Tarkkaakin tarkempi laseretäisyysmittaus alle nanosekuntiluokan pulssilla

Valopulssin kulkuaikamittaukseen perustuva etäisyysmittaus on tekniikkana pitkään käytetty ja kehitetty. Esimerkkinä on vaikkapa laserkeilaus, jolla saadaan tarkkaa 3D-mittausta erilaisista kohteista. Siinä käytetään valoa, jonka pulssin leveys on 3-5 nanosekuntia. Liikkumattoman kohteen etäisyyttä voidaan mitata useilla eri menetelmillä, mutta kun kohde on vaikkapa pyörivä esine, jota ei voi koskettaa, valopulssimittaus on paras vaihtoehto. Se on nopea tapa mitata myös kaukaisten kohteiden etäisyyksiä mutta valon suuren nopeuden vuoksi tarkkuus kärsii. Väitöstutkija Mikko Hintikka halusi saavuttaa olemassa olevia tekniikoita paremman tarkkuuden valopulssimittauksen avulla.

Hän lähtikin liikkeelle huomattavasti aiempaa kapeammalla pulssilla eli hänen testeissään käytettiin noin 100 pikosekunnin valopulssia. Lopputuloksissa saatiin jopa viisinkertainen tarkkuusparannus aiemmin kehitettyihin nopeisiin etäisyysmittareihin verrattuna. Koska kaikkea ei saa kaupasta, ennen testejä ja tuloksia piti rakentaa valopulssin vastaanotinelektroniikka.

-Väitöstutkimuksessani kehitin ensin pulssille tutkavastaanottimen, jolla saatiin toteutettua haluttu valonkulkuaikamittaus. Tutkimuksen sisältö on ollut elektroniikan ja mittausympäristön kehittämistä ja testien tekemistä, Hintikka kertoo.

Mittauslaite koostuu valopulssittimesta, vastaanottimesta ja tarkasta ajanmittauspiiristä. Tarkkaan etäisyysmittariin vaadittava 100 pikosekunnin pulssitin ja erittäin tarkka aikavälimittauspiiri on kehitetty ja tutkittu professori Juha Kostamovaaran tutkimusryhmässä Oulun yliopistossa jo aiemmin. Hintikan suunnitteleman ja rakentaman vastaanottimen yhdistämisellä niihin saatiin uusi tarkkuustaso laseretäisyysmittaukseen. Laitteistolla pystytään mittaamaan sellaisia kohteen liikkumisia, joita ei aiemmin ole pystytty tarkasti havainnoimaan. Elektroniikka itsessään on pientä. Pulssin vastaanotinkin on kooltaan vain 1,4 neliömillimetriä eli tulitikun kärjen kokoinen. Pienuus tuo kaikessa elektroniikassa keveyden ja sen myötä käyttöedut.

Pienillä asioilla iso merkitys

Tarkkuus mahdollistaa uusia sovellusalueita. Aina löydetään uusia hyödynnysmahdollisuuksia, kun tarkkuus parantuu aiemmasta. Mitä lyhyellä valopulssilla saavutetaan ja mitä hyötyä näin äärimmäisen tarkalla mittaustiedolla sitten on?

-Lyhyellä pulssilla saadaan etuja. Mihin tahansa tärinän mittaamiseen tämä on tarkin olemassa oleva mittauskeino, jos kohteeseen ei voida kiinnittää antureita. Olennaista on mittaaminen niin, että kohteeseen ei tarvitse koskea. Koskettavaa anturointia ei voi liittää tuhatasteiseen teräkseen tai vaikkapa pyörivään tai muuten liikkuvaan kohteeseen. Tulee mieleen, että esimerkiksi maanjäristysalueilla voitaisiin seurata rakennuksista ennaltaehkäisevästi jo pientä tärinää, joka ennakoi isompaa järistystä, Hintikka heittää esimerkin.

Hän mainitsee myös, että vaikkapa auton renkaat ja akselit ovat kohteita, joihin ei pyörimisen vuoksi voida laittaa mitta-antureita. Niistä saataisiin tällä tavalla seurattua tärinän muutoksia ja siitä voidaan ennakoida asioita. Isojen teollisuusmoottorien tärinän mittaaminen on yksi osa-alue, sillä kun massat ja mittakaavat ovat isoja, pienillä marginaaleilla on merkitystä. Myös kohteiden automaattisessa tunnistamisessa mittaustarkkuuden parantuminen tuo helpotusta. Esimerkiksi itseohjautuvissa autoissa käytetään tätä samaa tekniikkaa. Myös muu robotiikkaan liittyvä kohteentunnistus ja dronet hyötyvät tarkasta ja nopeasta etäisyysmittauksesta.

-Tutkimuksen edetessä oli kiva huomata, että tarkkuus todella riittää millimetriluokan kertamittaustarkkuuteen ja alle millimetrin tarkkuuteen päästään jo hyvin pienellä mittausajan lisäyksellä. Tällä mittausmenetelmällä saadaan mitattua kuuloalueen taajuisia tärinöitä, Hintikka iloitsee ja muistuttaa, että kun tieteessä saadaan keksittyä jotain uutta, usein avautuu myös sovelluskohteita, joita ei aiemmin ajateltukaan.