Sensor de luz direccional de largo alcance

Si está operando a la luz del día, a un rango de 150 metros, absolutamente necesitará usar un telescopio (colimador) de algún tipo.

Veamos el poder. El tamaño de su cubo es de aproximadamente 1/8 de metro, y suponiendo un brillo de luz solar (aproximadamente 500 W / m ^ 2 para luz visible) emite aproximadamente 8 vatios de energía óptica (visible), y asumiremos que sí lo hace. isotrópico A 150 metros, un hemisferio con ese radio tendrá un área de 141,000 m ^ 2, por lo que su densidad de potencia en el detector será de aproximadamente 55 uW / m ^ 2. Suponiendo un tamaño de detector de 1 cm x 1 cm, esto producirá una potencia total del detector de 5,5 pW. Esto será un desafío.

Otra forma de ver esto es considerar las áreas relativas del sensor. Digamos que su detector se verá a lo largo de un cono de 10 grados. A 150 metros, este cono mirará $$ A = 4 \ times \ pi \ times (150 sin (5 \ deg) ^ 2) = 2,148 m ^ 2 $$ Se debe asumir que toda esta área está emitiendo o reflejando Luz al mismo nivel de potencia que el cubo. Como el cubo solo tiene un área de 1/8, encenderlo o apagarlo solo producirá una diferencia de detector de aproximadamente 1 parte en 140,000, y esto es mucho menor de lo que se esperaría que el fondo cambiara debido a movimientos aleatorios, ramas de árboles moviéndose en el viento, nubes moviéndose, etc.

Por lo tanto, lo primero que debe hacer es mirar el cubo con un telescopio, en otras palabras, usar lo que usted llama un colimador. Cuanto más potente sea el telescopio, mejor rechazarás los cambios de fondo y más potencia centrarás en el detector.

Una vez que te has acercado a un telescopio (bastante potente), ¿cómo rechazas los cambios en segundo plano? Si puede encender y apagar su fuente, y si es algo como un LED, puede encenderla y apagarla a una velocidad de kHz y realizar lo que se llama detección sincrónica, también llame a un amplificador de bloqueo. No voy a entrar en esto, pero puedes encontrar mucha información en la web. Si vas a construir algo desde cero, prueba el modulador AD630 / chip demodulador.

Sus requisitos son extremadamente estrictos, especialmente en la parte no ambiental. Si su fuente es monocromática, puede elegir un filtro de tipo de interferencia para su detector óptico. Para detectar esa luz en un ambiente de alto ambiente, su única esperanza es modular la fuente de luz a unos pocos kHz. tasa, y construir un amplificador de fotos para detectar que es muy selectivo a esa frecuencia. Su requerimiento de respuesta pone un límite a la frecuencia con la que el amplificador puede ser selectivo. La óptica no es un tema apropiado para este foro.

Hay varias cosas que puede hacer para aumentar la relación señal / ruido. Puede organizar algunas distinciones claras entre la señal deseada y la luz del día. La configuración será un poco complicada, pero sin duda debería ser factible. Algunas cosas a considerar:

1. Algunas ópticas para enfocar una imagen del cubo en su detector serán de gran ayuda. Esto no tiene que ser elegante, ya que no estás tratando de tomar fotos con él. Incluso algo tan simple como una lupa probablemente sería lo suficientemente bueno. Claro, tendrá aberración cromática y todo tipo de otros problemas ópticos que harían temblar a la gente de la fotografía, pero ninguno de ellos es realmente importante para ti. Lo ideal es que la luz que incide sobre el sensor provenga del cubo distante. Eso no suena tan duro.

   A 150 mm de ancho y 150 m de distancia, una distancia focal de 1 m haría que la imagen tenga aproximadamente 1 mm de ancho. Eso debería ser lo suficientemente viable. Los detectores de luz de silicio simples no son más grandes que eso de todos modos.

   1000 mm desde un solo elemento significa que sería 1 dioptría. Tales cosas están disponibles. También hay formas de utilizar dos elementos para obtener prácticamente cualquier aumento que desee. Este no es el lugar adecuado para entrar en los detalles de la óptica, pero esto realmente no es difícil.

2. Tienes mucha luz para trabajar. Usted dice que el emisor emite el brillo de la luz del día. Eso es mucho, y te da una relación 2: 1 en el peor de los casos, y mucho más cuando está nublado.

3. El emisor cambiará de brillo repentinamente. Esto es algo que la luz ambiental no hace.

   Puede esperar 100 ms para reaccionar, por lo que puede filtrar de forma bastante agresiva la luz recibida para usarla como línea de base. Compare la línea de base filtrada con una versión menos filtrada de la señal, con un poco de histéresis. El cambio lento del ambiente no es lo suficientemente diferente de la línea de base filtrada para disparar el comparador más allá del límite de histéresis. Sólo un paso bastante rápido puede hacer eso. La línea de base se recupera luego de unos segundos, y luego el comparador se "arma" para captar el brillo que cambia rápidamente en la otra dirección.

4. Puede elegir el color de la luz, por lo que puede filtrar ópticamente en un espectro estrecho para reducir una fracción mayor de la luz ambiental. Si emite en una banda de longitud de onda estrecha, filtre o use detectores en esa banda estrecha, la relación señal / ruido debe ser significativamente más alta que la de 2: 1 que se obtiene al observar toda la luz visible.

5. Al emitir una banda estrecha, luego la detección en dos bandas le dará aún más relación señal / ruido. Por ejemplo, emitir rojo, luego observar las intensidades recibidas de rojo y azul ayudará a cancelar gran parte de las fluctuaciones de la luz ambiental. Básicamente, estarías viendo cambios en la proporción rojo / azul. La luz ambiental natural no debería cambiar mucho en esa relación, al menos no dentro de una ventana de 100 ms.

  

la luz es de color y puedo elegir el color siempre que esté en el espectro visible;

Así que controlas la fuente de luz. Luego, puede hacer que el pulso a una alta frecuencia, como 40 kHz, utilice un controlador PWM LED. El sol no pulsa así, tiende a permanecer encendido. Por lo tanto, un simple filtro de paso de banda en la salida de su sensor proporcionará un gran rechazo de la iluminación ambiental y discriminará fácilmente su señal.

Personalmente, yo haría trampa. Colocaría LED infrarrojos modulados dentro del cubo y usaría un receptor de control remoto infrarrojo de TV estándar como sensor. Estos suelen modular alrededor de 36-38 kHz. Un poco de óptica frente al receptor, un tubo para protegerlo del sol ... eso debería ser lo suficientemente simple.