لیزر کے رینج مساوات: اصل میں ایک رینجنگ لنک کو کتنی پلس توانائی کی ضرورت ہے؟

وہ سوال جو انجینئرز واقعی پوچھتے ہیں

تقریباً ہر لیزر رینجنگ پروجیکٹ اسی جملے سے شروع ہوتا ہے: "مجھے 2 کلومیٹر ماپنے ہیں۔" یہ پہلا جملہ غلط ہے، کیونکہ فاصلہ لیزر ڈایوڈ کی خصوصیت نہیں ہے۔ فاصلہ پوری لنک کی خصوصیت ہے: ٹرانسمیٹر کی توانائی، ٹرانسمٹ آپٹکس، ہدف کی عکاسی، فضائی ترسیل، وصولی کا اپرچر، آپٹیکل فلٹرنگ، ڈیٹیکٹر کی حساسیت اور وہ حد جس پر آپ کام کرنا چاہتے ہیں۔

اس کے باوجود، آپ کو کہیں سے شروع کرنا ہوگا، اور مفید ابتدائی مقدار پلس توانائی ہے، نہ کہ چوٹی کی طاقت۔ یہ مضمون بجٹ توانائی میں بناتا ہے، پھر واپس چوٹی کی طاقت میں تبدیل کرتا ہے جیسا کہ ڈیٹا شیٹ میں ذکر ہے۔

ایک توسیعی ہدف کے لیے رینج مساوات

ایسی ہدف کے لیے جو لیزر کی جگہ سے زیادہ بھر جائے - ایک دیوار، ایک پہاڑی دامن، ایک گاڑی، ایک درخت - واپسی ریڈار رینج مساوات کی لیمبرٹین شکل کی پیروی کرتی ہے:

جہاں

R کے لیے حل کریں اور P_rx = P_mds میں داخل کریں:

کیونکہ P_tx = E / t_p، اور کیونکہ ایک میچڈ-فلٹر ریسیور کی کم سے کم قابلِ دریافت توانائی تقریباً مستقل رہتی ہے جب تک کہ الیکٹریکل بینڈوڈتھ پلس کی چوڑائی کے مطابق ہو، P_tx اور t_p زیادہ تر منسوخ ہو جاتے ہیں۔ جو باقی رہتا ہے وہ پلس کی توانائی ہے:

یہ لیزر رینجنگ میں سب سے زیادہ مفید حقیقت ہے: پلز کو مختصر کرنے سے رینج نہیں بلکہ ریزولوشن بہتر ہوتا ہے۔ اگر آپ زیادہ فاصلے چاہتے ہیں تو توانائی خریدیں۔ اگر آپ بہتر درستگی چاہتے ہیں تو وہی توانائی استعمال کرتے ہوئے چھوٹا پلز خریدیں - جس کا مطلب ہے زیادہ پیک طاقت خریدنا۔

حقیقی مصنوعات کے مقابلے میں k کی کیلیبریشن

نظریہ آپ کو منحنی کی شکل دیتا ہے مگر مستقل نہیں، کیونکہ P_mds اس ڈیٹیکٹر پر منحصر ہے جسے آپ نے ابھی منتخب نہیں کیا۔ معروف کارکردگی والے مصنوعات کے مقابلے میں کیلیبریشن تیز اور زیادہ دیانتدار ہے۔

ایک 905 این ایم پلزڈ لیزر ڈایوڈ جس کی درجہ بندی 180 واٹ ہے اور 100 این ایس پر چلائی جاتی ہے مندرجہ ذیل فراہم کرتی ہے:

یہ حصہ ہینڈ ہیلڈ رینج فائنڈرز میں موجود ہے جو عموماً عکاس ہدفوں پر تقریباً 1.5 - 2 کلومیٹر اور تاریک زمین پر 500 میٹر پر مخصوص ہیں۔ ریٹرو ریفلیکٹر پر 1.6 کلومیٹر کو اینکر کے طور پر لیتے ہوئے:

ویسے ہی اینکر پر دھندلے زمین (تقریباً عکاس رینج کا ایک تہائی، ایک اصول جو تقریباً ہر تجارتی LRF سے میل کھاتا ہے) کے لیے k_diffuse ≈ 126 دیتا ہے۔

1535 نم آئی-سیف لنک کے لیے، ریسیو چین ایک InGaAs APD ہے جس میں شور کی سطح زیادہ ہے، لیکن ٹرانسمٹ توانائیاں ایک سے دو درجہ بڑھ کر زیادہ ہیں اور آپٹکس بڑی ہیں۔ تجرباتی طور پر، k_retro ≈ 600 اور k_diffuse ≈ 200 شائع شدہ اریبیم گلاس رینج فائنڈر کی تفصیلات سے مطابقت رکھتے ہیں۔

ڈیزائن ٹیبل

905 nm میں دی گئی رینج کے لیے، ایک Si APD رسیور کے ساتھ درکار پلس توانائی:

ڈفیوز کالم پڑھیں اور نتیجہ ناگزیر ہے: ایک 905 nm پلسڈ ڈایوڈ 100 ns پلس پر تاریک زمین پر 2 کلومیٹر تک نہیں پہنچ سکتا۔ 100 ns پر 250 µJ چوٹی کی طاقت 2.5 kW ہے، جو کہ ایک TO56 ڈیوائس نہیں ہے۔ آپ کے اختیارات یہ ہیں:

• 1535 nm پر منتقل ہوں، جہاں 100 - 300 µJ ماڈیولز معیاری حصے ہیں۔
• لمبی پلس اور زیادہ اوسط قبول کریں، حد کے لیے درستگی کی قربانی دیں۔
• موصول ہونے والے حصے میں بہتری لائیں: بڑا اپرچر، تنگ فلٹر، کم شور والا ڈٹیکٹر۔

آخری آپشن وہ ہے جہاں زیادہ تر عملی فائدے موجود ہیں، اور یہ ریسیور کے انتخاب کے مضمون میں شامل ہے۔

توانائی کو واپس پرزہ نمبر میں بدلنا

ایک بار جب آپ جان لیں کہ آپ کو کتنی توانائی کی ضرورت ہے، ڈیٹا شیٹ میں تبدیلی یہ ہے:

تو 10 µJ کی ضرورت درج ذیل میں سے کسی ایک سے پوری ہوتی ہے:

• 100 W کے لیے 100 ns
• 200 W کے لیے 50 ns
• 1000 W کے لیے 10 ns

یہ مساوی نظام نہیں ہیں۔ 1000 W / 10 ns ویرینٹ آپ کو 10 گنا بہتر رینج ریزولوشن اور بہت چھوٹا بلائنڈ زون دیتا ہے، اس کے بدلے میں ایک ڈرائیور کی ضرورت ہوتی ہے جو 1000 W کو 10 ns میں صاف تبدیل کر سکے، سخت ٹائمنگ الیکٹرانکس، اور تقریباً 100 MHz بینڈوڈتھ والا رسیور۔ یہ تجارتی فیصلہ - ریزولوشن بمقابلہ ڈرائیور کی دشواری - اصل فیصلہ ہے، اور یہی وجہ ہے کہ ڈرائیور ڈیزائن آرٹیکل ڈایوڈ کے انتخاب جتنا اہم ہے۔

مساوات جو جان بوجھ کر چھوڑ دیتی ہے

اوپر ماڈل ایک سنگل-پلس تھریشولڈ ڈیٹیکشن، صاف ہوا، اسپاٹ سے بڑے ہدف، اور اچھی طرح سیدھا آپٹیکل محور فرض کرتا ہے۔ اصل ڈیزائن کی رینج کم ہوتی ہے:

• فضائی کمی۔ بارش، دھند اور ہیز حالات کے مطابق 3 - 30 dB کا نقصان دیتی ہیں۔ 1535 nm اور 1550 nm پانی کی جذب کی پٹی میں ہیں؛ یہ بارش میں نقصان دہ ہے اور آنکھ کی حفاظت کے لیے فائدہ مند ہے۔
• داغ دار۔ ایک کھردرا ہدف داغ دار پیٹرن واپس کرتا ہے، لہذا موصول ہونے والی توانائی ہر پلس کے ساتھ اتار چڑھاؤ کرتی ہے۔ قابل اعتماد دریافت کے امکان کے لیے 3 - 6 dB بجٹ رکھیں۔
• بییم واک اور سیدھ۔ طویل فاصلے پر چھوٹی زاویائی غلطیاں نقطہ کو رسیور کے دیکھنے کے میدان سے ہٹا دیتی ہیں۔
• ڈیٹیکٹر بینڈوڈتھ۔ پلس سے چوڑا رسیور سگنل کے مقابلے میں زیادہ شور جمع کرتا ہے۔ بینڈوڈتھ کو پلس سے میل کھائیں: BW ≈ 0.4 / t_p.
• حد کا انتخاب۔ ایک مقررہ حد جو ایک ریٹرو-ریفلیکٹر پر کام کرتی ہے، درخت پر بے اثر ہے۔ مستقل-جزو یا وقت-متغیر حدود کئی dB واپس لا سکتی ہیں۔

استعمال شدہ کام کرنے والے اعداد

PLD905-180W-M لے لیں: 180 W چوٹی، 1 - 100 ns، 6 ایمیٹرز، 100 ns پر 18 µJ۔

حقیقی زمین پر اس سے آگے کے لیے، ایماندار جواب طویل طول موج ہے۔ اس فیصلے کے لیے دیکھیں 905 nm بمقابلہ 1535 nm بمقابلہ 1550 nm۔