U posljednje vrijeme postalo je popularno precizno gađanje snažnijim zračnim puškama (PCP) na velike udaljenosti koje iznose od 50 metara do preko 300 metara.
PCP zračna puška FX DRS Tactical (Combat) u kalibru 6,35 mm (.25) iz moje kolekcije.
Municija za zračnu pušku kalibra 6,35 mm (dijabole i slagovi) nabavljivi su u različitim oblicima i težinama u rasponu 1,3 – 3,3 grama. Prosječni projektil (slag) težine 2,3 grama PCP puška FX DRS može ispaliti brzinom od oko 300 m/s što daje energiju od oko 100 J. Lakše projektile može ispaliti nadzvučnom brzinom.
Za precizno gađanje projektili se nikad ne ispaljuju velikim brzinama, posebice ne nadzvučnim. Najbolju preciznost pogodaka sa mojom puškom postižem kod izlaznih brzina u rasponu 275 – 285 m/s za dijabole i 285 – 295 m/s za slagove. Pri brzini većoj od 310 m/s projektil već ulazi u transoničnu zonu gdje turbulencije zraka jako narušavaju stabilnost te on spiralno “pleše” u letu i skreće s putanje. Male brzine nisu toliko kritične, no ako se gađa na daljine preko 150 metara onda je na brzinama manjim od 270 m/s pad projektila već prilično velik i potrebno je velika kompenzacija ciljne točke po visini.
PCP puška FX DRS Tactical bez problema postiže preciznost od 0,5 mrad (mili-radijana). To znači da će na 50 metara grupa pogodaka biti unutar 25 mm, na 100 metara unutar 50 mm i tako dalje. Međutim, sa određenim nadogradnjama i finim podešavanjem (tuniranjem) puške na određeni tip municije postiže se i dvostruko bolja preciznost.
Za precizno gađanje PCP puškom na velike daljine potrebna vam je osnovna oprema poput laserskog mjerača daljine do mete, mjerača brzine projektila na ustima cijevi (kronometar) i balističkog kalkulatora. Ukoliko iz puške želite izvući maksimalnu moguću preciznost onda morate koristiti i neke nadogradnje poput posebne cijevi za gađanje dijabolama i gađanje slagovima (različit korak uvijanja žljebova), posebne nosače (vodilice) cijevi, harmoničke tunere (utege) za kompenzaciju mikro-vibracija cijevi, po potrebi poboljšane (stabilnije i preciznije) regulatore zraka kao i poboljšane sisteme okidanja i kontrole zračnih ventila. Potreban vam je naravno i kvalitetan optički nišan, podesivi kundak te ostala pomagala za stabilizaciju puške poput bipoda ili tripoda (nožica), podložaka, naslona i slično.
Preciznost gađanja s tehničke strane najviše ovisi o pravilnom odabiru municije i pravilnom podešavanju puške na tu municiju. Svaki tip municije je precizan samo u određenim granicama izlazne (početne) brzine i brzine vlastite rotacije. PCP pušku nije dovoljno samo podesiti da daje odgovarajuću izlaznu brzinu projektilu (tlak regulatora), nego je i čitav sistem rada zračnih ventila i regulatora (brzina i vrijeme otvaranja i zatvaranja) potrebno balansirati i ugoditi na optimalne performanse.
Naravno, veliki utjecaj na preciznost pogodaka ima i sama uvježbanost strijelca, kako glede ispravnog ciljanja, okidanja i općenito kontrole puške, tako i glede izračuna i procjene odstupanja nišanske točke s obzirom na balističke elemente i trenutne meteorološke uvjete gađanja, posebice utjecaja vjetra i drugih atmosferskih čimbenika. No, sve ovo čini precizno gađanje PCP puškama na velike daljine izrazito zabavnim.
Visokotlačni kompresor 300 bara za PCP pušku.
Za PCP pušku morate imate visokotlačni kompresor deklariran za najmanje 300 bara. Spremnici zraka (plenumi) za PCP puške mogu biti različite litraže no maksimalni tlak na koji se pune je najčešće oko 250 bara. Moja FX DRS ima „skriveni“ spremnik zraka i on je zapravo cilindrična obloga oko cijevi puške. Cilindar je zapremine 260 kubičnih centimetara (cc) i u tu zapreminu stane 60 litara zraka pod tlakom od 230 cc. To je dovoljno za ispaliti 40 projektila težine 1,6 grama brzinom 280 m/s. Mnoge PCP puške imaju puno veće cilindre i boce za zrak te mogu ispaliti preko 100 korisnih hitaca, pogotovo ako su u manjem kalibru. Međutim, ja sam htio PCP pušku koja na sebi nema naglašene velike boce za zrak. Nemam nikakvih problema sa punjenjem puške, bilo preko kompresora ili preko neke druge (ronilačke) boce. Kompresor sa slike dopuni moju pušku za 2 minute te je opet spremna za slijedećih 40 hitaca.
Zašto elektronička meta?
Kod rekreativnih i takmičarskih gađanja na velike udaljenosti strijelci se susreću sa nekoliko praktičnih problema što se tiče samih udaljenih meta i detekcija pogodaka u iste. Za zračne puške se obično koriste optički ciljnici povećanja do 24 puta (takav je i na mojoj puški) što je dovoljno za precizno ciljanje i na maksimalnim daljinama (>300 m). Međutim, sitni tragovi pogodaka uobičajenih kalibara 4,5 mm do 6,35 mm vrlo teško se uočavaju već na daljinama preko 100 metara čak i preko takvih optika.
Posebno se teško uočava gdje su otprilike završili promašaji cijele mete, što je čest slučaj kod prvih hitaca na novim daljinama i uvjetima gađanja. Strijelci ovdje često potroše veliku količinu municije na pokušaje nasumične korekcije ciljne točke, ne bi li napokon uspjeli uočiti neki promašaj ili pogodak za točnu korekciju. Još jedan problem sa metama je što se kod preciznog gađanja meta brzo potroši (bude grupirano izbušena), a onda je potrebno fizički zamijeniti metu na velikoj udaljenosti što baš i nije praktično.
Monokulari većeg optičkog povećanja
Strijelci se služe raznim načinima za rješavanje ovih problema. Često se koriste dodatni dalekozori ili monokulari većeg optičkog povećanja kako bi se uočili pogoci na udaljenoj meti. Takve optike nisu jeftine, a nisu uvijek ni praktične za upotrebu. Monokular i stativ je puno dodatne opreme za nošenje na gađanje i često je uz strijelca potrebna još jedna osoba koja prati pogotke ili promašaje preko monokulara u realnom vremenu.
Metalni gongovi
Za same mete se često koriste obješeni metalni „gongovi“ koji se zanjišu i zvone kad ih pogodi metak. Strijelac će preko optičkog ciljnika jasno vidjeti njihanje gonga, a vjerojatno čuti i zvuk pogotka do određene udaljenosti što naravno ovisi o izvedbi samog gonga, energiji projektila na mjestu udara, okolnom zvučnom zagađenju i atmosferskim prilikama tijekom gađanja.
Jeftina nadogradnja takve metalne mete je postavljanje zvučnog senzora na istu. To je u osnovi mali mikrofon prislonjen na metu ili postavljen u neposrednu blizinu iste. Mikrofon hvata zvuk udarca metka u gong, što je uvijek puno jači zvuk od prirodnih okolnih zvukova, te se amplituda tog signala lako elektronički izdvaja i dalje koristi za aktiviranje neke dodatne pojačane zvučne ili svjetlosne indikacije preko zvučnika i/ili snažnije bljeskalice. Problem kod takvih senzora je što indikacijska bljeskalica mora biti blizu mete tako da ju strijelac vidi u optičkom ciljniku i naravno mora biti okrenuta prema strijelcu. Time postoji mogućnost da se pogodi i uništi ova indikacija. Isto tako, ako je odmah iza mete neki grudobran, događa se da kod promašaja u gong udare obijeni komadi samog projektila, kamenja ili zemlje koji onda aktiviraju senzor i daju lažnu potvrdu pogotka.
Sustav zvučne i/ili svjetlosne potvrde udarca projektila u metu mogao bi se izvesti i bežično preko nekih standardno široko dostupnih digitalnih TX/RX modula, posebice preko popularnih LoRa modula velikog dometa. Međutim, sve ove indikacije mogu potvrditi samo pogodak u metu koja može biti različite veličine za različite udaljenosti, no nikako ne mogu detektirati i točno mjesto pogotka u metu, a posebno ne smjerove promašaja.
Komercijalni sistemi elektroničkih meta
Za preciznu elektroničku detekciju mjesta pogotka projektila u metu razvijeno je nekoliko komercijalno dostupnih sistema. Neki sistemi se baziraju na zvučnoj (akustičkoj) triangulacija mjesta pogotka preko više mikrofona, neki sistemi koriste svjetlosnu (optičku) zavjesu (mrežu) napravljenu od IC dioda ili lasera, kod nekih se koriste kamere koje snimaju metu i softver koji vrši analizu slike glede nastalih pogodaka. Kod nekih novijih sistema se koriste mikrovalni Doppler radari.
Akustične elektroničke mete se sastoje od pravokutnog okvira na čije rubove su postavljeni akustički senzori (mikrofon ili piezo senzor). Sama meta koja je rastegnuta preko okvira mora biti od određenog materijala koji ravnomjerno prenosi zvučni val. Za nadzvučne projektile (vatreno oružje) to je obično papir, a za podzvučne projektile (zračno oružje) se koristi neka vrsta gumirane membrane. Elektronika mjeri vremensku razliku u kojoj zvučni val stiže do svakog pojedinog mikrofona. Koristeći principe trigonometrije (triangulacije) i poznatu brzinu širenja zvuka, softver izračunava precizne X i Y koordinate pogotka. Problem je što brzina širenja zvuka ovisi o temperaturi i drugim čimbenicima pa je potrebno stalno mjerenje tih elemenata i elektronička kompenzacija istih kod izračuna.
Kod optičkih sustava sa svjetlosnom mrežom preko mete je postavljen niz infracrvenih (IC) svjetlosnih izvora (LED dioda ili lasera) i odgovarajućih fotoelektričnih prijemnika, stvarajući gustu, nevidljivu optičku mrežu (zavjesu, zaslon). Kada metak proleti kroz tu mrežu, on fizički prekida jedan ili više svjetlosnih putova. Elektronika detektira koji su točno svjetlosni putovi prekinuti i na temelju koordinata prekinutih zraka, određuje položaj i rezultat pogotka.
Sustavi bazirani na obradi slike koriste jednu ili više kamera postavljenih ispred ili sa strane mete koje kontinuirano snimaju sliku cilja. Softver za obradu slike analizira svaki kadar u realnom vremenu. Algoritmi traže promjene na slici (poput nove rupe, promjene boje, ili čak laserske točke ako se koristi laserski simulator) kako bi locirali udarac i prikazali ga na virtualnoj meti.
Radarski sustavi su relativno novi i najskuplji od svih ostalih. Koriste se posebni mikrovalni Doppler radari optimizirani za detekciju malog i brzog objekta (metka) na vrlo kratkoj udaljenosti. Većina preciznih sustava koristi dva ili više radara smještenih oko mete tako da im se snopovi preklapaju. Analizom kuta i vremena povratka signala iz različitih senzora istovremeno, sustav triangulira točnu X i Y koordinatu prolaska metka kroz virtualnu ravninu mete.
Problem kod radara je što je vrlo teško precizno izmjeriti projektile koji prolaze vrlo blizu ili previše daleko od antene radara. Kad je projektil vrlo blizu onda je i vrlo kratko vrijeme odbijanja radarske zrake i tima jako mala Dopplerova promjena frekvencije koju treba detektirati. S druge strane, što je metak udaljeniji od antene to će njegova refleksija biti slabija i samim time teža za detekciju. Potreban je precizan hardver (niskošumna pojačala) i složeni algoritmi softvera da se ispravno detektira i izračuna korisni odjek od smetnji.
Vlastiti projekt
Svaki od opisanih komercijalnih sustava ima neke svoje prednosti i nedostatke, no najveći problem je cijena ovakvih sustava koja ide od 800 eura na više. Za početnu cijenu dobivate akustični sustav prilično nezgrapan za postavljanje i kalibraciju, za koji je potreban potrošni materijal (zamjena meta) i koji je prilično nepraktičan za rekreativno gađanje iz zračnog oružja na različitim lokacijama i udaljenostima mete.
Cilj ovog projekta je vidjeti može li se osmisliti neko jeftinije rješenje koje će biti dovoljno pouzdano i praktično upotrebljivo za detekciju pogodaka iz zračnog oružja, a onda i bilo kojeg drugog vatrenog oružja.
Najjeftinije i najjednostavnije rješenje bilo bi sa akustičnim senzorima ili senzorima vibracija
Najjeftinije i najjednostavnije za izvedbu su akustične elektroničke mete. Međutim, takve mete nisu baš precizne i pouzdane za podzvučne projektile male brzine i težine (male energije) jer oni ne stvaraju neki značajan udarni val. Stoga se mora koristiti poseban membranski materijal za metu preko kojeg se bolje širi akustični val i te mete je potrebno redovito mijenjati kad postanu previše izbušene. Preciznost ovisi o točnom mjerenju temperature zraka, vlage i tlaka, jer ti faktori utječu na brzinu rasprostiranja zvuka, znači potrebni su senzori i automatska kompenzacija za ove elemente. Mjerenje će biti točnije što je meta veća (duže vrijeme širenja zvučnog vala i veće mjerljive razlike u brzini). Također je potrebna i pažljiva početna kalibracija položaja mikrofona. Jača vanjska buka može dovesti do netočne ili lažne detekcije.
Glede akustičnih senzora, razmišljao sam i o mreži gusto posloženih mikrofona iza metalne (neprobojne) mete koji bi barem ugrubo detektirali mjesto pogotka (točnost od 3-5 cm). Princip rada bi bio sličan kao što rade akustične slikovne kamere, s time da bi ovdje polje mikrofona i obrada akustičkih signala bilo puno jednostavnije. Međutim, projektili (dijabole i slagovi) iz zračnog oružja se po energiji udara mogu jako razlikovati i stvarati različite zvučne slike. Metal dobro provodi zvuk i razlike u jačini zvuka između dva susjedna mikrofona će biti vrlo male. Trebalo bi dobro kalibrirati (ujednačiti) pojačanja svakog mikrofona kako bi se izdvojio samo onaj mikrofon koji je zabilježio najjači zvuk. Kod tako malih razlika okolni zvukovi, pa i šum vjetra, vjerojatno bi poremetili točnu detekciju. Mikrofoni možda ne bi trebali biti prislonjeni izravno na zadnju stranu metalne ploče, nego bi između trebao staviti kakvu mrežastu zvučnu leću koja bi bolje usmjeravala (kanalizirala) zvuk sa prednje na zadnju stranu ploče.
Ukratko, iako neke ideje ovdje imaju potencijala, potrebno je puno praktičnog eksperimentiranja i kalibracije da se dobije pouzdana i upotrebljiva detekcija na određenoj metalnoj ploči. Koliko god debelu ploču uzeli (5 ili 10 mm), bez obzira što to niti jedan metak iz zračne puške ne može probiti, ipak se stvaraju određenja unutrašnja naprezanja te blage deformacije i udubine koje s vremenom mijenjanju unutrašnju homogenost ploče, a time i rasprostiranje zvuka preko nje. Vjerojatno i temperatura same ploče dodatno utječe na zvuk. To znači da bi mikrofone trebalo nakon određenog broja pogodaka u metu ponovno kalibrirati.
Zbog svih ovih problema odustao sam od akustične elektroničke mete.
Video kamera
Komercijalno su dostupne različite bežične video kamere, od onih za baby monitore, preko onih za kamere na vozilima i kamionima, do kamera za dronove i FPV. Međutim, većina tih jeftinih bežičnih kamera je u najboljem slučaju dometa nekoliko desetaka metara, a nama bi svakako trebao video bežični sustav koji prenosi digitalnu sliku barem na udaljenost 300-500 metara. Kod streljaštva uvijek imamo optičku vidljivost do mete što je dobro i za rasprostiranje radio valova, jer snaga predajnika ne mora biti povećana radi sposobnosti savladavanja prepreka. Ipak, primarno želimo sustav koji se brzo i jednostavno postavlja što isključuje postavljanje nezgrapnih sustava i precizno usmjeravanje velikih antena. Također, sustav mora biti autonoman i ne želimo biti ovisni o Internetu (WiFi).
Postoje dva smjera gdje možemo ići kod odabira bežičnog video sustava. Jedan je korištenje osnovne tehnologije prijenosa sirovih digitalnih video podataka izravno iz kamere bez ikakve prethodne obrade (optimizacije) istih. Drugi bežični video sustav podrazumijeva primjenu sofisticiranih modulacija i algoritama za kompresiju, kodiranje, ispravljanje pogrešaka i otpornost na smetnje kod bežičnog video prijenosa.
Kod osnovnog sustava bez napredne obrade signala svakako možemo očekivati više smetnji i prekida u radu, a snaga odašiljača mora biti višestruko veća nego kod naprednih sistema kako bi se izbjegli šumovi, smetnje i prekidi u prijenosu signala. Prema mojim iskustvima, da bi se na 300 metara prenio digitalni video signal u razumnoj rezoluciji slike i sa razumnom stabilnosti, a da se pri tome ne koriste velike antene ili usmjereni antenski sustavi, snaga odašiljača (2,4 GHz) bi trebala biti barem 1 W. To je puno više od 100 mW (EIRP) koliko je legalno dopuštena snaga odašiljanja na 2,4 GHz.
S druge strane, ako se koristi napredna tehnologija obrade i modulacije video signala, isti domet (čak i veći) mogao bi se ostvariti i sa dopuštenih 100 mW snage. Napredni sustavi su naravno i skuplji. Međutim, razlika u cijeni između običnog sustava snage 1 W i naprednog sustava snage 100 mW zapravo i nije toliko velika. Također, za odašiljanje snagom od 1 W je potreban daleko veći kapacitet baterije što dodatno povećava cijenu, autonomiju i nezgrapnost čitavog sistema. Stoga se svakako kod odašiljanja na veće udaljenosti puno više isplati ići na moderne napredne sustave bežičnog digitalnog odašiljanja.
Međutim, proučavajući ponudu takve opreme, došao sam do jednog vrlo jednostavnog zaključka. Kupovina nekog malog drona koji već ima kameru i napredni sustav bežičnog prijenosa, višestruko je jeftinija opcija nego da se zasebno kupuju komponente za takav sustav (recimo FPV). Možemo dati zaključak da ako se netko odluči za „video nadzor“ mete na većoj udaljenosti, bolje je da za to koristi neki model današnjih jeftinih i široko dostupnih dronova sa kamerom, nego da ide u sklapanje vlastitog sustava.
Ako izuzmemo neke probleme sa praktičnosti video sustava i mogućnost da se nehotice pogodi dron ili kamera, ovdje i dalje ostaje neriješen problem same mete. Nakon desetak pogodaka meta će biti izbušena tako da se svaki slijedeći pogodak već vrlo teško uočava. Osim toga, strijelac ne može istovremeno gledati i preko ciljnika i sliku sa kamere, pa da vizualno primijeti gdje je novo mjesto pogotka. Svakako bi trebalo osmisliti neki softver za analizu slike i prepoznavanje promjena koje uzrokuju novi pogoci, a to nije baš amaterski posao. Ovaj sustav ne pomaže ni kod detekcije promašaja mete.
Kad malo bolje razmislim, lakše bi bilo metu zakačiti na dron, možda na nekih 10-15 metara špage, i onda gađati mete na bilo kojoj udaljenosti, stacionarne ili pokretne 🙂 Dron bi služio umjesto sistema sajli na profesionalnim strelištima. Naravno, glede toga postoje i zakonska ograničenja upotrebe dronova, posebno onih s kamerama, tako da za sada ipak napuštam ovu ideju.
Svjetlosna zavjesa, akustični senzori i radari za jednu ambicioznu ideju
Moja ideja se sastoji u izradi elektroničke mete koja će koristiti tri sustava detekcije. Svjetlosna zavjesa bi služila za preciznu detekciju pogodaka u meti veličine do 30×30 cm, akustični senzori bi služili za detekciju pogodaka u okvir i nosač mete (širine 2-4 cm), a radari bi se koristili za detekciju promašaja, odnosno preleta projektila izvan mete. Detekcija pogotka u četvrtasti nosač, kao i detekcija promašaja bi bila zonska, do osam smjerova oko mete.
Svjetlosna zavjesa
Projekt je ambiciozan pa krećem prvo od svjetlosne zavjese jer u nju polažem najviše nade u uspjeh.
Svjetlosna zavjesa (mreža) mora biti gustoće od barem 4 mm kako bi se mogao detektirati kalibar projektila promjera 4,5 mm. Planiram postaviti 64 detektora po X osi i 64 detektora po Y osi što je optimalno za digitalnu obradu i sasvim dovoljno za prvi prototip. To će kreirati svjetlosnu zavjesu dimenzija 256×256 mm.
Odabir senzora
Treba nam dakle 128 optičkih emitera (odašiljača) i 128 optičkih senzora (prijemnika). To nije mali broj i cijena ovih elemenata igra veliku ulogu. Na izbor imamo diode i laserske diode u vidljivoj svjetlosti (crvena 650 nm) te infracrvene diode i laserske diode (850 nm, 940 nm). Evo okvirnih cijena pojedinih senzora za količinu od 128 komada:
- Generičke IC diode za 850 nm i 940 nm – manje od 5 eura
- Kvalitetne IC diode (SFH 4550) – oko 50 eura
- IC laserske diode 3 mW, 780 nm – oko 320 eura
- Crveni laser 5 mW, 650 nm, promjer 6 mm – oko 25 eura
- Crveni laser 5 mW, 650 nm, promjer 4 mm – oko 250 eura
Cijena 128 prijemnih foto-senzora je oko 3-7 eura.
Za projekt elektroničke mete svakako bi najprikladnije bile IC laserske diode, međutim njihova cijena je mnogostruko veća od ostalih opcija. Slijedeći kriterij bi bila veličina elementa jer ih moramo gusto naslagati jedan do drugoga, najviše do 4 mm međusobne udaljenosti. Ovdje na izbor imamo samo IC diode (3 mm) i crveni laser (4 mm). Međutim, postoji problem sa oba ova izbora.
IC diode od 3 ili 5 mm
Izrada senzorske zavjese za naš projekt bi svakako bila puno lakša i jednostavnija da su senzori što manjeg promjera, najbolje do 3 mm. Međutim, za razliku od IC dioda promjera 5 mm, kod IC dioda promjera 3 mm je vrlo teško izvesti leću koja će usko fokusirati zračenje diode. Najbolje što sam našao po nekoj razumnoj cijeni je IC dioda LTE-4206C (Lite-on) sa kutom zračenja od 20°. Mogu se naći 3 mm IC diode i sa nešto manjim kutom zračenja od 16°, međutim kod takvih dioda latica zračenja uglavnom nije pravilna i ima tri smjera maksimalnog intenziteta zračenja. Takva je primjerice IC dioda VSLY3943 (Vishay). S druge strane, 5 mm IC diode se mogu naći s kutom zračenja od 5° pa čak i od 3° (Osram SFH 4550).
Kutovi zračenja kvalitetnih IC dioda od 3 mm: LTE-4206C proizvođača Lite-on (lijevo) i VSLY3943 proizvođača Vishay (desno).
Kut zračenja kvalitetne IC diode od 5 mm SFH 4550 proizvođača Osram.
Jeftine generičke ili skuplje kvalitetne IC diode
Razlika u cijeni između generičkih i kvalitetnih IC dioda je velika i to nije bez razloga. Jeftine kineske generičke IC diode se uglavnom prodaju bez posebne oznake i to su obično diode vrlo male snage i relativno širokog kuta zračenja. Bez obzira na deklarirane centralne vrijednosti od 850 ili 940 nm, stvarni spektar zračenja generičkih dioda je obično vrlo širok pri čemu maksimumi zračenja mogu prilično varirati između pojedinih komada (velika tolerancija). Takve generičke IC diode su najčešće bazirane na specifikacijama IC dioda IR333 ili L-53F3C.
Kao foto senzor (prijemnik) možete dobiti neku generičku foto-diodu ili foto-tranzistor te često nećete ni znati što ste zapravo dobili (oba elementa mogu fizički izgledati jednako). Najčešće se isporučuje foto-tranzistor u crnom kućištu, ekvivalent PT333-3B.
Jeftini IC parovi iz Kine. IC dioda (TX) u prozirnom kućištu i foto-tranzistor (RX) u crnom kućištu.
Usporedba osnovnih parametara generičkih i kvalitetnih IC dioda.
IC diode ili IC laserske diode
Osnovne razlike između laserskih i običnih IC dioda su te što laserske diode daju vrlo uski koherentni snop zračenja praktički na samo jednoj valnoj duljini. Obične diode pak zrače nekoherentno raspršeno svjetlo u širem spektru valnih duljina, a usmjerenost (kut zračenja) ovisi isključivo o sustavu optičkih leća kojima su opremljene.
Kut zračenja, koji je jako bitan za naš projekt, za IC diode se definira kao kut iznad kojeg je intenzitet zračenja manji od 50% maksimalnog zračenja. To znači da je stvarni kut raspršivanja svjetla kod IC dioda barem dvostruko veći od onih koje smo naveli (3-50°). Stoga se IC diode glede fokusiranja snopa zračenja ni približno ne mogu usporediti s laserskim diodama, te se čak ni uz dodatne vanjske leće ne može postići uski snop kao iz lasera.
IC laserske diode su višestruko skuplje i od najkvalitetnijih običnih IC dioda. Najjeftinije koje sam pronašao koštaju 2,5 eura po komadu i to ako kupujete veće količine. To su IC laseri na 780 nm (sam rub vidljivog crvenog spektra koji završava na oko 750 nm) i što tražite valne duljine udaljenije od crvenog spektra to će cijene laserskih dioda biti veće.
IC laserska dioda sa podesivim fokusom. Promjer tijela je 4 mm.
Utjecaj Sunčevog zračenja na rad optičkih senzora
S obzirom da će se naš projekt najviše koristiti u vanjskim uvjetima, Sunce može imati značajan utjecaj na senzore svjetlosne zavjese. Ovo je jedini razlog zašto je upotreba IC dioda i lasera bolja od upotrebe lasera u vidljivom svjetlosnom spektru.
Sunce zrači u širokom rasponu valnih duljina, međutim, najveći dio zračenja koji kroz atmosferu dopire do Zemlje nalazi se u relativno uskom rasponu valnih duljina koje padaju u vidljivi i bliski infracrveni spektar. U tom bliskom infracrvenom spektru postoji više uskih spektara valnih duljina koje na zemlju dolaze u bitno smanjenom intenzitetu jer su prigušene (upijene) molekulama vodene pare prisutne u zraku, te na molekulama ugljičnog dioksida, kisika, ozona i drugih plinova koji čine atmosferu.
Upravo za te prirodno prigušene dijelove IC spektra se rade IC diode za vanjske senzore kako bi utjecaj Sunčevog zračenja na njih bio što manji. Valna duljina od 940 nm je jedna od centralnih valnih duljina u apsorpcijskom spektru vodene pare što znači da do Zemlje dolazi u bitno smanjenom intenzitetu te je prikladna za vanjske optičke senzore. Valna duljina od 850 nm pak je nešto bliža vidljivom crvenom spektru i ova valna duljina je prihvaćena kao industrijski standard za senzore CMOS/CCD kamera jer one imaju najveću osjetljivost upravo na toj valnoj duljini.
Koju valnu duljinu ćemo odabrati ovisi o samoj primjeni senzora. Ako je važna što veća osjetljivost ili što veći domet senzora onda je bolji izbor 850 nm jer su silicijski detektori najviše osjetljivi upravo na toj valnoj duljini, a tu je i apsorpcija zračenja od strane vodene pare u zraku manja. Ako je važno što više smanjiti neželjeni utjecaj Sunčevog zračenja na senzor onda je bolji izbor 940 nm jer je tu zračenje sa Sunca slabije. Također, zračenje od 940 nm je potpuno nevidljivo ljudskom oku pa senzori mogu biti posve neprimjetni, dok se zračenje od 850 nm još može primijetiti kao blago tamnocrveno svjetlo.
Intenzitet Sunčevog zračenja, preuzeto sa Wikimedia Commons, Robert A. Rohde.
Na slici preuzetoj sa Wikipedije može se vidjeti intenzitet Sunčevog zračenja za valne duljine koje dopiru do Zemlje. Jasno se vide višestruka uska prigušenja zračenja oko pojedinih valnih duljina IC spektra uslijed apsorpcije atmosfere. Također vidimo da postoje i veći pojasevi gušenja te da intenzitet Sunčevog zračenja uvelike pada u UV spektru (ispod 300 nm) i valnim duljinama većim od 2500 nm. Međutim, problem korištenja ovih valnih duljina za optičke senzore leži u njihovoj cijeni proizvodnje. Sveprisutni jeftini silicijski senzori su najosjetljiviji upravo za vidljivo i blisko IC zračenje. Izvan tog spektra tehnologija proizvodnje i materijali za izradu senzora postaju značajno skuplji.
Foto-prijemnici (foto senzori)
Cijelo vrijeme govorimo o diodama i laserima kao emiterima svjetla, međutim, ometajuće zračenje sa Sunca ili okolnih umjetnih izvora zapravo neće djelovati na njih, nego na prijemnik (foto-senzor) svjetla ili zračenja određene valne duljine.
Svi silicijski prijemni senzori (foto-diode i foto-tranzistori) generalno gledano imaju dobru osjetljivost na vrlo široki raspon valnih duljina u vodljivom i IC području, tipično od 400 nm pa sve do 1100 nm. Trik je samo u tome što se kod nekih senzora koriste određeni optički filtri koji onda smanjuju osjetljivost na određenom dijelu spektra, te isto tako optičke leće koje usmjeravaju osjetljivost senzora (sužavaju kut osjetljivosti). Time će senzor biti najviše osjetljiv na valno područje i smjer iz kojeg dolazi korisno zračenje.
Spektralna osjetljivost foto-dioda SFH 203 (prozirno kućište), SFH 203 FA (crno kućište) i SGPD3027C (prozirno kućište).
Na prvoj slici je prikazana osjetljivost kvalitetne foto-diode SFH 203 u prozirnom kućištu. Osjetljivost je u području 400-1100 nm (10% od max), odnosno 550-1000 nm (50% od max). Kad se istoj diodi doda crni filtar (slika u sredini SFH 203 FA) osjetljivost znatno pada u vidljivom spektru do 750 nm. Tako će „crne“ foto-diode biti propusne za nešto uži spektar od 800-1100 nm, odnosno filtriran je i smanjen utjecaj vidljive svjetlosti. Međutim, u oba slučaja senzor ima podjednaku osjetljivost za standardne IC vrijednosti od 850 i 940 nm, štoviše centralna frekvencija je upravo na 900 nm.
Na trećoj slici je spektralna osjetljivost jedne foto-diode vrlo široke propusnosti oznake SGPD3027C. Propusnost ove diode je 200-1200 nm (10%max), odnosno 350-1100 nm (50% od max). Time je ova foto dioda iskoristiva i za vidljivu svjetlost, a najveća osjetljivost je u području 600-800 nm.
Foto-dioda SGPD3027C za vidljive i bliske IC valne duljine.
Pogledao sam tvorničke podatke i za nekoliko foto-tranzistora te zaključujem da i oni imaju vrlo sličnu osjetljivost kao i foto-diode što ne čudi jer se u oba slučaja radi o silicijskim poluvodičima. Ovo me zaintrigiralo jer se kineski generički foto-tranzistori ili foto-diode specifično prodaju za frekvenciju 850 ili 940 nm. Međutim, specifikacije za foto-tranzistor PT333-3B, na kojem se vjerojatno baziraju ti generički foto-tranzistori, pokazuju 80% osjetljivosti u području 840-1040 nm sa centralnom frekvencijom 940 nm, dakle praktično je jednako prikladan za obje frekvencije.
Nema sumnje da se određenim postupcima u izradi foto-elementa i njegovog kućišta može u određenoj mjeri suziti prijemna osjetljivost i donekle pomaknuti frekvencija najveće osjetljivosti, no sve to se kreće u opsegu 800-1000 nm i ne vjerujem da postoji foto-senzor koji bi bitno drugačije reagirao na zračenje od 850 i 940 nm, osim ako se ne koriste neki specijalni uskopojasni optički valni filtri što svakako nije isplativo za senzore standardne namjene.
Ipak, kasnije ćemo vidjeti da su generičke IC diode i IC tranzistori deklarirani za 850 i 940 nm rađeni sa tolikim međusobnim tolerancijama da je prijenos i prijem zračenja između pojedinih parova posve nepredvidljiv bez obzira na specifikacije.
Balans između cijene i performansi
Iz dosadašnje analize i vaganja opcija posve je jasno da treba pronaći neki balans između cijene i performansi.
IC laseri: Korištenje IC lasera za prototip je preskupo i na ovu opciju možemo ići samo ako sve ostalo bude funkcioniralo prema zamisli. Tu mislim na razvoj upravljačke elektronike, bežični prijenos podataka, softver i displej. Ako sve bude dobro radilo sa jednim tipom senzora, raditi će i sa bilo kojim drugim tipom uz eventualne minimalne preinake ulaznih linija. Također, eksperimentiranje sa IC laserima i diodama u ovoj fazi nije preporučljivo jer je sa nevidljivim zračenjem daleko teže raditi pokuse i testiranja nego sa vidljivom svjetlosti.
IC diode: Glede IC dioda, svakako u obzir dolaze samo kvalitetne diode uskog snopa zračenja. Međutim, s obzirom da je ovo tek projekt u nastajanju, jednako kao i kod IC lasera možda je za početak bolje izbjeći rad sa nevidljivom svjetlosti.
Crveni laseri: Crveni laseri su dvostruko jeftiniji od kvalitetnih IC dioda i sa njima je neusporedivo lakše raditi nego sa nevidljivim IC svjetlom. Ovdje se svakako ne isplati ulagati u 10 puta skuplje laserske glave promjera 4 mm, iako bi nam puno više odgovarale od laserskih glava promjera 6 mm. Bolje je napraviti kombinaciju naizmjeničnog ili cik-cak uzorka postavljanja debljih lasera u liniju da se dobije gušća mreža. Crvenim laserima dobivamo savršenu svjetlosnu mrežu koju je vrlo lako precizno podesiti, kako po kutu tako i po fokusu jer svaka glava dolazi sa svojom podesivom fokusnom lećom.
Što se tiče utjecaja Sunčevog zračenja, utjecaj se vjerojatno može svesti u zadovoljavajuće okvire upotrebom crvenih filtara, sjenila i sličnih jeftinih dodataka. Pretpostavljam da će na razmaku do 30 cm svjetlo na senzoru iz direktno usmjerenog lasera (5 mW) uvijek biti višestruko jače od vanjskog svjetla, koje se eventualno može probiti do senzora.
Jeftini laseri za crvenu valnu duljinu (650 nm) podesivog fokusa i sa tijelom promjera 6 mm.
Priprema za prvi test
Za sada u svom elektroničkom labu imam samo generičke IC diode od 3 i 5 mm za 850 i 940 nm. Kao što smo opisali, to je najjeftiniji ali i najgori mogući izbor za ovaj projekt. Stoga moramo iskoristiti sve moguće trikove da međusobni utjecaji između linija budu minimalni. Ovo iskustvo nam kasnije može poslužiti i za konstrukciju svjetlosne zavjese sa kvalitetnijim IC diodama.
Problem ogiba (difrakcije) i interferencije nekoherentnog svjetla pod širokim kutom zračena iz IC dioda.
Slika lijevo: Idealna svjetlosna zavjesa može se izvesti jedino sa koherentnim izvorima svjetla kakve daju laseri. Slika u sredini: Obične IC diode daju raspršeno nekoherentno svjetlo koje na senzore pada pod različitim kutovima. Slika desno: Ovo je idealan prikaz sjene predmeta osvijetljenog sa jednom IC diodom. U stvarnosti nastaju ogibi (difrakcije) i interferencije zbog kojih sjena nikad nije oštra, odnosno nastaju samo određena smanjenja intenziteta zračenja iza predmeta.
Nekoliko načina za smanjenje neželjenih utjecaja raširenog nekoherentnog osvjetljenja susjednih IC dioda.
Na slici lijevo vidimo da na svaki pojedinačni senzor pada svjetlost iz više IC dioda i pod različitim kutovima čime sjena predmeta koji se nalazi točno iznad senzora nikad neće biti oštra. Ovo se može malo ublažiti naizmjeničnim rasporedom TX i RX dioda čime na svaku RX diodu pada manji intenzitet svjetla pod kutom (slika u sredini). Dodatno poboljšanje se može postići naizmjeničnim postavljanjem TX dioda za valne duljine od 850 nm i 940 nm, barem u teoriji (slika lijevo).
Treba reći da su na mojim skicama iscrtani prilično idealni prikazi kutova zračenja i selektivnosti pojedinih elemenata na valne duljine od 850 nm i 940 nm dok u praksi značajan utjecaj na pouzdanost i točnost detekcije može imati i niz drugih realnih faktora. Znamo da su kod generičkih IC elementa velike tolerancije glede jačine, maksimuma i kutova zračenja, a jednako tako i glede valnog spektra kako IC diode (TX) tako i IC senzora (RX).
Svakako ćemo napraviti testove sa time što imamo, no ako se pojedinačni parovi neće moći selektivno kontrolirati onda je jedino rješenje dodatna modulacija zračenja svakog para. Ovo bi mogao biti problem zbog velike brzine projektila (kratkog vremena detekcije) s jedne strane i velikog broja linija koje je treba u kratkom vremenu obraditi.
Brzina projektila, brzina reakcije senzora, brzina elektronike
Kad smo se već dotakli brzine reakcije, postavlja se pitanje mogu li senzori i elektronika uopće registrirati brzi prolazak projektila kroz zavjesu. Kratak odgovor je da mogu i to bez problema, međutim ako se serijski mora obrađivati redom svaka od 256 linija onda bi tu već moglo doći do problema.
Uzmimo za primjer najmanji projektil za zračnu pušku kalibra 4,5 mm koji ima duljinu 5 mm. Ako takav projektil proleti kroz metu brzinom od 330 m/s (što je stvarno pretjerana brzina), on će napraviti sjenu na senzoru u trajanju od 15 µs. Možemo uzeti još jedan krajnji slučaj, a to je da treba detektirati dijabolu za zračnu pušku. Ta dijabola iako ukupne duljine 5 mm zbog svog oblika nema pravilnu debljinu: na početku je debela (glava), zatim prelazi u suženje (početak suknjice), a na kraju opet dobiva punu širinu. Ako pretpostavimo scenarij da će samo 1 mm dužine projektila sigurno prekinuti senzorsku zraku, taj prekid će pri brzini 330 m/s još uvijek trajati čitavih 3 µs.
Vrijeme reakcije (vrijeme preklapanja, prelaska iz jednog stanja u drugo) tranzistora i čipova pak se mjeri u nano-sekundama (ns) i u prosjeku iznosi 20 ns. Što se tiče foto-senzora, foto-diode imaju puno brže vrijeme reakcije od foto-tranzistora. Vjerojatno najsporiji foto-tranzistor koji danas možete kupiti je upravo onaj generički kineski (PT333-3B) i njegovo vrijeme reakcije je 15 µs. To je nekoj granici upotrebljivosti za podzvučne projektile. Međutim, ako uzmete bilo koju foto diodu, vrijeme reakcije u najgorem slučaju iznosi do 20 ns. Vrijeme reakcije foto-diode SGPD3027C koju ćemo koristiti u kombinaciji sa crvenim laserima je 5 ns. To je 1000 puta brže nego je nama potrebno. Ne postoji ni blizu tako mali i tako brz višestruko nadzvučni projektil da bi bio brži od vremena reakcije ove foto-diode.
Prvi testovi
U prvim testovima moramo utvrditi koliki je kut zračenja generičkih IC dioda, kako se prenosi energija na kombinacije parova 850 i 940 nm i kako je dodatno moguće fokusirati zračenje generičkih IC dioda.
Kut zračenja
Prvo sam izmjerio kut zračenja generičkih IC dioda. Kut zračenja je očekivanih oko 40° nakon čega prijenos energije (otvaranje senzora) padne na polovicu maksimalne vrijednosti.
Međutim senzor detektira zračenje (počinje se otvarati) čak i kad je kut oko 150° (75° u oba smjera). To za naš projekt znači da jedna IC dioda na udaljenosti od cca 28 cm osvjetljava foto senzore u širini od 20 cm sa 50% intenziteta. To opet znači da će svaki senzor dobivati do 50% svjetla sa barem 50 IC dioda (25 ako ih postavimo naizmjenično).
Još gore je što generički IC elementi pokazuju „trokraki“ maksimum (kao što smo vidjeli kod IC diode VSLY 3943). To znači da će jedna IC dioda jednakim intenzitetom osvjetljavati više prijemnih senzora. Ovo je prilično obeshrabrujuće i morati ćemo kako optički tako i elektronički nekako poništiti ovaj efekt.
Reakcija senzora
U slijedećem testu sam mjerio koliko se otvaraju foto senzori od 850 i 940 nm osvijetljeni u kombinacijama sa IC diodama od 850 i 940 nm, na udaljenosti 28 cm, što je neka procijenjena širina okvira za našu elektroničku metu. Cilj mi je vidjeti da li se ove kombinacije mogu iskoristiti za što manji međusobni utjecaj između susjednih linija.
Dobiveni rezultati su vrlo čudni i posve neočekivani ali zapravo u skladu sa prijašnjim opisima tolerancije generičkih IC elemenata. Rezultati su toliko zbunjujući da sam ponovio test u posve kontroliranim uvjetima, tako da sam TX i RX elemente stavio u neprozirnu cijev duljine 28 mm i promjera 3 mm. Međutim, i ovaj test je pokazao isti odnos prijenosa zračenja (TEST 2).
Glede IC para od 3 mm daleko najlošije se otvorio par 850/850 nm iako bi očekivali da će ovdje otvaranje biti najveće. Najbolje otvaranje je kod IC para TX 850 / RX 940 nm gdje bi očekivali najlošije otvaranje. Jedna od mogućnosti je da su Kinezi pomiješali TX ili RX diode glede valne duljine jer bi jedino tada rezultati bili očekivani. Međutim, kod kombinacija IC parova od 5 mm ni to ne pomaže. Razlika kod različitih kombinacija očito ima, ali te razlike ne slijede nikakvu logiku što se tiče valnih duljina.
Ovo potvrđuje ranije navode kako generički IC elementi imaju velike međusobne tolerancije glede osnovnih karakteristika i „kompatibilne“ parove možete naći samo pokusima, bez obzira na specifikacije. Trebali bi testirati nekoliko stotina ovih IC dioda da nađemo donekle ujednačenih 256 parova. Nakon toga nema nikakvog smisla dalje raditi naizmjenične i cik-cak kombinacije za optičku zavjesu jer tko zna kako reagiraju ti pojedini linijski elementi opet sa susjednim elementima.
Prijenos zračenja između generičkih IC elemenata je vrlo mali što i ne čudi s obzirom na malu snagu IC dioda. Senzor će se potpuno otvoriti samo do 5 cm udaljenosti (kod najbolje kompatibilnih parova), a na 28 cm udaljenosti otvaranje je u najboljem slučaju 20%. To znači da ćemo na 5 V napajanja imati razliku napona (detekciju) do 1 V što je premalo za sigurnu logičku detekciju stanja, čak i za logičke sisteme na 3,3 V. To znači da za svaku od 512 linija moramo koristiti neki komparator napona ili barem tranzistorsku sklopku što prilično komplicira hardver.
Prvi test IC zavjese
Ipak, napravit ćemo barem tri linije sa tri IC para koji međusobno dobro (kompatibilno) rade, čisto da vidimo kako će to funkcionirati.
Za početak sam svaki TX i RX IC element stavio u cijev duljine 2 cm kako bi malo smanjio kut zračenja i kut primanja zračenja. Zatim sam podesio emiterski otpornik (potenciometar) na foto-tranzistoru tako da se sve tri linije potpuno jednako otvaraju kad su osvijetljene svojim senzorima. Onda sam na osciloskopu (zbog brzine mjerenja) pratio reakciju pojedine linije kada preko njih prelazi predmet.
Rezultati mjerenja su bili čak i bolji od očekivanih. Polovica površine zavjese bliže prijemnim senzorima radi odlično, a no kako se sve više približavamo TX IC diodama reakcija postaje sve lošija. Predmet koji prolazi u blizini TX IC dioda zasjeniti će sva tri senzora. Međutim, na polovici bliže RX senzorima reakcija je vrlo čista, praktički savršena, čak i kod prolaska predmeta manjeg od 0,5 mm.
Ovdje bi sada trebalo eksperimentirati sa većom duljinom cjevastog zaslona, boljim optičkim poravnanjem senzora i slično, no za ovako nezgrapne diode to stvarno nema smisla. Svakim povećanjem sjene (produženjem cijevi) smanjuje se intenzitet zračenja koji dolazi do senzora i reakcija je slabija.
Pokušavao sam i postepeno smanjivati struju IC dioda kako bi se time latica zračenja smanjivala i dostizala intenzitet samo na vrhu prijemnog senzora. Ovo nije dalo neko veće poboljšanje, smanjenjem zračenja je svakako primjetan i veliki pad napona detekcije, a i nema smisla raditi senzor gdje će svaki IC par morati imati pojačalo za RX signal i regulaciju struje za TX diode. Onda je jeftinije staviti IC lasere i problem riješen.
Postoji naravno opcija dodavanja IC fokusnih leća umjesto obične cijevi za sjenilo, no ono što se može kupiti je ili previše skupo ili dimenzijama posve neodgovarajuće za ovu primjenu.
Naravno, možemo odmaknuti TX diode i koristiti samo polovicu zavjese koja dobro reagira ali ovo nepotrebno povećava veličinu potrebnog okvira za metu. Isto tako, povećanjem udaljenosti smanjuje se intenzitet zračenja te je napon detekcije sve slabiji i približava se granici šuma.
Sve u svemu, ovo je bio ohrabrujući eksperiment i imamo razloga vjerovati da bi sa kvalitetnim IC diodama velike snage i uskog kuta zračenja situacija bila daleko bolja. Međutim, prije nego krenem u takav trošak, naručio sam dvostruko jeftinije crvene lasere i foto-diode SGPD3027C koje imaju dobru osjetljivost za crvenu svjetlost. Ovo će odlično poslužiti za eksperimente, a moguće je da će uz domišljat dizajn okvira sve skupa dobro raditi i vani na Sunčevom svjetlu.
Nastavit će se…