Infraroodtechniek: Zoek-LIDAR voor detectie van kleine objecten op zee (1996 – 2006)
Zoeklidar voor de detectie van kleine objecten op zee (1996 – 2006)
De Light Detection And Ranging (LIDAR) techniek maakt gebruik van lichtpulsen om de hoek, afstand en reflectie te meten (vergelijkbaar met zoals radar microgolven gebruikt). In 1982 bouwde TNO een oud lasersysteem van Optische Delft om tot een mini-lidar-systeem. De mini-lidar werd onder meer gebruikt voor atmosferische aerosolmetingen.
Kustbewakingssensoren en schepen in de buurt van de kust moeten kleine objecten op het zeeoppervlak detecteren. Deze objecten hebben een lage radardwarsdoorsnede en een lage snelheid waardoor ze moeilijk te detecteren zijn door radar. Stealth-constructies kunnen de radarreflecties van dergelijke objecten nog verder verminderen. Typische kleine objecten zijn jetski’s, kleine boten, periscoopbuizen, wrakstukken, man overboord, zwemmers, illegale immigranten, drugstransporten en asymmetrische bedreigingen. In 1996 begon TNO te onderzoeken of lidar gebruikt kon worden om dergelijke kleine objecten op het zeeoppervlak te detecteren en of we het prototype konden bouwen van een wide area scanning systeem, oftewel een zoeklidar (search Lidar).
Het zoeklidar principe
Een zoeklidar is gebaseerd op een laser die een puls van infrarood licht over het wateroppervlak uitstuurt. Objecten aan het wateroppervlak reflecteren deze lichtpuls terwijl het wateroppervlak zelf een verwaarloosbare reflectie heeft. Experimenten in 1996 en 2000 vanaf Meetpost Noordwijk bevestigden de lage reflectie van de zee.
Het gereflecteerde licht wordt opgevangen door een gevoelige detector. Het tijdsinterval tussen het verzenden van de puls en het ontvangen van de reflectie bepaalt de afstand tot het object (time-of-flight). Het principe van een zoeklidar bestaat uit een scannende laserstraal met een relatief smalle straal in combinatie met een met de laserstraal uitgelijnde optische ontvanger. Er wordt gescand in azimut en elevatie om het zeeoppervlak rond het systeem te bestrijken. Een zoeklidar is bedoeld voor het detecteren van kleine doelen en het meten van hun positie. Daarnaast kunnen de snelheid en koers van gedetecteerde objecten worden verkregen uit herhaalde metingen. Het is mogelijk dat zoeklidars ook kunnen worden gebruikt voor de classificatie of identificatie van niet-meewerkende langeafstandsdoelen.
Resultaten met de zoeklidar
Lidarmetingen door TNO aan de Nederlandse kust hebben een zeer goede signaal-ruisverhouding aangetoond voor boeien op enkele kilometers van de kust. De resultaten laten zien dat vanwege de lage ruis op het zeeoppervlak een zoeklidar kleine doelen op het zeeoppervlak kan detecteren. Een grafiek van de lidarreflecties wordt hieronder weergegeven. Experimenten over de jaren 1996 tot 2006 hebben de lage zeereflectie bevestigd. Zelfs bij hoge windsnelheden rond de 15 m/s (7 Beaufort) blijft de zeereflectie laag.
In lidar-experimenten van TNO is met succes de positie en reflectie van een boei op een afstand van 9.3 km gemeten. De boei kon niet met het blote oog worden waargenomen en slechts met grote moeite met een verrekijker. Met de lidar kon de boei worden gedetecteerd met een signaal-ruisverhouding van ongeveer 140.
Hieronder ziet u een schermafbeelding van de golfvormrecorder. De geleidelijke afname van het signaal vertegenwoordigt de atmosferische verstrooiing verzwakt door het geometrische effect en de atmosferische transmissieverliezen. Door de toepassing van een analoge logaritmische versterker kon het grote dynamische bereik van het signaal binnen één golfvorm worden verwerkt.
De bemoedigende lidar-resultaten leidden tot de ontwikkeling van een zoeklidar-demonstrator met een laser met hoge pulssnelheid en een golflengte van 1,5 micron, waardoor deze veilig is voor ogen. Het systeem is met succes getest nabij de Nederlandse kust. De zoektijd is ongeveer drie seconden voor een halfronde scan van de kust met een pulsfrequentie van 2 kHz. Deze zoektijd is voldoende laag om te worden toegepast voor kustbewaking.
Referentie
Heuvel, J.C. van den, Bekman, H.H.P.T., Putten, F.J.M., Cohen, L.A. (2007), Detection of Small Sea-Surface Targets with a Search Lidar, Proceedings SPIE, Turner, M.D., Kamerman, G.W., Laser Radar Technology and Applications XII, 11 April 2007, Orlando, FL, USA.