CapÃtulo 2 : Lidar
Existe una técnica conocida como Lidar, que también se conoce como LIDAR, LiDAR o LADAR. Lidar es un acrónimo que significa "detección de luz y rango" o "imágenes, detección y alcance láser". Es una técnica que se utiliza para determinar rangos dirigiendo un rayo láser a un objeto o superficie y midiendo la cantidad de tiempo que tarda la luz reflejada en regresar al receptor. Es posible que el lidar funcione en una sola dirección, como vertical, o puede escanear en varias direcciones, en cuyo caso se denomina escaneo lidar o escaneo láser 3D, que es una combinación única de escaneo láser y escaneo tridimensional. Las aplicaciones para Lidar se pueden encontrar en tierra, en el aire y en dispositivos móviles.
Hay una variedad de usos para Lidar, que incluyen topografía, geodesia, geomática, arqueología, geografía, geología, geomorfología, sismología, silvicultura, física atmosférica, navegación láser, mapeo aéreo de franjas láser (ALSM) y altimetría láser. Lidar se utiliza a menudo para crear mapas de alta resolución. A través de la manipulación de las longitudes de onda de la luz, se utiliza para generar representaciones tridimensionales computarizadas de regiones en la superficie de la Tierra, así como del fondo oceánico en las zonas intermareales y cerca de las costas. Además, se ha utilizado con mayor frecuencia en el control y la navegación de vehículos autónomos, así como para el helicóptero Ingenuity durante sus vuelos récord a través de la topografía de Marte al mismo tiempo.
El LiDAR cuántico es una tecnología relativamente nueva que ha surgido como resultado del desarrollo de la tecnología cuántica. Funciona con un mayor nivel de eficiencia y sensibilidad que los sistemas LiDAR tradicionales.
En 1961, poco después de que se desarrollara originalmente el láser, Hughes Aircraft Company se convirtió en la primera empresa en producir un sistema similar al lidar. Esto se logró bajo la dirección de Malcolm Stitch. Este sistema empleó visión enfocada por láser junto con la capacidad de determinar distancias midiendo la cantidad de tiempo que tarda una señal en regresar utilizando los sensores necesarios y los circuitos de recopilación de datos. Su objetivo principal era facilitar el seguimiento por satélite. Cuando se introdujo por primera vez, se le conocía como "Colidar", que es un acrónimo que significa "detección y alcance de luz coherente". Este nombre se deriva de la frase "radar", que es un acrónimo de "detección y alcance por radio". Todos los telémetros láser, altímetros láser y unidades lidar se derivan de los primeros dispositivos colidar.
El "Colidar Mark II" fue el primer uso terrestre práctico de un sistema colidar. Era un gran telémetro láser que se asemejaba a un rifle y se fabricó en 1963. Tenía un alcance de 11 kilómetros y una precisión de 4,5 metros, y estaba destinado a ser utilizado para apuntar militarmente. "Eventualmente, el láser puede proporcionar un detector extremadamente sensible de longitudes de onda particulares de objetos distantes. Mientras tanto, se está utilizando para estudiar la Luna por 'lidar' (radar de luz)..." que fue la primera vez que el término "LIDAR" se utilizó como una palabra independiente en 1963. Esto sugiere que el término se originó como un acrónimo de las palabras "luz" y "radar".
Cuando se hace referencia a la determinación del alcance del espectro visible, el término "radar fotónico" se utiliza con frecuencia indistintamente con el término "lidar".
Lidar se utilizó inicialmente en el campo de la meteorología, concretamente en el Centro Nacional de Investigación Atmosférica, donde se utilizó para observar y cuantificar la nubosidad y los niveles de contaminación. Cuando los astronautas utilizaron un altímetro láser para mapear la superficie de la Luna durante la misión Apolo 15 en 1971, el público en general se dio cuenta de la precisión y utilidad de los sistemas lidar. Esta información se difundió al público en general.
A pesar de que el idioma inglés ya no considera "radar" como un acrónimo (es decir, ya no se escribe con mayúscula), la palabra "lidar" se escribió con mayúscula como "LIDAR" o "LiDAR" en varias publicaciones a partir de la década de 1980. Cuando se trata de mayúsculas, no hay consenso. Hay una serie de publicaciones que utilizan los términos "Lidar", "LiDAR", "LiDAR" o "Lidar" para referirse a Lidar. A veces, dentro del mismo documento, el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) utiliza tanto "LIDAR" como "lidar". El New York Times, por otro lado, usa "lidar" para los artículos escritos por el personal la mayor parte del tiempo, mientras que los contribuyentes de noticias como Reuters pueden usar Lidar.
Lidar es capaz de capturar imágenes de cosas mediante el empleo de luz ultravioleta, visible o infrarroja cercana. Una amplia variedad de sustancias, como elementos no metálicos, rocas, lluvia, compuestos químicos, aerosoles, nubes e incluso moléculas individuales, se encuentran entre los materiales a los que incluso puede dirigirse. Es posible mapear características físicas con resoluciones muy altas utilizando un rayo láser estrecho; Por ejemplo, una aeronave puede mapear la topografía con una resolución de al menos 30 centímetros (12 pulgadas).
Fue él quien concibió por primera vez la idea fundamental del lidar. H. Synge, en el año 1930, fue quien concibió la idea de utilizar potentes reflectores para investigar la atmósfera. Desde entonces, el lidar ha experimentado una cantidad significativa de aplicaciones en los campos de la meteorología y la ciencia atmosférica. La topografía y la cartografía son operaciones que se llevan a cabo mediante equipos Lidar que están conectados a aeronaves y satélites. Un ejemplo reciente de esto es Estados Unidos. El sistema de recopilación de datos Lidar de Investigación Aerotransportada Experimental Avanzada del Servicio Geológico. La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA, por sus siglas en inglés) ha descubierto que el lidar es una tecnología esencial que permitirá que los futuros vehículos robóticos y tripulados de aterrizaje lunar aterricen de forma segura y autónoma.
El infrarrojo tiene una longitud de onda de alrededor de 10 micrómetros, mientras que el ultravioleta tiene una longitud de onda de aproximadamente 250 nanómetros. Las longitudes de onda varían según el objetivo. En la mayoría de los casos, la luz se refleja mediante el proceso de retrodispersión, a diferencia del reflejo puro que se puede observar en un espejo. Para diversas aplicaciones LIDAR, se utilizan muchas formas de dispersión. Los tipos más frecuentes de dispersión incluyen la dispersión de Rayleigh, la dispersión de Mie, la dispersión Raman y la fluorescencia. Con el fin de permitir el mapeo remoto del contenido atmosférico, es necesario determinar los cambios dependientes de la longitud de onda en la intensidad de la señal devuelta. Esto se puede lograr utilizando combinaciones adecuadas de longitudes de onda.
El término "radar fotónico" se utiliza ocasionalmente para referirse a la determinación del alcance del espectro visible, similar al lidar. Sin embargo, el término "radar fotónico" se refiere más específicamente a la búsqueda de rango de radiofrecuencia que hace uso de componentes fotónicos.
Con la ayuda de la siguiente fórmula, un lidar puede calcular la distancia entre un objeto o una superficie:
En esta ecuación, c representa la velocidad de la luz, d representa la distancia entre el detector y el objeto o superficie que se está detectando, y t representa la cantidad de tiempo que tarda la luz láser en viajar al objeto o superficie que se está detectando y luego volver al detector.
La detección de energía "incoherente" o directa es el tipo de esquema de detección LIDAR que monitorea principalmente los cambios de amplitud de la luz reflejada. La detección coherente, por otro lado, es el tipo de esquema de detección lidar que es más efectivo para monitorear los desplazamientos Doppler, que son cambios en la fase de la luz reflejada. La técnica de detección óptica heterodina suele ser utilizada por sistemas coherentes. Este método es más sensible que la detección directa y les permite funcionar a un nivel de potencia mucho más bajo; Sin embargo, requiere el uso de transceptores más complicados.
En ambos casos, se utilizan modelos de pulso, que pueden ser de micropulso o de alta energía. Para funcionar, los sistemas de micropulsos hacen uso de períodos esporádicos de energía. Surgieron como consecuencia de los avances realizados en la tecnología láser junto con la capacidad cada vez mayor de las computadoras. En el láser, consumen una cantidad significativamente menor de energía, a menudo del orden de un microjulio, y con frecuencia son "seguros para los ojos", lo que significa que se pueden utilizar sin necesidad de ninguna precaución de seguridad. En el campo de la investigación atmosférica, los sistemas de alta potencia se utilizan con frecuencia con el fin de medir diversos parámetros atmosféricos. Estos parámetros incluyen la altura, las capas y las densidades de las nubes, las propiedades de las partículas de las nubes (como el coeficiente de extinción, el coeficiente de retrodispersión y la despolarización), la temperatura, la presión, el viento, la humedad y las concentraciones de gases traza (como el ozono, el metano y el óxido nitroso, entre otros).
Los sistemas Lidar se componen de un número considerable de componentes importantes.
El rango de longitud de onda más frecuente para los láseres utilizados en aplicaciones no científicas es de 600 a 1.000 nm. Con el fin de garantizar que el láser sea...
