Warum und wie ein grün emittierendes LiDAR-System zur Erfassung von Unterwassertopologien verwendet wird

LiDAR wird in Kreisen der 3D-Automobiltechnik, der Topologie-Zuordnung und der Weltraumerkundung breit diskutiert. Die letzte erdgebundene Grenze ist die Entwicklung eines Werkzeugs zur Erkundung topologischer Strukturen unter Wasser. Mit einem solchen Gerät können Ingenieure die australischen Barriereriffe vermessen, die Wassertiefe von Seen oder Teichen bestimmen, Hindernisse unter Wasser erkennen und die Wasserqualität ermitteln.

Ingenieure bezeichnen diesen Vermessungsprozess als Bathymetrie, bei dem häufig Drohnen für den Transport der Instrumente eingesetzt werden. Das Standard-Infrarotlicht (IR), das in einem typischen LiDAR-System verwendet wird, wird jedoch von der Wasseroberfläche zurückgeworfen. Daher „sieht“ das IR-Licht dieser Drohnen nie, was sich darunter befindet.

Das soll nicht heißen, dass es für Ingenieure keine Möglichkeit gibt, ins Wasser zu schauen und Strukturen unter der Oberfläche festzustellen. Der akustische Doppler-Strömungsmesser (ADCP) misst die Strömung eines Flusses, indem er vom Sediment und anderen Materialien im Wasser reflektierte Schallwellen aussendet. Das autonome Unterwasserfahrzeug von Ecomaper sammelt bathymetrische Daten bis zu minimal einem Fuß tiefen Konturen.

Diese begrenzten Techniken erfüllen ihren Zweck, aber es ist möglich, dass ein drohnengestütztes LiDAR-Erfassungsgerät tiefer ins Wasser vordringt und zuverlässige Ergebnisse liefert, wenn die richtige Wellenlänge des Senders verwendet wird.

Funktionsprinzip von LiDAR und Durchdringung von Wasser

Ein LiDAR-System misst die Laufzeit (Time of Flight, ToF) eines optischen digitalen Impulsfolgensignals. Die Elektronik erfasst den Moment, in dem das Signal gesendet wird, und wartet dann darauf, dass das Signal an einem Objekt abprallt und zurückkehrt. Das LiDAR-System sucht mit Hilfe eines Fotodetektors und eines Transimpedanzverstärkers (TIA) nach Signalflanken.

Ein typisches LiDAR-Design für große Entfernungen sendet IR-Licht mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern (nm) bis zu einer maximalen Entfernung von 250 Metern (m) aus und misst die Reflexionszeit, um die Entfernung und die Objektkonturen zu bestimmen. Dies eignet sich gut für topografische Kartierungen an Land.

Bei einer typischen bathymetrischen Anwendung verfügt ein langsam fliegendes Flugzeug (oder eine Drohne) über zwei LiDAR-Systeme unter den Flügeln. Der eine verfügt über einen Infrarotstrahler (IR) für klassische topografische Messungen, der andere über einen grünen Strahler, was die Frage aufwirft: „Warum?“

Es stellte sich heraus, dass Licht mit einer kürzeren Wellenlänge die Wasseroberfläche besser durchdringt; Wasser absorbiert IR-Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm schnell. Für grünes LiDAR eignet sich die Wellenlänge von 532 nm mit einer Pulsrate von 500 Hz hervorragend für die Bereitstellung von Wassertiefendaten. Bei Verwendung einer grünen LED-Lichtquelle erreicht die Wasserdurchdringung eine Tiefe von 30 m, wenn das Wasser klar ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dieses Bathymeter verwendet einen LiDAR-Schaltkreis mit einer grünen LED, die in einem Winkel von 10° eingestellt ist, um die Brechung zu berücksichtigen und die Wasseroberfläche bis zu einer Tiefe von 30 m zu durchdringen. (Bildquelle: Bonnie Baker)

Die in Abbildung 1 gezeigte Bathymeter-Fotosensorschaltung verwendet den AD8652ARZ von Analog Devices, einen 50 Megahertz (MHz) Präzisions-CMOS-Verstärker mit geringer Verzerrung und niedrigem Rauschen. Die Bandbreite des AD8652ARZ entspricht genau den Anforderungen dieser Schaltung, und er hat eine rauscharme Spezifikation von 5 nV/√Hz.

Das Tool Photodiode Circuit Design Wizard von Analog Devices hilft beim Entwurf der Transimpedanzverstärkerschaltung (TIA) für das LiDAR-System (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der „Photodiode Circuit Design Wizard“ von Analog Devices liefert die passende Schaltung für die TIA-Schaltung und hilft bei der Auswahl des Photodetektors und des externen Rückkopplungswiderstands und -kondensators. (Bildquelle: Analog Devices - Photodiode Circuit Design Wizard)

Das Tool bietet eine flexible Schnittstelle zur einfachen Erstellung dieser Schaltung. Die gewählten Spezifikationen zielten auf eine Bandbreite von 2 MHz ab, die ausreichend Spielraum für die von der Schaltung erzeugten Impulse bietet.

Fazit

LiDAR-Systeme mit einem IR-Sender eignen sich zwar gut für Topologiemessungen, aber IR kann kein Wasser durchdringen. Hier kommt die grün emittierende LiDAR-Lösung ins Spiel. Die Wellenlänge des grünen Strahlers ermöglicht es ihm, ruhiges, klares Wasser bis zu 30 m weit zu durchdringen.

Wie gezeigt, können Entwickler mit dem Verstärker AD8655 von Analog Devices und dem „Photodiode Circuit Design Wizard“ des Unternehmens mit der Entwicklung eines bathymetrischen LiDAR-Systems beginnen, das in das Wasser eindringt.

Empfohlene Lektüre

Das Verständnis der Funktionsweise von LiDAR zeigt, wie wichtig eine sorgfältige Auswahl von TIA und Komparator ist