DOĞRUSAL OLMAYAN OPTĐĞĐN UYGULAMA ALANLARI VE LAZER RADARLAR Ferit ARTKIN Kocaeli Üniversitesi Gebze Meslek Yüksekokulu artkinf@yahoo.com, artkinf@kocaeli.edu.tr ÖZET Son yıllarda optik analog, sayısal veri işleme ve opto-elektronik cihazlar konusunda çok hızlı gelişmeler gerçekleşti, optik ve optik elektronik alanında yapılan birçok yeni çalışma büyük miktarda veriyi yüksek hızda işleme olanağı sunmaktadır. Deneylerden çıkan sonuçlar göstermiştir ki akım şiddeti 10 8 W/cm 2 ve bundan daha büyük olan ışın demetleri, ortamın optik karakterini değiştirir. Bu durumda doğrusal optikle ifade edilen yapılar sistemlerin tanımlanmasında yetersiz kalır. Bu nedenle ışıma şiddetiyle ilgili olaylar Doğrusal Olmayan Optik adı verilen yapılarla ifade edilir. Bu alan 1962 yılından beri baş döndürücü bir hızla gelişmektedir. Doğrusal Olmayan Optiğin uygulama alanları içinde; Fotokimya uygulamaları, Yüksek Çözme Güçlü Spektroskopi, Optik Radarlar (LIDAR), Atmosferik Kirleticilerin Tanımlanması ve Uzaktan Tayini, Uzaktan Algılama ve Görüntüleme sistemleri gösterilebilir. Optik radar sistemlerinin gelişmiş uygulamalarına LADAR (Lazer Detection And Ranging) adı verilir. Sözkonusu bildiride bu konu ayrıntılarıyla aktarılacaktır. Bu temel bilgiler ışığında elektronik 20. yüzyılın, optik 21.yüzyılın bilimidir diyebiliriz. Anahtar Kelimeler: Lazer Radarlar, Doğrusal Olmayan Optik GĐRĐŞ Geçtiğimiz yıllarda, optik olanakları kullanarak işlem yapma alanının hızla, optik sayısal veri işleme ve optik ve opto-elektronik aygıtlar konularını kapsayacak biçimde genişlediği görülmüştür. Optik işlem yapma alanında yapılan birçok yeni çalışma, büyük miktarlarda veriyi, yüksek hızda işleme olanağı sağlamaktadır. Bu çalışmalar günümüzde ve gelecekte pek çok farklı alanda üst düzey uygulamalar gerçekleştirilmesini sağlayacaktır. 1. LASER RADAR SĐSTEMLERĐ (LADAR) LADAR, Đngilizce lazerle tespit ve menzilleme kelimelerinin baş harfiyle oluşturulmuş bir kelimedir. Lazer sensörü diye de geçen LADAR, diğer radarlara kıyaslandığında; Lazer radar optik frekanslarda çalışan ve elektromanyetik radyasyon kaynağı olarak lazeri kulllanan bir çeşit radardır. Lazer Radar kısaca LIDAR (Light Detection And Ranging) ya da LADAR (Lazer Detection And Ranging) olarak tanımlanır. Đlk optiksel radar sistemlerine LIDAR adı veriliyordu. Daha sonra, çok ilkel ve düşük performanslı LIDAR tekniklerini ayırmak için yeni tekniklerle elde edilen radarlara LADAR adı verildi. Günümüzde daha çok ticari uygulamalarda LIDAR, üst düzey uygulamalar da ise LADAR terimi kullanılmaktadır. Bu iki terminoloji arasındaki temel fark; LIDAR ın kısa dalga boylarını LADAR ın ise uzun dalga boylarını kullanarak çalışmasıdır. LADAR sistemleri, lazer, alıcı sistem, optik ve tarama sistemleri, elektronik ve sinyal işleme sistemleri, mekanik yardımcı elemanlar gibi alt sistemlerden oluşmaktadır. Tarayıcı optikler, lazer atımlarını hareket yönüne dik şekilde bir tarama yapmak için yönlendirirler. Lazer radar
sistemleri, taramayı saniyede 100.000 den fazla atım yaparak gerçekleştirirler ki bu atım tekrar frekansıdır. Lazer ışığı ışık hızında (c= 3.10 8 m/s) hareket eder. LADAR sistemlerinin çalışma mantığını teorik olarak incelersek; lazer atımının vericiden çıkıp geri dönmesi ile uçuş zamanı (t) hesaplanabilir uçuş zamanı aşağıdaki denklemde görülen eşitliğe sahiptir. t = 2 R c (1) Denklemde R ile gösterilen Lazer Radar ve nesne arasındaki mesafedir. Hedefe olan menzil (R) eşitlik (1) kullanılarak bulunabilir. Ölçümlerin kalitesi sinyal dalga oranı (Signal to noise ratio-snr), lazer dalgaboyu, modülasyon ve demodülasyon teknikleri gibi birçok faktöre bağlıdır. Lazer Radar, radara göre daha küçük dalga boylarında (Ultraviole, görünür ya da yakın kızılötesi bandlarında) çalışır. Işın aralığı radara göre daha dardır. Bu da daha yüksek taşıyıcı frekansı (carrier frequency) demektir. Yüksek taşıyıcı frekans, menzil, hız ve açısal konum ölçümlerinde yüksek çözünürlük ve doğruluk sağlar. Küçük objelerin tespitinde daha uygundur. Günümüzde kullanılan lazerlerin yapılarının küçük boyutlarda olması lazer radarın daha küçük boyutlarda paketlenmesini sağlar. Boyutun küçük olması lazer radarlarının ağırlık ve alanın önemli olduğu uygulamalarda kullanılmasına olanak sağlar. Lazer ışığı atmosferin etkisine maruz kalır. Đyi hava koşullarında dahi yansıyan lazer ışığında kayıplar olmaktadır ki bu kayıplar kötü hava koşullarında ciddi şekilde artmaktadır. Yerden yüksek noktalardan yansıyan ışınlar daha az kayıpla sistemin alıcısına dönerken, atmosferin daha uzak noktalar için sis etkisi yaratması sonucunda, yansımalar alıcının algılayamayacağı kadar zayıflar. Hava Koşulları Görünürlük (km) Kayıplar (db/km) Açık kış günü 12 0.4 Sisli yaz günü 5 1.7 Yağışlı 4mm/saatte 3.5 3 Karlı 1mm/saatte 1 15 Yoğun sisli 0.6 30 Tablo 1. Atmosferik kayıplar ve görünürlük mesafesi Yoğun sis ve yağışlı havalarda, lazer ışınının atmosferdeki saçılması fazla olduğu için tespit yeteneği azalmaktadır. Nüfuz etmesinin düşük olması, küçük alanları tarayabilmesi ve kısa mesafe tarama yapabilmesi, sistemin zafiyetleridir. Bu sistemin, pasif kızılötesi tarama ve iz takibi yapan sistemlerle ve termal görüntüleyicilerle birlikte kullanılması durumunda yanlış alarm verme oranı azalır. Lazer radarlar, milimetre dalga radarlarıyla birlikte kullanılması durumunda açısal pozisyon ve mesafe bilgilerindeki hata payını azaltır ve etkinliğini arttırır. Lazer radar kullanan sistemler, bina, baca, kule, ağaç gibi engelleri tespit edebilme özelliğine sahiptir. Metalik nesnelerin yansıtması metalik olmayan nesnelere göre daha yüksek olduğu için Lazer kullanan sistemler tel, kule gibi metal sistemleri kolaylıkla tespit edebilmektedir. Şekil 1 de, güç telleri ve kulesinin Lazer Radar ve kamera görüntüsü yer almaktadır. Kamera
görüntüsünde tam olarak seçilemeyen güç telleri Lazer Radar kullanılarak tespit edilebilmektedir. Lazer Radar sistemleri kablo ve ince telleri belirli uzaklığa kadar tespit edebilir. Tespit edilebilen telin kalınlığı ve tespit menzili kullanılan lazer radar sistemlerine göre farklılık gösterir. Örnek olarak; göz korumalı fiber lazer ışını kullanan SWORD sistemi 5 mm kalınlığındaki teli 2000 metreye kadar tespit edebilmektedir. Şekil 1. Güç telleri ve kulesinin Lazer Radar görüntüsü LADAR (a), kamera görüntüsü (b) 2. RADAR SENSÖR SĐSTEMLERĐNĐN KARŞILAŞTIRILMASI Lazer Radarlar daha iyi çözünürlük sağlarken, kötü hava şartlarından daha çok etkilenirler. Milimetre dalga radarları düşük frekanslarda her türlü hava koşullarında ve gece/gündüz tespit yapabilir, fakat daha az çözünürlük sağlar. Kızılötesi kameralar gece/gündüz görüşü, yüksek çözünürlük sağlarken, bitki örtüsü ve bulut içinde nüfuz etmesi düşüktür. Milimetre Dalga Görüntüleyicileri bütün hava koşullarında ve gece/gündüz geniş alanların görüntülerini sağlarken, çözünürlükleri düşüktür. Tablo 2 den anlaşıldığı gibi her sistem kendine ait avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Pasif sistemler tek başlarına kullanıldığında menzil ve yükseklik bilgisi vermezler. Aktif sistemler ise yükseklik, menzil ve hız bilgilerini verebilirken, gerçek zamanlı görüntü bilgisi sağlayamazlar. Bu nedenlerle sistemlerin birlikte kullanılmaları, bütün hava koşullarında ve gece/gündüz tespit yeteneğinde daha etkin sonuç vermekte ve yanlış alarm verme oranını düşürmektedir. Milimetre Dalga Radarları (MMDR) Lazer Radarlar ile karşılaştırıldığında, atmosferdeki saçılımının az olması nedeniyle engel tespitinde daha etkilidirler. Milimetre dalga sensör sistemleri kötü hava koşullarında nüfuz etme etkisinin fazla olması nedeniyle kızılötesi kamera sistemlerinden daha iyi sonuç vermektedir. Lazer Radarlar daha ince cisimleri tespit edebildikleri ve boyut olarak MMD radarlara göre daha küçük oldukları için MMD Radar yerine tercih edilebilir. Ancak atmosferdeki saçılımı fazla olduğu için, MMD Görüntüleyiciler ile birlikte kullanımı etkinliğini arttıracaktır.
SENSÖR SĐSTEMLERĐ AVANTAJLARI DEZAVANTAJLARI Milimetre Dalga Radarları (MMDR) SONUÇ Tarayabildiği alanlar büyüktür. Tüm hava koşullarında kullanılabilir. Düşük frekanslarda bitki örtüsü içinde ilerleyebilir. Menzil ve hız bilgisini verir. *Lazer Radarlar (LADAR) Menzil, hız, yükselme ve azimut ilgisini verir. MMDR sistemlerine göre yüksek çözünürlük sağlar. Küçük boyuta sahiptir. Karıştırılmaya karşı dirençlidir. Tel gibi ince cisimlerin tespitinde daha etkindir. Milimetre Dalga Görüntüleyici (MMD) Geniş alan görüntüsü sağlar. Tüm hava koşullarında kullanılabilir. Düşük frekanslarda bitki örtüsü içinde ilerleyebilir. Yükselme ve azimut bilgisini verir. Tablo 2. Sensör Sistemlerinin Avantaj ve Dezavantajları Kamera sistemlerine gore düşük çözünürlük sağlar Karıştırılabilir. Yaydığı sinyal tespit edilebilir. Kötü hava koşullarında, Atmosferdeki saçılması fazladır. Kamera sistemlerine göre düşük çözünürlük sağlar. Bitki örtüsü içinde yansıması azalır. Tarayabildiği alanlar küçüktür. Kısa mesafelerde tarama yapar. Yaydığı sinyal tespit edilebilir. Menzil ve hız bilgisini vermez. Düşük çözünürlük sağlar. Lazer radarlar her ne kadar önceleri askeri amaçlar için kullanılmaya başlandı ise de, günümüzde sivil alanda pek çok uygulama alanı bulabilmektedir. Lazer Radarların kullanım alanlarını aşağıdaki başlıklar altında toplamak olanaklıdır. A) Hava Gözetleme Uzak menzil erken uyarı Yükseklik ölçer ve üç boyutlu radar Havaalanı ve uçuş-yolu gözetleme B) Uzay Denetleme Uydu Gözetleme C) Đzleme ve Kılavuzluk Yangın Kontrol Menzil Gösterme Uydu Takibi Kara Taşıtlarının Hız Takibi D) Hava Durumu Radarı Gözlem ve önceden tahmin E) Astronomi ve Jeodezi Gezegenlerle ilgili gözlem Yer haritası çıkarma F) Denizcilik Yüzey araştırma ve Yön Bulma Tablo 3. Lazer Radarların Sivil Uygulama Alanları
Doğrusal olmayan optiğin uygulama alanlarından olan; Lazer Radarlar ve diğer uygulamaları günümüzde Lazer teknolojsinindeki gelişmeler paralelinde daha ileri aşamalara dinamik bir şekilde geçmektedir. Yukarda daha önce bahsettiğim konulara ek olarak yarı iletkenlerin (Si) üçüncü dereceden doğrusal olmayan optik özelliklerinin hesaplanması, Serbest elektron lazerleri, Doğrusal olmayan X-ışını optiği, Lazerle dizilmiş atomların uyarılması ve incelenmesi, Yüzey ve Đnce film kimyası ve fiziği, Spektroskopi, Parçacık Hızlandırma ve uygulamalarını ekleyebiliriz. Kaynakça: 1. Feza Büyükşahin Öncel, Sevi Đnce, Fatih Ovalı, STM Savunma Teknolojileri Mühendislik ve Tic. A.Ş., Litaratür Değerlendirmesi. 2. Christian G. Bachman, Laser Radar Systems and Techniques 3. David K.Kahaner, IEEE Micro, 1991 4. Koçak, M. Güven; Büyüksalih, Gürcan; Jacobsen, Karsten; 2004, Analysis of Digital Elevation Models Determined by High Resolution Space Images, ISPRS XX. Kongresi, Đstanbul. 5. Koçak,Güven; Büyüksalih, Gürcan; Oruç, Murat; 2005, Accuracy assessment of interferometric digital elevation models derived from the Shuttle Radar Topography Mission X- and C-band data in a test area with rolling topography and moderate forest cover, Optical Engineering 44(3),036201. 6. Büyüksalih, Gürcan; Koçak, Güven; Oruç, Murat; Akçın, Hakan; Jacobsen, Karsten; 2004, Accuracy Analysis, DEM Generation and Validation Using Russian TK-350 Stereo-Images, The Photogrammetric Record 19(107):200 218. 7. Uzaktan Algılamada Görüntüleme Sistemleri, Hüseyin Topan, 2007, Zonguldak. 8. Christian G.Bachman, Laser Radar Systems and Techniques, 1979. 9. Clifton, S.Fox, The Infrared and Electro-Optical System Handbook, Volume 6 Active Electro-Optical Systems, USA, 1993. 10. ELBIT SYSTEMS-SWORD, Surveillance and Warning Obstacle Ranging and Display, www.elbitsystems.com, 2008. 11. JAM IJAZ AHAMED, Developing All-weather Flight Capability for Civil Helicopters, M Sc individual research Project, 2006. 12. JELALIAN, ALBERT, Laser Radar Systems, USA, 1992. 13. Bechman, C.G., Laser Radar Systems and Techniques, Artech House, Inc., 1979. 14. Hasan Yıldırım, Silisyum Nanoörgülerin üçüncü dereceden doğrusal olmayan optik özelliklerinin hesaplanması, ITU Fen-Edebiyat Fakültesi, Kasım, 2007. 15. I. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi, Ömer Yavaş, 4.Nesil Işınım Kaynağı olaral Serbest Elektron Lazerleri, Ankara Üniversitesi Fizik Bölümü, 25-26 Ekim 2001.