В автономной работе роботизированных летательных аппаратов (таких как беспилотные дроны, беспилотные вертолеты и т.д.) технология избегания препятствий является ключевым звеном для обеспечения их безопасной и эффективной работы. Будь то картирование сложного рельефа, доставка на низкой высоте в городских условиях, военная разведка или промышленная инспекция, необходимо иметь точные и надежные возможности восприятия окружающей среды для идентификации препятствий в реальном времени и принятия мер по их избеганию. Среди различных сенсорных технологий лидар стал основным выбором благодаря высокой точности измерений и быстрой скорости реакции. Лазер 1535 нм, как один из основных источников света в лидаре, постепенно становится предпочтительным решением для технологии избегания препятствий в роботизированных летательных аппаратах благодаря своим уникальным физическим свойствам и инженерной совместимости.

I. Выдающаяся способность атмосферной передачи, адаптация к сложным экологическим вызовам

Операционные сценарии роботизированных летательных аппаратов часто связаны с неопределенностями - туман, дождь, пыль, дым и т.д., которые могут серьезно повлиять на эффективность передачи световых сигналов и привести к "слепоте" системы избегания препятствий. Лазер с длиной волны 1535 нм, находящийся в ближнем инфракрасном диапазоне в окне низкого затухания атмосферы, демонстрирует значительные преимущества в сложных условиях.

По сравнению с обычным лазером на 905 нм, лазер на 1535 нм имеет меньше рассеяния и поглощения атмосферными частицами. Экспериментальные данные показывают, что в условиях 60% влажности лазер на 905 нм затухает примерно на 3 дБ после 1 километра передачи, в то время как лазер на 1535 нм имеет значительно более низкое затухание; в условиях песчаной бури его способность проникновения может даже увеличиться в 2-3 раза. Это означает, что даже в условиях дымки на поле боя, городской смога или дикой песчаной среды, самолеты, оснащенные лазерным радаром на 1535 нм, могут поддерживать стабильную производительность обнаружения и предоставлять надежные данные для принятия решений по избеганию препятствий.

Кроме того, качество луча лазера 1535 нм отличное (фактор M² близок к 1.2), с высокой концентрацией энергии и меньшей вероятностью рассеивания при дальнем передаче, что дополнительно обеспечивает точность обнаружения в сложных условиях. Эта высокая адаптивность к окружающей среде позволяет ему охватывать различные сценарии эксплуатации от городских низких высот до диких пустынь.

II. Баланс между безопасностью человеческого глаза и высокой мощностью, учитывая безопасность и производительность

Когда роботизированные летательные аппараты работают на низких высотах, они неизбежно пересекаются с зонами человеческой активности, поэтому "безопасность человеческого глаза" системы избегания препятствий становится ключевым показателем. Лазер с длиной волны 1535 нм демонстрирует выдающиеся результаты в этом аспекте: согласно международному стандарту IEC 60825-1, его уровень безопасности достигает класса 1, что означает, что он может обеспечить безопасность человека (особенно глаз) без дополнительных защитных мер.

Это свойство обусловлено механизмом поглощения энергии лазера 1535 нм - свет его длины волны в основном поглощается роговицей и хрусталиком человеческого глаза, редко достигая сетчатки (сетчатка является основой визуального восприятия и наиболее подвержена лазерному повреждению). В отличие от этого, порог безопасности лазера 1064 нм составляет всего 1/400000 от порога лазера 1535 нм, и потенциальный риск для человеческого глаза при одинаковой мощности значительно выше.

Более важно то, что высокий порог безопасности лазера 1535 нм позволяет ему работать на более высокой мощности. Например, лазерный модуль 1535 нм, независимо разработанный компанией ERDI TECH LTD, может выдавать импульсы с высокой частотой повторения до 5 кГц. Энергия одиночного импульса стабильна и контролируема. Прямое преимущество, которое приносит высокая мощность, заключается в увеличении расстояния обнаружения и усилении эхосигналов, что имеет решающее значение для самолетов, чтобы избежать препятствий на больших расстояниях в открытых районах (таких как горы и океаны).

III. Сотрудничество с передовыми технологиями обнаружения для повышения точности избегания препятствий

Производительность лазерного радара зависит не только от источника света, но и от степени соответствия детектора. Синергия между лазером 1535 нм и детекторами InGaAs (индий-галлий-арсенид) точно формирует технологическое преимущество "1+1>2".

Детектор InGaAs обладает исключительно высокой квантовой эффективностью в ближнем инфракрасном диапазоне (особенно 1500-1600 нм), что значительно выше, чем у детекторов на основе кремния (которые испытывают резкое снижение эффективности выше 900 нм). Например, линейный сканирующий лазерный радар на 1550 нм, разработанный Китайской академией наук, при использовании однофотонных детекторов InGaAs достигает эффективности обнаружения более 3%, в сочетании с активной технологией гашения может достигать дистанций удаленного обнаружения более 3 км, а разрешение по глубине достигает сантиметрового уровня.

В последние годы применение сверхпроводящих нанопроводниковых детекторов (SNSPD) еще больше раскрыло потенциал лазера с длиной волны 1535 нм. Эти детекторы имеют временной дрожание всего 12,6 пс (пикосекунд) в диапазоне 1535 нм, а эквивалентное разрешение по глубине может достигать 2 мм. Они могут точно идентифицировать небольшие препятствия (такие как провода и ветки) - эти препятствия являются распространенными "невидимыми убийцами" при полетах беспилотных летательных аппаратов на низкой высоте, и традиционные системы избегания препятствий часто испытывают трудности с их обнаружением.

V. Комплексная ценность в практических приложениях, адаптированная к требованиям авиации

Требования к системам избегания препятствий для беспилотных летательных аппаратов: "легкие, компактные, стабильные и энергоэффективные" - легкий вес, малый размер, стабильная работа и низкое потребление энергии. Преимущества лазерного радара на 1535 нм в системной интеграции позволяют ему идеально соответствовать этим требованиям.

С точки зрения аппаратного дизайна, оптическая система лазера 1535 нм может использовать технологию волоконной связи, что значительно уменьшает объем. Например, ERDI TECH'sМиниатюрный лазер 1535 нмимеет вес всего 2.5 грамма и размер меньше, чем у монеты. Однако он может выдерживать удары, соответствующие стандартам испытаний MIL-STD-810G (1500 G, 0.5 мс). Что касается потребления энергии, то угловая эффективность лазерного радара на 1535 нм с технологией накачки (например, накачиваемый эрбиевый-иттербиевый ко-легированный волоконный усилитель на 1535 нм) может достигать 58.4%, что значительно выше, чем у традиционных методов накачки, эффективно увеличивая время полета самолета.

С точки зрения способности к противодействию помехам, лазер на 1535 нм имеет крайне низкую чувствительность к окружающему свету. Энергия в диапазоне 1535 нм в естественном свете (например, солнечном) составляет менее 0,1%, поэтому даже при прямом солнечном свете лазерный радар может поддерживать высокое отношение сигнал/шум. Эксперимент, проведенный Университетом Хериот-Уатт в Великобритании, показывает, что сверхпроводящий нанопроводный радар на основе лазера 1535 нм все еще может достигать миллиметрового трехмерного изображения на расстоянии 1 км при условиях полуденного солнечного света, а способность подавления фонового шума более чем в 10 раз превышает таковую системы на 905 нм.

Заключение

Лазер с длиной волны 1535 нм стал идеальным выбором для технологии избежания препятствий в роботизированных летательных аппаратах благодаря своим комплексным преимуществам в адаптивности к окружающей среде, безопасности для глаз, точности обнаружения и интеграции системы. Он не только решает проблему ослабления сигнала в сложных погодных условиях, но и балансирует противоречие между высокой выходной мощностью и безопасностью. Более того, благодаря сотрудничеству с современными детекторами он достигает двойных требований "дальнего обнаружения + точной идентификации".

По мере того как роботизированные летательные аппараты продолжают развиваться в направлении интеллекта, миниатюризации и многофункциональных приложений, лазерная технология 1535 нм дополнительно улучшит производительность системы избежания препятствий, обеспечивая более надежные гарантии безопасности для низкоуровневой экономики, военной разведки, промышленной инспекции и других областей, становясь важной поддержкой для будущих технологий автономного полета.