepiece) สวนนท าหนาทสองอยางคอเปนทงกลองเลงระยะสไกลและดเทคแสงเลเซอรทสะทอนกลบจากเปา

Er:Glass rod

M 2 M 1 980 nm 1540 nm

Flash lamp

18

ภาพท 2-12 ไดอะแกรมกลองวดระยะทางเลเซอรชนดมอถอ (คมอกลอง LP7 )

2.5.1 ออปตกภาคสง (Optical Transmitter) ภาคสงประกอบดวยเลเซอรและคอลเมเตอร เลเซอรท าหนาทผลตแสงเลเซอรสวนคอ

ลเมเตอรท าหนาทลดมมบานของล าแสงลงเพอท าใหพลงงานแสงไปตกกระทบเปามากทสด การลดมมบานสามารถท าไดโดยการใช คอลเมเตอรทประกอบดวยเลนซสองอนวางตามภาพท 2-13 คอลเมเตอรชนดนเรยกวา Keplerian telescope (Kingslake, 1983)

f1 f2

Input

beam

Output

beam

ภาพท 2-13 คอลเมเตอรชนดเคปพลเรยน (Keplerian telescope) ล าแสงทเขาสคอลเมเตอร (Input beam) จะถกขยายใหใหญขนดวยอตราสวน f2/f1 โดย f1 คอความยาวโฟกสของเลนซ L1 และ f2 คอความยาวโฟกสของเลนซ L2 ตามล าดบ เมอล าแสงผานคอลเมเตอรออกไปจะมมมบานลดลงดวยอตราสวน f1/f2 เทาหรอเปนสวนกลบกบการขยายล าแสง คอลเมเตอรชนดเคปพลเรยน (Keplerian telescope) เหมาะส าหรบเลเซอรก าลงงานต า (มลลวตต) เนองจากล าแสงทางดานเขาจะถกรวมแสงดวยเลนซ L1 ท าใหเกดจดรวมแสงขนาดเลกซงเปนจดทมความหนาแนนพลงงานสง ถาเปนเลเซอรทใหแสงเปนพลซและมก าลงงานสงสดเปนลานวตต (Megawatt) อาจท าใหเกดการแตกตวของอากาศ (ionization) ทจดรวมแสงได ปรากฏการณน

Objective lens Receiving light

Transmitted light

Collimator

Laser head Eyepiece

Viewing reticule

Prism block

L1 L2

19

จะท าใหเกดเสยงดงคลายกบการเกดประกายไฟ (spark) ระหวางขวไฟฟาแรงดนสงซงถกสงเกตครงแรกในป ค.ศ. 1963 เมอล าแสงเลเซอรเดนทางผานจดนจะท าใหพลงงานถกลดทอนลงขณะเดยวกนรปรางทางเวลา (Temporal profile) ของพลซกจะผดเพยนไปจากเดมดวย (Alcock et al.,1970)

ภาพท 2-14 คอลเมเตอรชนดกาลเลยน ประกอบดวยเลนซเวา และเลนซนนวางหางกนตามแนวนอนในต าแหนงทจดรวมแสงของเลนซทงสองทบซอนกนพอด

ดงนนคอลเมเตอรแบบกาลเลยนจงเปนทนยมในระบบเลเซอรวดระยะทางทใชเลเซอรก าลง

งานสง เนองจากไมมจดรวมแสง คอลเมเตอรกาลเลยนประกอบเลนซสองอนคอ เลนซเวา (concave lens) และเลนซนน (convex lens) วางหางกนทางแนวนอนตามภาพท 2-14 โดยต าแหนงจดรวมแสงของเลนซทงสองจะอยทต าแหนงเดยวกน ก าลงขยายของคอลเมเตอรนเทากบ f2/f1 เทาเชนเดยวกบของเคพปลเรยน กาลเลยนมขอไดเปรยบกวาเคปพลเรยน คอ ทก าลงขยายเทากน กาลเลยนจะมความยาวของระบบนอยกวามาก (เทากบความยาวโฟกสของเลนซนน) จงเหมาะทจะน ามาใชงานกบระบบทมพนทจ ากด

20

2.5.2 ออปตกภาครบ ภาครบนอกจากจะใชรวบรวมแสงเลเซอรทสะทอนกลบจากเปาแลว ยงใชเปนกลอง

สองทางไกล (Sighting telescope) เพอเลงเปาหมายทอยไกลๆดวยความแมนย า การทเปาอยหางออกไปไกลมากๆ เลนซวตถจะรวบรวมแสงจากวตถและท าใหเกดภาพทจดรวมแสง (focal point) บนแผนมาตราแกว (reticule plate) ตามภาพท 2-15 เสนมาตรา (reticule) และภาพเปาจะอยบนระนาบเดยว เราสามารถมองเหนภาพเปาและเสนมาตราในเวลาเดยวกนดวยเลนซตา (eyepiece) ทอยทางดานขวา เลนซวตถและแผนมาตราแกวจะอยกงกลางแนวออปตก (optical axis) สวนเลนซตาดานซายจะถกใชมองระยะทางทแสดงดวย LED

ภาพท 2-15 ภาพเปาบนแผนมาตราแกว

21

ออปตกภาครบท าหนาทดงตอไปน แสงทเดนทางผานเลนซวตถจะถกแบงออกปนส

องเสนทางโดยปรซมแบงล าแสง (beam splitter) ซงประกอบดวยปรซมมมฉาก (right angle prism) สองอนคนกลางดวยกระจกไดโครอค (diachronic mirror) กระจกไดโครอคจะยอมใหแสงยานใตแดง (IR) ผานและจะสะทอนแสงยานตามองเหน (visible) ดงแสดงในภาพท 2-16 ดงนนภาพจากแสงยานตามองเหนจะปรากฏบนแผนมาตราแกวซงผใชงานสามารถมองผานเลนซตา สวนแสงเลเซอรซงอยในยานใตแดงจะเดนทางผานไปยงตวรบ

Visible + IR

IR

Visible Dichroic Mirror

ภาพท 2-16 บมสปลตเตอรทใชในกลองวดระยะทางเลเซอร

ไดอะแกรมออปตกภาครบแสดงในภาพท 2-17 เลนซวตถจะรวบรวมแสงยานตามองเหน (visible) ทเดนทางมาจากเปาและแสงเลเซอรทสะทอนกลบจากเปา ปรซมลม (wedge prism) ท าหนาทปรบแตงแกนออปตกภาครบใหขนานกบแกนของภาคสงในการประกอบระบบขนสดทาย ชดปรซม (prism block) ซงประกอบดวย โปโรปรซม (poro prism) ปรซมมมฉาก (right angle prism) และกระจกไดโครอค (diachronic mirror) ท าหนาทแยกแสงยานตามองเหนออกจากยานใตแดง โดยยานตามองเหนจะถกรวมแสงใหเกดภาพเปาบนแผนมาตราแกว สวนแสงยานใตแดงจะเดนทางผานพนโฮลและฟลเตอรไปตกยงตวรบแสง พนโฮลทตดอยบนปรซมมเสนผาศนยกลาง 0.2 มลลเมตร ขณะทเลนซวตถมเสนผาศนยกลาง 47 มลลเมตรความยาวโฟกส 155 มลลเมตร. เมอประกอบเขาดวยกน พนโฮลจะ

22

จ ากดมมมองของภาครบใหมคา 1.3 mrad นนหมายความวา ทระยะ 1 กโลเมตร พนโฮลจะยอมใหแสงเลเซอรสะทอนจากเปาใดๆ กได ทอยภายในพนทหนาตดรศม 1.3 เมตรเทานนผานไปถงตวรบ หรอรศม 2.6 เมตร ทระยะ 2 กโลเมตร เปนตน

ในระบบวดระยะทางเลเซอรรนเกา สญญาณเรมตน (Start pulse) ทน าไปใชเปนสญญาณอางองในการจบเวลาไป-กลบ จะไดจากการน าแสงบางสวนทออกจากหวเลเซอรผานเขาทางปรซมดานขางตามภาพท 2.17 ส าหรบระบบทพฒนา สญญาณเรมตนสามารถน าออกจากหวเลเซอรในรปสญญาณอเลกทรอนกสแลวสงไปใหภาคนบไดโดยตรงโดยไมตองผานชดปรซมเชนของกลอง LP7 ท าใหงายตอการปรบแตงแกนออปตกนอกจากนยงลดชนสวนทางออปตกลงอก

ภาพท 2-17 ไดอะแกรมออปตกภาครบ

2.6 การจบเวลาไป-กลบ (Time discriminator) การจบเวลาไป-กลบของสญญาณแสงเลเซอรทสะทอนจากเปาใหถกตองและแนนอนทกครง

นบวามความส าคญมาก เนองจากเปาแตละเปาทแตกตางกนจะมคาการสะทอนแสง (reflectance)ทไมเทากน ท าใหขนาดของสญญาณทสะทอนกลบจากเปาไมเทากนแมเปาจะอยทเดยวกนหรอระยะเดยวกนกตาม การทจะเปลยนเวลาไปกลบใหเปนระยะทางดวยความสม าเสมอ เราตองเปลยนสญญาณทสะทอนกลบจากเปาซงเปนสญญาณอนาลอกใหเปนสญญาณดจตอล (ลอจก) โดยก าหนดจดใดจดหนงบนสญญาณอนาลอกทจะเปลยนเปนสญญาณดจตอล เรยกวธการนวา Time discriminator วธการนจะก าหนดต าแหนงเวลาบนสญญาณอนาลอก (Analog pulse) วาทเวลาไหนจงจะสรางสญญาณดจตอลออกมา โดยปกตรปรางของสญญาณเลเซอรทสะทอนกลบจากเปามกจะไมเปลยนแปลง แตสงทเปลยนแปลงคอขนาดของสญญาณ วธการ Time discriminator สามารถแบงไดเปน 2 วธใหญๆ คอ Threshold Detector (TD) และ Constant Fraction Detector (CFD) ตามภาพท 2-18

Photodetector

1540 nm bandpass filter

Pinhole

Eye

Eyepiece

Reticle

Prism block

Wedge prism

Objective lens

IR+VIS

IR

VIS

Laser light

23

ภาพท 2-18 วธการเปลยนสญญาณอนาลอกใหเปนดจตอล ก.) Threshold Detector (TD) ข.) Constant Fraction Detector (CFD)

วธ TD (ภาพท 2.18 ก) ใชการเปรยบเทยบขนาดของสญญาณอนาลอกตอนขาขน (risetime) กบระดบสญญาณคงททก าหนด (Threshold level) หากสญญาณอนาลอกทเขามามขนาดสงกวาระดบทตงไว จะเกดสญญาณดจตอลออกมาตรงต าแหนงนน

วธ CFD (ภาพท 2.18 ข) สญญาณอนาลอกทเขามาจะถกสรางใหมเปนสองลกโดยลกหนงจะถกลดขนาดลง (attenuated) สวนอกลกหนงจะถกหนวงเวลา (delay) ออกไป สญญาณทงสองจะถกน ามาเปรยบเทยบขนาดกน หากสญญาณทถกหนวงเวลาออกไปมขนาดตอนขาขน สงกวาสญญาณทถกลดขนาดลง CFD จะใหสญญาณดจตอลออกมา

ทงสองวธมขอจ ากดดวยกนทงค ส าหรบขอจ ากดของวธ TD คอจดเวลาทจะสรางสญญาณพลซออกมา ขนอยกบขนาดของสญญาณทสะทอนกลบ เชน กรณเปาทมผวการสะทอนทแตกตางกน (โลหะกบตนไม) แมจะอยทต าแหนงเดยวกน สญญาณทสะทอนกลบยอมมขนาดไมเทากน ท าใหเกดความคลาดเคลอนของต าแหนงการเกดสญญาณพลซ เราเรยกความคลาดเคลอนนวา “walk error” ดงแสดงในภาพท 2.19

Threshold level

Input signal (analog)

Output signal (digital)

Delayed signal

Attenuated signal

Output signal (digital)

Generating point

ข.)

ก.)

Generating point Returned pulse

24

ภาพท 2-19 ความผดพลาดในการสรางสญญาณพลซโดยวธ Threshold detector

จากภาพจะเหนวาแมรปรางของสญญาณจะเหมอนกนแตถาขนาดแตกตางกนกจะสงผลใหเวลาไปกลบไมเทากน จะเหนวาสญญาณหยด (stop pulse) ทมขนาดสงสดสรางเวลาไป-กลบเทากบ T1 สวนสญญาณหยดทมขนาดต าสดสรางเวลาไป-กลบเทากบ T3 ซงไมเทากนสงผลตอความถกตองในการเปลยนเวลาเปนระยะทาง

ส าหรบวธ CFD (Gedche and McDonald, 1968) จดเวลาของอนาลอกทจะเปลยนเปนสญญาณดจตอลไมไดขนอยกบขนาดของสญญาณอนาลอก แตขอเสยของวธนคอ หากสญญาณทสะทอนกลบมขนาดสงเกนไปอาจจะเนองจากเปาอยใกลเกนไปหรอเปามคาการสะทอนสงมาก ท าใหวงจรขยายขนแรก (preamplifier) ขยายสญญาณจนลน (saturated) ไมสามารถประมวลสญญาณขนตอๆไปไดหากเกดกรณเชนนจะเกดผลเสยมากกวาวธTD

Threshold level

Input signal (analog)

Start pulse Stop pulse

T3

T 2 T 1

25

บทท 3

การศกษาและวเคราะหระบบ

1. ระบบวดระยะทางส าหรบรถเกราะ V-150

จากผลการศกษาระบบการวดระยะทางวธการตางๆ จากเอกสารวจยและต ารา รวมทงยทโธปกรณทใชงานอยในเหลาทพ สามารถสรปไดวา การวดระยะทางดวยวธ จบเวลาไปกลบ (Time of Flight) เปนวธทเหมาะสมทสดในการน ามาประยกตใชกบงานการยงปนใหญประจ ารถหมเกราะ V-150 ทงนเนองจากสามารถวดระยะไดไกลหลายกโลเมตร มความผดพลาดเปนเมตรอยภายในรศมการท าลายของลกปนใหญทใช นอกจากนยงไดท าการศกษากลองวดระยะทางเลเซอรรน LP7 ทประจ าการในกองทพบกจ านวนมากเพอใชเปนแนวทางในการออกแบบระบบ ทงในดานออปตก วงจรอเลกทรอนกสและระบบแมคานกส ในการออกแบบใชสมการระยะทาง (range equation) เปนแนวทางในการค านวณคณสมบตของชนสวนประกอบตางๆ เพอยนยนความถกตองทางทฤษ

2. ไดอะแกรมระบบวดระยะทางเลเซอร ภาพท 3.1 แสดงไดอะแกรมระบบวดระยะทางเลเซอรส าหรบรถ V-150 ระบบประกอบดวยสวนทส าคญสามสวนใหญๆ คอ ภาคสง (Transmitter) ภาครบ (receiver) และภาคเปลยนเวลาเปนระยะทาง (Range converter) ทกสวนท าหนาของตนเองและท างานสมพนธกนหมด โดยภาคสงท าหนาทผลตแสงเลเซอรชนดพลซทมการบานของล าแสงนอยทสด ใหแสงในยานทปลอดภยตอตา สวนภาครบกท าหนาทคอยรบสญญาณแสงเลเซอรทสะทอนกลบจากเปาใหไดมากทสด จากนนกท าการ

ภาพท 3-1 ไดอะแกรมระบบวดระยะทางดวยแสงเลเซอรส าหรบรถหมเกราะ V-150

Receiver

Transmitter

Stop pulse

Start pulse

Output

Return

Range converter

Signal processing

Collimator Laser head Detector

Controller

Counter

Display

Power supply

Detector Receiver lens

26

ประมวลสญญาณดวยความแมนย าและแนนอนทกครง มความผดพลาดในการวดนอยมาก สวนภาคเปลยนเวลาเปนระยะทางกท าหนาทจบเวลาไปกลบของแสงเลเซอรขณะทสงแสงออกไปยงเปาและสะทอนกลบมายงเปาแลวเปลยนเวลานเปนระยะทางดวยการนบสญญาณนาฬกาความถสง

3. ภาคสง (Transmitter) ประกอบดวย 1.) หวเลเซอร (Laser head) ท าหนาทผลตแสงเลเซอรชนดพลซ (กวางประมาณ 20 นาโน

วนาท) พลงงานแสง 3.6 มลลจล (mJ) ความยาวคลน 1540 นาโนเมตร (ใกลใตแดง) ซงเปนยานทตาเปลามองไมเหน และไมเปนอนตรายตอตา

2.) แผงวงจรเพาเวอรซพพลาย (Power Supply board) ท าหนาทผลตกระแสไฟชนดพลซทมความเขมสง (60 A) เพอปอนใหกบหลอดแฟลช

3.) คอลเมเตอร(Collimator) ท าหนาทลดมมบานล าแสงทออกจากหวเลเซอรลงท าใหล าแสง เดนทางไปไดไกลขนและพลงงานแสงทตกกระทบเปามความหนาแนนมากขน นอกจากนยงท าใหการเลงเปาหมายมความแมนย าขน

3.1 หวเลเซอร (Laser Head) เลเซอรทใชเปนชนดเออรเบยม (Erbium:Glass laser) มโครงสรางตามภาพท 3.2

ภายในประกอบดวย 1.) แทงเลเซอร ท าจากผลกแกว (Glass) และเจอดวยธาตเออรเบยม 2.) หลอดแฟลชชนดพลซ (flashlamp) ทภายในบรรจกาซซนอน (Xenon) ท าหนาทเปลงแสงความยาวคลนตรงกบยานการดดกลนกบแทงเลเซอร 3.) กระจกหนา (Coupler mirror) ท าหนาทเปนสวนหนงของคาวต และ4.) ปรซมสะทอนแสงชนดหมนได (rotating prism) ท าหนาทเปนกระจกหลง (high reflection mirror) คอยปดและเปดคาวตเลเซอร เมอใดทปรซมหมนมาอยในต าแหนงทผวดานหนาขนานกบกระจกหนา (coupler mirror) เวลานนจะท าใหเกดแสงเลเซอรชนดพลซทมความกวางเปนนาโนวนาท และมก าลงงานสงสดเปนลานวตต

ภาพท 3-2 ไดอะแกรมระบบเออรเบยมเลเซอร (Er:Glass laser)

เลเซอรเออรเบยมแกวจดอยในเลเซอรชนดสามระดบพลงงาน ตวกลางเปลงแสงท าจากผลกแกวฟอสเฟส (phosphate glass) เจอดวยธาตเออรเบยม (Erbium, Er) และธาตเยทเบยม (Ytterbium, Yb) อยางละประมาณ 0.3% โดยน าหนก ทปลายทงสองของผลกถกเคลอบดวยสารตอตานการสะทอน (anti-reflection coating) ส าหรบความยาวคลน 1540 nm เพอลดการสญเสยจากการสะทอนขณะทแสงเดนทางออกจากปลายแทงเลเซอรไปสอากาศ ผลกฟอสเฟสท าหนาทเปน

Rotating Prism

Coupler mirror

Laser output

Erbium: Glass rod

Flash lamp

27

เจาบาน (host) เพอใหธาตเออรเบยม และธาตเยทเบยมเขาไปอาศยอย เมอปอนแสงยาน 0.9 – 1.0 ไมครอน ใหกบแทงเลเซอร เยทเบยมจะดดกลนแสงนเพอยกตวขนไปอยในระดบพลงงาน F5/2 แลวถายเทพลงงานตอใหกบธาตเออรเบยม เพอขนไปอยในระดบพลงงาน 4I11/2 แลวตกมาอยทระดบพลงงาน 4I13/2 ดวยความรวดเรวโดยไมเปลงแสง อะตอมจะอยทระดบพลงงานนชวระยะเวลาหนง (เปนไมโครวนาท) จากนนจงเคลอนทลงสระดบพลงงานพนดน (ground state) หรอระดบพลงงาน 4I15/2 ในเวลาเดยวกนกปลอยแสงความยาวคลน 1540 nm ออกมา

3.2 วงจรจายกระแส (Laser Power supply board) เปนแผงวงจรทท าหนาทผลตไฟฟาแรงดนสง (High voltage) ปอนใหกบหลอดแฟลช

และไฟเลยงส าหรบแผงวงจรอนๆ ของระบบ ส าหรบวงจรผลตไฟแรงดนสงส าหรบหลอดแฟลชประกอบดวย 1.) วงจรเปลยนไฟ

กระแสตรงใหเปนกระแสสลบ (DC to AC converter) 2.) วงจรทวแรงดน (Multiplied voltage circuit) 3.) วงจรสรางพลซ Pulse Forming Network (PFN) และ 4.) วงจรทรกเกอร (Trigger circuit) ตามภาพท 3.3

วงจรเปลยนไฟกระแสตรงใหเปนกระแสสลบ (DC to AC converter circuit) ท าหนาทเปลยนไฟกระแสตรงใหเปนกระแสสลบความถ 1 กโลเฮรท โดยใช IC เบอร 555 ความตานทานและตวเกบประจท างานรวมกน สญญาณกระแสสลบจะถกเพมระดบแรงดนจาก 12 โวลทเปน 1000 โวลท โดยวงจรทวแรงดน (Multiplied Voltage circuit) ทประกอบดวยหมอแปลงไฟ (transformer) และไดโอด แรงดนไฟฟานจะถกเปลยนเปนพลงงานไฟฟาและไวในตวเกบประจ (storage capacitor) เมอถงเวลาใชงานกจะถกปลอยออกใหกบหลอดแฟลชโดยผานวงจร Pulse Forming Network (PFN) ทประกอบดวย ตวเกบประจ (storage capacitor) และตวเหนยวน า (inductor) ทตอกนแบบอนกรม การกระตนใหพลงงานไฟฟาทสะสมไวในตวเกบประจถกเปลยนเปนพลงงานแสงดวยหลอดแฟลชท าไดโดยวงจรทรกเกอร (trigger circuit) ทประกอบดวยหมอแปลงทรกเกอร สงสญญาณพลซขนาด 16 กโลโวลทผานเสนลวดทพนรอบหลอดแฟลช

3.3 คอลเมเตอร (Collimator) ท าหนาทลดมมบานของล าแสงเลเซอรทออกจากหวเลเซอรลง ท าใหล าแสงเดนทางได

ไกลขน พลงงานตกกระทบเปามความหนาแนนมากขน และชเปาไดแมนย าขน คอลเมเตอรทใชเปนชนดกาลเลยน (Galelean telescope) เนองจากมขอไดเปรยบกวาชนด

อน เชน เคปลเลยน อยสองประการคอ 1.) ไมมจดรวมแสงภายใน ท าใหไมเสยรปรางทางเวลา (temporal profile) ของล าแสงเลเซอร ขณะเดยวกนก าลงงานแสงกไมลดลงดวย และ 2.) ความยาว

DC to DC converter

Voltage Multiplier

Pulse Forming Network

Trigger circuit

12 VDC

ภาพท 3-3 ไดอะแกรมวงจรผลตไฟแรงดนสงส าหรบหลอดแฟลช

28

โดยรวมของคอลเมเตอรแบบกาลเลยนสนกวาแบบเคปลเลยน (Keplelean telescope) ขณะทมก าลงขยายเทากน ภาพท 3.4 แสดงไดอะแกรมคอลเมเตอรกาลเลยน ในการออกแบบใชเลนซเวา (negative lens) ความยาวโฟกส 5.6 มลลเมตร เสนผาศนยกลาง 5 มลลเมตร และเลนซนนความยาวโฟกส 28.49 มลลเมตร เสนผาศนยกลาง 15 มลลเมตร เลนซทสองถกเคลอบดวยสารตอตานการสะทอนส าหรบแสง 1540 นาโนเมตร และบรรจอยภายในตวเรอนทแยกตางหากจากกนทงนเพองายตอการปรบแตงระยะหางระหวางเลนซทงสอง ตวเรอนทงหมดท าจากอลมเนยมคณภาพสง เพองายตอการสราง เนองจากก าลงขยายของคอลเมเตอรเทากบ 5 เทา ดงนนจะสามารถลดมมบานของแสงจากหวเลเซอรโดยตรงจาก 3.5 มลเรเดยน (mradX เหลอ 0.7 มลเรเดยน ความยาวโดยรวมของคอลเมเตอรเมอประกอบและปรบแตงเสรจประมาณ 30 มลลเมตร มเสนผาศนยกลางทางเขาแสง (entrance aperture) เทากบ 4 มลลเมตร และเสนผาศนยกลางทางออกแสง (exit aperture) เทากบ 15 มลลเมตร

ภาพท 3-4 ไดอะแกรมคอลเมเตอรชนดกาลเลยน

4. ภาครบ (Receiver) ประกอบดวยสวนทส าคญสองสวนคอ 1.) สวนทเปนออปตก (Optical part) และ 2.) สวน

ประมวลสญญาณอเลกทรอนกส (Signal processing part)

4.1 ภาครบออปตก ภาครบสวนทเปนออปตก ประกอบดวย 1.) เลนซวตถ (Objective lens) ท าหนาทรวบรวมแสงเลเซอรทสะทอนกลบจากเปาเพอโฟกสลงบนตวรบแสง 2.) พนโฮล (Pinhole) ท าหนาทจ ากด มมมอง (Field of View) ของตวรบใหสามารถมองเหนเปาไดไมเกน 1.2 มลเรเดยน และ 3.) ฟลเตอร (Filter) ท าหนาทกรองสญญาณแสงทไมตองการ เชน แสงอาทตย ออกไปใหผานเฉพาะแสงเลเซอรทสะทอนจากเปาเทานน เพอไปตกบนตวรบแสง เลนซวตถเปนเลนซชนดอโครเมตก (Achromatic lens) ประกอบดวยเลนซสองชนด คอ เลนซนนและเลนซเวาประกบกน เพอแกผลการผดเพยนจากการทแสงตกกระทบประกอบดวยหลายความยาวคลน (achromatic aberration) ท าใหจดรวมแสงมขนาดใหญกวาทมเพยงความยาวคลนเดยว เลนซวตถทใชมขนาดเสนผาศนยกลาง 40 มลลเมตร ผวดานหนาและดานหลงถกเคลอบดวยสารปองกนการสะทอน (antireflection coating) ส าหรบแสงยานใตแดง (R<0.5% @ 1540 nm) มความยาวโฟกส 155 มลลเมตร

i/p beam D1

F1 F2

Concave lens Convex lens

D2

Output beam 2

1

Focus spot

29

4.2 ภาครบอเลกทรอนกส (Signal processing part) วงจรรบ (Receiver circuit) ท าหนาทเปลยนพลงงานแสงทตกกระทบใหเปนพลงงานไฟฟา (กระแสไฟฟา) แลวประมวลสญญาณดบนจนกระทงไดไดสญญาณพลซทมความแมนย า และเปนมาตรฐาน (TTL) เพอไปหยดการนบสญญาณนาฬกาอางอง ทเรมตนตงแตสงสญญาณเลเซอรออกไป การประมวลสญญาณวธเทคนค การเปรยบเทยบระดบ (Threshold detector) เพอผลตสญญาณพลซทมความเสถยรในเชงขนาดและความกวางและมความผดพลาดนอยมากจากสญญาณรบกวน เทคนคนเปนหนงในหลายๆ วธทใชกนกนอยางแพรหลาย เนองจากวงจรไมซบซอนมากนกและใชชนสวนนอยกวาวธอนแตประสทธภาพยอมรบไดในการประยกตใชงานน และทส าคญราคาไมแพง ภาพท 3.6 แสดงไดอะแกรมภาครบอเลกทรอนกส วงจรประกอบดวย

1. ตวรบแสง (detector) ชนด Avalanche Photodiode (APD) ท าหนาทเปลยนสญญาณแสงใหเปนสญญาณไฟฟา (กระแส) ในยาน 1540 nm ดวยความไวสง ตวรบท าจากสารกงตวน าหลายชนดประกบกนคอ สารอนเดยม (Indium) สารแกเลยม (Gallium) และ สารหน (Arsenide) มชอทวไปวา InGaAs ตอบสนองแสงไดดในชวงในชวงคลน 900 - 1700 นาโนเมจร โดยมการตอบสนองสงสดทความยาวคลน 1500 nm มแบนดวดธมากกวา 3.5 GHz ท าใหสามารถตอบสนองเลเซอรพลซทกวาง 9 นาโนเมตรไดอยางสบาย

2. วงจรจ ากดกระแส (Limiting circuit) ท าหนาทจ ากดกระแสทเกดจากตวรบไมใหเกนกวาขดความสามารถวงจรภาคขยาย ทงนเนองจากพลงงานทสะทอนกลบจากเปาขนอยกบระยะทางและการสะทอนของเปา ถาระยะใกลหรอเปาทมคาการสะทอนสงกจะมพลงงานสะทอนกลบมามาก ตวรบกจะผลตกระแสออกมามาก

3. วงจรขยายเบองตน (Preamplifier circuit) ท าหนาทขยายสญญาณกระแสทออกจากตว รบแสง โดยการเปลยนกระแสทเกดจากตวรบแสงใหเปนแรงดนโดยตรง (Trans-impedance amplifier) เพอปองกนการโอเวอรโหลดจากการกระแสโดยตรง วงจรนถกออกแบบใหมการขยายเพยง 5 เทา เนองจากสญญาณแสงทสะทอนกลบเขามายงภาครบอาจมสญญาณรบกวน (noise) อนๆ ปะปนเขามา เชน แสงจากดวงอาทตย (ขณะเลงกลองยอนแสง) หรอแสงจากการสะทอนของละอองน าทอยดานหนากลอง (ขณะมหมอกลง)

Lens Pinhole

Filter Detector

ภาพท 3-5 ออปตกภาครบประกอบดวย เลนสวตถ พนโฮล ฟลเตอร และตวรบแสง

30

ภาพท 3-6 ไดอะแกรมภาครบอเลกทรอนกส

4. วงจรกรองสญญาณ (Band shaping circuit) หรอวงจรกรองความถสงออก ท าหนาทกรองหรอตดสญญาณรบกวนความถสงออกท าใหสญญาณทจะถกขยายมความราบเรยบขน และมรปรางทชดเจนกวา ลดภาระ (load) การท างานของวงจรขยายภาคถดไป

5. วงจรขยาย (Post amplifier) ท าหนาขยายสญญาณทถกก าจดสญญาณรบกวนออกไปแลวใหมขนาดทใหญขน มการขยายประมาณ 15 dB

6. วงจรเทรชโฮลดเทคเตอร (Threshold detector) ท าหนาทเปลยนสญญาณอนาลอกใหเปนสญญาณพลซ โดยการเปรยบเทยบสญญาณทรบมาจากวงจรขยายกบระดบแรงดนทตงไว (threshold level) โดยใชวงจรเปรยบเทยบระดบแรงดน ระดบเทรชโฮลนสามารถตงคาไดจากการปรบความตานทาน การตงคาระดบเทรชโฮลขนอยกบระดบสญญาณรบกวนของวงจรภาครบ โดยปกตจะตงใหมคาสงกวาคาสญญาณรบกวนเฉลยประมาณ 7 เทา (SNR =7) ดวยคานจะท าใหระบบมอตราการผดพลาด (False Alarm Rate) ประมาณ 0.1% หรอทกการวดระยะทาง 1,000 ครงจะมความผดพลาดในการวดเพยง 1 ครงเทานน

7. วงจรก าหนดรปรางสญญาณพลซ (Pulse shaping circuit) ท าหนาทควบคมสญญาณพลซทจะสงออกไปยงวงจรนบใหมขนาด (amplitude) และความกวาง (pulse width) เทากนทกครง ไมวาสญญาณเลเซอรทสะทอนกลบจากเปาจะมขนาดเลกหรอใหญกตาม สญญาณพลซนก าหนดใหมขนาดสง 3.5 โวลท และกวาง 25 นาโนวนาท (ns)

5. ภาคเปลยนเวลาเปนระยะทาง (Range converter) ท าหนาสองอยางคอ 1.) เปลยนเวลาไปกลบของแสงใหเปนระยะทางโดยการนบสญญาณนาฬกาอางอง คณดวย

ความละเอยดของระบบ แลวแสดงผลดวย LED 2.) ควบคมการท างานแผงวงจรอนๆ ใหเปนไปตามล าดบเวลา (timing diagram) ทก าหนด การนบสญญาณนาฬกาภายในหวงเวลาไปกลบของแสงสามารถท าไดโดยใชวงจรนบความเรว

สงแบบซงโครนส (Synchronous counter) สญญาณนาฬกาอางองจะถกปอนใหกบเกท (gate) แต

31

ละตวทใชในการนบพรอมกนจงไมมการลาชาจากการรอผลลพธของเกทตวใหท างานเสรจกอน ท าใหวงจรนบชนดนสามารถนบสญญาณนาฬกาทมความถสงเปนเมกกะเฮรท (MHz) ได นอกจากนเพอใหการนบมความผดพลาดนอยทสด เรายงซงโครไนซขาขนของสญญาณนาฬกาอางอง (clock) กบขาขนของสญญาณเวลาไป-กลบ (Time of Flight gate) การท าเชนนจะท าใหการนบมความผดพลาดไมเกนหนงลกสญญาณนาฬกา

ไดอะแกรมภาคนบแสดงในภาพท 3-7 สญญาณเรมตน (start pulse) จากหวเลเซอรจะถกปรบแตง (reshape) รปรางอกครงดวยวงจร signal shaper ทประกอบดวย โมโนสเตเบลเบอร 74121 ตวเกบประจ และความตานทาน เพอผลตพลซความกวาง 50 ns และสง 3.5 โวลท ท านองเดยวกนสญญาณหยด (stop pulse) กจะถกปรบแตงรปรางอกครงดวยโมโนสเตเบล 74121 เชนกนเพอใหมขนาดและความกวางพลซเทากบสญญาณเรมตน สญญาณทงสองจะถกปอนเขาไมโครโปรเซสเซอร (microprocessor) ซงถกโปรแกรมใหท าหนาทเปนวงจรนบ โดยนบสญญาณนาฬกาอางองทถกผลตจากผลกครสตลความถ 25 MHz อนงการทใชสญญาณนาฬกา 25 MHz เพราะหาซอไดงายตามทองตลาดเนองจากความถไมสงมากนก เราไมจ าเปนตองใชครสตอลผลตสญญาณนาฬกาทมความถสมพนธกบความเรวแสงโดยตรงแตสามารถแกไข (compensate) จากตวโปรแกรม

ภาพท 3-7 ไดอะแกรมวงจรนบ (Counter circuit)

การท างานของภาคควบคมมดงตอไปน เมอกดสวทช เปด/ปด (ON/OFF switch) ไฟ

กระแสตรง 12 โวลทจากแบตเตอรจะถกจายไปยงแผงวงจรจายกระแส (laser power supply, LPS) กอน จากนนไฟกระตรง 5 โวลทจาก LPS กจะถกจายใหแผงวงจรภาคนบ (Counter board, CB) และภาครบ เมอกดปมยงเลเซอร (Fire switch) แผงวงจร LPS จะเรมการขบวนการผลตแสงเลเซอร ตามหวขอท 3.3 แสงเลเซอรบางสวนทถกสงไปยงเปาจะไปตกกระทบตวรบแสง (PIN photodiode) ทอยภายในหวเลเซอร แสงเลเซอรนจะถกเปลยนเปนสญญาณไฟฟาเพอน ากลบไปควบคมการผลตแสงเลเซอรลกถดไปใหมเสถยรภาพ ขณะเดยวกนกใชสญญาณนเปนสญญาณเรมตน (start pulse) ในการจบเวลาไปกลบแสง สญญาณควบคมการขยายสญญาณ (Time Programmable Gain, TPG) จะถกสรางและสงไปยงภาครบเพอควบคมการขยายสญญาณใหแปรผนตามกฎก าลงสอง (square law) ในชวงเวลา 6 s หลงจากทแสงเลเซอรถกสงออกไป ขณะเดยวกนสญญาณ MIN Range กจะ

Signal Shaper

Signal Shaper

Counter

25 MHz Oscillator

Display

Laser head Signal

LRF receiver Signal

Start pulse

Stop pulse

LRF Receiver

Laser Power Supply

32

ถกสรางออกไปเพอใชในการเลอกเปาทมระยะมากกวาทตงไวระยะใกลสดไว กรณทมการเปาหลายเปาอยภายใน Field of View ของภาครบ

ภาพท 3.8 แสดงวงจรนบของระบบวดระยะทาง ไมโครคอนโทรเลอรชนดประมวลผลความเรวสงแบบฝงตว (100-MIPS Embedded Microcontroller) ถกโปรแกรมใหท าหนาทสองอยางคอเปนทงตวควบคมแผงวงจรอนๆ และเปนวงจรนบ

ภาพท 3-8 วงจรนบ (counter schematic)

6. ระบบวดระยะทางเลเซอร (Laser Rangefinder System)

33

เมอสรางชนสวนตางๆ เสรจ คอ ภาคสง (transmitter) ภาครบ (receiver) ภาคเปลยนเวลาเปนระยะทาง (range converter) ภาคแสดง (display) และเฮาซง กน าชนสวนเหลานนมาประกอบกนเปนระบบเลเซอร ตามภาพท 3-9

ภาพท 3-9 ระบบวดระยะทางเลเซอรส าหรบรถหมเกราะ V-150 ทประกอบเสรจ

ชนสวนทงหมดถกบรรจอยภายในเฮาซงทบรรจกาซไนโตรเจนไวภายใน เพอดดซบความชน ปองกนการฝามวและเกดออกไซดชนสวนออปตกทอยภายใน 7. การบอรไซท (Bore sighting)

ในการประกอบชนสวนตางๆของระบบเขาดวยกน โดยเฉพาะอยางยงในสวนทเปนออปตก จ าเปนตองมการปรบแตงแกน (optical axis) ของแตละระบบยอยใหขนานกน เพอใหแสงทจะสงออกจากภาคสงไปยงเปา (transmitter axis) ไปตกยงเปาดวยความแมนย า และทสะทอนกลบจากเปามายงภาครบ (receiver axis) ใหตกกระทบตวรบแสงดวยความแมนย าและมขนาดสง การทจะเปนเชนนไดจะตองท าการบอรไซทระบบในสวนทเปนออปตก

การบอรไซทแบงไดเปนสามสวน คอ การบอรไซทแกนภาครบกบแกนภาคสงใหขนานกน การบอรไซทแกนภาคสงกบแกนกลองเลง และการบอรไซดแกนระบบวดระยะทางกบแกนปนใหญประจ ารถ V-150 การบอรไซทสวนทหนงและทสองจะตองท าใหหองทดลองทมอปกรณทางดานแสง ส าหรบการบอรไซทสวนทสามตองท าภายนอกหองทดลองหรอบรเวณทมระยะทางหลายรอยเมตร

7.1 การบอรไซดในหองทดลอง ตองท าสองสวนคอ การบอรไซดระหวางภาคสงและภาครบใหขนานกน เพอใหไดสญณาณ

เลเซอรทสะทอนกลบจากเปาสงทสด การบอรไซทนตองใชอปกรณเฉพาะทางและตองออกแบบระบบแมคคานกสใหสามารถปรบแตงไดทกทศทาง เพอใหแสงเลเซอรทตกกระทบเปาทตองการวดระยะทางมสญญาณสะทอนกลบไปตกยงตวรบแสงมากทสด เนองการบอรไซทนมความซบซอนและตองการเครองมอเฉพาะทางทมราคาสง ดงนนจงปลอยใหทางโรงงานผผลตด าเนนการปรบแตงให หลงจากปรบแตงแกนภาคสงและภาครบเรยบรอย กท าการปรบแตงแกนกลองเลง (sighting telescope) ทไดตดตงกบระบบวดระยะทางใหขนานกบแกนของภาคสง สวนนนบวามผลตอการเลงเปาเปนอยางยง แสงเลเซอรจะไปตกกระทบยงเปาหมายถกตองแมนย ากขนอยกบการบอรไซท

Receiver lens

34

การปรบแตงแกนกลองเลงและระบบวดระยะทางใหขนานกนท าไดตามไดอะแกรมภาพท 3-10 อปกรณทใชในการปรบแตงประกอบดวย 1.) กระจกเงาโคงทมรศมความโคงไมต ากวา 1 เมตร 2.) อปกรณ opto-machanic ส าหรบยดจบชนสวนตางๆ 3.) แผนกระดาษความไวสงตอแสง (Zap paper) 4.) โตะออปตกทมความหนกแนน (rigid) และ 5.) อปกรณชวยในการมองแสงเลเซอรยานใตแดง เชน กลองทวพรอมมอนเตอรหรอแผนไออารเซนเซอรคารด

ภาพท 3-10 ไดอะแกรมการบอรไซทระบบเลเซอรวดระยะทาง

การเซทอพและปรบแตงแกนไดด าเนนการในหองทดลองมาตรวทยาทางแสง ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตบางเขน ตามภาพท 3-11 หลงจากการปรบแตงระบบมความผดพลาดในการเลงไมเกน 50 Rad (ความแมนย าขนอยกบความละเอยดของสเกลมาตราบนแผนแกว)

ภาพท 3-11 การเซทอพอปกรณและการบอรไซทระบบวดระยะทางและกลองเลง

Laser head Beam Expander ZAP paper

Parabolic mirror

LRF Receiver Telescope

Table top

FL =1022.35 mm

Adj. Mirror mount

Focal Plane

Mirror axis

Transmitter axis

Receiver axis

35

7.2 การบอรไซทภาคสนาม

หลงจากบอรไซทระบบวดระยะทางในหองทดลองเสรจเรยบรอย กตองน าระบบนไปบอรไซทกบปนใหญประจ ารถหมเกราะ V-150 เพอระบบวดระยะทางจะไดชไปยงเปาเดยวกบทปนใหญจะยง

ภาพท 3-12 การทดสอบภาคแสดงตงระยะใกลสดไวท 1000 ม.ระยะทางเปาท 3 เทากบ 4380 ม.

ภาพท 3-13 การ Alignment กลอง เทเลสโคปกบระบบวดระยะทางในหองทดลอง ภาควชาฟสกข มหาวทยาลยเกษตรศาสตร

36

อนดบแรกจะตองตดตงระบบกบปอมปนกอน โดยต าแหนงทตดตงจะตองท าใหระบบวดระยะทางสามารถเลงไปยงเปาตามทปนใหญชไป ต าแหนงการตดตงอยบรเวณไฟสองเปาแสดงในภาพท 3-12 หลงจากตดตงระบบเรยบรอยกท าการบอรไซทกบปนใหญ โดยเลงปนใหญไปยงเปาทตองการจะยง (ระยะทางควรมากกวา 500 เมตร) จากนนกปรบแทนยดระบบวดระยะทางกบปอมปนใหกากบาทในกลองเลงทบกงกลางของเปาทเลงเปนอนเสรจขนตอนการบอรไซท

ภาพท 3-13 การฟอรมทมงานวจยกอนการบอรไซทระบบวดระยะทางเลเซอร กบปนใหญรถเกราะ V-150

บทท 4 ผลการวเคราะหขอมล/ผลการวจย

ภาพท 3-15 การบอรไซทระบบวดระยะทางเลเซอรกบปนใหญรถเกราะ V-150

37

1. บทน า การทดสอบไดกระท าเปนสองขนตอนคอ ทดลองภาคตางๆ ภายในหองทดลอง และท าการ

ทดสอบภาคสนามหลงจากประกอบชนสวนตางๆ เสรจเรยบรอย

2. การทดสอบภาคสง ภาพท 4.1 แสดงรปรางทางเวลา (temperal profile) แสงเลเซอรทถกสงออกจากภาคสง

สญญาณแสงมลกษณะเปนพลซและมรปรางเปนเกาเซยน (Gaussian) โดยมความกวางพลซ (วดทกงกลางพลซของยอดสงสด) ประมาณ 9.6 นาโนวนาท (ns) และมพลงงานเฉลย (average energy) 3.65 mJ (วดโดย Optical meter รน NOVA และหววด pyroelectric) ตามภาพท 4-2

ภาพท 4-1 รปรางทางเวลาของแสงเลเซอรทออกจากภาคสง (ชองท1) สญญาณแสงมลกษณะเปนพลซแคบกวางประมาณ 9 ns

ภาพท 4-2 พลงงานเฉลยของแสงเลเซอร Er:Glass ทออกจากหวเลเซอร

ชองท1

38

3. การทดสอบภาครบ

ภาพท 4.3 ชองท1 แสดงสญญาณทสะทอนกลบจากเปา ชองท2 แสดงสญญาณหยด (stop pulse) หลงผานขบวนการประมาลสญญาณตางๆ จะเปนวาสญญาณทสะทอนกลบมความกวางมากกวาสญญาณทสงออกไปเนองจากหางของสญญาณทมเวลามาก ทงนเนองจากการตอบสนองของคาความจตวรบแสงและคาความตานทานทน ามาประกอบวงจร แตสงทส าคญทสดคอเวลาการตอบสนองขาขนของตวรบแสงทจะตองตอบสนองใหทนตอสญญาณแสงทตกกระทบ ในกรณนวงจรภาครบสามารถตอบสนองไดทน ท าใหการประมวลสญญาณขนถดไปไมมปญญาสามารถผลตสญญาณหยดไดอยางถกตอง

ภาพท 4-3 สญญาณสะทอนกลบจากเปา ชอง 1 แทนสญญาณอนาลอกหลงจากขยาย

ดวย preamp ชอง 2 แทนสญญาณดจตอล หลงจากประมวลสญญาณแลว เพอพสจนวาสญญาณทวดไดมาจากเปาจรงไมใชหลดลอดมาจากหวเลเซอรหรอจากการสะทอนจากคอลเมเตอรซงอยใกลเคยงกบภาครบ ท าการปดดานหนาเลนซรบแลวท าการยงเลเซอรไปทเปา ไดสญญาณตามภาพท 4-3 สญญาณชองท 1 แทนสญญาณทสะทอนกลบจากเปา จะเหนวาไมมสญญาณปรากฏ แสดงวาไมมสญญาณแสงเลดรอดมาจากหวเลเซอรหรอคอลเมเตอร

ชอง 1

ชอง 2

39

ภาพท 4-4 ภาพสญญาณทสะทอนจากเปาเมอปดดานหนาของเลนซรบ (ชอง 1)

ภาพท 4-4 แสดงการวดเวลาไป-กลบของแสงทระยะ 12.75 เมตร สญญาณเรมตน (start pulse) และสญญาณหยด (stop pulse) มระยะเวลาหางกน 85 นาโนวนาท แสดงวาการประมวลสญญาณเปนไปดวยความถกตอง

ภาพท 4-5 การวดเวลาไป-กลบระหวางสญญาณเรตนแบสญญาณหยด

4. ภาคนบ (Counter) การทดลองท 5 เปนการทดลองเกยวกบการท างานของภาคนบ (counter) การทดลองนท าโดยการจ าลองเวลาไป-กลบของแสงทระยะทางตางๆ ดวยเครองสรางสญญาณพลซ (Pulse generator) รน DG535 จาก Stanford Research Inc.โดยการสรางสญญาณเรมตน (start pulse) และสญญาณหยด (stop pulse) ทหางกนตามเวลาทเทยบเทากบระยะทางตางๆ ปอนสญญาณจ าลองนใหกบแผงวงจรนบแลวบนทกผลการนบทระยะทางตางๆ ผลการทดลองแสดงในตารางท 4-1

ชอง 1

Start pulse

Stop pulse

85 ns

40

5. การทดสอบภาคสนาม

หลงจากทดสอบการท างานแตละภาคในหองทดลองเสรจ และไดผลตามทออกแบบจงท าการทดสอบภาคสนาม โดยคณะกรรมการของหนวยใช (ฝยก., พล.ม.1, ม.พน.7, ม.พน.10, ม.พน.12,มว.สพ.สวนหนา กสพ., พล.ม.1) ผเชยวชาญจาก รร.ชท., กรมชางอากาศ และทมงานวจย การทดสอบภาคสนามไดด าเนนการท ม.พน 7 จงหวดอตรดตถ โดยท าการตดตงระบบวดระยะทางบรเวณปอมปน จากนนกท าการบอรไซทระบบกบปนใหญประจ ารถ โดยใชเสาอากาศระยะหนงกโลเมตรเปนเปาหมาย จากนนไดท าการทดสอบการวดระยะทมระยะทางสงขนตามล าดบ สามารถวดระยะไกลสดไดมากกวา 10 กโลเมตร มความผดพลาด +/- 5 เมตร และไดท าการทดสอบการยงปนใหญดวยกระสนจรง ณ สนามฝกของหนวย ม.พน.7 จ านวน 2 ครง ตารางท 4-2 ผลการทดสอบภาคสนาม ครงท 1 ( จ านวน 15 นด)

ระยะทาง ครงท 1 ครงท 2 ครงท 3

900 เมตร 0 0 0

1,200 เมตร 0 0 0

1,500 เมตร -3 0 0

2,200 เมตร -3 0 0

2,800 เมตร -5 -3 -3

ตารางท 4-1 ผลการทดสอบการนบของแผงวงจรนบทระยะทางตางๆ (โดยการตงเวลาไป-กลบ)

41

ตารางท 0-3 ผลการทดสอบภาคสนาม ครงท 2 ( จ านวน 5 นด)

ระยะทาง ผลการทดสอบ

900 เมตร 0

1,200 เมตร 0

1,500 เมตร 0

2,200 เมตร 0

2,800 เมตร -5

ภาพท 4-6 ทมงานวจยท าการทดสอบภาคสนามครงท 1 ตารางท 4-3 ผลการทดสอบภาคสนาม ครงท 2 ( จ านวน 15 นด)

42

6. การทดสอบภาคสนามโดยคณะกรรมการกองทพบก 1. ตามท ทบ. ไดออกค าสง กองทพบก (เฉพาะ) ท 230/56 เรอง แตงตงคณะกรรมการทดสอบและประเมนผลโครงการวจยและพฒนาเครองหาระยะดวยแสงเลเซอรของรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. ซงประกอบดวยผแทนจาก พล.ม.๑, ศม., ยก.ทบ., กบ.ทบ., สปช.ทบ., สพ.ทบ., ม.พน.๗ และ สวพ.ทบ. โดยมผแทนจาก พล.ม.๑ เปนประธานกรรมการและเลขานการ ไดเขาท าการทดสอบและประเมนผลโครงการฯ ณ พนทฝกยงปนดวยกระสนจรง ม.พน.๗ อ.ทองแสนขน จว.อตรดตถ เมอวนท 7 – 8 ม.ค. 56 สรปผลการทดสอบไดดงน 1) การด าเนนโครงการวจยและพฒนาเครองหาระยะดวยแสงเลเซอรของรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. เปนไปตามกระกวนการของงานวจยและพฒนา โดยนายทหารโครงการไดด าเนนงานแลว เสรจพรอมกบไดผลผลตหรอชนงานตรงตามวตถประสงคของโครงการ 2) ส าหรบการทดสอบโครงการวจยฯ คณะกรรมการทดสอบไดก าหนดแบบทดสอบและประเมนผลไวเปน 5 หวขอคอ การทดสอบระบบการท างานของเครองหาระยะดวยแสงเลเซอร การทดสอบความมนคงของการตดตงระบบ การทดสอบการ boresight กลองเทเลสโคป กบระบบเลเซอรวดระยะทางการ boresight กลองเทเลสโคป กบกลองเลงรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญ ขนาด 90 มม. การทดสอบความแมนย าการยงปนใหญรถเกราะ V-150 ดวยกระสนจรง โดยมเกณฑการใหคะแนนดงน ดมาก (5), ด (4), ปานกลาง (3), พอใช (2) และ ปรบปรง (1) ผลการประเมนเปนดงน (1) การทดสอบระบบการท างานของเครองหาระยะดวยแสงเลเซอร คณะกรรมการฯ ใหคะแนนเฉลยอยในเกณฑ ด (3.75) เหตผล สามารถวดระยะไดถกตองตามระยะทางทก าหนดและตวเลขบนเครองเลเซอร มความชดเจนไมแกวง (2) การทดสอบความมนคงของการตดตงระบบ คณะกรรมการฯ ใหคะแนนเฉลยอยในเกณฑ ปานกลาง (3.0) เหตผล ระบบตดตงยงมปญหา ควรหาวธตดตงใหมใหงายและกระชบขน

ภาพท 4-7 ทมงานวจยท าการทดสอบภาคสนามครงท 2

43

(3) การทดสอบ boresight กลองเทเลสโคปกบระบบเลเซอรวดระยะทาง คณะกรรมการฯ ใหคะแนนเฉลยอยในเกณฑ ปานกลาง (3.0) เหตผล การ boresight กลองเทเลสโคป กบระบบเลเซอรวดระยะทางท าไดไมสะดวก การปรบหวเลเซอรท าไดยาก (4) การทดสอบ boresight กลองเทเลสโคป กบกลองเลงรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญขนาด 90 มม. คณะกรรมการฯ ใหคะแนนเฉลย ปานกลาง (2.75) เหตผล การ boresight กลองเทเลสโคป กบกลองรถเกราะ V-150 ท าไดไมด ไมมอปกรณการ boresight ทเหมาะสม (5) การทดสอบความแมนย าการยงปนใหญรถเกราะ V-150 ดวยกระสนจรง คณะกรรมการฯ ใหคะแนนเฉลยอยในเกณฑ ด (4.0) เหตผล ลกกระสนถกเปาทก าหนดไวคอยขางจะแมนย า 3) สรปผลการทดสอบและประเมนผล คดเปนคะแนนเฉลย 66.3 เปอร เซนต (รายละเอยดตามผนวก ข รายงานผลการทดสอบของคณะกรรมการกองทพบก)

บทท 5 สรปการวจย อภปรายผล และขอเสนอแนะ

1. สรปการวจย โครงการวจยและพฒนาเครองหาระยะดวยแสงเลเซอรของรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญ

90 มม. นไดพฒนาระบบวดระยะทางเลเซอรทปลอดภยตอตาส าหรบรถหมเกราะ V-150 หลกการวดระยะทางใชการจบเวลาไป-กลบ (Time of Flight principle) ของแสง แลวเปลยนเวลาเปน

44

ระยะทางโดยการนบสญญาณนาฬกาทมความเสถยรสง ภาคสงประกอบดวย เลเซอรของแขงชนด Erbium glass และคอลเมเตอรชนดกาลเลยน คอลเมเตอรชนดนเหมาะส าหรบเลเซอรทมพลงงานสงเนองจากไมมจดรวมแสงภายในซงจะท าใหเกดการแตกตวของอากาศ (ionization) ซงจะสงผลใหพลงงานของล าแสงลดลงรวมถงรปรางของพลซทผดเพยนไปดวย ภาครบประกอบดวยตวรบแสงโฟโตไดโอดชนด Avalanche photodiode (APD) ซงปจจบนไดถกพฒนาใหใชไฟเลยงต าลงไมถงรอยโวลท ตางจากของกลอง LP7 ทประจ าการในกองทพบกทตองใชไฟเลยงถง 500 โวลท ท าใหวงจรจายกระแสมขนาดเลกลงและน าหนกเบาการประมวลสญญาณแสงทสะทอนกลบจากเปาเพอเปลยนเปนสญญาณพลซ ใชวธการ threshold detector เนองจากใชชนสวนทางอเลกทรอนกสนอยกวาวธ Constant Fraction Detector และทมความผดพลาด (walk error) ทยอมรบไดส าหรบระยะทางเปนกโลเมตร การแสดงผลระยะทางใช LED ชนดสตวเลข ซงกนกระแสไฟนอยมาก แหลงพลงงานไฟฟาใชไฟจากแบตเตอรขนาดแรงดน 28 โวลทภายในรถ

ระบบสามารถวดระยะทางไดไกลสด 10 กโลเมตรมความผดพลาด +/- 5 เมตร คณลกษณะทส าคญของระบบวดระยะทางนคอ ใชเลเซอรชนด Erbium glass ทถกปมพลงงานดวยหลอดแฟลช (flashlamp) ขอดของระบบวดระยะทางทพฒนามดงตอไปน

1.) เลเซอรใหแสงความยาวคลน 1540 nm ซงถกดดกลนไดดดวยกระจกตา (cornea) และเลนซตา ท าใหแสงนไมสามารถเดนทางเขาไปถงจอรบภาพได จงปลอดภยตอตา

2.) ภาคสง (Transmitter) มขนาดกะทดรด ทนตอแรงกระแทกและน าหนกเบา เนองจากใชเลเซอรของแขง (solid-state laser) ชนดเออรเบยม

3.) ใชชนสวนทางออปตกนอย ตางจากกลองเลเซอร LP7 ทสรางสญญาณเรมตน (start pulse) จากการแซมปลงแสงบางสวนจากหวเลเซอรแลวสงผานปรซมตอไปยงตวรบ ส าหรบระบบใหมนจะใชสญญาณจากโฟโตไดโอดทอยภายในหวเลเซอรโดยตรง สญญาณนอยในรปอเลกทรอนกสและแยกตางหากจากสญญาณสะทอนกลบ ท าใหงายตอการสรางชนสวนทางออปตกและการปรบ (alignment)

2. อภปรายผล

การทดสอบระบบเลเซอรวดระยะทางเขากบระบบตดตงปนใหญรถเกราะ V-150 ตามผลการทดสอบในบทท 4 การยงปนใหญของรถเกราะดวยกระสนจรงมความแมนย าอยในเกณฑสง ถกเปาหมายทก าหนด คดเปนรอยละ 80 เปอรเซนต ท าใหเพมประสทธภาพและขดความสามารถปนใหญรถเกราะ V-150 สงขนจากการยงดวย การคาดคะเนหาระยะทางดวยสายตา ผบ.รถ และพลยง หากแตการตดตงระบบตองท าการปรบปรงใหเหมาะสมมากขนในเรองของความพรอมในการใชงานและความมนคง

3. ขอเสนอแนะ 1) ระบบวดระยะทางเลเซอรนไดถกออกแบบส าหรบรถหมเกราะ V-150 โดยตดตงภายนอก

ตวรถเ พอเ พมประสทธภาพการย งปนใหญ ใหมความแมนย าย งข น จากผลการทดสอบ กระทรวงกลาโหมโดยกรมวทยาศาสตรและเทคโนโลย นาจะท าการขยายผลสผใชโดยตรง โดยการสาธตประสทธภาพการท างานของระบบควบคกบการใชงานจรงใหกบเหลาทพไดชม เพอเหลาทพจะไดน าแนวความคดในการเสนอความตองการยทโธปกรณในอนาคต เนองจากปจจบนเลเซอรไดเขามา

45

มบทบาทอยางมากตอวงการทหารและนบวนจะมการประยกตใชมากขนทกทเนองจากแสงเลเซอรมความเมนย าสง มพลงงานสงและรวดเรว ดงนนกองทพไทยนาจะมการเตรยมการส าหรบเทคโนโลยดานนโดยการสรางหองทดลองทางแสงเพอรองรบการวจยและพฒนายทโธปกรณททนสมยในอนาคตอนใกลน

2) การตดตงระบบและอปกรณของชดเลเซอรหาระยะทางเขากบระบบของปนใหญรถเกราะ V-150 ควรพจารณาปรบปรง จดทท าการตดตงใหมนคงมากยงขน

4. ประโยชนทไดรบจากการด าเนนงานวจย 4.1 ไดประสบการณในการออกแบบและสรางระบบออปโทรนคในการออกแบบสมการ ระยะทางนบวามประโยชนมาก สามารถใชเปนแนวทางในการก าหนดคณสมบตของชนสวนแตละชนวาจะตองมคณสมบตอยางไร เชน ขนาดเทาไร ประสทธภาพเทาไร ก าลงงานเทาไร ความไวเทาไร เปนตน ส าหรบในสวนของออปตกนบวามความส าคญยง ระบบจะมประสทธภาพและความเมนย าขนาดไหนขนอยกบคณภาพของชนสวนออปตกและการ alignment ดงนนจงจ าเปนอยางยงทจะตองมหองทสะอาด (clean room) และมระบบ alignment ทมประสทธภาพ 4.2 พนฐานและประสบการณทไดรบจากการด าเนนงานวจยนสามารถน าไประยกตใชในการ สรางระบบอนๆ ทมหลกการท างานใกลเคยงกน เชน ระบบเลเซอรเรดาร (Laser radar) ทใชขอมลระยะทางมาสรางภาพสามมต (Strand, 1983) ระบบน าวถดวยแสงเลเซอร (Laser guidance) ทใชแสงเลเซอรในการวดระยะและควบคมจรวด ระบบชเปาดวยแสงเลเซอร (Target designator) ทใชแสงเลเซอรในการ illuminate เปาเพอใหจรวดวงเขาหาดวยความเมนย า ระบบ Airborne laser scanner ทใชแสงเลเซอรในการสรางแผนท (Wagner et al, 2004) ระบบทงหมดทกลาวตองอาศยแหลงก าเนดเลเซอรชนดพลซทมพลงงานสง ตวรบแสงทมความไว และระบบออปตกทมการ alignment อยางดเชนเดยวกบระบบวดระยะทางเลเซอรทด าเนนการในโครงการ

46

บรรณานกรม

47

บรรณานกรม

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Royal_Thai_Army

Alcock, A., DeMichelis, C. and Richardson, M. (1970). Breakdown and self-focusing effects in gases produced by means of a single-mode ruby laser. Quantum Electronics, IEEE Journal Vol.6, Issue 10, Oct, 622-629.

Amann, M.C, Bosch, T., Lescure, M., Myllyla, R. and Rioux, M. (2001). Laser ranging, a critical review of usual techniques for distance measurement. Optical Engineering, 40, 10-19.

Corcoran, V.J. (1991). High repetition rate eye-safe rangefinder. Eye-safe Lasers: Components, Systems and Applications, Proc. SPIE Vol. 1419, 160-169.

Einstein, A. (1917). On the quantum theory of radiation. Physika Zeitschrift, 18, 121-128.

Forrester, P. A. and Hulme, K. F. (1981). Laser rangefinders, Optical and Quantum Electronics 13, 259-293.

Franks, J.K. (1991). What is eye-safe? Eye-safe Lasers: Components, Systems and Applications, Proc. SPIE Vol. 1419, 2-8.

Gedcke, D.A. and McDonald, W.J. (1968). Design of the constant fraction of pulse height trigger for optimum time resolution, Nuclear Instruments and Methods 58, 82-84.

Kingslake, R. (1983). Optical System Design. Academic Press, Orlando, Florida., Academic Press

Perger, A., Metz, J.,Tiedeke, J. and Rille, E. (1991). Eye-safe diode laser rangefinder technology. in Eye-safe Lasers: Components, Systems and Applications, Proc. SPIE Vol. 1419, 75-83.

Planck, M. (1901). Law of energy distribution in normal spectra. Annalen der Physik, 4, 553-563.

48

Saleh, B. E. A. and Teich, M. C. (1991). Fundamentals of Photonics. Wiley, New York.Saleh, B.E.A. and Teich, M.C. (1991). Fundamentals of Photonics, Wiley, New York.

Siegman, A.E. (1986). Lasers. University Science Books, Mill Valley, California.

Stitch, M.L. (1972). Laser range finding. Laser Handbook. F. T. Arecchi and E. O. Schulz-Dubois, Eds., North-Holland, Amsterdam, 1745-1804.

Strand, T. (1983). Optical three dimensional sensing, Optical Engineering, 24, 33-40.

Wagner, W., Ullrich, A., Melzer, T., Briese, C., and Kraus, K. (2004). From single-pulse to full-waveform airborne laser scanners: Potential and practical challenges. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, XXth ISPRS Congress, Istanbul, Turkey, 12-23 July 2004, CD-ROM.

Wilson, J. and Hawkes, J.F.B. (1987). Lasers Principles and Applications. Prentice Hall, London.

Wu, R., Chen, T.L., Myers, J.D., Myers, M.J., Hardy, C.R. and Driver, J.K. (2004). Eye-safe erbium glass laser transmitter study Q-switched with cobalt spinel. Laser Radar Technology and Applications IX, Proc. SPIE Vol. 5412, 117-125.

49

ภาคผนวก

50

ภาคผนวก ก

ค าสงกองทพบกเฉพาะท ๒๓๐/๕๖ เรอง แตงตงคณะกรรมการทดสอบและประเมนผลโครงการวจยและพฒนาเครองหาระยะดวยแสงเลเซอรของรถเกราะ V-150 ตดตงปนใหญ ขนาด 90 มม.

51

ภาคผนวก ข

รายงานผลการทดสอบของคณะกรรมการกองทพบก

52

ประวตยอผวจย

ยศ ชอ พนเอก อ านาจ แกวหมนไวย

วน เดอน ปเกด 1 มถนายน 2508 การศกษา - โรงเรยนเตรยมทหาร รนท 26 - โรงเรยนนายรอยพระจลจอมเกลา รนท 37 - ปรญญาตรวทยาศาสตรบณฑต (วท.บ.ทบ.) โรงเรยนนายรอยพระจลจอมเกลา - หลกสตรชนนายรอย เหลาทหารมา โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา - หลกสตรชนนายพน เหลาทหารมา โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา - หลกสตรครการขมา รนท 4 โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา - หลกสตรหลกประจ า โรงเรยนเสนาธการทหารบก ชดท 77 - หลกสตรการจดการสงก าลงบ ารงชนสง รนท 44 โรงเรยนสงก าลงบ ารงทหารบก - หลกสตรหลกประจ าวทยาลยการทพบก ชดท 57 ประวตการท างาน - ผบงคบหมวดทหารมาลาดตระเวน กองพนทหารมาท 16 - รองผบงคบกองรอยทหารมาลาดตระเวน กองพนทหารมาท 16 - รองผบงคบกองรอยรถถง กองพนทหารมาท 16 - ผบงคบกองรอยรถถง กองพนทหารมาท 16 - นายทหารยทธการและการฝก กองพนทหารมาท 16 - หวหนาแผนกควบคมกองสงก าลงบ ารง ศนยการทหารมา - ผบงคบกองพนนกเรยน โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา - หวหนาแผนกธรการก าลงพล โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา - หวหนาแผนกวจยและพฒนา กองวทยาการ ศนยการทหารมา - อาจารยหวหนาแผนกวชาฝายอ านวยการ โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา สถานทท างาน - แผนกเตรยมการ โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา คายอดศร อ าเภอเมอง จงหวดสระบร ต าแหนง - หวหนาแผนกเตรยมการ โรงเรยนทหารมา ศนยการทหารมา ผลงานวจย - การพฒนาแหลงทองเทยวภายในหนวยทหารของศนยการทหารมา