Lidar

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Animazione di una scansione 2D mediante LIDAR

LIDAR (acronimo dall'inglese Light Detection and Ranging[1] o Laser Imaging Detection and Ranging) è una tecnica di telerilevamento che permette di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso laser, oltre a determinare la concentrazione di specie chimiche nell'atmosfera[1] e nelle distese d'acqua. Come per il radar, che al posto della luce utilizza onde radio, la distanza dell'oggetto è determinata misurando il tempo trascorso fra l'emissione dell'impulso e la ricezione del segnale retrodiffuso. La sorgente di un sistema LIDAR è un laser, ovvero un fascio coerente di luce ad una ben precisa lunghezza d'onda, che viene inviato verso il sistema da osservare. La tecnologia Lidar ha applicazioni in geologia, sismologia, rilevamento remoto e fisica dell'atmosfera.

Altri termini per questa tecnica sono ALSM (Airborne Laser Swath Mapping) e altimetria laser. L'acronimo LADAR (Laser Detection and Ranging) si usa spesso in ambito militare. Anche il termine radar laser viene a volte usato, ma è fuorviante perché la sorgente usata è ottica e non radio, con proprietà e comportamenti del tutto particolari.

Descrizione generica[modifica | modifica sorgente]

La principale differenza fra il lidar e il radar è che il lidar usa lunghezze d'onda ultraviolette, nel visibile o nel vicino infrarosso; questo rende possibile localizzare e ricavare immagini e informazioni su oggetti molto piccoli, di dimensioni pari alla lunghezza d'onda usata. Perciò il lidar è molto sensibile agli aerosol e al particolato in sospensione nelle nuvole ed è molto usato in meteorologia e in fisica dell'atmosfera.

Affinché un oggetto rifletta un'onda elettromagnetica, deve produrre una discontinuità dielettrica; alle frequenze del radar (radio o microonde) un oggetto metallico produce una buona eco, ma gli oggetti non-metallici come pioggia e rocce producono riflessioni molto più deboli, e alcuni materiali possono non produrne affatto, risultando a tutti gli effetti invisibili ai radar. Questo vale soprattutto per oggetti molto piccoli come polveri, molecole e aerosol.

I laser forniscono una soluzione a questi problemi: la coerenza e densità del fascio laser è ottima, e la lunghezza d'onda è molto più breve dei sistemi radio, e può andare dai 10 micron a circa 250 nm. Onde di questa lunghezza d'onda sono riflesse ottimamente dai piccoli oggetti, con un comportamento detto retrodiffusione; il tipo esatto di retrodiffusione sfruttato può variare: in genere si sfruttano la diffusione Rayleigh, la diffusione Mie e la diffusione Raman, oltre che la fluorescenza. Le lunghezza d'onda dei laser sono ideali per misurare fumi e particelle in sospensione aerea (aerosol), nuvole e molecole nell'atmosfera.

Un laser ha in genere un fascio molto stretto, che permette la mappatura di caratteristiche fisiche con risoluzione molto alta, paragonata a quella del radar. Inoltre molti composti chimici interagiscono più attivamente con le lunghezze d'onda del visibile che non con le microonde, permettendo una definizione anche migliore: con adatte combinazioni di laser permettono la mappatura remota della composizione dell'atmosfera rilevando le variazioni dell'intensità del segnale di ritorno in funzione della lunghezza d'onda.

Lo sviluppo del GPS negli anni ottanta ha reso possibile e pratico lo sviluppo di apparecchiature lidar aviotrasportate o su satelliti artificiali, a scopo di mappatura e rilevamento. Sono stati sviluppati molti strumenti del genere: un esempio è il Lidar sperimentale per ricerca avanzata della NASA.

Progetto[modifica | modifica sorgente]

In genere ci sono due tipi di sistemi lidar: lidar a microimpulsi' e lidar ad alta energia. I sistemi a microimpulsi sono stati sviluppati recentemente, come risultato della sempre crescente potenza di calcolo disponibile e dei progressi nella tecnologia dei laser. Questi nuovi sistemi usano potenze molto basse, dell'ordine di un watt, e sono spesso completamente sicuri (non richiedono cioè particolari precauzioni per il loro impiego). I lidar ad alta energia invece sono comuni nello studio dell'atmosfera, dove sono impiegati per il rilevamento di molti parametri atmosferici come altezza, stratificazione e densità delle nubi e proprietà del particolato che contengono (coefficiente di estinzione, di retrodiffusione, depolarizzazione), temperatura, pressione, umidità, venti, concentrazioni di gas traccia (ozono, metano, ossido nitroso ecc.).

Un lidar è composto dai seguenti sistemi:

  1. Laser — i laser da 600-1000 nm sono i più comuni per applicazioni non scientifiche. Sono economici, ma poiché la loro luce può essere messa a fuoco e assorbita dall'occhio umano, la loro massima potenza è limitata dalla necessità di renderli sicuri per chi li usa. La sicurezza di impiego è spesso un requisito fondamentale per molte applicazioni; una alternativa comune sono i laser su 1550 nm, che sono sicuri per potenze molto più alte poiché la loro frequenza non viene messa a fuoco dagli occhi, ma la tecnologia dei rivelatori per queste frequenze è meno avanzata e permette distanze e precisione minori. I laser da 1550 nm sono molto usati anche dai militari, perché tale frequenza non è visibile ai visori infrarossi per visione notturna, diversamente dai laser infrarossi da 1000 nm. I lidar aerotrasportati per mappatura topografica usano di solito laser YAG da 1064 nm pompati con diodi, mentre i sistemi batimetrici, benché usino lo stesso tipo di laser, ne raddoppiano la frequenza lavorando a 532 nm, perché questa frequenza penetra l'acqua con molta meno attenuazione. I parametri del laser comprendono il numero di impulsi al secondo (che determina la velocità di acquisizione dei dati). La durata dei singoli impulsi è in genere determinata invece dalla dimensione della cavità laser dal numero di passaggi attraverso il mezzo amplificatore (YAG, YLF, ecc.), e dalla velocità del commutatore Q. Tanto più brevi sono gli impulsi, tanto migliore è la risoluzione del bersaglio, posto che i rivelatori e l'elettronica del lidar abbiano banda passante sufficiente.
  2. Scanner e ottica — La velocità con cui l'immagine viene creata è determinata anche dalla velocità della scansione meccanica del fascio laser. Ci sono molti modi di costruire uno scanner ottico: specchi piani oscillanti, specchi poligonali, specchi rotanti, scanner poligonali o una combinazione di questi. La scelta delle ottiche influenza la risoluzione angolare e la distanza minima e massima a cui il lidar è efficace. IL segnale di ritorno viene raccolto con uno specchio forato o con un divisore di fascio.
  3. Ricevitore ed elettronica — I ricevitori possono essere costruiti con molti materiali. Due molto comuni sono silicio e arseniuro di gallio e indio impiegati in diodi PIN o fotodiodi a valanga. La sensibilità del ricevitore è un altro parametro che deve essere considerato nella progettazione di un sistema lidar.
  4. Sistemi di localizzazione e navigazione — I sensori lidar montati su piattaforme mobili come aerei o satelliti hanno bisogno di conoscere la loro posizione assoluta e l'orientamento del loro sensore. Il modo più comune di ottenere queste informazioni sono un ricevitore GPS e una piattaforma inerziale.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

In geologia e sismologia la combinazione di GPS e lidar aerotrasportati è diventata uno degli strumenti principali per il rilevamento di faglie, subsidenze e altri movimenti geologici: la combinazione di queste due tecnologie può fornire mappe altimetriche del terreno estremamente accurate, che possono rivelare l'elevazione del suolo anche attraverso la copertura degli alberi. Questa tecnica fu resa famosa presso il grande pubblico americano durante la mappature della faglia di Seattle nello stato di Washington.

I sistemi lidar aerei sono usati per monitorare i ghiacciai e hanno la capacità di rivelare la minima crescita o diminuzione. Il satellite ICESat della NASA monta un LIDAR a questo scopo e l'Airborne Topographic Mapper, sempre della NASA, è usato intensamente per la sorveglianza glaciologica e della morfologia costiera.

Il LIDAR aereo ha trovato ulteriore uso nella silvicoltura: con tali strumenti si possono studiare le coperture arboree delle foreste, misurare la biomassa presente e studiare la zona del fogliame. Allo stesso modo, il LIDAR è usato da molte industrie - ferrovie, settori energia e trasporti - come un sistema veloce di sorveglianza.

Il lidar può anche misurare la velocità dei venti atmosferici: alcuni sistemi lidar doppler sviluppati dalla NASA sono in grado di misurare la velocità del vento lungo una linea. I lidar a scansione come l'HARLIE sempre della NASA, è stato usato per misurare la velocità del vento in un ampio cono tridimensionale ([1]); le applicazioni si estendono alla sorveglianza degli uragani. La missione ADM-Aeolus dell'ESA sarà equipaggiata con un sistema lidar doppler per mappare globalmente la velocità verticale dei venti.

I lidar doppler cominciano ad essere usati anche, e con successo, nel campo delle energie rinnovabili per acquisire informazioni sulla velocità e direzione del vento, sulla turbolenza e per prevedere le raffiche improvvise. Per queste applicazioni si usano sia laser continui che ad impulsi: per ottenere la risoluzione verticale gli apparati continui si affidano sulla messa a fuoco dei rivelatori, mentre quelli ad impulsi sfruttano la temporizzazione precisa del segnale emesso.

Una rete mondiale di osservatori usano i lidar per misurare la distanza dei riflettori collocati sulla luna, misurando così la distanza terra-luna con precisione millimetrica e rendendo possibile un test sulla teoria della relatività generale.

MOLA, il Mars Orbiting Laser Altimeter, ha usato uno strumento LIDAR in un satellite in orbita intorno a Marte (il Mars Global Surveyor) per ricavare una mappa topografica straordinariamente accurata dell'intera superficie del pianeta rosso.

In fisica dell'atmosfera il lidar si usa per misurare a distanza la densità di certi costituenti della media e alta atmosfera come il potassio, il sodio, l'azoto e ossigeno molecolari; queste misure permettono poi di calcolare le temperature degli strati interessati. Il lidar può anche fornire informazioni sulla distribuzione verticale delle particelle di aerosol eventualmente presenti.

In oceanografia i lidar forniscono una stima della fluorescenza del fitoplancton e in generale delle biomasse negli strati superficiali dell'oceano. Un altro uso è la batimetria, con apparati aerei, di secche e zone di mare non abbastanza profonde per le navi oceanografiche.

Un'importante applicazione non-scientifica del Lidar è nel controllo del traffico da parte delle autorità di polizia, per controllare la velocità dei singoli veicoli, come alternativa pratica alle pistole radar manuali. Un lidar costruito per questo scopo può essere abbastanza piccolo e leggero da venire impugnato con una sola mano senza difficoltà: la superiore risoluzione del lidar permetterebbe di controllare la velocità di un singolo veicolo anche in flusso di traffico molto denso, dove invece i normali radar doppler per controllo traffico vengono confusi dal numero di eco diverse contemporanee.

Non sono ancora note applicazioni militari di lidar sul campo, probabilmente perché ancora segrete, ma è in corso un intenso lavoro di ricerca e sviluppo sul problema della generazioni di immagini dai dati lidar; la loro maggiore risoluzione li rende particolarmente adatti per ricavare immagini tanto dettagliate da permettere di riconoscere il tipo esatto di bersaglio. Questo tipo di applicazioni vengono chiamate LADAR.

Esistono vari modi di ricavare una immagine da un sistema laser: la distinzione principale è fra sistemi a scansione e sistemi a sorgente fissa. I sistemi a scansione si possono ulteriormente dividere in due sottogruppi a seconda del modo in cui il fascio laser viene fatto passare sull'area di scansione: con la scansione lineare (LLS, o Laser Line Scanner) il laser viene mantenuto in un raggio sottile che "legge" l'area di scansione riga per riga, con una scansione di tipo televisivo. Con la scansione a ventaglio invece il fascio laser viene allargato a formare un ventaglio piatto che passa su tutta l'area da coprire in una sola volta.

Si possono ottenere immagini 3D sia con sistemi fissi che con quelli a scansione. Il cosiddetto "3-D gated viewing laser radar" è una tecnologia senza scansione che impiega un laser a impulsi e una videocamera ad otturatore ultrarapido. Esistono programmi di ricerca militare su questo tipo di lidar almeno in Svezia, Danimarca, Stati Uniti e Inghilterra: attualmente sono noti risultati di immagini 3D di bersagli ottenute a parecchi chilometri di distanza con una risoluzione di meno di 10 centimetri.

Ai laboratori JET sulla fusione nucleare in Inghilterra ad Abingdon, Oxfordshire, si usa un LIDAR a diffusione Thomson per determinare i profili di densità e temperatura degli elettroni del plasma [2].

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b (EN) IUPAC Gold Book, "LIDAR"

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]