I ricevitori del telemetro laser sono i sottosistemi optoelettronici responsabili del rilevamento e della temporizzazione dell'energia laser riflessa per consentire una misurazione precisa della distanza in tempo di volo (ToF). Negli UAV, negli UGV e negli USV, un ricevitore di telemetro laser converte i deboli ritorni ottici in segnali elettrici accuratamente temporizzati, supportando una misurazione affidabile in presenza di un elevato sfondo solare, attenuazione atmosferica e vibrazioni.
Questa pagina presenta i principali fornitori di ricevitori per telemetrie laser, che incorporano rivelatori APD, fotodiodi PIN e SPAD nelle lunghezze d'onda di 905 nm, 1064 nm e 1550 nm.
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Moduli di elettronica laser e sensori per UAV, piattaforme senza pilota e sistemi contromisura anti-UAS
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Ricevitori telemetri laser di Analog Modules Inc.
I ricevitori di telemetrie laser (LRF) sono i sottosistemi optoelettronici di alta precisione incaricati di rilevare e cronometrare l’energia laser riflessa. Mentre l’emettitore invia l’impulso, il ricevitore è un fattore determinante per la sensibilità del sistema, la precisione della temporizzazione e l’accuratezza complessiva del rilevamento.
Per gli UAV, gli UGV e gli USV, il ricevitore del telemetro laser converte un segnale ottico di ritorno in un evento elettrico discreto e precisamente temporizzato. Ciò consente di calcolare la distanza in base ai principi del tempo di volo (ToF). Nelle applicazioni professionali senza equipaggio, questi ricevitori devono funzionare in ambienti non cooperativi, rilevando i ritorni deboli contro l’elevato rumore di fondo solare, l’attenuazione atmosferica e le vibrazioni della piattaforma.
Nei telemetri laser, il fotorivelatore è l’elemento di rilevamento principale del ricevitore e determina la conversione iniziale dell’energia ottica in un segnale elettrico. La scelta della giusta architettura implica un bilanciamento tra sensibilità, jitter di temporizzazione e vincoli SWaP-C (Size, Weight, Power, and Cost).
I fotodiodi a valanga (APD) al silicio e gli APD all’InGaAs sono lo standard industriale per i sistemi senza pilota ad alte prestazioni. Funzionando con un’elevata polarizzazione inversa, sfruttano il guadagno interno attraverso la ionizzazione da impatto.
Sia i fotodiodi PIN all’InGaAs che le loro controparti in silicio non hanno un guadagno interno, il che li rende meno sensibili degli APD. Tuttavia, sono adatti per le applicazioni a corto raggio, dove i ritorni di segnale sono forti. I loro vantaggi principali sono un’eccellente linearità, un consumo energetico inferiore e un circuito di ricezione del telemetro laser semplificato, in quanto non richiedono i circuiti di polarizzazione ad alta tensione essenziali per gli APD.
Funzionando in modalità Geiger, gli SPAD possono rilevare singoli fotoni. Ciò fornisce un’elevata sensibilità per le missioni UAV a lungo raggio e ad alta quota e per le architetture di conteggio dei fotoni, compresi i sistemi spaziali. Sebbene offrano un’elevata sensibilità, i team di ingegneri devono gestire tassi di conteggio al buio più elevati e la complessità dei circuiti di spegnimento per evitare la saturazione del rivelatore.
Ricevitori telemetri laser con processori di portata di Analog Modules Inc.
La scelta della lunghezza d’onda e del corrispondente ricevitore telemetro laser è un compromesso tra la sicurezza del laser, la disponibilità del rilevatore e il modo in cui l’impulso interagisce con l’ambiente. I ricevitori LRF nei sistemi senza pilota sono in genere ottimizzati per le seguenti lunghezze d’onda operative:
L’integrazione dei ricevitori telemetrie laser varia in modo significativo a seconda dell’ambiente della piattaforma e del profilo specifico della missione.
La precisione del telemetria consente soluzioni balistiche accurate e un puntamento coordinato. Nei flussi di lavoro UAV e UGV orientati alla difesa, il ricevitore facilita il collegamento tra l’ISR e l’attacco, assicurando che i dati sulla distanza vengano inviati direttamente ai computer di controllo del fuoco con una latenza minima.
I ricevitori LRF sono spesso co-locati all’interno di sistemi cardanici EO/IR stabilizzati. Questa integrazione consente la georeferenziazione in tempo reale, la misurazione precisa degli oggetti e una maggiore consapevolezza della situazione. Per i sistemi aviotrasportati, l’elettronica del ricevitore deve interfacciarsi senza problemi con i processori di missione, mantenendo l’allineamento ottico del boresight nonostante le vibrazioni della piattaforma.
I dati di portata laser sono fondamentali per la stabilizzazione dell’altitudine e per il volo terrain-following, mentre la mappatura più ampia del terreno si basa tipicamente su architetture LiDAR a scansione. Nelle operazioni UAV, il ricevitore fornisce aggiornamenti ad alta frequenza che consentono al velivolo di mantenere una distanza prestabilita dalla superficie, mentre negli ambienti USV marittimi supporta la profilazione della superficie e il rilevamento dei picchi d’onda.
Per gli UGV e le piattaforme aeree autonome, i ricevitori LRF migliorano lo stack di percezione. Fornendo misurazioni della distanza dagli ostacoli, questi ricevitori supportano la pianificazione del percorso e gli algoritmi di prevenzione delle collisioni. Questo è fondamentale negli ambienti urbani privi di GPS o ingombri, dove i sensori visivi possono avere difficoltà con la percezione della profondità.
Nei sistemi equipaggiati per la designazione, i canali di telemetria e di decodifica della designazione sono spesso separati ma co-integrati, con il ricevitore che fornisce dati precisi sulla distanza per supportare i flussi di lavoro delle munizioni guidate. Questa applicazione richiede la resistenza agli oscuranti ambientali e la reiezione del rumore per garantire l’integrità del ritorno del laser.
Un ricevitore è definito dall’elettronica che supporta il fotorivelatore. A differenza dei ricevitori ottici standard, una catena di segnale LRF deve mitigare in modo specifico l’errore di camminamento, ossia lo spostamento temporale causato dalla variazione dell’ampiezza del segnale di ritorno, per mantenere la precisione. Questo aspetto viene in genere affrontato utilizzando la discriminazione a frazione costante o architetture di temporizzazione avanzate con compensazione dell’ampiezza.
Sebbene la catena del segnale LRF sia definita internamente dall’elettronica del ricevitore, la precisione complessiva del posizionamento dipende dalla sincronizzazione con il driver del diodo laser. Il jitter di innesco, il tempo di salita dell’impulso e la frequenza di ripetizione generati dai driver influenzano direttamente la precisione della temporizzazione e la compensazione dell’errore di cammino all’interno dell’architettura del ricevitore. Il raggiungimento della precisione sub-nanosecondo richiede quindi una progettazione coordinata dei sottosistemi di trasmissione e ricezione.
La prossima generazione di ricevitori per telemetrie laser si sta orientando verso architetture System-on-Chip (SoC), dove il rilevatore e la logica di elaborazione si trovano sullo stesso substrato. C’è anche un aumento della discriminazione del segnale assistita dall’intelligenza artificiale, che consente al ricevitore di distinguere tra il ritorno di un bersaglio valido e l’interferenza laser ostile o il rumore ambientale. All’interno di una suite di sensori multimodali, il ricevitore del telemetro laser fornisce i dati di distanza ad alta fedeltà necessari per convalidare gli input spaziali provenienti da LiDAR, radar e sistemi di visione stereoscopica.
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