Telêmetro a laser

Um telêmetro a laser é um telêmetro que utiliza um feixe de laser para determinar a distância até um objeto. A forma mais comum de telêmetro a laser opera com base no princípio do tempo de voo, enviando um pulso de laser em um feixe estreito em direção ao objeto e medindo o tempo que o pulso leva para ser refletido no alvo e retornado ao remetente. Devido à alta velocidade da luz, essa técnica não é apropriada para medições submilimétricas de alta precisão, onde a triangulação e outras técnicas são frequentemente utilizadas. Os telêmetros a laser às vezes são classificados como um tipo de lidar portátil sem scanner.

O pulso pode ser codificado para reduzir a chance de o telêmetro ficar embaralhado. É possível usar técnicas de efeito Doppler para avaliar se o objeto está se aproximando ou se afastando do telêmetro e, em caso afirmativo, com que velocidade.

A precisão de um instrumento está correlacionada com o tempo de subida, ^[1] divergência e potência do seu pulso laser, bem como com a qualidade da sua óptica e do processamento de sinal digital integrado. Fatores ambientais podem reduzir significativamente o alcance e a precisão:

• Umidade, neve, poeira ou outras partículas no ar difundirão o sinal.
• Temperaturas mais altas e pressões mais altas (menor altitude) diminuem ligeiramente a velocidade da luz através do ar.
• Alvos menores e menos reflexivos retornam menos informações.

Em boas condições, operadores qualificados que usam telêmetros a laser de precisão podem medir o alcance de um alvo com precisão de um metro em distâncias da ordem de três quilômetros.

Apesar do feixe ser estreito, ele acabará se espalhando por longas distâncias devido à divergência do feixe de laser, bem como devido aos efeitos de cintilação e desvio do feixe, causados pela presença de gotículas de água no ar agindo como lentes que variam em tamanho, desde microscópico até aproximadamente metade da altura do caminho do feixe de laser acima da Terra.

Essas distorções atmosféricas, juntamente com a divergência do próprio laser e com ventos transversais que servem para empurrar as bolhas de calor atmosféricas lateralmente, podem se combinar para dificultar uma leitura precisa da distância de um objeto, digamos, abaixo de algumas árvores ou atrás de arbustos, ou mesmo em longas distâncias de mais de 1km em terreno desértico aberto e sem obstáculos.

Parte da luz do laser pode refletir em folhas ou galhos mais próximos do que o objeto, gerando um retorno prematuro e uma leitura muito baixa. Alternativamente, em distâncias superiores a 360m, se o alvo estiver próximo da Terra, ele pode simplesmente desaparecer em uma miragem, causada por gradientes de temperatura no ar próximo à superfície aquecida, que desviam a luz do laser. Todos esses efeitos devem ser considerados.

A distância entre os pontos A e B é dada por

${\displaystyle D={\frac {ct}{2}}}$

onde c é a velocidade da luz e t é o tempo de ida e volta entre A e B.

${\displaystyle t={\frac {\phi }{\omega }}}$

onde φ é o atraso de fase causado pela luz que se propaga e ω é a frequência angular da onda óptica.

Em seguida, substituindo os valores na equação,

${\displaystyle D={\frac {1}{2}}ct={\frac {1}{2}}{\frac {c\phi }{\omega }}={\frac {c}{4\pi f}}(N\pi +\Delta \phi )={\frac {\lambda }{4}}(N+\Delta N)}$

Nesta equação, λ é o comprimento de onda  ; Δφ é a parte do atraso de fase que não cumpre π (ou seja, φ módulo π ); N é o número inteiro de semiciclos de onda da viagem de ida e volta e Δ N a parte fracionária restante.

Tempo de voo - mede o tempo que um pulso de luz leva para viajar até o alvo e retornar. Com a velocidade da luz conhecida e uma medição precisa do tempo gasto, a distância pode ser calculada. Muitos pulsos são disparados sequencialmente e a resposta média é a mais comumente usada. Essa técnica requer um circuito de temporização de subnanosegundos muito preciso.

Deslocamento de fase de múltiplas frequências - mede o deslocamento de fase de múltiplas frequências na reflexão e, em seguida, resolve algumas equações simultâneas para fornecer uma medida final.

Interferometria - a técnica mais precisa e útil para medir mudanças na distância em vez de distâncias absolutas.

Atenuação de luz por absorção atmosférica - O método mede a atenuação de um feixe de laser causada pela absorção de um composto atmosférico (H₂O, CO₂, CH₄, O₂ etc.) para calcular a distância até um objeto. O método de atenuação de absorção atmosférica de luz requer fontes de luz incoerentes não moduladas e eletrônicos de baixa frequência que reduzem a complexidade dos dispositivos. Devido a isso, fontes de luz de baixo custo podem ser usadas para medição de alcance. No entanto, a aplicação do método é limitada a medições atmosféricas ou exploração planetária. ^[2]

Telêmetros fornecem uma distância exata para alvos localizados além do alcance de tiros à queima-roupa de atiradores de elite e artilharia. Eles também podem ser usados para reconhecimento militar e engenharia. Normalmente, tanques usam LRF para corrigir a solução de tiro direto.

Telêmetros militares portáteis operam em alcances de 2km até 25km e são combinados com binóculos ou monóculos . Quando o telêmetro é equipado com uma bússola magnética digital (DMC) e um inclinômetro, ele é capaz de fornecer azimute magnético, inclinação e altura (comprimento) dos alvos. Alguns telêmetros também podem medir a velocidade de um alvo em relação ao observador. Alguns telêmetros têm interfaces de cabo ou sem fio para permitir a transferência de seus dados de medição para outros equipamentos, como computadores de controle de tiro. Alguns modelos também oferecem a possibilidade de usar módulos de visão noturna adicionais. A maioria dos telêmetros portáteis usa baterias padrão ou recarregáveis.

Os modelos mais potentes de telêmetros medem distâncias de até 40km e normalmente são instalados em um tripé ou diretamente em um veículo, navio, jato, helicóptero ou plataforma de arma. Neste último caso, o módulo telêmetro é integrado a equipamentos de observação térmica, visão noturna e diurna de bordo. Os telêmetros militares mais avançados podem ser integrados a computadores.

Para tornar os telêmetros a laser e as armas guiadas a laser menos úteis contra alvos militares, diversas forças armadas podem ter desenvolvido tintas que absorvem a luz laser para seus veículos. Apesar disso, alguns objetos não refletem a luz do laser muito bem e usar um telêmetro a laser neles é difícil.

O primeiro telêmetro a laser comercial foi o Barr & Stroud LF1, desenvolvido em associação com a Hughes Aircraft, que se tornou disponível em 1965. Este foi seguido pelo Barr & Stroud LF2, que integrou o telêmetro a uma mira de tanque, e este foi usado no tanque Chieftain em 1969, o primeiro veículo equipado com tal sistema. Ambos os sistemas usavam lasers de rubi. ^[4]

Telêmetros a laser são amplamente utilizados em reconhecimento de objetos 3D, modelagem de objetos 3D e em uma ampla variedade de campos relacionados à visão computacional . Essa tecnologia constitui o cerne dos chamados scanners 3D de tempo de voo . Ao contrário dos instrumentos militares, os telêmetros a laser oferecem recursos de varredura de alta precisão, com modos de varredura de face única ou de 360 graus.

Diversos algoritmos foram desenvolvidos para combinar os dados de alcance recuperados de vários ângulos de um único objeto, produzindo modelos 3D completos com o mínimo de erro possível. Uma das vantagens dos telêmetros a laser em relação a outros métodos de visão computacional é a dispensa da necessidade de correlacionar características de duas imagens para determinar informações de profundidade, como ocorre com os métodos estereoscópicos.

Telêmetros a laser usados em aplicações de visão computacional frequentemente têm resoluções de profundidade de 0,1mm ou menos. Isso pode ser alcançado usando técnicas de medição de triangulação ou refração, diferentes das técnicas de tempo de voo usadas em LIDAR.

Telêmetros a laser especiais são utilizados na silvicultura. Esses dispositivos possuem filtros antifolhas e funcionam com refletores. O feixe de laser reflete apenas neste refletor, garantindo assim uma medição precisa da distância. Telêmetros a laser com filtro antifolhas são utilizados, por exemplo, em inventários florestais.

Telêmetros a laser podem ser usados efetivamente em vários esportes que exigem medição de distância de precisão, como golfe, caça e arco e flecha. Alguns dos fabricantes mais populares são Caddytalk, Opti-logic Corporation, Bushnell, Leupold, LaserTechnology, Trimble, Leica, Newcon Optik, Op. Electronics, Nikon, Swarovski Optik e Zeiss. Muitos telêmetros da Bushnell vêm com recursos avançados, como ARC (compensação de alcance de ângulo), capacidade de multidistância, inclinação, JOLT (vibrar quando o alvo está travado) e busca de pinos. O ARC pode ser calculado manualmente usando a regra do atirador, mas geralmente é muito mais fácil se você deixar um telêmetro fazer isso quando estiver caçando. No golfe, onde o tempo é mais importante, um telêmetro a laser é útil para localizar a distância até a bandeira. No entanto, nem todos os recursos são 100% legais para jogos de torneios de golfe. ^[5] Muitos caçadores no leste dos EUA não precisam de um telêmetro, embora muitos caçadores ocidentais precisem deles, devido às maiores distâncias de tiro e aos espaços mais abertos.

Uma aplicação importante é o uso da tecnologia de telêmetro a laser durante a automação de sistemas de gerenciamento de estoque e processos de produção na indústria siderúrgica.

Telêmetros a laser também são usados em vários setores, como construção, reforma e imobiliário, como alternativas às fitas métricas, e foram introduzidos pela primeira vez pela Leica Geosystems em 1993 na França . Para medir um objeto grande, como uma sala, com uma fita métrica, seria necessário que outra pessoa segurasse a fita na parede oposta e traçasse uma linha reta através da sala para esticá-la. Com uma ferramenta de medição a laser, o trabalho pode ser concluído por um operador com apenas uma linha de visão. Embora as fitas métricas sejam tecnicamente perfeitamente precisas, as ferramentas de medição a laser são muito mais precisas. As ferramentas de medição a laser normalmente incluem a capacidade de produzir alguns cálculos simples, como a área ou o volume de uma sala. Esses dispositivos podem ser encontrados em lojas de ferragens e mercados online.

O preço dos telêmetros a laser pode variar, dependendo da qualidade e da aplicação do produto. Os telêmetros de nível militar precisam ser o mais precisos possível e também devem alcançar grandes distâncias. Esses dispositivos podem custar centenas de milhares de dólares. Para aplicações civis, como caça ou golfe, os dispositivos são mais acessíveis e muito mais acessíveis. ^{[6] [7]}

Os telêmetros a laser são divididos em quatro classes e várias subclasses. Os telêmetros a laser disponíveis para os consumidores são geralmente dispositivos de classe 1 ou 2 e são considerados relativamente seguros para os olhos. ^[8] Independentemente da classificação de segurança, o contato visual direto deve sempre ser evitado. A maioria dos telêmetros a laser para uso militar excede os níveis de energia da classe 2.

• Geodímetro
• Altimetria a laser
• Designador de laser
• Controle de máquina a laser
• Escaneamento a laser
• Receptor de alerta a laser
• Lista de artigos sobre laser
• Imagem de alcance
• Medição de alcance a laser por satélite

Referências

• [1] Um breve artigo sobre o telêmetro de caça e seus tipos.

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