Geri Dön

Tümüyle fiber optik tabanlı dağıtık LiDAR tasarımı

All-fiber optic based distributed LiDAR design

  1. Tez No: 979709
  2. Yazar: BÜNYAMİN KAYA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AHMET ALTUNCU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Kütahya Dumlupınar Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışmasında, tümüyle fiber-optik tabanlı, çekirdeksiz fiber ve çok modlu fiber uç segmentleri optik dağıtıcı ve toplayıcı olarak kullanan, zaman bölüşümlü çoğullamalı dağıtık sensör mimarisinde çalışan, özgün bir dağıtık LiDAR sistemi tasarlanmış, modellenmiş, teorik ve deneysel olarak performansı analiz edilmiştir. Çalışmanın birinci aşamasında, 1550 nm dalga boyunda çalışan bir FSO haberleşme sistem modeli kullanılarak, alıcı lens açıklığının (1 mm–5 mm aralığında) sistem performansı üzerindeki etkileri farklı atmosfer koşulları altında benzetimle analiz edilmiştir. Açık, yağmurlu ve yoğun sisli hava koşulları altında yapılan analizler; alıcı lens açıklığının artırılmasının iletimin Q faktörünü anlamlı düzeyde iyileştirdiğini ve BER değerini düşürdüğünü ortaya koymuştur. Bu bulgular, LiDAR sistemlerinde de benzer tasarım ilkelerinin uygulanabileceğine işaret etmektedir. İkinci aşamada, FSO ve LiDAR sistemleri arasındaki optik tasarım benzerliklerden yararlanarak LiDAR sistem performansı FSO kanal modeli üzerinden analiz edilmiştir. Çekirdeksiz fiber uçların optik verici/alıcı (optik dağıtıcı/toplayıcı) olarak kullanıldığı bu mimari ile %10–%90 arası hedef cisim yansıtıcılığı ve 10–100 m arası mesafelerde Q faktörü ve BER değişimleri analiz edilmiştir. Simülasyon sonuçları, düşük yansıtıcılı hedef cisimler için performansın hızla düştüğünü, %60 ve üzeri yansıtıcılıkta ise 80 metreye kadar algılamanın güvenli şekilde yapılabildiğini göstermiştir. Çalışmanın üçüncü aşamasında ise önerilen fiber optik tabanlı dağıtık LiDAR sistem mimarisi oluşturularak tek bir lazer darbesinin 1x4 ayırıcı çıkışlara eklenmiş 40 m, 70 m, 100 m ve 130 m uzunluğundaki fiber gecikme hatları yardımıyla, farklı zaman dilimlerinde hedef nesneye doğru iletimi sağlanmıştır. Her bir SMF hattın ucuna eklenen çekirdesiz fiber segmentleri aracılığıyla lazer dış ortama belirli bir açı ile yönlendirilmiş; hedef cisimden geri yansıyan LiDAR darbeleri yine çekirdeksiz fiber sengmentlere sahip toplayıcılar ile alınarak 4x1 güç birleştiricisi üzerinden zaman bölüşümlü çoğullamalı olarak toplanarak tek bir PIN fotodedektörde algılanmıştır. Bu mimari, çoklu hedeflerden gelen optik LiDAR darbelerinin zaman bölüşümlü analizini sağlamış, simülasyon ortamında %10 ve %90 arası yansıtıcılık koşullarında, açık, yağmurlu ve aşırı sisli atmosferik koşullar altında zaman paylaşımlı dağıtık algılamayı başarıyla göstermiştir. Deneysel çalışmalarda ise, önerilen mimarinin temel prensipleri laboratuvar ortamında doğrulanmıştır. Mevcut laboratuvar sınırlamaları nedeniyle, fiber optik uç dağıtıcı/toplayıcı yapılarında çekirdeksiz fiber yerine çok modlu fiber (MMF) segmentleri kullanılmış ve dört farklı MMF uç toplayıcısından alınan ve yüksek yansıtıcılı hedeften (yansıtıcılığı %90 civarında olan düz ayna) geri yansıyan LiDAR darbeleri, 4x1 birleştirici ile zaman bölüşümlü çoğullamalı (TDM) analiz edilmiştir. Deneysel çalışmada, sayısal osilaskop çözünürlüğü nedeniyle hedeften geri yansıyan 50 ns darbe genişlikli LiDAR darbelerinin zaman ayrışması doğrudan gözlemlenememiştir; ancak temel mimarinin işlevselliği doğrulanmıştır. Sonuç olarak, bu çalışmada FSO benzetimi ile LiDAR sistemlerinin teorik ve deneysel performans analizinin yapılabileceğini göstermiş, tümüyle fiber-optik bileşenlerle dağıtık, zaman bölüşümlü ve lens gerektirmeyen bir LiDAR sisteminin uygulanabilirliğini ortaya koymuştur. Literatürde nadir görülen bu yaklaşım, düşük maliyetli, kompakt ve hizalama gerektirmeyen LiDAR çözümleri için yenilikçi bir temel sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

In this thesis study, a novel distributed LiDAR system operating with a time-division multiplexed distributed sensor architecture has been designed, modeled, and its performance analyzed both theoretically and experimentally. The system is entirely fiber-optic-based and employs coreless fiber and multimode fiber end segments as optical distributors and collectors. In the first phase of the study, the effects of receiver lens aperture (ranging from 1 mm to 5 mm) on system performance were analyzed through simulation under different atmospheric conditions using a Free Space Optics (FSO) communication system model operating at a wavelength of 1550 nm. Analyses conducted under clear, rainy, and heavy fog conditions revealed that increasing the receiver lens aperture significantly improved the transmission Q-faktör and reduced the BER. These findings indicate that similar design principles could be applicable to LiDAR systems as well. In the second phase, leveraging the optical design similarities between FSO and LiDAR systems, the performance of the LiDAR system was analyzed using the FSO channel model. In this architecture, where coreless fiber tips were used as optical transmitters/receivers (optical distributors/collectors), variations in Q-faktör and BER were examined for target object reflectivities ranging from 10% to 90% and distances from 10 m to 100 m. Simulation results showed a rapid performance decline for low-reflectivity targets, while secure detection up to 80 meters was achievable for reflectivity levels of 60% and above. In the third phase of the study, the proposed fiber-optic-based distributed LiDAR system architecture was implemented. A single laser pulse was directed towards the target object through 40 m, 70 m, 100 m, and 130 m long fiber delay lines connected to the outputs of a 1x4 splitter, enabling transmission at different time intervals. Using coreless fiber segments added to the end of each SMF line, the laser beams were directed into the external environment at specific angles. The LiDAR pulses reflected from the target were collected again via collectors equipped with coreless fiber segments and combined through a 4x1 power combiner, enabling time-division multiplexed detection by a single PIN photodetector. This architecture facilitated the time-division analysis of optical LiDAR pulses from multiple targets, successfully demonstrating time-shared distributed sensing in simulation under reflectivity conditions between 10% and 90%, and in clear, rainy, and heavy fog atmospheric conditions. In the experimental studies, the fundamental principles of the proposed architecture were verified in the laboratory. Due to limitations in the current laboratory setup, multimode fiber (MMF) segments were used in place of coreless fiber segments in the fiber optic distributor/collector structures. LiDAR pulses reflected from a high-reflectivity target (a flat mirror with approximately 90% reflectivity) and collected by four different MMF receivers were analyzed using a 4x1 combiner in a time-division multiplexed (TDM) manner. Although temporal separation of the 50 ns pulse-width LiDAR signals reflected from the target could not be directly observed due to the resolution limitations of the digital oscilloscope, the fundamental functionality of the proposed architecture was validated. In conclusion, this study demonstrated that LiDAR system performance can be theoretically and experimentally analyzed through FSO simulations, and confirmed the feasibility of a fully fiber-optic, distributed, time-division multiplexed LiDAR system without the need for lenses. This rarely seen approach in the literature provides an innovative foundation for low-cost, compact, and alignment-free LiDAR solutions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    182060

    A low complexity adaptive framework for the rate and performance enhancement of pmd limited fiber optic communication systems

    Pmd ile sınırlı fiber optik haberleşme sistemlerinin hız ve performanslarının artırılması için düşük karmaşıklıklı uyarlamalı bir sistem

    TURGUT MUSTAFA ÖKTEM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Bilim ve TeknolojiKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALPER TUNGA ERDOĞAN

  2. Tez No

    66391

    Road surface micro and macro texture influence on skid resistance

    Yol yüzeyi mikro ve makrodokusunun kayma direncine etkisi

    MURAT ERGÜN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1997

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİNE AĞAR

  3. Tez No

    818896

    Glokom teşhisi için optik koherans tomografi görüntülerinden retina sinir lifi katmanı tespiti

    Retinal nerve fiber layer detection at optical coherence tomography image for the diagnosis of glaucoma

    MEHMET ERHAN ŞAHİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET RECEP BOZKURT

  4. Tez No

    803705

    Performance analysis of optical fiber communication system by using optical code division multiplexing

    Optik kod bölmeli çoğullama kullanan fiber optik iletişim sisteminin performans analizi

    WAHHAB ABDULRAZZAQ LATEEF ABUSALE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HACI İLHAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMET ALİ KARABULUT

  5. Tez No

    504892

    Gevaş ofiyolit napı'nda (Van) serpantinleşme ile ilişkili mineral oluşumlarının mineralojik ve jeokimyasal özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of mineralogical and geochemical properties of mineral formations related to serpentinization in Gevas ophiolite nappe (in Van, Turkey)

    HASAN TAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Jeoloji MühendisliğiBatman Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEMA TETİKER

Geri Dön