Elektro Optik Hedefleme Sistemi (Electro-Optical Targeting System - EOTS), bir hedefin optik, kızılötesi veya çoklu spektral bantlarda algılanması, izlenmesi, takip edilmesi, konumlandırılması ve gerektiğinde angajman süreçlerinin desteklenmesi amacıyla kullanılan entegre bir algılama ve işleme platformudur. Bu sistemler; elektro-optik sensörler, kızılötesi (IR) kameralar, lazer telemetreler, stabilizasyon platformları, doğrusal olmayan kontrol yapıları, gimbal mekanizmaları ve gelişmiş görüntü işleme algoritmalarından oluşan çok bileşenli bir mimariye dayanır. Modern EOTS yapıları, hem insanlı hem insansız hava araçlarında, kara ve deniz platformlarında, sınır güvenliği kulelerinde, hava savunma sistemlerinde ve hassas mühimmatlarda kritik işlevler üstlenir.
Bu sistemlerin temel amacı, hedefi yüksek doğrulukla tespit etmek, konumunu sürekli izlemek ve platformun hareketinden bağımsız olarak görüntüyü kararlı bir şekilde işleyebilmektir. Gerek optik gerekse kızılötesi bantlarda çalışan sensörlerin bir arada kullanılması sayesinde, hem gündüz hem de gece koşullarında, zorlu meteorolojik şartlarda dahi hedefleme yeteneği elde edilir.
Tarihçe
Elektro-optik hedefleme sistemlerinin kökeni, 20. yüzyılın ortalarında geliştirilen sineteodolit (cinetheodolite) tabanlı izleme sistemlerine dayanır. İlk EO platformları, uçuş testlerinde uçakların yörüngesini kaydetmek amacıyla kullanılan mekanik-optik kamera düzeneklerinden oluşuyordu. Bu sistemlerde hedef, optik merceklerle görüntüleniyor, görüntü plakası veya film üzerinden manuel ölçümler yapılıyordu. 1950’li ve 1960’lı yıllarda elektro-optik sensörlerin, özellikle düşük ışık seviyelerinde çalışan tüp tabanlı görüntü yoğunlaştırıcıların kullanılmaya başlamasıyla hedef takibi otomatikleşmeye başladı. Ardından kızılötesi sensörlerin geliştirilmesi, gece koşullarında hedef tespiti ve ısı imzası analizi gibi kabiliyetleri ortaya çıkardı.
1970 ve 1980’lerde gimbal tabanlı stabilizasyon sistemlerinin yaygınlaşması, hareketli platformlarda hassas takip yapılmasının önünü açtı. Bu dönemde, lazer telemetrelerin ve lazer işaretleyicilerin platformlara entegrasyonu, hassas mühimmatlar ile uyumlu çalışan modern hedefleme podlarının ortaya çıkmasını sağladı. 2000’li yıllardan itibaren dijital görüntü işleme, yüksek çözünürlüklü dedektör teknolojileri, soğutmalı IR sensörleri ve uyarlamalı kontrol yöntemlerinin gelişmesiyle EOTS platformları daha kompakt, daha hızlı ve daha hassas hale geldi. Günümüzde EOTS, çok bantlı (EO/IR), çok modlu (geniş FOV, dar FOV, takip modu), yüksek doğruluklu konumlandırma yapabilen sofistike bir mühendislik alanını temsil etmektedir.
Çalışma Prensipleri
Elektro optik hedefleme sistemlerinin çalışma prensibi, optik fiziği, sensör teknolojisi, kontrol mühendisliği ve sayısal görüntü işleme disiplinlerinin bir araya geldiği bütünleşik bir yapıya dayanır. Temel süreç, elektromanyetik spektrumun görünür ve kızılötesi bantlarında yayılan ışınımın optik alt sistem tarafından toplanması, uygun filtrelerden geçirilmesi ve sensör yüzeyine yönlendirilmesiyle başlar. Optik birim tarafından toplanan ışık, mercek grupları veya yansıtıcı optik bileşenler aracılığıyla odaklanır ve hem spektral özellikleri hem de uzamsal dağılımı korunacak şekilde sensör düzlemine iletilir. Bu aşamada kullanılan optik mimarinin tasarımı, sistemin algılama performansı üzerinde belirleyici rol oynar; çift görüş alanına sahip optik düzenekler, geniş alan kapsaması ile dar açılı yüksek çözünürlük arasında hızlı geçiş yapabilmeyi sağlar. Ortak açıklık tasarımlarında ise hem görünür spektrum hem de kızılötesi sensörlerin aynı optik açıklığı paylaşması sayesinde sistem kompaktlaşırken hizalama hataları azalır.
Optik birimden geçen ışık, sensör düzlemi üzerinde fotoelektrik dönüşüme uğrar ve böylece fiziksel ışınım, analog elektrik sinyallerine dönüştürülür. Görsel spektrumda çalışan CCD veya CMOS sensörler, foton yoğunluğuna bağlı olarak gerilim ya da akım üretirken, kızılötesi algılamada kullanılan soğutmalı dedektörlerde foton enerjisinin malzeme yapısında yarattığı değişimler ölçülür. Soğutmasız mikrobolometreler ise sıcaklık değişimlerine duyarlı direnç elemanlarının tepkisini kullanarak ısı dağılımını izler. Üretilen analog sinyaller, sayısal işleme uygun hâle getirilebilmek amacıyla analog-sayısal dönüştürücülerden geçirilir ve böylece her piksel belirli bir sayısal değeri temsil eder.
Sayısallaştırılmış görüntü, veri işleme birimi tarafından gerçek zamanlı olarak işlenir; bu aşamada gürültü azaltma, kontrast iyileştirme, hareket telafisi ve sahne stabilizasyonu gibi ön işlemler uygulanır. Özellikle hareketli platformlarda görüntünün kararlı kalması, optik verinin doğrudan işlenmesini mümkün kılan en kritik unsurlardan biridir. Bu nedenle sistem, platformun ivme ve dönüş hareketlerinden kaynaklanan görüntü kaymalarını gidermek için atalet ölçüm birimlerinden alınan verileri kullanır ve optik hattı stabil tutacak şekilde gimbal mekanizmasını sürekli olarak yeniden ayarlar. İvmeölçer ve jiroskoplar tarafından sağlanan bilgiler, kapalı çevrim kontrol algoritmalarıyla yorumlanır; servo sürücüler, hata sinyallerine anında tepki vererek görüş hattını platform hareketlerine rağmen sabitler. Bu süreçte, özellikle sürtünme ve mekanik boşluk gibi doğrusal olmayan etkiler, uyarlamalı kontrol veya kayma kipli kontrol gibi gelişmiş yöntemlerle telafi edilir. Bu telafinin başarısı, hedef görüntüsünün kareler arasındaki sürekliliğini ve netliğini doğrudan etkiler.
Görüntünün stabil hâle getirilmesinden sonra hedef tespitine yönelik daha üst düzey işlemler devreye girer. Sistem, sahne içindeki potansiyel hedefleri belirlemek için spektral özellikler, ısı imzaları, kenar yapıları ve hareket kalıplarını analiz eder. Bu süreçte hem geleneksel görüntü işleme yöntemleri hem de modern öğrenme tabanlı yaklaşımlar kullanılabilir. Tespit edilen hedefin, görüntü çerçevesi içerisindeki konumu belirlendikten sonra takip mekanizması devreye girer ve sistem, hedefin her yeni karede güncellenen pozisyonunu tahmin eder. Platform ve gimbal hareketlerinden kaynaklanan ani perspektif değişimlerinin takibi bozmasını önlemek için tahmine dayalı teknikler ve global hareket telafisi yöntemleri kullanılır. Eşzamanlı olarak hedef penceresi sürekli olarak yeniden optimize edilir; böylece hedef geçici olarak örtülse veya kontrastı düşse bile izleme işlemi mümkün olduğunca kesintisiz devam eder.
Hedefin takibi yapılırken, konumlandırma süreci de görüntü hattının geometrisine bağlı olarak yürütülür. Tek bir EOTS platformu üzerinde çalışılıyorsa sistem, platformun coğrafi konumu, gimbal açıları ve hedef hattı geometrisi üzerinden hedefin konumunu çıkarır. Eğer lazer telemetre bulunuyorsa, mesafe ölçümü doğrudan yapılır ve hedef koordinatlarının doğruluğu önemli ölçüde artar. Birden fazla EOTS istasyonunun kullanıldığı senaryolarda ise her istasyonun görüş hattı vektörleri birleştirilerek üçgenleme yöntemiyle hedefin üç boyutlu konumu yüksek doğrulukla hesaplanır. Bu yapı özellikle uçuş test mühendisliğinde, füze izleme menzillerinde veya çok istasyonlu gözetleme ağlarında kritik bir rol oynar.
Bu bütünsel süreç, elektro optik hedefleme sistemlerinin temel çalışma prensibini oluşturur. Işığın optik birimler tarafından toplanmasıyla başlayan, sensörlerde sayısallaştırılmasıyla devam eden ve gelişmiş kontrol-donanım mimarileriyle desteklenen bu zincir, hedef tespitinden konumlandırmaya kadar kesintisiz bir akış sunar. Elde edilen verinin gerçek zamanlı işlenebilmesi ve görüş hattının platformdan bağımsız biçimde kararlı tutulabilmesi, EOTS’nin hem askeri hem sivil görevlerde yüksek güvenilirlikle çalışmasını sağlayan temel mekanizmalardır.
Elektro Optik Hedefleme Sistemi Çalışma Prensibi Şeması (Fotoğraf: Beyza Nur Türkü)
Sistem Mimarisi ve Temel Bileşenler
Elektro Optik Hedefleme Sistemlerinin mimarisi, birbirleriyle senkronize çalışan optik, elektronik, mekanik ve yazılımsal bileşenlerden oluşan çok katmanlı bir yapıdır. Bu mimari, hem görüntünün fiziksel olarak toplanması hem de bu verinin işlenerek hedef tespiti, takibi ve konumlandırma gibi işlevlere dönüştürülmesi için tasarlanmıştır. Sistem, sensörlerden kontrol algoritmalarına, gimbal mekanizmalarından optik açıklıklara kadar geniş bir yelpazede bileşen içerdiğinden, her bir alt birim bütünün performansını doğrudan belirler.
Optik Sistem ve Görüş Alanı Mekanizmaları
Optik sistem, gelen elektromanyetik dalgaların uygun şekilde yönlendirilmesi, filtrelenmesi ve odaklanması için tasarlanmış yüksek hassasiyetli bir alt yapıdır. Bu yapı; mercek grupları, yansıtıcı-optik elemanlar, diyaframlar, band geçiren filtreler, kızılötesi camlar, prizmatik parçalar ve görüş alanı değiştirme düzeneklerini içerir. Elektro optik sistemlerde kullanılan optikler, hem görünür ışık hem de kızılötesi bantlarda çalışabilecek şekilde özel malzemelerden üretilir. Silikon, germanyum, çinko selenid veya safir gibi kızılötesi geçirgen malzemeler, IR kameraların odaklama ihtiyaçlarını karşılar.
Çoğu modern EOTS, çift görüş alanı (dual FOV) prensibiyle çalışır. Geniş görüş alanı, sahnenin genel yapısını ve hareketli hedeflerin tespitini sağlar. Dar görüş alanı ise yüksek yakınlaştırmayla takip ve teşhis görevlerinde kullanılır. Bu geçişler, optik mekanizmada yer alan hareketli lens grupları veya döner prizma yapılarıyla gerçekleştirilir. Bazı sistemlerde ortak açıklık (common aperture) yaklaşımı benimsenmiştir; bu yapıda hem EO hem IR kanallar aynı optik açıklığı paylaşır. Böylece fiziksel boyut küçülür, sistem ağırlığı azalır ve hizalama hataları minimize edilir.
Elektro-Optik ve Kızılötesi Sensörler
Sensörler, sistemin göz görevini üstlenir ve optik bilgiyi elektriksel sinyale dönüştürür. Bu sensörler genel olarak iki kategoriye ayrılır.
Görsel Spektrum Sensörleri (EO)
Görünür ışık kameraları, çoğunlukla CCD veya CMOS yapısında olup yüksek çözünürlüklü, geniş dinamik aralıklı görüntüler üretir. Gündüz koşullarında en net görüntüyü bu sensörler sağlar. Monokrom yapıda olanlar düşük ışıkta daha yüksek başarı gösterirken, renkli sensörler hedef tanımlamada avantaj sunar.
Kızılötesi Sensörler (IR)
Kızılötesi sensörler, hedefin ısı dağılımını algılayarak görsel olarak görünmeyen unsurların bile tespit edilmesini sağlar. Soğutmalı IR sensörler (MWIR/LWIR), yüksek algılama hassasiyetine sahiptir. Uzun mesafeli askeri sistemlerde tercih edilir. Soğutmasız mikrobolometreler, daha kompakt ve enerji açısından verimlidir. Hafif platformlarda yaygındır.
Her bir IR sensörü, belirli dalga boylarına duyarlıdır. MWIR, sıcak hedeflerin parlak şekilde görünmesini sağlarken LWIR, düşük sıcaklık farklarının belirginleştirilmesinde etkilidir.
Gimbal Mekanizması ve Hareket Kontrolü
Gimbal, elektro optik hedefleme sisteminin fiziksel olarak yönelim kabiliyetini belirleyen mekanik platformdur. Sistem çoğunlukla iki eksenli (pan-tilt) yapıdadır; ancak bazı özel çözümlerde üçüncü bir eksen veya bağımsız stabilize hatlar kullanılabilir. Gimbal mekanizmasının temel görevleri görüş hattını istenen yöne yönlendirmek, platform hareketlerini telafi ederek görüntüyü sabit tutmak ve hedef takibi için gereken açısal manevraları gerçekleştirmektir.
Gimbal tasarımında en büyük mühendislik zorlukları sürtünme, boşluk (backlash), dişli hassasiyeti, titreşim ve yüksek dinamik koşullardır. Bu nedenle gelişmiş servo motorlar, hassas enkoderler ve tork kontrollü sürücüler kullanılır. Kontrol sistemi, gimbalın gerçek zamanlı açısal konumunu takip eder ve hedef ile görüş hattı arasındaki açısal farkı minimize eder.
Stabilizasyon ve Atalet Ölçüm Birimi (IMU)
Hareketli platformlarda, özellikle hava araçlarında, görüntünün kararlı kalması kritik öneme sahiptir. Bu nedenle EOTS mimarisinde stabilizasyon alt sistemi merkezi bir bileşendir. Stabilizasyon, platformun ivme ve açısal hız bilgilerini analiz ederek optik hattı sürekli olarak düzeltir.
Stabilizasyonun temel bileşenleri başlıca IMU, kapalı çevrim kontrol mekanizmaları, servo sürücüler ve sürtünme telafisi algoritmalarıdır. IMU; jiroskop ve ivmeölçerler içerir, platformun altı eksendeki hareketini algılar. Kapalı çevrim kontrol mekanizmaları; IMU verisini yorumlayarak hata sinyali üretir. Servo sürücüler; gimbal motorlarını komut sinyallerine göre çalıştırır. Sürtünme telafisi algoritmaları, sistem histerezis, Coulomb sürtünmesi ve titreşim kaynaklı hataları minimize eder. Bu yapı sayesinde platform sert manevralar yapsa bile optik görüntü akıcı ve sabit görünür.
Lazer Telemetre ve Lazer İşaretleyici
Lazer telemetre (LRF), hedef ile sistem arasındaki mesafeyi hassas şekilde ölçmek için kullanılır. Lazer ışını hedefe gönderilir, yansıyan sinyalin geri dönüş süresi ölçülür ve mesafe hesaplanır. Elektro optik sistemlerin çoğunda kullanılan bu yöntem, üç boyutlu konumlandırmada doğruluğu belirgin biçimde artırır.
Lazer işaretleyici ise yönlendirilebilir lazer hüzmesi oluşturarak hassas güdümlü mühimmatlar için hedef işaretlemesi yapar. Lazer işaretlemeli mühimmatlar, yansıyan lazer ışığına kilitlendiğinden EOTS, hedef tespiti ile angajman arasında kritik bir köprü kurar.
Veri İşleme Birimi ve Sayısal Görüntü İşleme Modülü
Elektro optik sistemlerden akan yüksek çözünürlüklü veri, gerçek zamanlı işleme gerektirir. Bu nedenle veri işleme birimi, modern gömülü işlemciler, GPU hızlandırıcıları ve paralel hesaplama mimarilerini bir arada kullanır. Veri işleme biriminin görevleri; ham sensör görüntüsünü işlenebilir hale getirmek, gürültü azaltma ve kontrast iyileştirme, sahne stabilizasyonu ve görüntü senkronizasyonu, hedef tespiti, takibi ve konumlandırma, birden fazla istasyon varsa verileri zaman damgasına göre eşleştirme, triangulation, optik akış veya korelasyon analizleri gibi matematiksel işlemleri gerçekleştirmektir.
Veri işleme birimi optik verinin birkaç milisaniye içinde işlenmesini sağlar. Gerçek zamanlılık gereksinimi nedeniyle algoritmalar genellikle optimize edilmiş C/C++ kütüphaneleri, FPGA hızlandırıcıları veya paralel işlemcilerle desteklenir.
Mekanik Yapı, Gövde ve Çevresel Koruma
EOTS platformunun dış gövdesi, sensörleri çevresel koşullardan korumak amacıyla yüksek dayanımlı, hafif ve termal olarak stabilize malzemelerden üretilir. Bu malzemeler; güneş radyasyonu, yağmur, rüzgâr, titreşim, buzlanma ve yüksek hızda hava akımına karşı koruma sağlar. Gövde yapısında titreşim azaltıcı bağlantılar, ısı transferini düzenleyen termal iletken yüzeyler, toz ve nem izolasyonu, yoğun ışık parlamasını azaltan kaplamalar bulunur. Özellikle kızılötesi sensörlerin sağlıklı çalışabilmesi için termal stabilite kritik önem taşır.
Hedef Tespiti, Takibi ve Konumlandırma
Elektro optik hedefleme sistemlerinde hedef tespiti, takibi ve konumlandırması, optik verinin fiziksel elde edilmesinden sayısal işlenmesine, görüntü tabanlı analizden geometrik konum çözümüne kadar uzanan çok aşamalı bir sürecin sonucudur. Bu süreç, sensörlerin sağladığı ham görüntünün işlenmesiyle başlar; hedefin sahne içerisindeki konumunun belirlenmesi, zamansal sürekliliğinin korunması ve nihayetinde iki boyutlu görüntü koordinatlarının üç boyutlu uzaysal koordinatlara dönüştürülmesiyle devam eder. Her aşama, elektro optik sistemin görev performansını doğrudan etkilediğinden yüksek doğruluk, kararlılık ve gerçek zamanlılık gereksinimleriyle yürütülür.
Hedef tespitinin ilk aşaması sahnenin analiz edilmesidir. Görüntü, sensörün özelliklerine bağlı olarak görünür spektrumda veya kızılötesi bantlarda elde edildiğinden, her bant hedefin farklı fiziksel özelliklerini öne çıkarır. Görünür banttaki tespit çoğunlukla kontrast, kenar yapısı, siluet ve doku özelliklerine dayanırken, kızılötesi tespit hedefin ısı imzası ve çevre ile arasındaki termal fark üzerinden yapılır. Görüntü işleme modülü, sahnenin genel parlaklık ve kontrastını normalize ederek tespit işlemini kolaylaştırır. Bu aşamada gürültü azaltma, histogram eşitleme, düşük seviyeli kenar belirleme ve hareket temelli bölge çıkarımı gibi temel görüntü işleme teknikleri devreye girer. Hareketli hedeflerin bulunduğu durumlarda, ardışık kareler arasındaki zamansal fark analizleri kullanılarak arka planın sabit bileşenleri çıkarılır ve sadece değişen bölgeler ön plana alınır. Bu yöntem özellikle yüksek yakınlaştırmalı dar görüş alanı modlarında, platform hareketine bağlı görüntü kaymaları kontrol mekanizması tarafından telafi edildikten sonra etkin çalışmaktadır.
Tespitten sonra sistem, hedefin görüntü düzlemindeki konumunun doğrulanması ve çevresel gürültüden ayrıştırılması için daha gelişmiş tekniklere başvurur. Şablon eşleme yaklaşımı, hedefin karakteristik bir görüntüdesinin oluşturulması ve her karede bu yapının korelasyon tabanlı olarak aranması esasına dayanır. Optik akış yöntemleri ise piksellerin ardışık karelerdeki hareket vektörlerini tahmin ederek hedefin kayma hızını belirler. Derin özellik çıkarımı temelli yöntemler ise özellikle karmaşık sahnelerde veya düşük kontrastlı hedeflerde daha başarılı sonuçlar sunar. Bu yapısal özelliklerin bir araya getirilmesiyle sistem, sahnedeki hedefi diğer nesnelerden ayırıp tekil bir izleme penceresi oluşturur. Bu pencere, takip sürecinin temel girdisidir.
Takip aşamasında temel amaç, hedefin görüntü düzlemi üzerindeki konumunu zaman boyunca sürekli olarak güncellemektir. Ancak yüksek dinamikli platformlarda, görüntü penceresi sürekli hareket ettiğinden, takip algoritmalarının salt piksel farkına dayalı olarak çalışması çoğu durumda yetersiz kalır. Bu yüzden elektro optik sistemlerde hedef takibi, hem sahnedeki yerel hareketi hem de platformun global hareketini dikkate alan iki aşamalı bir yaklaşım ile gerçekleştirilir. Platform hareketi stabilizasyon alt sistemi tarafından büyük ölçüde telafi edilse bile, sahne genelinde meydana gelen perspektif değişiklikleri, ani pan-tilt geçişleri ve titreşim kaynaklı bozulmalar takip algoritmalarının kararlılığını etkileyebilir. Bu nedenle tahmine dayalı modeller, özellikle de hareket dinamiklerini öngören filtreleme yöntemleri (örneğin Kalman filtresi veya parçacık filtreleri), hedefin kısa süreli kaybolduğu veya görüntü kalitesinin düştüğü durumlarda sürekliliği sağlar.
Takip sırasında sistem, hedefin görüntü penceresini sürekli yeniden ölçeklendirir ve optimize eder. Hedef çok hızlı hareket ettiğinde veya hedef ile kamera arasındaki mesafe önemli ölçüde değiştiğinde, hedefin görüntüdeki boyutunun değişmesi kaçınılmazdır; bu nedenle ölçek duyarlı takip mekanizmaları kullanılır. Ayrıca hedefin görsel görünümünün ışık değişimleri, kısmi örtülmeler veya arka planın benzerliği nedeniyle değişmesi durumunda uyarlamalı şablon güncellemesi yapılır. Bu sayede sistem, hedefin özelliklerini sürekli yeniden öğrenerek izleme başarısını artırır.
Gimbal + IMU + Lazer Entegre Operasyon Şeması (Fotoğraf: Beyza Nur Türkü)
Takip işleminin geometrik boyutu, yani hedefin üç boyutlu konumlandırılması hedefleme sisteminin en kritik işlevlerinden biridir. Tek bir EOTS platformu kullanılıyorsa hedefin konumunun belirlenmesi, platformun bilinen coğrafi konumu, yönelimi ve gimbal açıları ile hedef hattı arasındaki açısal ilişkiye dayanır. Bu yöntemde, görüntü düzlemindeki hedef koordinatları optik eksene göre bir görüş hattı vektörüne dönüştürülür ve platformun konumuyla birlikte üç boyutlu uzayda yönlendirilmiş bir ışın oluşturur. Bu ışın boyunca hedefin mesafesi bilinmiyorsa konum doğruluğu sınırlı olacaktır; bu nedenle lazer telemetre devreye girerek gerçek mesafeyi sağlar. Böylece hedefin tam üç boyutlu koordinatı yüksek doğrulukla hesaplanır.
Birden fazla EOTS istasyonunun kullanıldığı durumlarda konumlandırma işlemi çok daha hassas hâle gelir. Her sistem kendi görüş hattı vektörünü üretir. Bu vektörlerin kesişim noktası, hedefin üç boyutlu konumunu belirler; bu yöntem üçgenleme (triangulation) olarak bilinir. Triangulation işleminin doğruluğu, istasyonlar arasındaki açısal farkın büyüklüğüne, zaman senkronizasyonunun hassasiyetine ve her bir sistemin görüş hattı ölçümündeki hatanın küçüklüğüne bağlıdır. Modern elektro optik izleme menzilleri, zaman damgalı yüksek hızlı kayıt altyapıları sayesinde bu süreci milisaniye hassasiyetinde gerçekleştirir.
Hedef tespiti, takibi ve konumlandırılması sürecinin tüm bileşenleri birlikte değerlendirildiğinde elektro optik hedefleme sistemleri, optik fizik, görüntü işleme, kontrol mühendisliği ve uzaysal geometriyi bütünleştiren ileri seviye bir mühendislik yapısı ortaya koyar. Hedef tespiti sahnenin analizini, takip sahnenin dinamik değişimlerine adaptasyonu ve konumlandırma ise görüntü düzleminden uzaysal koordinatlara geçişi temsil eder. Bu üçlü yapı sistemin operasyonel başarısını belirleyen temel unsurdur.
Kontrol Mekanizmaları ve Stabilizasyon Algoritmaları
Elektro optik hedefleme sistemlerinde kontrol mekanizmaları ve stabilizasyon algoritmaları, sistemin hem platformun dinamiklerine uyum sağlamasını hem de görüş hattını yüksek doğrulukla sabitlemesini sağlayan temel mühendislik bileşenleridir. Hareketli platformlarda çalışan EOTS mimarileri için en büyük problem, platformun ivme, titreşim, aerodinamik yük ve yapısal esneme gibi bozucu etkiler altında bile hedef görüntüsünün kararlı tutulmasıdır. Bu nedenle kontrol altyapısı oldukça kritik bir bileşendir. Sistem, hem gimbal hareketinin kapalı çevrim kontrolünü hem de platform hareketlerinden kaynaklanan hataların gerçek zamanlı telafisini içeren hiyerarşik bir yapı üzerine kuruludur.
Gimbal Kontrol Döngüsü - Ana Kapalı Çevrim Şeması (Fotoğraf: Beyza Nur Türkü)
Stabilizasyon süreci, platformun gerçek zamanlı hareket bilgisini sağlayan atalet ölçüm birimiyle başlar. IMU’de yer alan jiroskoplar açısal hızları, ivmeölçerler ise doğrusal ivmeleri algılar. Bu veriler, sistemin platformun hangi eksenlerde ve hangi büyüklükte hareket ettiğini anlamasını sağlar. IMU çıktıları doğrudan gimbal kontrol katmanına aktarılır ve görüş hattındaki kaymanın tahmini yapılır. Gimbal kontrolcüsü, platform hareketinin optiğe yansımaması için gerekli düzeltme komutlarını üretir. Örneğin, hava aracı ani bir yatış hareketi yaptığında IMU bunu algılar ve gimbal, eş zamanlı olarak ters yönde bir düzeltme hareketi gerçekleştirir. Bu sayede görüntüde kayma meydana gelmez. Bu mekanizma, adeta platforma karşı sürekli çalışan ikinci bir “dengeleyici” görevini üstlenir.
Bu dengeleme sürecinde kullanılan kontrol algoritmaları genellikle çok katmanlıdır. Temel katmanda klasik PID kontrolü bulunur. PID kontrol, gimbal motorlarına gönderilen komut sinyallerinin hedeflenen açıya ulaşmasını sağlar. Oransal bileşen anlık hatayı düzeltirken, integral bileşen kalıcı hataları giderir ve türevsel bileşen sistemin ani değişimlere karşı daha hızlı tepki vermesini sağlar. Ancak EOTS gibi yüksek dinamikli ortamlarda PID kontrolü tek başına yeterli değildir; zira mekanik sürtünme, dişli boşluğu, histerezis ve aerodinamik etkiler doğrusal olmayan davranışlara neden olur.
Çok Katmanlı Kontrol Mimarisi Şeması (Fotoğraf: Beyza Nur Türkü)
Bu nedenle daha gelişmiş kontrol yaklaşımları devreye girer. Uyarlamalı kontrol yöntemleri, sistem parametrelerinin zamanla değişebileceği varsayımıyla çalışır. EOTS gibi bir mekanik yapıda sürtünme katsayıları, sıcaklık değişimleri ve yük dağılımları zaman içinde farklılaşabilir. Uyarlamalı kontrol, sistem parametrelerini gerçek zamanlı izleyip kontrol kazançlarını buna göre günceller. Böylece sistem performansı her koşulda korunur.
Bir başka önemli yaklaşım kayma kipli kontroldür. Kayma kipli kontrol, özellikle ani bozucu etkilerin yoğun olduğu, titreşim ve aerodinamik yüklerin sıkça değiştiği ortamlarda yüksek kararlılık sağlar. Bu kontrol yöntemi hatayı belirli bir yüzeye (sliding surface) zorla getirir ve hatanın bu yüzey üzerinde tutulmasını garanti eder. Son derece hızlı bir tepki süresi vardır ve doğrusal olmayan sürtünme ve yük değişimlerine karşı dayanıklıdır. Özellikle gimbal eksenlerinde, sistemin hız ve pozisyon kontrolünde yaygın şekilde kullanılır. Kayma kipli kontrolün en büyük avantajı, sistemin model belirsizliklerine karşı duyarlılığının düşük olmasıdır; yani gimbal mekanizmasının matematiksel modeli tam doğru olmasa bile kontrol etkili biçimde çalışmaya devam eder.
Son yıllarda elektro optik sistemlerde sonlu zamanda yakınsak kontrol yaklaşımları da yaygınlaşmıştır. Bu yöntemde amaç, sistemin hata değerini sadece küçültmek değil, aynı zamanda belirli bir süre içerisinde kesin olarak sıfırlamaktır. Bu yapı özellikle hızlı hedef takibi gerektiren senaryolarda, örneğin yüksek hızla hareket eden bir füze veya insansız hava aracının izlenmesinde avantaj sağlar.
Kontrol mekanizmaları yalnızca gimbalın yönelimini düzenlemekle sınırlı değildir; aynı zamanda sürtünme modellemesi ve telafisi de kritik bir rol oynar. Mekanik platformlarda sürtünme, gecikme ve titreşime neden olur. Bu doğrusal olmayan davranışlar, özellikle düşük hızlarda “stick-slip” adı verilen mikroskobik yapışma-kayma hareketlerine yol açar ve görüntüde titreşim hissi olarak algılanır. Modern EOTS platformları bu problemi çözmek için fizik tabanlı sürtünme modelleri kullanır. LuGre sürtünme modeli en sık kullanılanlardan biridir; sürtünmenin hız, konum ve yüzey etkileşimlerine bağlı değişimini matematiksel bir çerçevede tarif eder. Bu model kontrol algoritmasına entegre edildiğinde sistem, sürtünmeyi gerçek zamanlı olarak tahmin eder ve telafi eder. Böylece gimbal hareketleri daha akıcı hâle gelir ve görüntüdeki mikro titreşimler ortadan kalkar.
Stabilizasyon algoritmalarının bir diğer boyutu da hareket kestirimidir. Platformun ilerleyen saniyelerdeki hareketi IMU verileri ve geçmiş gimbal komutlarından yola çıkarak tahmin edilir. Bu yöntem, kontrol sisteminin reaksiyon süresini azaltır; gimbal sadece mevcut hataya tepki vermek yerine yaklaşan hatayı öngörerek hazırlık yapar. Bu sayede hem stabilizasyon iyileşir hem de hedef takip algoritmaları daha tutarlı çalışır.
Tüm bu kontrol ve stabilizasyon mekanizmaları, görüntü işleme bölümünde yapılan hedef takibiyle entegre çalışır. Görüntü işleme algoritmaları hedefin kareler arasındaki konumunu belirlerken, kontrol sistemi bu hedefi merkezde tutacak şekilde gimbal eksenlerini sürekli olarak ayarlar. Bu karşılıklı etkileşim sayesinde sistem, hem platformun hareketinden hem de sahnedeki hedefin bağımsız hareketinden kaynaklanan bozulmaları telafi eder. Görüntüdeki en küçük kaymalar bile kontrol mekanizmaları tarafından algılanıp düzeltilir.
Tam Entegre Stabilizasyon ve Takip Sistemi (Fotoğraf: Beyza Nur Türkü)
Kontrol mekanizmaları ve stabilizasyon algoritmaları, elektro optik hedefleme sistemlerinin güvenilirliğini ve doğruluğunu belirleyen en kritik bileşenlerden biridir. Gimbal kontrolü, sürtünme telafisi, uyarlamalı kontrol, kayma kipli kontrol ve sonlu zamanda yakınsak denetim gibi yöntemlerin birlikte kullanılması sayesinde sistem, yüksek dinamikli ortamlarda dahi hassas bir görüş hattı sağlar. Bu hassasiyet, hem hedef takibinin hem de konumlandırma algoritmalarının sağlıklı çalışması için zorunludur. Modern EOTS platformları bu nedenle “hareketli platformda sabit görüş hattı üretimi” konusunda mühendislik açısından en gelişmiş kapalı çevrim kontrol yapılarından birini barındırır.
Uygulama Alanları
Elektro optik hedefleme sistemleri, çok bantlı algılama yetenekleri, hassas stabilizasyon kabiliyeti ve gerçek zamanlı veri işleme yapıları sayesinde hem askeri hem sivil görevlerde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu sistemlerin kullanım alanları, platform türüne, görev ortamına ve operasyonel gereksinimlere bağlı olarak önemli ölçüde çeşitlenir. EOTS’nin temel avantajı, pasif çalışma prensipleri nedeniyle düşük iz bırakması ve geniş yelpazedeki elektromanyetik koşullarda görev yapabilmesidir. Bu nedenle modern muharebe sahaları, keşif görevleri, güvenlik operasyonları ve endüstriyel uygulamalar dahil olmak üzere çok geniş bir görev setinde tercih edilir.
EOTS’nin en yaygın kullanım alanı askerî platformlardır. İnsanlı ve insansız hava araçlarında elektro optik sistemler, hem keşif-gözetleme hem de hedef tespit ve angajman görevlerinde kritik görevler üstlenir. Hava-yer operasyonlarında EOTS, yer hedeflerinin hassas tespiti, sınıflandırılması ve işaretlenmesi için kullanılır. Görsel ve kızılötesi bantlardaki sensörler, hedeflerin termal imzalarını analiz ederek kamufle edilmiş, duman altında kalmış veya düşük görünürlüklü hedefleri bile belirleyebilir. Lazer işaretleyici ile eşleştirildiğinde, elektro optik sistem güdümlü mühimmatlara hedef koordinatlarını aktarır ve mühimmatın hedefe kilitlenmesini sağlar. Bu yapı, modern savaş uçaklarındaki hassas vuruş kabiliyetinin temel bileşenlerinden biridir.
Hava-hava görevlerinde EOTS, özellikle yakın menzilli angajmanlarda ve görüş içi hedefleme süreçlerinde önemli bir rol oynar. Kızılötesi bantta çalışan sensörlerle hava platformlarının motor ısı izleri belirlenebilir; bu sayede hedef uçak, füze veya insansız hava aracı görsel temas olmaksızın izlenebilir. Hava muharebelerinde pasif sensör kullanımının sağladığı düşük tespit edilebilirlik avantajı dikkate alındığında, elektro optik sistemler radar kullanımının riskli olduğu durumlarda kritik bir tamamlayıcı rol oynar.
İnsansız hava araçlarında EOTS, düşük ağırlık, enerji verimliliği ve çok modlu algılama kabiliyetleri nedeniyle birincil sensör sistemlerinden biridir. Keşif ve istihbarat görevlerinde, sınır gözetiminde, hedef işaretlemede ve hareketli hedeflerin uzun süreli takibinde kullanılır. Gelişmiş stabilizasyon algoritmaları sayesinde, küçük gövdeli ve titreşimli platformlarda bile net ve kararlı görüntüler elde edilir. Orta ve yüksek irtifa İHA’larda ise geniş alan gözetleme modları ile dar açılı takip modları arasında geçiş yapılabilir, aynı platform üzerinde hem stratejik hem de taktik seviyede takip görevleri icra edilir.
Düşük Görünürlüklü Elektro Optik Hedefleme Sistemi TOYGUN ve insansız savaş uçağı Bayraktar KIZILELMA (Baykar Teknoloji)
Kara platformlarında elektro optik hedefleme sistemleri, zırhlı araçlarda durum farkındalığını artırmak, hedef tespiti yapmak ve silah kuleleri ile entegre hedefleme sağlamak amacıyla kullanılır. Termal görüntüleme kabiliyeti sayesinde hem gece operasyonlarında hem de kötü meteorolojik koşullarda yüksek performans gösterir. Kule-stabilize EOTS’ler, hareket hâlindeyken bile hedefi merkezde tutar ve ateş kontrol sistemine gerekli verileri sağlar. Bu yetenek, modern zırhlı araçların “vur-kaç” ve hareketli ateş görevlerinde başarıyı belirleyen kritik faktörlerden biridir.
ASELSAN SARP EO Sistemi (Anadolu Ajansı)
Deniz platformlarında ise elektro optik sistemler, geniş görüş alanları ve yüksek çözünürlükleriyle yüzey hedeflerini, küçük süratli tekneleri, insansız deniz araçlarını ve tehdit unsurlarını izlemek için kullanılır. Deniz ortamının yarattığı dalga hareketleri, yansıma, tuzlu nem ve atmosferik kırınım gibi zorlayıcı koşullara rağmen EOTS, stabilizasyon ve filtreleme algoritmalarıyla kararlı bir görüntü sağlar. Kıyı güvenliği, liman gözetimi ve asimetrik tehditlere karşı kısa menzilli savunma görevlerinde de yoğun şekilde kullanılır.
ASELSAN Deniz EO Sistemi - DENİZGÖZÜ AHTAPOT (Anadolu Ajansı)
Sınır gözetim kuleleri ve sabit güvenlik sistemlerinde elektro optik hedefleme sistemleri, geniş menzilli keşif-gözlem görevlerinde kritik rol oynar. Günün her saatinde, insan hareketi, araç geçişi, sızma girişimi veya yasa dışı faaliyetleri tespit edip güvenlik birimlerine aktaran algılama mekanizmasının temel sensörüdür. Bu sistemlerde yüksek yakınlaştırma yeteneği, geniş alan tarama modları ve otomatik hedef algılama algoritmaları bir arada çalışır. Çoğu uygulamada EOTS, radar veya akustik sensörlerle birlikte kullanılarak çoklu sensör füzyonu ile daha yüksek doğruluk elde edilir.
Sivil alanda elektro optik sistemler, arama-kurtarma operasyonlarında kayıp kişilerin tespitinde, doğal afetlerde hasarın veya yangın yayılımının izlenmesinde, endüstriyel tesislerde ısı dağılımı analizinde ve kritik altyapıların güvenlik amaçlı gözetiminde önemli görevler üstlenir. Termal kameralar, görünür ışıkta kaybolan izleri tespit edebilme yetenekleri sayesinde özellikle orman yangını takibi, enerji hatlarının aşırı ısınma analizi ve gaz kaçağı gibi termal anomali yaratan durumların belirlenmesinde yüksek etkinlik sağlar.
Uçuş test mühendisliğinde elektro optik izleme sistemleri, hava araçlarının manevra performansının ve uçuş karakteristiklerinin incelenmesinde kullanılan temel sensör altyapısıdır. Yüksek hızlı kameralar ve çoklu EOTS istasyonları, uçuş araçlarının konumunu üçgenleme yöntemiyle yüksek doğrulukta belirler. Bu veriler, aerodinamik analizlerden kontrol sistemi validasyonlarına kadar geniş bir yelpazede kullanılır. Füze ve roket testlerinde ise EOTS, uçuş hattının gerçek zamanlı analizini sağlayarak hem emniyet hem de teknik değerlendirme süreçlerinin kritik bir parçası hâline gelir.
Elektro optik hedefleme sistemlerinin farklı operasyonel senaryolarda kullanılabilmesi, bu teknolojilerin uyarlanabilir bir mimariye sahip olduğunu göstermektedir. Modüler tasarım yaklaşımı, çeşitli sensör konfigürasyonlarının entegrasyonuna imkan tanıyarak EOTS'nin hem askeri hem de sivil uygulamalarda geniş bir kullanım alanı bulmasına olanak sağlar.
