تقنية قياس المدى بالليزر متعدد النبضات الآمن للعين

تتمتع وحدة قياس المدى بالليزر متعدد النبضات بحجمها الصغير ووزنها الخفيف ومسافة تشغيلها الطويلة، وهي تتمتع بقدر كبير من الإمكانات للتطبيقات في المعدات الكهروضوئية المحمولة. تقدم هذه المقالة مبدأ العمل والخصائص التقنية وأحدث التطورات البحثية محليًا ودوليًا، وتقدم نظرة عامة على اتجاه تطويرها.

I. مبدأ عمل وحدة تحديد المدى بالليزر متعدد النبضات
تتكون وحدة تحديد المدى بالليزر عادةً من باعث ليزر ونظام بصري للإرسال ونظام بصري للاستقبال ودائرة قيادة ودائرة استقبال ودائرة تحكم متكاملة. تصدر وحدة تحديد المدى بالليزر ذات النبضة الواحدة نبضة ليزر واحدة وتخرج قياسًا واحدًا للمسافة. وعلى العكس من ذلك، تصدر وحدة تحديد المدى بالليزر ذات النبضات المتعددة N نبضة ليزر، وتأخذ عينات N مرة، وتعالج النتائج المأخوذة من العينات إلى إشارات رقمية، وتستخرج إشارة الصدى، ثم تخرج قياسًا واحدًا للمسافة.

II. مزايا وحدة تحديد المدى بالليزر متعدد النبضات
توفر وحدة تحديد المدى بالليزر متعدد النبضات المزايا التقنية التالية:

1. مسافة تشغيل أطول في ظل نفس ظروف الحجم والوزن: بالمقارنة مع وحدة تحديد المدى بالليزر ذات النبضة الواحدة، فإن وحدة تحديد المدى بالليزر متعدد النبضات تتمتع بحساسية اكتشاف أعلى بمقدار 2 إلى 3 مرات من حيث الحجم، مما يسمح بمسافة تشغيل أطول في ظل نفس ظروف الحجم والوزن.
2. صدى مستقر وأقل قدر من اهتزاز البيانات على مسافة واحدة: بفضل استخدام تقنية معالجة الإشارة متعددة النبضات، أصبحت إشارة الصدى أكثر استقرارًا، مما أدى إلى تقليل اهتزاز البيانات؛ وتظهر هذه الميزة بشكل أكثر وضوحًا في ظروف الرؤية الضعيفة.
3. إخفاء أفضل: بالمقارنة مع وحدة تحديد المدى بالليزر نبضة واحدة، فإن وحدة تحديد المدى بالليزر متعدد النبضات تنتج عمومًا طاقة نبضة واحدة أقل بمقدار 1 إلى 2 من حيث الحجم بسبب حساسية الكشف الأعلى، مما يجعل احتمالية اكتشافها بواسطة أنظمة تحذير العدو أقل ويوفر إخفاءً أفضل.

ثالثا: التقدم البحثي على الصعيدين المحلي والدولي
تشمل الكيانات الدولية العاملة في مجال أبحاث تقنية تحديد المدى بالليزر متعدد النبضات شركة Vectronix (سويسرا)، وشركة Jenoptik (ألمانيا)، وشركة Noptel (فنلندا).

الشكل 1: وحدات قياس المدى من سلسلة Vectronix

يوضح الشكل 1 العديد من منتجات وحدات قياس المدى بالليزر متعدد النبضات شبه الموصلة بطول موجة 1550 نانومتر النموذجية من شركة Vectronix السويسرية. تبلغ مسافات تشغيل منتجات السلسلة 5020 و5042 2.5 كم و4.5 كم للخزانات على التوالي، وتزن 120 جرامًا و325 جرامًا على التوالي. في منتجات السلسلة 5000، يتم استخدام عنصر "مُشكِّل الشعاع" لزيادة مسافة التشغيل وتقليل زاوية تباعد الليزر [1]، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2. مبدأ عمل Beamshaper

يوضح الشكل 3 سلسلة وحدات قياس المدى بالليزر متعدد النبضات شبه الموصلة من إنتاج شركة Noptel الفنلندية. وتشمل منتجاتها النموذجية LRF-200 وLRF-240 وLRF-500. وتبلغ المدى الفعّال للدبابات 1.8 كم و2.5 كم و4.5 كم على التوالي، وتبلغ الأوزان 66 جرامًا و200 جرامًا و470 جرامًا على التوالي.

الشكل 4: وحدات القياس المتسلسلة Jenoptik

يوضح الشكل 4 سلسلة وحدات قياس المسافات بالليزر متعدد النبضات شبه الموصلة من إنتاج شركة Jenoptik. وتشمل منتجاتها النموذجية وحدات DLEM-20 وDLEM-30 وDLEM-45، بمسافات تشغيل للخزانات تبلغ 3 كم و4.5 كم و6 كم على التوالي، وأوزان 33 جرامًا و95 جرامًا و160 جرامًا على التوالي. تعمل شركة Jenoptik بشكل مستقل على تطوير ليزر أشباه الموصلات الخاص بها وقد استفادت من نقاط قوتها لاستكمال ترقية المنتج من الجيل الثاني، مما أدى إلى تحسين الأداء.

لقد كرست شركة ERDI TECH LTD نفسها للبحث والتطوير في مجال وحدات قياس المسافات بالليزر متعدد النبضات الآمنة للعين منذ ما يقرب من 10 سنوات. ومن خلال هذا التراكم، شكلت سلسلة منتجات من وحدات قياس المسافات بالليزر متعدد النبضات الآمنة للعين مع نماذج متعددة في ثلاث سلاسل رئيسية: أشباه الموصلات، والزجاج الإربيوم، والألياف الضوئية. وقد تم تركيب هذه المنتجات على منصات مختلفة مثل الأنظمة البصرية الإلكترونية المحمولة على متن السفن، والمحمولة جواً، والمركبة على المركبات، والأنظمة الفردية للجنود، مع إنتاج تراكمي يزيد عن 100000 وحدة، وتلقي ردود فعل إيجابية من العملاء.

وحدة قياس المسافة بالليزر متعدد النبضات المصنوع من زجاج الإربيوم بطول موجة 1.1535 نانومتر

نموذج	لرف0105ج	لرف0308ج	لرف0405ج	لرف0612ج	لرف0816ج	لرف0815ج	ل ر ف 1017 سي	ل ر ف 1221 ج	ال ار اف 1525 سي	ال ار اف 1830 سي	ال ار اف 2535 سي
طول موجة الليزر	1535±5 نانومتر
إمكانية قياس المسافة (هدف 2.3م × 2.3م)	≥3000م	≥3000م	≥4000م	≥6000م	≥8000م	≥8000م	≥10000م	≥12000م	≥15000م	≥18000م	≥25000م
سلامة العين	الصف الأول
زاوية التباعد	≤1 مراد	≤0.6 مراد		≤4.21 مراد		≤0.35 مراد				≤0.3 ملي راديان
قطر عدسة الإطلاق	Φ8 مم	Φ8 مم		Φ12 مم		Φ12 مم		Φ15 مم	Φ15 مم	Φ18 مم
قطر عدسة المستقبل	Φ20 ملم	Φ16 مم		Φ25 مم		Φ40 مم		Φ45 مم	Φ50 مم	Φ60 مم
الحد الأدنى للمدى	≤15 م			≤30 م		50 متر
التردد المتراوح	مفرد، 1 هرتز ~ 10 هرتز
دقة تحديد المدى	±2 متر			±1 متر		±1 متر
دقة النطاق	≤20 م			≤30 م		≤30 م
معدل الدقة	≥98%			≥98%		≥98%
معدل الإنذار الكاذب	≤1%			≤1%		≤1%
جهد الإمداد	تيار مستمر 3~5 فولت	تيار مستمر 4.5~16 فولت				تيار مستمر 12 فولت
وزن	≤29±1 جرام	≤32±1 جرام		≤ 58±1 جرام		≤175 جرام		≤285 جرام	≤380 جرام	≤380 جرام	400 جرام
البعد (مم)	Φ34×47.5	48×30.5×21		65×48×32		65×46×86		107×72×60	125×85×58	125×100×70
درجة حرارة التشغيل	-40~+70 درجة مئوية
درجة حرارة التخزين	-55~+75 درجة مئوية

2. وحدة قياس المدى بالليزر متعدد النبضات أشباه الموصلات 905 نانومتر

نموذج	ل ر ف 1200 أ 1	ل ر ف 1200 أ	ال ار اف 2000ا	ل ر ف 4000 أ
طول موجة الليزر	905 نانومتر
سلامة العين	الفئة 3R (IEC 60825-1)
زاوية التباعد	≤10ملي راديان	≤20 مراد		≤5 مراد
نطاق القياس (هدف 3 م × 3 م)	≥10~1200م	≥5~1200م	≥5~2000م	≥5~4000م
دقة تحديد المدى	:±1م
دقة العرض	0.1م
التردد المتراوح	1~3 هرتز	3 هرتز (5 ~ 45 م)؛ 0.75 ~ 3 هرتز (45 ~ 1200 م)	3 هرتز (5 ~ 45 م)؛ 0.75 ~ 3 هرتز (45 ~ 2000 م)	1 هرتز
قياس الاحتمالية بدقة	≥98%
وقت البدء	≤500 مللي ثانية
واجهة البيانات	UART (TTL_3.3V)
جهد الإمداد	3.3+/-0.1 فولت
استهلاك الطاقة في وضع الاستعداد	≤800 ميغاواط
استهلاك الطاقة التشغيلية	≤1.5 واط
وزن	≤18 جرام	≤10 جرام	≤10 جرام	≤27 ​​جرام
الأبعاد	23 مم × 40 مم	25×26×13 مم	25×26×13 مم	60.56×33.1×46.86 ملم
درجة حرارة التشغيل	-20~+55 درجة مئوية
درجة حرارة التخزين	-55~+65 درجة مئوية
مقاومة التأثير	1200 جرام، 1 مللي ثانية
مضاد للاهتزاز	800 جرام/مللي ثانية (10 مرات/ثانية في اتجاه المحور البصري)

بالإضافة إلى المنتجات القياسية المذكورة أعلاه، تتولى شركة ERDI TECH LTD أيضًا خدمات وحدة قياس المدى بالليزر المخصصة.

رابعا. اتجاهات تطوير تقنية تحديد المدى بالليزر متعدد النبضات

تُستخدم وحدات قياس المدى بالليزر متعدد النبضات على نطاق واسع في المعدات الكهروضوئية المحمولة نظرًا لصغر حجمها وخفة وزنها ومسافة تشغيلها الطويلة، مما يجعلها واحدة من النقاط الساخنة في أبحاث تقنية قياس المدى بالليزر. في السنوات الأخيرة، أظهرت تقنية قياس المدى بالليزر متعدد النبضات اتجاهات التطوير التالية:

1. تم ترقية الطول الموجي التشغيلي تدريجيًا من 905 نانومتر إلى 1550 نانومتر.
   تستخدم وحدات قياس المدى بالليزر العسكرية المبكرة وأجهزة تحديد المدى بالليزر لملاعب الجولف المدنية المنتجة بكميات كبيرة حاليًا ليزر 905 نانومتر كمصدر للضوء. نظرًا لحجم إنتاجها العالي، فهي غير مكلفة نسبيًا. بالمقارنة مع ليزر 905 نانومتر، تتمتع ليزر 1550 نانومتر بالمزايا التالية: ① أقصى تعرض مسموح به (MPE) للعين البشرية لضوء الليزر 1550 نانومتر أعلى، مما يجعل ضوء الليزر 1550 نانومتر أكثر أمانًا للعين البشرية مقارنة بضوء الليزر 905 نانومتر بنفس الطاقة والقوة؛ ② معامل التوهين الجوي لضوء الليزر 1550 نانومتر أقل، مما يؤدي إلى مسافة تشغيل أطول لضوء الليزر 1550 نانومتر بنفس قوة الذروة مقارنة بضوء الليزر 905 نانومتر؛ ③ ضوء الليزر 1550 نانومتر خارج نطاق استجابة أنظمة الرؤية الليلية الحالية، مما يوفر إخفاءً أفضل. لذلك، تعد وحدات قياس المدى بالليزر 1550 نانومتر اتجاه التطوير المستقبلي.

2. يتم تقليل حجم ووزن وحدات قياس المدى بالليزر متعدد النبضات بشكل مستمر.
   يتم دمج وحدات قياس المدى بالليزر متعدد النبضات في الأجهزة البصرية الإلكترونية المحمولة مثل المشاهد ومشاهد البنادق. يعد تقليل الحجم والوزن واستهلاك الطاقة (SWaP) موضوعًا مستمرًا. أطلقت شركات تصنيع أجنبية مثل Vectronix و Jenoptik و Noptel على التوالي منتجات وحدات قياس المدى بالليزر المصغرة الخاصة بها، بأوزان مخفضة إلى حوالي 25 جرامًا.

3. يواصل النظام الجديد لوحدات قياس المسافات بالليزر متعدد النبضات تحسين مسافات التشغيل. تتمتع وحدات قياس المسافات بالليزر الليفي من Vectronix ووحدات قياس المسافات بالليزر الزجاجي الإربيوم من Flir بمسافات تشغيل تصل إلى 15 كم إلى 20 كم وتزن حوالي 100 جرام، مما يمثل المستوى المتقدم لوحدات قياس المسافات بالليزر الصغيرة. حققت شركة ERDI TECH LTD أخف وحدة قياس مسافات بالليزر (10 جرام) وأصغر وحدة قياس مسافات بالليزر للمسافات القصيرة على مستوى العالم.