Safran Vectronix: Lazer Mesafe Ölçümü ve Ölçerler

LRF, kesin mesafeleri ölçmek için kullanılan bir cihazdır. Çoğu LRF nesneye doğru dar bir lazer darbesi göndererek uçuş süresi ilkesine göre çalışır. Bir alıcı daha sonra o ışığın yansımasını algılar ve ışığın geri dönmesi için geçen süreye bağlı olarak mesafeyi doğru bir şekilde hesaplar. Ultrasonik veya radyo ve mikrodalga frekanslı cihazlarla (radar) karşılaştırıldığında lazer mesafe ölçüm tekniklerinin ana avantajı, yüksek çözünürlüktür. LRF’ler genellikle kullanıcının lazer ışınını ilgilenilen nesneye hassas bir şekilde yönlendirmesine izin veren görüntüleme cihazları içerir. Bu şekilde cihaz, ilgilenilen nesne ile konumsal olarak eşleştirilebilir.

Lazer Mesafe Ölçümünün Esasları

Uzun mesafeli ölçümler için en sık, lazer yankı (TOF) sistemi kullanılır. Uçuş süresinin kilit faktörleri, hassasiyeti korumak için dar ve yüksek güçlü darbe ve yüksek bir sayım hızı sağlamaktır. Uçuş süresi lazer telemetreler, mesafe ölçümünün kaynağı olarak zaman ölçümünü kullanır. Yarı iletken lazerlerdeki gelişmeler sonucunda Q-anahtarlama yöntemlerinin yerine yarı iletken lazer kullanımı yaygınlaşmıştır.

LRF’lerde ulaşılabilir uzamsal çözünürlük, darbe süresi ve/veya fotodetektörün hızı ile sınırlıdır. Diğer yandan sinyallerin daha iyi saptanabilmesi için sensörün ve sensöre ışık toplayan optiğin de giderek büyümesi gerekliliği ortaya çıktığı için kritik uygulamalarda boyut ve ağırlık özellikleri önemli hale gelir. Düşük seviyelerle alınan dönüş sinyalleri için özellikle hassas fotodetektörlerin kullanımı öne çıkmaktadır. (bkz. APD.)

Lazer ışını ideal koşullarda değişmeden çok uzağa gidebilir ancak havadaki safsızlıklarla çarpışması nedeniyle gücü azalır. Bu nedenle, tüm LRF’lerin sınırlı bir ölçüm aralığı vardır. Ölçüm aralığı; lazer ışınının gücü, sensör hassasiyeti, lazer ışın frekansı gibi birçok farklı parametreye bağlıdır. Maksimum ölçüm aralığını elde etmek için evler, büyük kayalar ve benzeri geniş yansıtma yüzeyi olan nesnelere olan mesafenin ölçülmesi gerekir. Bu hedeflere, ışın dolduran hedefler (beamfilling) denir. Işın dolduran hedefler belirli mesafelerde yayılan tüm lazer ışığını yansıtma alanına sahip hedeflerdir.

LRF’lerde, sıklıkla lazer güvenlik sınıfı 1’i çalıştıracak cihazlar tasarlanmaya çalışılır. Böylece göz güvenliği için ek önlemlere gerek olmaz. Ancak bu durum, hedefe gönderilebilen optik gücü ve dolayısıyla algılama yeteneklerini ciddi şekilde sınırlayabilir. Koruma için en yaygın yöntem yakın kızılötesi dalgaboyundan daha uzun dalgaboylu ışığının kullanılmasıdır. Lazer mesafe ölçümlerinde en sık karşılaşılan iki dalgaboyu 905 nm ve 1550 nm’dir. 1550 nm dalgaboyunda çalışan LRF’ler göz için güvenli bölgededir* ve görüntü yoğunlaştırıcılarla donatılmış geleneksel gece görüş cihazları tarafından algılanamazlar. Bunun yanında özellikle atmosferik koşullardan daha az etkilendiklerinden daha uzun mesafelerin ölçülmesine olanak sağlarlar.

ToF tabanlı sistemlerde maksimum menzil; lazer gücü, ışın kalitesi, verici ve alıcı optiği, dedektör seçimi, sinyal işleme vb. gibi birçok faktöre bağlıdır. Bu tür sistemlerde net etki, tüm optiklerin bulunduğu algılama birimi tarafından belirlenir.

Fiberler neredeyse mükemmel bir ışık kaynağının fiziksel sınırlarına çok yakın bir lazer ışını üretebilir. Fiberlerden yayılan ışık iyi bir şekilde odaklanabileceği ve paralelleştirilebileceği için diyot lazerlere kıyasla daha iyi bir optik performans gösterir. Fiber gibi bir ortamın kullanıldığı verici optiklerinde oldukça dar bir lazer huzmesi oldukça küçük bir optik ile elde edilebilmektedir, (örn. 5 mm optik açıklıkla 0.5 mrad bir huzme).

Lazer Mesafe Ölçümünde Problemler ve Çözümleri

Uzun mesafelerde ışın sapması (divergence), nesne üzerinde önemli ölçüde artan bir nokta boyutuna yol açabilir ve atmosferik bozulmalar bu zorluğu artırma eğilimindedir. Özellikle küçük nesneler için nesne üzerindeki nokta boyutunun artması alınan sinyal gücünü azaltabilir ve komşu nesneler üzerine saçılan ışıktan kaynaklanan bozulmalar olabilir. Standart lazer diyot yerine fiber lazer kullanmanın en büyük avantajı daha küçük çaplarda yoğun ışığın elde edilebilmesidir. Saha uygulamalarında menzil performansı büyük ölçüde ışın boyutuna ve sapmasına bağlıdır. Hedefe iletilen sinyal hedeften farklı ortamlardan yansırsa hedef saptama performansında düşüş yaşanabilir. Lazer mesafe ölçerler, lazer ışını genellikle yalnızca kullanıcının nişan aldığı nesne tarafından değil etraftaki diğer nesneler tarafından da yansıtılabilir veya karıştırma/körleme girişimleri (askeri uygulamalarda) gibi ek zorluklarla da başa çıkmak zorunda kalabilir.

Lazer Mesafe Ölçerlerde Özellikler ve Fonksiyonlar

Günümüz teknolojisinde daha iyi hedef ölçümleri için tek darbe yerine çoklu darbeler kullanılmaktadır. Çoklu darbe mesafe ölçümün en büyük avantajı taşınabilir sistemlerde küçük sarsıntıların hedefleme üzenindeki etkisinin azaltılmasıdır. Çoklu darbeler ile hedeflerin lazer ışığı ile vurulma işlemi oldukça iyileştirilebilir. Çoklu darbe kesintisiz kullanılabilir ve bu özelliği sayesinde hedef izleme uygulamalarında daha başarılı hale gelir. Çoklu darbe sistemlerin en önde gelen avantajı ise darbelerden gelen sinyale göre sistem performansının (basitçe darbe enerjisinin) ayarlanabilmesi ve bu sayede çeşitli menzillerdeki hedeflerin aynı doğruluk seviyeleri ile saptanabilmesinin önünü açmasıdır.

Genellikle hedefe yönlendirilen lazer darbeleri birden fazla hedeften yansımakta ve alıcıda sinyal oluşturmaktadır. Oluşan sinyallerin anlamlı bir sinyal olarak işlenmesi için geliştirilen algoritmalar ile LRF’ler mesafe ayrımına bağlı olarak birden fazla hedefi görebilme yeteneğine sahip olabilirler.

Koaksiyel lazer işaretleyici kullanımı ile hedeflenen nesnelere yönlendirilen lazer ışığı basit CCD/CMOS tabanlı kameralar ile görüntülenebilir hale gelmektedir. Hedeflenen nesnelerin basit şekilde görüntülemenin ana avantajı hizalama işlemlerinin kolaylaşmasıdır. Koaksiyel lazer teknolojisi hem 1550 nm lazerin hem de yakın kızılötesini lazerin aynı açıklıktan yayılmasını sağlayarak herhangi bir hizalama gereksinimini ortadan kaldırmakta ve LRF’in bir görüntüleyici ile hizalamasını kolaylaştırmaktadır. Yakın kızılötesi lazerlerin menzil performanslarının düşük olduğu düşünülmesine rağmen özellikle güç değerleri ve uygun ortam koşulları ile kilometrelerce menzile ulaşılabilir.

Alternatif Mesafe Ölçüm Teknikleri: LRF Avantajları ve Dezavantajları

Lazer mesafe ölçümün yanı sıra birçok mesafe tayin etme tekniği vardır. RADAR uzaklık bulma, lazerli uzaklık bulmaya benzer şekilde çalışır. Tek fark odaklanmış bir lazer ışık huzmesi yerine radyo sinyali atımının gönderilmesidir. RADAR, geniş bir alana yaydığı ve uzun bir dalga boyuna sahip olduğu için, açık alandaki uçak ve gemiler gibi büyük nesnelerin mesafesini ve hızını belirlemek için daha uygundur.

Gigahertz menzilli RF dalgaları ve optik yöntemlerinin ortak faktörü, açı çözünürlüğünün dalga boyuna bağlı olmasıdır. Dalga boyu azaldığında ışının ıraksaması azalır. Yatay ve dikey boyutlarda yüksek çözünürlük gerektiğinde optik yöntemler en iyisidir. Optik yöntemler mesafe ölçümünde en iyi çözünürlüğü ve doğruluğu sağlar.

LRF Kullanım Alanları

• El Cihazları

• Gimbal’ler

• Yangın Kontrol Sistemleri

• Uzak Silah İstasyonları

• Gözlem ve Gözetleme Sistemleri

• Sahil Güvenlik ve Sınır Koruması

LRF Kullanımında Anahtar Sorular

• Görünürlük/Gözlemci Görünürlüğü

• Test Hedefi (Boyut ve Yansıtma)

• Hava Koşulları

• Platform Bilgileri

LRF Anahtar Parametreleri

• Maksimum Menzil

• Dalga Boyu

• Demet Sapması

• Mesafe Ölçüm Doğruluğu

• Ölçüm Tekrarlama Frekansı

• Çoklu Hedef Tayini

• Göz Güvenliği