Perché e come utilizzare un LiDAR a emissione verde per acquisire topologie subacquee

Il LiDAR è oggetto di molte discussioni nei settori del rilevamento 3D per i veicoli, della mappatura topologica e dell'esplorazione spaziale. L'ultima frontiera terrestre è lo sviluppo di uno strumento per esplorare le strutture topologiche sottomarine. Con questo strumento, gli ingegneri possono rilevare le barriere coralline australiane, stabilire la profondità di laghi o stagni, individuare le ostruzioni fisiche sottomarine e determinare la qualità dell'acqua.

In questo processo di rilevamento, chiamato batimetria, vengono spesso impiegati droni per il trasporto della strumentazione. Tuttavia, la luce infrarossa (IR) standard utilizzata in un tipico sistema LiDAR rimbalza sulla superficie dell'acqua. Di conseguenza, la luce IR di questi droni non "vede" mai cosa c'è sotto la superficie.

Questo non vuol dire che non ci sia modo di scrutare sotto l'acqua e determinare le strutture sottostanti. Il profilatore di corrente a effetto Doppler (ADCP) misura il flusso della corrente trasmettendo onde sonore riflesse dai sedimenti e da altri materiali presenti nell'acqua. Il veicolo subacqueo autonomo Ecomaper raccoglie dati batimetrici fino a contorni di circa 30 centimetri.

Queste tecniche limitate servono allo scopo, ma per un sistema di rilevamento LiDAR basato su droni è possibile esplorare l'acqua più in profondità con risultati affidabili, se si utilizza la giusta lunghezza d'onda dell'emettitore.

Principio di funzionamento del LiDAR e modalità di penetrazione in acqua

Un sistema LiDAR misura il tempo di volo (ToF) di un segnale ottico digitale a treno di impulsi. L'elettronica rileva il momento in cui il segnale parte e poi attende che rimbalzi su un oggetto e torni indietro. Il sistema LiDAR cerca i fronti del segnale utilizzando un fotorilevatore e un amplificatore in transimpedenza (TIA).

Un tipico LiDAR a lungo raggio emette luce IR con lunghezza d'onda di 1064 nm a una distanza massima di 250 m e misura il tempo di riflessione per determinare la distanza e i contorni dell'oggetto. Questa tecnologia risponde bene per le esigenze di mappatura topografica terrestre.

In una tipica implementazione batimetrica, un aeroplano (o un drone) a volo lento ha in realtà due sistemi LiDAR agganciati ai pod sub-alari. Uno ha un emettitore a infrarossi (IR) per le classiche misurazioni topografiche; l'altro ha un emettitore verde, il che fa sorgere la domanda: "Perché?".

Si è scoperto che la luce a una lunghezza d'onda inferiore penetra meglio nella superficie dell'acqua che, viceversa, assorbe rapidamente la luce IR a 1064 nm. Per il LiDAR verde, la lunghezza d'onda di 532 nm con una frequenza di impulsi di 500 Hz garantisce ottimi risultati nel fornire dati sulla profondità dell'acqua. Utilizzando una sorgente luminosa a LED verde, la penetrazione in acqua limpida raggiunge una profondità di 30 m (Figura 1).

Figura 1: Questo progetto di batimetro utilizza un circuito LiDAR con un LED verde impostato su un angolo di 10° per adattarsi alla rifrazione e penetrare la superficie dell'acqua fino a 30 m di profondità. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Il circuito fotosensibile del batimetro illustrato nella Figura 1 utilizza AD8652ARZ di Analog Devices, un amplificatore CMOS di precisione a 50 MHz, a bassa distorsione e basso rumore. La larghezza di banda di AD8652ARZ rientra nei requisiti di questo circuito e ha una specifica di basso rumore di 5 nV/√Hz.

Lo strumento Procedura guidata di progettazioni di circuiti a fotodiodi di Analog Devices aiuta a disegnare un circuito TIA (amplificatore in transimpedenza) per il LiDAR (Figura 2).

Figura 2: La procedura guidata di progettazioni di circuiti a fotodiodi di Analog Devices consente di ottenere il circuito appropriato per il TIA e agevola la selezione del fotorilevatore, del resistore di retroazione e del condensatore esterni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices: procedura guidata per la progettazione di circuiti a fotodiodi)

Lo strumento mette a disposizione un'interfaccia flessibile per realizzare con facilità il circuito necessario. Le specifiche scelte hanno puntato su una larghezza di banda di 2 MHz, che offre un ampio spazio per gli impulsi generati dal circuito.

Conclusione

I sistemi LiDAR con emettitore IR sono ottimi per le misurazioni topologiche, ma la luce infrarossa non è in grado di penetrare l'acqua. Da qui nasce la soluzione LiDAR a emissione verde. La lunghezza d'onda dell'emettitore verde consente di penetrare agevolmente in acque calme e limpide fino a 30 metri.

Come illustrato, utilizzando l'amplificatore AD8655 di Analog Devices e la procedura guidata per la progettazione di circuiti a fotodiodi dell'azienda, i progettisti possono iniziare a creare un sistema batimetrico LiDAR a penetrazione d'acqua.

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