I componenti elettronici del laser costituiscono la spina dorsale elettronica dei sistemi di rilevamento, misurazione e comunicazione basati sul laser, utilizzati nelle piattaforme senza pilota. Questi sottosistemi includono driver, ricevitori, elettronica di temporizzazione e circuiti di regolazione della potenza che regolano la precisione e l'affidabilità del laser negli UAV, negli UGV e nei robot marittimi.
Questa pagina presenta i produttori di componenti elettronici laser, che supportano applicazioni come LiDAR, altimetri laser, marcatura dei bersagli e comunicazioni ottiche.
Leggi il Panoramica tecnologica
Moduli di elettronica laser e sensori per UAV, piattaforme senza pilota e sistemi contromisura anti-UAS
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I componenti elettronici del laser costituiscono l’infrastruttura critica che consente il rilevamento, la misurazione e la comunicazione basati sul laser nei moderni sistemi senza pilota. Mentre le lenti e gli specchi gestiscono la fisica della luce, i sottosistemi elettronici sottostanti, i driver, i ricevitori, i circuiti di temporizzazione e i regolatori di potenza, determinano l’affidabilità e la precisione delle prestazioni del laser sulle piattaforme senza equipaggio.
Nei domini aereo, terrestre e marittimo, questi componenti sono essenziali per la misurazione di alta precisione e la navigazione autonoma. Alimentano tutto, dai telemetri laser tattici sui micro UAV agli altimetri sottomarini per l’esplorazione delle profondità marine. Man mano che l’industria si muove verso livelli più elevati di autonomia, l’elettronica laser deve fornire sempre più prestazioni elevate, rispettando al contempo i severi vincoli di dimensione, peso e potenza (SWaP).
Ricevitori telemetri laser di Analog Modules Inc.
I ricevitori hanno il compito di rilevare gli impulsi laser riflessi e di convertirli in segnali elettrici precisi per i calcoli del Tempo di Volo (ToF). I ricevitori moderni spesso integrano fotodiodi a valanga (APD) in InGaAs o Silicio ad alta sensibilità con amplificatori a transimpedenza (TIA) a basso rumore per massimizzare la portata.
La sfida ingegneristica principale consiste nel mantenere un’elevata sensibilità, garantendo al contempo tempi di recupero rapidi da una saturazione vicina al bersaglio. I recenti progressi mostrano uno spostamento verso gli array SPAD (Single Photon Avalanche Diode). Questi offrono una risoluzione di nanosecondi e la capacità di rilevare singoli fotoni, il che estende in modo significativo la portata operativa dei componenti laser dei droni in condizioni di scarsa visibilità.
I driver per diodi laser pulsati forniscono impulsi ad alta corrente con tempi di salita inferiori al nanosecondo. Questi driver sono il cuore pulsante dei sistemi LiDAR, dove la ripetibilità degli impulsi e il jitter di temporizzazione minimo non sono negoziabili per una precisione di livello centimetrico.
Per i componenti laser UAV, le tendenze attuali favoriscono i FET di commutazione basati su GaN (Nitruro di Gallio). La tecnologia GaN consente frequenze di commutazione più elevate e una migliore efficienza termica rispetto al silicio tradizionale. Ciò consente di realizzare sistemi laser miniaturizzati e ad alta frequenza di ripetizione, necessari per una mappatura 3D densa.
Moduli di tracciamento del punto laser di Analog Modules Inc.
L’elettronica degli LST elabora l’energia riflessa per distribuire i bersagli tra le piattaforme. Questi sistemi devono differenziare una firma laser specifica, come i codici a frequenza di ripetizione degli impulsi o PRF, dal rumore solare di fondo o dalla confusione del campo di battaglia. I moderni LST sono sempre più integrati in gimbal EO/IR stabilizzati. Ciò richiede interfacce a bassa latenza con i sistemi di controllo di volo per l’asservimento del bersaglio in tempo reale.
Nei laser avanzati ad alta energia o nei sistemi a commutazione Q, i driver delle celle di Pockels forniscono la commutazione ad alta tensione necessaria per modulare la luce. Si tratta di sottosistemi specializzati che devono funzionare ad alta velocità ed essere sufficientemente robusti per gestire le interferenze elettromagnetiche (EMI) e le vibrazioni di una piattaforma tattica senza pilota.
I driver CW forniscono una corrente costante e priva di ondulazioni per applicazioni come le comunicazioni ottiche nello spazio libero (FSO) e l’illuminazione laser. Poiché la stabilità della lunghezza d’onda è legata direttamente alla corrente e alla temperatura, questi driver spesso incorporano dei controllori di precisione del raffreddatore termoelettrico (TEC) per mantenere le prestazioni del diodo laser in ampi intervalli operativi.
La combinazione di elettronica specializzata e sorgenti laser consente di realizzare diversi sottosistemi essenziali per le operazioni senza equipaggio. Queste unità forniscono le funzionalità specifiche richieste per le missioni complesse.
Le prestazioni del sistema dipendono dall’architettura elettronica sottostante. I team di ingegneri devono assicurarsi che ogni componente sia ottimizzato per le esigenze specifiche di potenza e modulazione dell’applicazione.
Nel dominio aereo, l’elettronica laser è l’alimentazione principale per l’evitamento degli ostacoli e il puntamento di precisione. L’ambiente operativo richiede che questi componenti funzionino ad alta quota, dove la dissipazione termica è meno efficiente. Di conseguenza, i moduli all in one che combinano il driver e il ricevitore in un unico alloggiamento ottimizzato termicamente stanno diventando lo standard industriale per gli UAS tattici.
I robot terrestri devono affrontare notevoli sollecitazioni meccaniche. I componenti elettronici laser per gli UGV devono essere progettati con layout PCB e composti di riempimento temprati per sopravvivere a urti e vibrazioni costanti. Inoltre, l’elaborazione del segnale assistita dall’intelligenza artificiale viene ora utilizzata a livello di scheda per filtrare il rumore della polvere e della pioggia. Questi fattori tradizionalmente degradano le prestazioni del LiDAR in ambienti terrestri.
L’elettronica laser sottomarina deve affrontare ambienti ad alta pressione e la rapida attenuazione della luce nell’acqua. I driver del laser blu verde e i ricevitori specializzati ad alto guadagno sono utilizzati nella batimetria laser per mappare il fondale marino o rilevare oggetti sommersi. L’affidabilità è fondamentale perché la manutenzione nelle missioni in acque profonde è spesso impossibile.
I sottosistemi elettronici laser non funzionano più come sensori isolati. Ora sono input fondamentali per le reti mesh di tipo Lattice e per i computer di missione a bordo. Scaricando l’elaborazione iniziale del segnale, come l’assottigliamento della nuvola di punti o la classificazione del bersaglio, all’elettronica interna del laser, le piattaforme possono ridurre il collo di bottiglia dei dati sul processore primario. Questa elaborazione marginale consente tempi di reazione più rapidi per l’evitamento autonomo delle collisioni e l’ingaggio delle minacce.
La prossima generazione di componenti elettronici laser si sta orientando verso i moduli laser multifunzione. Questi sistemi utilizzano una spina dorsale elettronica condivisa per eseguire il posizionamento, la designazione del bersaglio e la trasmissione di dati ad alta velocità attraverso un’unica apertura. Questa convergenza riduce l’impronta SWaP complessiva della piattaforma. Consente ai droni più piccoli di trasportare capacità precedentemente riservate a velivoli molto più grandi.
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