Autore: Fabio Marzo 18, 2014 1 Commento

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La conoscenza del principio di funzionamento dei telemetri ci consente di utilizzarli al meglio mettendoci in grado di comprendere le ragioni tecniche delle letture ottenute. In quest’articolo, partendo dalla classificazione generale dei sistemi di telemetria, esamineremo il funzionamento e le caratteristiche dei telemetri laser detti “a tempo di volo” con specifico riferimento al telemetro LRF600, commercializzato dalla PCE-Italia e da noi personalmente testato.

 

Aspetti generali

Il telemetro è uno strumento ottico capace di misurare la distanza interposta tra l’osservatore e un qualsiasi punto nel suo campo visivo. Nel tiro con carabina la stima della distanza è essenziale per regolare opportunamente gli organi di mira a compensazione della caduta del proiettile. Esistono fondamentalmente due tipi di sistemi telemetrici per le grandi/medie distanze: a triangolazione e laser a modulazione di ampiezza, questi ultimi ulteriormente distinguibili in telemetri a segnale impulsato e a fascio continuo con rilevazione di sfasamento (strumenti topografici).

Il sistema a triangolazione è generalmente formato da un cilindro con due fori (obiettivi) a distanza fissa, all’interno del primo foro si trova un prisma (1) che riflette l’immagine su uno specchio semi-trasparente (2) posto all’interno del secondo foro. L’utilizzatore agendo sulla rotazione del prisma farà in modo che le due immagini dell’oggetto osservate e composte dallo specchio (3) si sovrappongano. Raggiunta la sovrapposizione, il grado di rotazione del prisma indicherà, tramite una scala, la distanza dell’oggetto.

 
Tra i sistemi laser a modulazione di ampiezza il telemetro impulsato è attualmente il più diffuso per il basso costo di costruzione, la discreta precisione e soprattutto per la praticità d’uso. Il suo sviluppo è stato possibile grazie ai progressi dei sistemi elettronici e della tecnologia laser a semiconduttore. Il funzionamento di questo genere di strumento sfrutta infatti l’emissione di un raggio laser di bassa energia, esso viene anche detto “a tempo di volo”.

Nei metodi “a tempo di volo” la distanza è determinata misurando il tempo impiegato dalla luce a coprire il percorso di andata e ritorno dal sensore al bersaglio e viceversa. La misura può essere eseguita su un singolo percorso o su diversi cicli. L’accuratezza di questi sensori è limitata dalla precisione con cui si riesce a misurare l’intervallo temporale e dal tempo di ritorno dell’impulso laser (distanza del bersaglio). Le distanze misurabili con questa tecnica vanno da poche decine di metri a diversi chilometri, con un’accuratezza nell’ordine del metro.
 

Il telemetro laser ad impulso

Un tipico telemetro a tempo di volo consiste di un emettitore d’impulsi laser realizzato con un diodo laser infrarosso (solitamente nell’intorno dei 905nm), dell’ottica necessaria al lancio e alla ricezione del fascio e da un sistema cronometrico, così come mostrato sulla figura a seguire.

 
Nell’istante in cui viene attivato (pressione di un pulsante), il telemetro emette un breve raggio laser tipicamente di durata compresa tra 2 e 50ns. Un cronometro ad alta precisione e velocità misura il tempo intercorso tra l’emissione e il ritorno del raggio riflesso dal bersaglio. Data la velocità della luce è necessario stimare tempi brevissimi, inferiori alla decina di nanosecondi. Conoscendo la velocità del laser nell’atmosfera (∼300 × 10⁶ m/s) è immediato poter calcolare la distanza (distanza = velocità × tempo / 2).

 
L’ampiezza del segnale ricevuto che arresta il conteggio del cronometro varia in un ampio intervallo secondo la distanza, la riflettività e l’angolo di vista del bersaglio. L’evento di misura temporale non dovrebbe cambiare con il livello del segnale, giacché questo avrebbe conseguenze sul risultato della misura. La funzione del ricevitore è proprio quella di produrre accurati impulsi elettrici da impulsi ottici di ampiezza variabile.

 

Fattori che influenzano la portata dello strumento

Ipotizzando il bersaglio perpendicolare al raggio laser, la quantità di luce che viene restituita dalla superficie traguardata dipenderà dalle sue dimensioni e dal coefficiente di riflessione del materiale di cui essa è costituita. Il coefficiente di riflessione dipenderà a sua volta dalla lunghezza d’onda della luce incidente. A seguire trovate i coefficienti di riflettività diffusa per alcuni materiali, supponendo una lunghezza d’onda del laser di 900nm (infrarosso).

La massima distanza di rilevamento ottenibile con un telemetro laser dipenderà fortemente dalla riflettività del bersaglio. Solitamente le prestazioni dei telemetri sono dichiarate su bersagli con riflettività dell’80%. A seguire un tipico diagramma di correzione della portata massima in funzione del coefficienti di riflettività diffusa.

 
La massima distanza di rilevamento dipenderà inoltre dalle condizioni atmosferiche e più precisamente dalla visibilità. Al ridursi della visibilità si ridurrà la massima distanza di utilizzo a causa dell’attenuazione del fascio laser operata dall’atmosfera. Solitamente le prestazioni dei telemetri vengono dichiarate in condizioni di visibilità meteorologica ottimale (20Km). A seguire un grafico tipico dei coefficienti di attenuazione.

 
Altri fattori che influenzano la portata di un telemetro sono l’intensità della luce ambientale e le dimensioni del bersaglio. La luce del sole (o una forte luce artificiale) riduce la portata dello strumento andando ad interferire con il ricevitore infrarosso (sul campo, in alcuni casi, attendere il passaggio di una nuvola può aiutare). Le dimensioni del bersaglio ed il suo orientamento influenzano invece la quantità di luce riflessa, saranno quindi da preferire bersagli ampi e perpendicolari alla linea di traguardo.

Volendo riassumere le condizioni di osservazione migliori sono quindi:

– bersaglio ampio con buona riflettività
– alta visibilità meteo in condizioni d’illuminazione solare non troppo intensa
– telemetro stabile con linea di mira perpendicolare alla superficie del bersaglio

 

Caratteristiche peculiari di un buon telemetro

A seguire trovate l’elenco delle caratteristiche principali distintive di un buon telemetro:

– Capacità di individuare un bersaglio. Questo si traduce in una buona qualità dell’ottica con un ragionevole fattore d’ingrandimento adeguato alle distanze massime a cui pensiamo di dover individuare il bersaglio.

– Capacità di concentrare l’energia del fascio laser. Il fascio laser di misura ha tipicamente una certa tendenza a divergere e la focalizzazione del fascio sul bersaglio dipende dal sistema ottico del telemetro. Come vedremo di seguito, un fascio focalizzato permette la stima di distanze superiori, anche se in alcuni casi questo non si traduce in un reale vantaggio per l’utilizzatore. La qualità degli impulsi laser trasmessi, in termini di lunghezza d’onda e ripidità dei fronti, rappresenta un ulteriore fattore distintivo anche se di difficile valutazione.

– Ampia ottica di ricezione. Un maggior diametro dell’ottica di ricezione permette allo strumento di raccogliere una porzione superiore del fascio riflesso consentendo di valutare distanze maggiori, migliorando inoltre risoluzione e accuratezza.

– Buona capacità di elaborazione. Possono esserci notevoli differenze tra come i telemetri interpretano le letture ricevute, può essere visualizzata semplicemente la singola lettura o si può impiegare l’approccio detto “multi-pulse”. Questo metodo prevede l’emissione di centinaia o addirittura migliaia di piccoli impulsi laser in un brevissimo intervallo. In questo modo si raccoglie un ampio campione di letture, poi si analizzano i risultati ignorando i valori anomali (arbusti, nebbia, pioggia) determinando così con più accuratezza la lettura sul bersaglio. Più raggi emessi possono anche aiutare a ottenere una lettura relativa a bersagli piccoli e poco riflettenti. L’algoritmo di visualizzazione delle informazioni può avere in definitiva grande peso nelle prestazioni e nella facilità d’uso del telemetro.

Oltre all’elaborazione strettamente legata all’interpretazione dei dati per la stima della distanza, alcuni telemetri danno la possibilità di rilevare l’angolo di sito restituendo la distanza effettiva del bersaglio. I modelli più sofisticati implementano inoltre funzioni di calcolo balistico.
 

Divergenza del fascio laser

La divergenza del fascio laser è una misura angolare (tipicamente in milliradianti) che si riferisce alla capacità dello strumento di “concentrare” il raggio laser. Piccole divergenze danno maggiore precisione di indirizzamento su bersagli piccoli e maggiore distanza di rilevamento. Di contro, una maggiore divergenza da’ la possibilità di eseguire più facilmente una rilevazione affidandosi all’algoritmo di analisi del telemetro.

Uno scenario in cui la divergenza molto stretta del fascio può essere un inconveniente è ad esempio quando si sta cercando di inquadrare un bersaglio distante senza l’ausilio di un sostegno (treppiede). In tal caso, il movimento causato dalla posizione non supportata può rendere difficile indirizzare correttamente un fascio stretto sul bersaglio, ottenendo di conseguenza una lettura relativa non al bersaglio effettivo ma, ad elementi circostanti nella medesima inquadratura e più o meno distanti dal punto di interesse.

Se il nostro bersaglio tipico è relativamente grande a distanze inferiori ai 500 metri, probabilmente non abbiamo bisogno di preoccuparci della divergenza del fascio. Per avere dei riferimenti possiamo dire che per uno strumento di qualità media, la divergenza del fascio è tipicamente di 2,5 mrad (dieci volte meno per gli strumenti militari) ossia un diametro dello spot di 75cm a 300 metri (in realtà a causa della struttura fisica dei diodi laser il fascio tende ad avere sezione ellissoidale e non circolare, approssimiamo quindi riferendoci al diametro di una circonferenza risultante dalla media tra asse maggiore e minore dell’ellisse).
 

Metodi di analisi delle rilevazioni

Per quanto detto sopra, lo spot di illuminazione di un telemetro può essere abbastanza ampio tanto da rendere possibile che, oltre ad avere il riflesso dell’effettivo bersaglio, si abbiano anche riflessioni parziali di elementi posti prima e dopo il bersaglio stesso. Si pensi alla situazione in cui lo spot su bersaglio intercetti nell’ordine, un cespuglio che copre parzialmente il bersaglio, più in profondità il bersaglio vero e proprio e dietro di esso, poco più lontana, una collina. Supponiamo che quanto ricevuto dal telemetro in queste condizioni possa assomigliare al seguente grafico.

 
Il primo picco di intensità ridotta sarà relativo alla riflessione del cespuglio, il secondo al bersaglio ed infine, per un certo intervallo di distanze, la collina.
Il dato visualizzato dal telemetro in queste condizioni dipenderà dall’algoritmo di elaborazione scelto, a seguire alcuni dei più comuni:

1) Prima lettura utile – Questo è stato il primo metodo usato dai telemetri, il più semplice, tutt’oggi ancora in uso. Quando l’unità riceve il primo fascio riflesso, calcola e visualizza la distanza corrispondente. In pratica si farà riferimento all’oggetto più vicino, nel nostro esempio il cespuglio (punto 1 sul grafico).

2) Primo picco utile – Questo metodo è simile al primo, ma al posto della lettura unica più vicina, si cerca una intensità riflessa più elevata (gruppo di campioni riportanti letture simili). Quest’approccio può aiutare il filtraggio di false letture causate ad esempio da pioggia o nebbia che, tipicamente, danno luogo a letture sparse e non si traducono in un picco di riflessione. Potrebbe anche essere stata impostata una soglia che dice qualcosa come “cercare il primo picco che ha almeno intensità superiore ad un certo valore”. Nel nostro esempio questo approccio visualizza comunque una distanza prossima al cespuglio (punto 2 sul grafico).

3) Picco più alto – In questo caso il sistema esamina l’intero set di letture e trova il picco più elevato, presupponendo sia quella la distanza del bersaglio a cui siamo interessati. Questo è un buon metodo in generale, ma particolarmente utile quando si hanno bersagli riflettenti perpendicolari all’osservatore. Nel nostro esempio quest’approccio visualizza proprio la distanza del nostro bersaglio (punto 3 sul grafico).

4) Gruppo più numeroso – Questo criterio analizza l’intero set di dati per individuare il gruppo di letture prossime più numeroso. Nel nostro esempio sarebbe verosimilmente visualizzata la distanza della collina (punto 4 sul grafico).

5) Ultimo picco utile – Questo metodo è simile al secondo ma in questo caso si sceglie il valore più distante. Questo criterio è utile quando si cerca di rilevare un bersaglio parzialmente oscurata da sterpi o boscaglia. Nel nostro esempio sarebbe stata visualizzata la distanza della collina (punto 5 sul grafico).

Purtroppo nessuno degli approcci è quello ideale in ogni situazione. Anche se, nel nostro caso, il metodo 3 ha successo nel fornire la distanza del bersaglio, esistono altri scenari in cui il criterio del “picco più alto” non produrrebbe il risultato corretto, ad esempio, considerando un bersaglio non sufficientemente riflettente o non perpendicolare alla linea di osservazione.
 

Il telemetro laser PCE LRF-600

Commercializzato dalla PCE-Italia, azienda leader nella distribuzione di prodotti innovativi e di alta tecnologia nell’ambito della misura di precisione, il telemetro PCE LRF-600 risulta leggero, maneggevole e facilmente trasportabile. Dotato di un laser sicuro in classe 1 e di ottica ad ingrandimento fisso 6x, questo telemetro misura la distanza in modo immediato ed accurato.

A seguire elenchiamo le specifiche fornite dal costruttore:

 
Lo scatolo in cui arriva lo strumento contiene: il telemetro, una custodia in tessuto per riporre e trasportare lo strumento, la batteria formato CR2 da 3V e una pezzuola per la pulizia delle lenti. Il telemetro è molto compatto (sta comodamente nel palmo della mano) ed è dotato di bracciale antiscivolo, sulla cassa plastica di colore nero opaco trovano posto il coperchio del comparto batteria e due pulsanti: il tasto MODE per selezionare la modalità di funzionamento ed il tasto ON/ADJ per accendere lo strumento ed effettuare la misurazione.

 
Le modalità di rilevazione possibili sono quattro: quella preimpostata all’accensione, adeguata nella maggior parte dei casi; RAIN in caso di pioggia; REFL con cattive condizioni di visibilità ad esempio con nebbia; >150 per rilevazioni a distanze superiori ai 150m (le riflessioni di oggetti a distanza inferiore verranno ignorate; es. arbusti, rami, ecc).

 
Oltre alla visualizzazione del reticolo di puntamento e della distanza rilevata (in metri o yards mantenendo premuto il tasto MODE), sul display dello strumento vengono mostrate informazioni addizionali come: la modalità di funzionamento selezionata, la qualità della rilevazione effettuata (intensità del segnale riflesso), l’attivazione del laser e l’eventuale segnalazione di batteria scarica. Mantenendo premuto il pulsante di emissione del fascio, il telemetro effettuerà la rilevazione in modo continuo, fornendo quindi dinamicamente l’informazione sulla distanza (bersaglio in movimento o mutamento del punto traguardato). Lo strumento si spegne automaticamente dopo 15 secondi di inattività.

 

Le nostre prove

Pensando di impiegare il telemetro per tiri con carabina sino a 300 metri, le nostre prove si sono prevalentemente svolte su questa distanza, verificando comunque l’affidabilità dello strumento anche a lunghissimo e brevissimo raggio al fine di testare gli estremi di funzionamento dichiarati dal costruttore (15÷600m).

Come intervallo di misura abbiamo acquisito abbastanza agevolmente valori tra 10 e 450 metri. Per quanto riguarda l’accuratezza dello strumento, a seguire vengono mostrati due grafici di dispersione per 30 rilevazioni consecutive, senza appoggio, rispettivamente a 250 e 350 metri (la linea rossa sul grafico rappresenta la distanza esatta, la linea verde è invece la media delle rilevazioni). Come bersagli sono stati usati dei rettangoli di lamiera dipinti di bianco da 60x60cm in condizioni di visibilità ottima e piena luce solare (arbusti e cespugli sparsi in prossimità dei bersagli).

 
Così come è possibile stimare dai grafici, le rilevazioni sono molto accurate con errore mediamente inferiore allo 0,5% e comunque mai superiore all’1,2%. La deviazione standard risulta di circa 1m per le misure a 250m e poco oltre 1,5m per quelle a 350m.
 

Conclusioni

Il telemetro laser è di fatto un concentrato di tecnologia e precisione oggi disponibile a qualunque tiratore. Tra i telemetri laser, il PCE LRF-600, nonostante abbia caratteristiche simili ai modelli entry level di marche magari più note nel settore del tiro con carabina, risulta sicuramente il più economico, garantendo comunque prestazioni a parer nostro comparabili. La luminosità dell’ottica è buona così come l’accuratezza di misura; mancano alcune funzioni in alcuni casi utili come l’inclinometro e l’illuminazione del reticolo ma, tutto sommato, questo telemetro è forse tra i più economici entry-level reperibili sul mercato per distanze sino a 450m.

 
 
Riferimenti sezione teorica:

• Pulsed laser distance meters – RIEGL application note
• Rangefinder reviews – Precisionrifleblog.com
• Wikipedia – enciclopedia libera su web
• Telemetri ottici – politecnico di Milano
• Telemetria laser – laboratorio centro ricerche ENEA

 

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