Capitolo 2 : Lidar
Esiste una tecnica nota come Lidar, che viene anche chiamata LIDAR, LiDAR o LADAR. Lidar è un acronimo che sta per "light detection and ranging" o "laser imaging, detection and ranging". Si tratta di una tecnica che viene utilizzata per determinare le distanze dirigendo un raggio laser verso un oggetto o una superficie e misurando il tempo necessario alla luce riflessa per tornare al ricevitore. È possibile che il lidar funzioni in un'unica direzione, ad esempio verticale, oppure che esegua la scansione in più direzioni, nel qual caso si parla di scansione lidar o scansione laser 3D, che è un mix unico di scansione laser e scansione tridimensionale. Le applicazioni per Lidar possono essere trovate a terra, in aria e su dispositivi mobili.
Ci sono una varietà di usi per il Lidar, tra cui rilevamento, geodesia, geomatica, archeologia, geografia, geologia, geomorfologia, sismologia, silvicoltura, fisica atmosferica, navigazione laser, mappatura aerea delle strisce laser (ALSM) e altimetria laser. Il lidar viene spesso utilizzato per creare mappe ad alta risoluzione. Attraverso la manipolazione delle lunghezze d'onda della luce, viene utilizzato per generare rappresentazioni tridimensionali computerizzate delle regioni sulla superficie terrestre e del fondo oceanico nelle zone intertidali e vicino alle zone costiere. Inoltre, è stato utilizzato più frequentemente nel controllo e nella navigazione di veicoli autonomi, nonché per l'elicottero Ingenuity durante i suoi voli da record attraverso la topografia di Marte allo stesso tempo.
Il LiDAR quantistico è una tecnologia relativamente nuova che è emersa a seguito dello sviluppo della tecnologia quantistica. Funziona con un livello di efficienza e sensibilità più elevato rispetto ai tradizionali sistemi LiDAR.
Nel 1961, non molto tempo dopo lo sviluppo del laser, la Hughes Aircraft Company divenne la prima azienda a produrre un sistema simile al lidar. Questo è stato realizzato sotto la guida di Malcolm Stitch. Questo sistema impiegava la visione focalizzata sul laser in combinazione con la capacità di determinare le distanze misurando la quantità di tempo necessaria per il ritorno di un segnale utilizzando i sensori e i circuiti di raccolta dati necessari. Il suo scopo principale era quello di facilitare la localizzazione satellitare. Quando è stato introdotto per la prima volta, è stato chiamato "Colidar", che è un acronimo che sta per "coherent light detecting and ranging". Questo nome deriva dalla frase "radar", che è l'acronimo di "radio detection and ranging". Tutti i telemetri laser, gli altimetri laser e le unità lidar derivano dai primi dispositivi colidar.
Il "Colidar Mark II" è stato il primo uso terrestre pratico di un sistema di colidar. Era un grande telemetro laser che assomigliava a un fucile ed è stato prodotto nel 1963. Aveva una portata di 11 chilometri e una precisione di 4,5 metri, ed era destinato ad essere utilizzato per il puntamento militare. "Alla fine il laser potrebbe fornire un rivelatore estremamente sensibile di particolari lunghezze d'onda da oggetti distanti. Nel frattempo, viene utilizzato per studiare la Luna tramite 'lidar' (radar leggero)..." che è stata la prima volta che il termine "lidar" è stato usato come parola a sé stante nel 1963. Ciò suggerisce che il termine sia nato come una combinazione delle parole "luce" e "radar".
Quando ci si riferisce alla determinazione della distanza nello spettro visibile, il termine "radar fotonico" è spesso usato in modo intercambiabile con il termine "lidar".
Il Lidar è stato inizialmente utilizzato nel campo della meteorologia, in particolare dal National Center for Atmospheric Research, dove è stato utilizzato per osservare e quantificare la copertura nuvolosa e i livelli di inquinamento. Quando gli astronauti usarono un altimetro laser per mappare la superficie della Luna durante la missione Apollo 15 nel 1971, il grande pubblico si rese conto dell'accuratezza e dell'utilità dei sistemi lidar. Queste informazioni sono state diffuse al grande pubblico.
Nonostante il fatto che la lingua inglese non consideri più "radar" un acronimo (cioè, non è più in maiuscolo), la parola "lidar" è stata scritta in maiuscolo come "LIDAR" o "LiDAR" in diverse pubblicazioni a partire dagli anni '80. Quando si tratta di capitalizzazione, non c'è consenso. Esistono numerose pubblicazioni che utilizzano i termini "Lidar", "LiDAR", "LiDAR" o "Lidar" per riferirsi al lidar. A volte all'interno dello stesso documento, l'United States Geological Survey (USGS) utilizza sia "LIDAR" che "lidar". Il New York Times, d'altra parte, utilizza il "lidar" per gli articoli scritti dallo staff per la maggior parte del tempo, mentre i feed di notizie come Reuters possono utilizzare il Lidar.
Il lidar è in grado di catturare immagini di cose utilizzando la luce ultravioletta, visibile o vicina all'infrarosso. Un'ampia varietà di sostanze, come oggetti non metallici, rocce, pioggia, composti chimici, aerosol, nuvole e persino singole molecole, sono tra i materiali che è in grado di colpire. E' possibile mappare caratteristiche fisiche con risoluzioni molto elevate utilizzando un raggio laser stretto; Ad esempio, un aereo può mappare la topografia con una risoluzione di almeno 30 centimetri (12 pollici).
Fu lui a concepire per primo l'idea fondamentale del lidar. H. Synge, nell'anno 1930, fu colui che concepì l'idea di utilizzare potenti proiettori per indagare l'atmosfera. Da allora, il lidar ha subito una notevole quantità di applicazioni nei campi della meteorologia e delle scienze atmosferiche. Il rilevamento e la mappatura sono operazioni che vengono eseguite da apparecchiature Lidar collegate ad aerei e satelliti. Un esempio recente di ciò sono gli Stati Uniti. Il sistema di raccolta dati Lidar di ricerca aviotrasportata avanzata sperimentale del Geological Survey. La National Aeronautics and Space Administration (NASA) ha scoperto che il lidar è una tecnologia essenziale che consentirà ai futuri veicoli robotici e di atterraggio lunare con equipaggio di atterrare in modo sicuro e autonomo.
L'infrarosso ha una lunghezza d'onda di circa 10 micrometri, mentre l'ultravioletto ha una lunghezza d'onda di circa 250 nanometri. Le lunghezze d'onda variano a seconda del bersaglio. Nella maggior parte dei casi, la luce viene riflessa dal processo di retrodiffusione, al contrario della riflessione pura che si può osservare in uno specchio. Per varie applicazioni LIDAR, vengono utilizzate molte forme di scattering. I tipi più frequenti di scattering includono lo scattering di Rayleigh, lo scattering di Mie, lo scattering Raman e la fluorescenza. Al fine di consentire la mappatura remota del contenuto atmosferico, è necessario determinare le variazioni dipendenti dalla lunghezza d'onda nell'intensità del segnale restituito. Ciò può essere ottenuto utilizzando opportune combinazioni di lunghezze d'onda.
Il termine "radar fotonico" è occasionalmente usato per riferirsi alla misurazione della distanza nello spettro visibile, simile al lidar. Tuttavia, il termine "radar fotonico" si riferisce più specificamente alla misurazione della portata a radiofrequenza che utilizza componenti fotonici.
Con l'aiuto della seguente formula, un lidar può calcolare la distanza tra un oggetto o una superficie:
In questa equazione, c rappresenta la velocità della luce, d rappresenta la distanza tra il rivelatore e l'oggetto o la superficie che viene rilevata e t rappresenta la quantità di tempo che la luce laser impiega per raggiungere l'oggetto o la superficie che viene rilevata e quindi tornare indietro verso il rilevatore.
Il rilevamento di energia "incoerente" o diretto è il tipo di schema di rilevamento lidar che monitora principalmente le variazioni di ampiezza della luce riflessa. Il rilevamento coerente, d'altra parte, è il tipo di schema di rilevamento lidar più efficace per il monitoraggio degli spostamenti Doppler, che sono cambiamenti nella fase della luce riflessa. La tecnica di rilevamento ottico dell'eterodina è tipicamente utilizzata dai sistemi coerenti. Questo metodo è più sensibile del rilevamento diretto e consente loro di funzionare a un livello di potenza molto più basso; Ma richiede l'uso di ricetrasmettitori più complicati.
In entrambi i casi, vengono utilizzati modelli a impulsi, che possono essere microimpulsi o ad alta energia. Per funzionare, i sistemi a microimpulsi utilizzano periodi sporadici di energia. Sono nati come conseguenza dei progressi compiuti nella tecnologia laser in combinazione con le capacità sempre crescenti dei computer. Nel laser, consumano una quantità significativamente inferiore di energia, spesso dell'ordine di un microjoule, e sono spesso "sicuri per gli occhi", il che significa che possono essere utilizzati senza la necessità di alcuna precauzione di sicurezza. Nel campo della ricerca atmosferica, i sistemi ad alta potenza sono spesso utilizzati allo scopo di misurare vari parametri atmosferici. Questi parametri includono l'altezza, la stratificazione e la densità delle nuvole, le proprietà delle particelle delle nuvole (come il coefficiente di estinzione, il coefficiente di retrodiffusione e la depolarizzazione), la temperatura, la pressione, il vento, l'umidità e le concentrazioni di gas traccia (come ozono, metano e protossido di azoto, tra gli altri).
I sistemi Lidar sono costituiti da un numero considerevole di componenti importanti.
L'intervallo di lunghezze d'onda più frequente per i laser utilizzati in applicazioni non scientifiche è di 600-1.000 nm. Al fine di garantire che il laser sia sicuro per le persone che si trovano a terra, la potenza massima del laser è limitata o è implementato un sistema di spegnimento automatico. Questo sistema spegne il...
