Wednesday, November 2, 2011

Lainete peegeldumine mõõtmises

Nähtava valguse korral on kiirguse sagedus 400-700 terahertsi, mis on liiga kiire kõikumine ostsillaatori jaoks. Selliste sageduste korral on täpsem ja lihtsam mõõta kiirgusega tulevat energiat, mille hulka saab täpsemalt mõõta. Kiirguse allika vibreerimisel esinev doppleri effekt mõjutab kiirguse energiat piisavalt, et seda tuvastada. 


Laser vibromeeter kasutab laserkiire peegeldumist ning doppler'i effektiga tekkinud muutusi lainepikkuses, et kaugel asuvate objektide kiirust või vibratsioone mõõta. Sellega saab kaugelt mõõta väikeseid objekte nende liikumist massiivse mõõdikuga mõjutamata. Lisavõimalusena saab mõõta liikumisi, millele ei pääse ligi või on liiga kuumad (näiteks lendava raketi kiirust).
Selline vibromeeter kasutab tavaliselt umbes nähtava valguse sagedusel laserit, mille kiir jaotatakse kaheks. Ühe kiire sagedust muudetakse kindlas ulatuses Bragg cell'i abil näiteks ~30-40 MHz võrra ning saadetakse uuritava objekti suunas edasi. Liikuvalt objektilt tagasi peegeldunud valgus muutub doppler'i effekti tõttu ning jõuab valguse detektorini. Detektor ei tuvasta erinevusi sadade triljonite hertsideni ulatuvates laseri sagedustes kuid kahe kiire vaheline erinevus on mõnikümmend megahertsi mida tänapäevane elektroonika suudab lihtsamini jälgida. 
Vibromeetri (FM e. frequency modulated) väljundsignaal on lisatud paarkümmend megahertsi ühtlaseks kandjasignaaliks mille sagedust muudetakse doppler'i effektiga tekkinud signaali mõjul.

Interferomeetrid kasutatakse interferentsiga toimuvat lainete võimendumist või nõrgenemist info saamiseks. Selleks on vaja lasereid kuna nende lainepikkused on kindlad ja kiirt saab jagada ning liita.  
Näide idealiseeritud interferomeetrist. Kui algselt toimub lainete ühinemine võimsamaks, siis ühe peegelpinna eemaldumine või lähenemine poole lainepikkuse jagu põhjustaks lainete nõrgenemist.

Radar tuvastab objektide liikumist samuti doppler'i effekti arvestades. Raadiolained ise peegelduvad tagasi pigem elektrijuhtidelt või veekogudelt. Radari üheks eeliseks on selle suur mõõtekaugus kuna õhk ei neela eriti raadiolaineid erinevalt nähtavast valgusest, infrapunakiirgusest ja ultraviolettkiirgusest. Erinevalt nendest kolmest võib radariga näha läbi pilvede ning seejuures näha ka tormipilvede sisestruktuuri. Igasugused elektromagnetlained peegelduvad kohtades kus tekib järsk muutus elektrilises juhtivuses nagu näiteks läbi õhu või vaakumi metallini jõudes. Lennukeid saab radari eest peita kasutades materjale, mille takistus väldiks kontrastsust õhu ja lennuki välise elektrijuhtivuse vahel. Sissepoole ulatuvate nurkade vältimine aitab samuti objekti peita, sest raadiolained ja nähtav valgus peegelduvad tugevamalt sellistest kohtadest.
Doppler'i effekti tuvastusel ei pea raadiosageduste puhul uurima muutusi kiirguse sageduses ning võimalusena saab kasutada muutust lainefaasis (näiteks muutust veerandi või poole lainepikkuse jagu).   
Kauguse tuvastusel arvestatakse valguse leviku kiirusega ja ajaga, mis kulus kiirguse levikul objektini ning tagasi. Radarid töötavad tihti vaheldumisi signaale tekitades ning seejärel lühidalt signaale otsides, mis jätab piisavalt aega signaali tekke ja tagasituleku jaoks. Näiteks 1,8 km kahesuunaliseks läbimiseks läheb EM kiirgusel ~12 mikrosekundit.
Lühikeste signaalide puuduseks on väiksem koguenergia hulk, mis raskendab nende tuvastust. Seetõttu kasutavad suurema mõõteulatusega radarid pikemat signaali ja pikemat pausi, et peegeldus tuvastada enne uue signaali välja saatmist. Lähemalt mõõtvatel radaritel on signaalid ja pausid lühemad.
Kui kasutada kindlat raadiosagedust, siis võib pidevalt signaali tekitada ning doppler'i effekt paistab FM muutusega sageduses nagu näiteks lennuki kõrgusemõõdikutes või liikluses kiirusemõõdikutes sõltumata kaugusest sõiduki ja mõõtja vahel.
Suund tuvastatakse tavaliselt pöörleva paraboolantenniga, mis saadab raadiolained kindlas suunas ja tuvastab need seejärel sellest suunast. Osad antennid on veidi ebaühtlase kujuga, et eraldi mõõta kõrgust või asukohta horisondi  kohal. Näiteks kui korraga vaadeldakse püstise samba kujulist piirkonda, siis on see ebatäpne kõrguse eristamiseks kuid saab täpselt leida millise horisondi osa kohal see leiti. Horisontaalse samba kujulise ala vaatlusel (näiteks kui antenn liiguks üles-alla) saab täpselt leida kõrgust horisondi suhtes kuid mitte millise horisondi osa kohal see täpselt asub.

Kuna rääkimine suudab tekitada aknaklaaside vibratsioone ning laserid tuvastavad vibratsioone, siis saab laseriga vibratsioonide tuvastamis kasutada kuni kümnete meetrite kauguselt pealt kuulamiseks. Suurematel kaugustel nõrgeneb signaal tõenäoliselt päikesevalguse jts. segajate tõttu.  

Vastava pealtkuulamisseadme ehituseks vajalike juppide omaduste ja ühenduste skeem, mis võib-olla töötaks. 


Gravitatsioonilained on hüpoteetilised gravitatsiooni poolt tekitatud aegruumi lained mida loodetakse selgemalt leida kahe üksteise ümber tiirleva tähe, neutrontähe või musta augu poolt tulevana. Nende leidmiseks loodud või planeeritud mõõdikud on ühed täpseimad mõõtevahendid. Ülal illustratsioonil on näha 3 LISA satelliiti, mida kavatseti päikese ümber orbiidile saata gravitatsioonilainete leidmiseks. Sellest plaanist loobuti kuid teisi selliseid projekte leidub veel. Need oleks üksteisega laseriga ühenduses ning kui ühe asukoht oleks teiste suhtes muutunud, siis oleks laserid selle tuvastanud. Satelliidid oleks ise üksteisest 5 miljoni km kaugusel. Ka sellelt kauguselt oleks nende oletatav täpsus kümneid pikomeetreid.


GRACE projekt kasutas Maa gravitatsiooni muutuste tuvastuseks kahte satelliiti, mis olid üksteisest 220 km kaugusel ning 500 km kõrgusel. Mõlemad on omavahel ühenduses mikrolainetega ning kui gravitatsioon kiirendab näiteks ees liikuvat rutem ettepoole. Täpsus on ~10 mikromeetrit teise satelliidi kauguse tuvastuses ning gravitatsiooni tugevuse erinevust mõõdeti miljondikes gravitatsioonides. Mgal tähistab ülal pildil miljondikku Maa gravitatsioonist ning seda kui palju see hinnangulisest keskmisest kõrvale kaldub. 


Täpseimaks gravitatsioonilainete mõõdikuks on maa sees asuv LIGO, mis töötab interferomeetrina. Selles jagatakse kiir kaheks ning saadetakse läbi kahe 4 km pikkuse tunneli ning muutusi proovitakse eristada interferentsiga. Tunnelites on suhteliselt põhjalik vaakum ja maavärinate mõju vähendamiseks on jupid pendli laadselt rippuvad. Eeldati, et gravitatsioonlaine võib ühte neist 90 kraadiselt ristuvat tunnelit veidi kokku suruda või venitada võrreldes teisega. Valgus võib igas harus peegelduda edasi tagasi 75 korda enne teise haru valgusega kohtumist. Tavaolekus on lainefaasid valitud selliselt, et need summutaks üksteist ning valguse sensorid saavad signaali siis kui miski nihutab kohale jõudnud valguse faasi sellest tavaolekust eemale.
Täpsus on ~1 osa 1021'st. Seni pole midagi kindlamalt gravitatsioonilainete moodi leitud kuigi otsitud tulemused võivad taustmüra hulgas olla. Suure tundlikkuse tõttu moonutab liiklus ja puude langetamine sensori tulemusi.

No comments:

Post a Comment