LADAR uygulamalarında kullanılan tarama teknikleri

Meteksan Savunma tarafından 3 ayda bir yayımlanan "Meteksan Gazetesi"nin 35. sayısının Mühendislik Yazı Dizisi’nde, Lazer Optik Sistemler Tasarım Baş Mühendisi Ebru Bayrı’nın kaleme aldığı bir yazıya veriliyor.

"Meteksan Gazetesi"nin 35. sayısına, mobil uygulamamızın dergi bölümünden ücretsiz olarak ulaşabilirsiniz.

Gazetede yer alan “LADAR Uygulamalarında Kullanılan Tarama Teknikleri” başlıklı yazıyı, takipçilerimize sunuyoruz:

LADAR UYGULAMALARINDA KULLANILAN TARAMA TEKNİKLERİ

Işık hızının atmosfer ortamında sabit olmasından faydalanılarak; lazer kaynağından çıkan ışınların hedef cisme çarpıp geri dönmesi sırasında geçen zaman, çok hassas olarak ölçülebilmektedir. LADAR sistemlerinde, iki eksende tarama ile bu prensip kullanılarak 3 boyutta nokta bulutu oluşturulmaktadır. Nokta bulutunun ihtiyaca göre işlenmesi, bu sistemleri; haritalandırma, atmosferik ölçümler, 3 boyutlu görüntü oluşturma ve otonom araç kullanımı gibi birçok alanda kullanılabilir kılmıştır.

LADAR sistemlerinin temel bileşenleri; lazer kaynağı, alıcı, işlemci birimi ve güç birimi olarak sayılabilir. Bu bileşenlere ek olarak, uygulamanın kapsamına göre farklı ihtiyaçları karşılayacak şekilde tasarlanmış tarayıcı birime de gereksinim duyulmaktadır. En sık kullanılan dört tarama tekniği, Şekil 1’de verilmiştir.

Tarama yöntemleri, sırasıyla; salınımlı ayna (oscillating mirror), dönen poligon (rotating polygon), palmer tarayıcı (palmer scan) ve fiber tarayıcıdır (fiber scanner). Bu yöntemlerde, uygulamanın kapsamına göre, düşük enerji tüketimi ve kontrol kolaylığı sebebiyle osilasyon hareketi yapan ya da sürekli dönen ayna yapılarının kullanımı yaygındır ve tek eksende tarama sağlanmaktadır. İkinci eksendeki tarama, platformun hareketi ile gerçekleştirilmektedir ve haritalandırma, yüzey profili oluşturma gibi %100 doluluk oranı ihtiyacı olan uygulamalarda, bu yöntemler sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tarz uygulamalardaki tarayıcı mekanizma seçiminde belirleyici faktör, tarama paterninin veriyi oluşturacak algortimayı destekleyecek şekilde bilgi sağlayabiliyor olmasıdır. Homojen tarama paterni oluşturan dönen poligon, şehir planlama gibi detaylı profil çıkarma uygulamalarında avantaj sağlarken; homojen olmayan paternlere sahip salınımlı ayna ve palmer tarayıcı, topoğrafya uygulamaları gibi geniş alanların bilgilerini oluşturmak için kullanılmakta ve daha hızlı veri toplamaya imkân sağlamaktadır.

Helikopterlere yönelik engel tespit sistemlerinde kullanılan LADAR uygulamaları, tarayıcı mekanizma ihtiyacı açısından, haritalandırma sistemlerinden farklıdır. Sebebi, engellerin tespiti için görüş alanını (FOV) çok kısa sürede tarama ve ikaz oluşturma zorunluluğudur. Bu durum, doluluk oranını düşürmeyi gerektirmektedir. Helikopter engel tespit sistemlerindeki hedef tarama hızlarına ulaşılmasına olanak sağlayan ve yaygın olarak kullanılan temel iki teknik; iki ekseni de tarayacak şekilde geliştirilmiş palmer tarayıcı ve fiber tarayıcıdır.

Palmer tarayıcı, yalpa açısına sahip düz bir aynanın merkezi etrafında döndürülmesi prensibiyle çalışmaktadır. Bu dönme hareketi, yalpa açısı ile orantılı bir elips oluşturmaktadır. Dönen aynanın merkezinden yatay eksende çevrilmesi ise bu elipsi sağa sola hareket ettirerek hedeflenen görüş alanının taranmasını sağlamaktadır.

Görüş alanı ihtiyacına göre yalpa açı değeri belirlenmekte ve dönen aynanın hızları ile oynanarak tarama paterninde ve doluluk oranında uygulama ihtiyacına göre esneklik sağlanabilmektedir. Diğer yandan, oluşturulan paternin homojen olmaması, dezavantaj olarak değerlendirilebilir.

Fiber tarayıcı ise bir ucu daire, diğer ucu yan yana dizilmiş fiberlerden oluşan demetin daire olan ucundaki fiberlere, sırasıyla dönen optik bir yapı ile ışığın aktarılması prensibine dayanmaktadır. İkinci eksende tarama, yan yana dizilmiş fiber uçlarına yerleştirilen ve salınım yapan düz bir ayna ile sağlanmaktadır (Şekil 3).Fiber dizini ile sağlanan eksende tarama açısı sabit olup salınan ayna ile sağlanan eksenin tarama açısı ayarlanabilmektedir. Homojen bir tarama paterni, en önemli avantajıdır. Mekanizmanın çok hassas hizalama gerektirmesi ve kompleks yapısı ise dezavantajları olarak değerlendirilebilir. Fiber tarayıcıların kullanılacağı sistemlerde, tasarım sürecinde, doluluk oranına göre fiber dizini oluşturularak mekanizma yapısı sabitlenir. Doluluk oranının değiştirilmesi için tasarım ve üretim tekrarı gerekir.

Optomekanik çözümlerin yanı sıra teknolojik gelişmelerle birlikte, MEMS gibi elektromekanik çözümler ve optik faz dizini (OPA / optical phase array) gibi katı hâl tarama (solid-state scanner) çözümleri de LADAR uygulamalarındaki yerlerini almaya başlamışlardır. Bu çözümler, kısıtlı lazer gücü dayanımı sebebiyle daha kısa mesafe ihtiyaçları için uygundur. Boyut ve ağırlık avantajları ile özellikle otonom araç ve 3 boyutlu tarama uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır.

LADAR uygulamaları ve uygulama kapsamındaki ihtiyaçlar, her sistem için özgün tarayıcı mekanizma geliştirmeyi gerektirmektedir. Tasarım yapılırken görüş alanı ihtiyacı, çerçeve oluşturma hızı, tarama paterni, güç tüketimi, ağırlığı, çevresel koşullara dayanımı, entegrasyon kolaylığı, servis edilebilirliği gibi birçok kriter birlikte ele alınmalıdır. Bu çerçevede, Meteksan Savunma’da yürüttüğümüz çeşitli projelerin ihtiyaçlarına uygun olarak, özgün tarayıcı mekanizmaları geliştirerek ürünlerimizde kullanmaktayız.