senzori_lidar

8/6/2019 Senzori_LIDAR

1/40

Senzori LIDAR

Monitorizareacalitatii aerului

urban se poateface in mod clasicrecoltand volume

mici de aer inprobe distincteluate de la nivelulstrazii. Exista insa

deja tehnici bazatepe laser

cu ajutorul carorase pot face

monitorizari pedistante mult maimari cu scopul dea evalua poluareala nivel local,regional sau chiarglobal si la diferite

altitudini deasuprasolului.

Prof. Dr. Valeriu FILIPUniversitatea din Bucuresti,

Facultatea de Fizica


2/40

Principiul LIDAR (1)LIDAR este o tehnica de teledetectie bazata pe laser pentru monitorizarea

poluantilor troposferici si stratosferici, pe distante variind intre cativa metri sisute de kilometri. LIDAR este un acronim de la light detection andranging, iar tehnica este echivalentul radarului pentru domeniul lum iniivizibile.

Sursele continue de lumina, cum ar fi lampile cu xenon, se folosescextensiv in monitorizarea atmosferica pe distante de sute de metri. Sistemelemoderne laser au insa avantaje net competit ive fata de acest tip de surse:

puteri mari la lungimi de unda specifice sau variabi le de la UV pana laIR,

pulsuri scurte de la micro pana la picosecunde,

divergenta mica a fascicolului care permite astfel transportul energieioptice pe distante mari.


3/40

Principiul LIDAR (2)Un sistem LIDAR tipic este aratat in

figura alaturata. Un laser pulsatemite semnale scurte de luminacatre atmosfera, iar luminareflectata este detectata, cu oanumita intarziere, intr-un receptorplasat de obicei foarte aproapede laser si paralel cu acesta.

Sistemele optice O1 si O2 contincomponente optice sau unitati opticecare corecteaza sau modificafascicolul emis sau folosesc la

receptie sau la analiza spectrala asemnalului receptionat.


4/40

Performante elementareDivergenta unui sistem laser

tipic este de 0.5 mR, dar, daca sedoreste reducerea acesteidivergente, atunci O1 poate fi undispozitiv de largire a diametrului

fascicolului emis si care deci produceo reducere a divergentei.

Sistemul optic O2 poate contine o

simpla lenti la sau un telescopsofisticat cu apertura mare, dupacum distanta de masura este de sutede metri sau de ordinul kilometrilor.

Cum viteza luminii este deaproximativ 300 m/s si deci pulsuleste primit inapoi de la o

distanta de 150 m dupa 1 s dela emisie. Informatia obtinuta din

analiza intarzierii este unul dinpunctele forte ale LIDAR, iar rezolutiaspatiala R = tpc/2 este definita dedurata pulsului tp. Rezulta deci ca o

durata a pulsului de 1 ns are orezolutie spatiala de minimum15 cm .


5/40

Schema unui sistem LIDAR

Componentele principale sunt: Sursa de lumina (laser in

unda continua (cw ) saupulsat) Receptorul (telescop optic) Detectorul (tuburifotomultiplicatoare extremde sensibile)


6/40

Informatii continute in fascicolulreflectat

Atunci cand un obiect, care poate fi un nor, emisiile unui cos etc.,intercepteaza fascicolul laser, el genereaza un fascicol reflectatfascicol reflectat. Acestapoate fi un semnal fara specificatiesemnal fara specificatie ((semnaturasemnatura )) chimicachimica, cum estecazul in imprast ierea Rayleigh sau Mie de catre aerosol i in

atmosfera: lungimile de unda emise si reflectate sunt aceleasi (fenomeneelastice).

Semnalul reflectat poate fi insa si cu specificitate chimicacu specificitate chimica, asa cum estesituatia imprastieri i Raman sau a fluorescentei induse prin iradiere

laser. In aceste cazuri, lungimea de unda reflectata este diferita (de obiceideplasata spre rosu) fata de cea a fascicolului emis.

Semnalul reflectat contine intotdeauna informatii despre obiectuSemnalul reflectat contine intotdeauna informatii despre obiectull

imprastietorimprastietor,, permitand astfel analizarea fizicapermitand astfel analizarea fizica sisi chimicachimica aaobiectuluiobiectului de lade la distantadistanta..


7/40


8/40

Eliminarea fondului

Una din problemele legate de LIDAR este modalitatea princare se pot elimina fluxurile mari de fotoni solari care producun fond foarte intens in detector.

Acest fond este in mod obisnuit diminuat prindeschiderea detectorului pentru intervale de timpfoarte scurte (pe durata pulsului) si prin marirea

raportului semnal/ zgomot in acest interval prinfiltrarea catre detector numai a lungimii de unda cerute (ceaa laserului). Aceasta operatiune se realizeaza folosind filtre simonocromatoare.


9/40

Calibrare

O alta problema este modalitatea de a face determinarile LIDAR cantitative.

Nu se pot folosi proceduri de calibrare obisnuite, din cauza faptului ca tintelesunt departate, si deci trebuie folositi parametri internipentru a efectuamasuratori cantitative. Prin urmare, pentru masuratori la distanta, sunt

necesare raportul sau diferenta a doua semnale (unul din ele fi indsemnalul de calibrare).

Standardul de calibrare poate fi de mai multe feluri:

temporizarea precisa a pulsului laser sau a intervalului de timp dintre douaevenimente

semnalul Raman cvasi-constant al apei (pentru determinari LIDAR acvatice)

semnalul Raman al azotului (pentru masuratori LIDAR in atmosfera).


10/40

Imprastierea Mie

Aerosolii, cum ar fi particulele de poluanti, ca si vaporii de apasau cristalele de gheata din nori pot fi detectati prinimprast iere elast ica Mie, in care semnalul imprastiat are

aceeasi lungime de unda ca si cel emis de laser (las).Acest semnal este comparat cu semnalul Raman detectat peazot (etalon) la o frecventa vecina (N).

Concentratia aerosolului este proportionala cu Pdet(las)/Pdet(N).Imprastierea Rayleigh este utilizata pentru detectia gazelor.


11/40

LIDAR cu imprastiere Mie (1)

In figura alaturata este ilustrata unansamblu de monitorizare LIDAR aparticulelor de aerosoli generate de oemisie vulcanica. Fascicolul laser

este trimis in atmosfera prin norul deemisie vulcanica, iar semnalulreflectat este reprezentat in graficulde jos. Scaderea lenta ca 1/ R2 a

semnalului reflectat se datoreazadistributiei uniforme de particulede fond.


12/40

LIDAR cu imprastiere Mie (2)

Prin traversarea penei de emisie avulcanului, intensitateaimprastiata creste dramatic.Aceasta crestere de semnal indicadoar prezenta part iculelor deaerosol, fara sa ofere informatiiasupra naturii lor chimice.

Masuratori Mie pure au fost facute

la multe statii LIDAR din lumepentru monitorizarea eruptii lorvulcanice care pompeazacantitat i enorme de aerosol i in

troposfera si stratosfera.


13/40


14/40


15/40

LIDAR cu fluorescentaIn fluorescenta LIDAR laserul este acordat pe anumite absorbtii de

tranzitie din speciile atmosferice, acvatice sau terestre. Lumina defluorescenta este detectata in receptor si comparata (ca si in cazulLIDAR-ului Raman) cu semnalul Raman al azotului, putandu-se obtineastfel rezultate cantitative.

Multe molecule, in particular un numar de molecule aromatice, prezintaflorescenta eficienta dupa iradiere UV. De aici si folosirea frecventa aacestei tehnici in detectia poluantilor petrochimici pe suprafete marine.

Folosind un laser cu azot (337 nm) intr-un sistem LIDAR, de exemplupe o platforma aeriana, se poate diferentia clar semnalul defluorescenta al petelor de petrol intre 400 nm si 500 nm, in contrast cusemnalul Raman al apei la aproximativ 380 nm. Intr-o anumita masura

se pot distinge chiar diversele tipuri de petrol prin amprenta lor deflorescenta si deci se poate identifica provenienta petrolului respectiv.


16/40

LIDAR cu fluorescenta (domeniul

de lungimi de unda)Radiatia incidenta este absorbita de

electroni prin excitarea acestora penivele energetice superioare.

Dezexcitarea duce la emisia unei

lungimi de unda similare (imprastiereelastica).

In afara de aceste procese, energia sepoate disipa intre nivelele superioare siprin relaxare vibrationala. Dezexcitarileulterioare produc fotoni de lungime de

unda mai mare si formeaza radiatia defluorescenta.


17/40

Fluorescenta clorofilei a

In figura alaturata este aratatspectrul de retroimprastiere provenitdin apa oceanica. Radiatiaexcitatoare a fost de la a doua

armonica a unui laser Nd :YAG (532nm).

Picul de fluorescenta al clorofi le isi de imprastiere Raman al apei

se vad foarte clar. Din prelucrareaacestor picuri se poate calculaconcentratia continutului declorofi la si deci productivitatea

biologica a apei.


18/40

Principiul DIALEste o variatie a tehnicii LIDAR. Denumirea este un

acronim aldifferential absorbtiondifferential absorbtion LIDARLIDAR.

Este o exemplificare foarte buna a principiuluimasuratori lor relative: substanta este iradiata cu

douadoua lungimilungimi dede undaunda laserlaser foarte apropiatefoarte apropiate,una corespunzand unei benzi de absorbtie asubstantei (1) si cealalta pozitionata imediat inafara picului de absorbtie (2). Intrucatsemnalele detectate dupa iradierea cu acestelungimi de unda contin aceeasi dependenta de Plas,R, Csi T(R)in ecuatia LIDAR, raportul celor douasemnale detectate [Pdet(1)/ Pdet(2)] continenumai dependenta de , care esteproportionala cu concentratia substantei.


19/40

Laseri folositi in DIAL

Diferenta fundamentala dintre DIAL si tehnicile obisnuite deLIDAR este ca sese folosescfolosesc douadoua lungimilungimi dede unda diferiteunda diferitein masuratori si ca, din aceasta cauza, sunt necesari laseriacordabili (fata de cei cu frecventa fixa folositi de obicei in

LIDAR). Laserii acordabili in partea optica a spectrului suntde obicei laseri cu coloranti (pompati cu laseri cu YAG saucu excimeri), sau laseri cu cristale solide cum ar fi

alexandritul sau Ti-safir. In domeniul lungimilor de undamari, catre IR, sunt obisnuite laserele cu CO2 sau cu diode.


20/40

Functionarea DIAL (1)Daca se masoara un efluent gazosefluent gazos,lumina laser este transmisa alternativ lao lungime de unda on, la carepoluantul absoarbe puternic, si la o

lungime de unda vecina, off, careeste in afara rezonantei. Semnalul oneste atenuat prin trecerea prin nor, in

timp ce semnalul off nu este atenuat.Semnalul off va suferi dependentaobisnuita de tip 1/R2, ca si semnalul on,numai ca acesta va suferi pierderisuplimentare cand este intalnit poluantul.


21/40

Functionarea DIAL (2)

CeleCele doua spectredoua spectre sunt impartitesunt impartiteunulunul lala celalaltcelalalt. Raportul DIALnormal nu este 1, ci prezinta variatiicu distanta, din care se pot calcula

concentratiile locale ale poluantului.

Din astfel de masuratori s-au obtinutprofiluri sofisticate de ozon la diferitealtitudini intre 10 m si 10 kmdeasupra nivelului marii, in dreptulAnrtarcticii, care au demonstratformarea gauri lor de ozonstratosferic.

LIDAR mobil realizat pentru determinride poluani operat de National PhysicalLaboratory, Londra, UK


22/40

Comparatie intre sectiunile

eficace de retroimprastiere


23/40


24/40

Imagini LIDAR (1)

Datele LIDAR sunt frecvent reprezentate prin harti de

altitudine colorate dupa intensitatea semnalului (adica dupadensitatea si natura tintelor. Abscisa este axa timpului,ordonata este axa altitudinii, iar intensitatea semnaluluireflectat este reprezentata prin culori, conform unei legendeanexate imaginii.


25/40

Imagini LIDAR (2)Imagine LIDAR de retroimprastiere.

Sunt vizibili aerosoli in stratul limita, noride apa lichida cu zone inghetate intranzitie si nori Cirrus cu cristale degheata.

Aceeasi imagine in functie de factorul dedepolarizare al luminii reflectate. Gheata si alteparticule de forma neregulata produc un factorde depolarizare cuprins intre 0.17 si 0.5(galben). Amestecul de apa cu gheata produce o

depolarizare mai redusa (albastru si turcoaz), iarcea mai joasa depolarizare o produce apa lichida(violet).


26/40

Imagini LIDAR (3)


27/40

Imagini LIDAR (4)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000Date: 20-06-2007; Time: 12:00; Shot No. 1

RSCS First derivative

of RSCS

Height(m)

PBL = 630 m

0

2000

4000

6000

RSCS

Shot No. 1

First derivative

of RSCS

Height(m)

Date: 28-06-2007; Time: 20:00

PBL = 654 m

0

2000

4000

6000

PBL = 678 m

Shot No. 2

O modalitate practica de reprezentare a datelor LIDAR este ca intensitate a semnaluluiin functie de inaltime. Maximele de semnal indica formatiuni noroase sau pozitiastratului limita. Analiza cantitativa a semnalului se poate face examinand derivatasemnalului netezit in raport cu altitudinea. Pozitiile unde apar minime negative alederivatei corespund limitelor dintre diferite structuri atmosferice.


28/40

Imagini LIDAR (Experimentul

LITE)


29/40

Aplicatii in geologie si seismologieUn instrument important in geologie si seismologie

pentru detectarea falii lor si a deplasarilor tectoniceeste o combinatie de lidar si GPScombinatie de lidar si GPS. Combinatiaacestor doua tehnologii poate produce modele de

elevatie extrem de precise. Un rezultat renumit alacestei metode este descoperirea faliei Seatle dindescoperirea faliei Seatle din

USAUSA. Se foloseste de asemenea la masurareamasurarea

miscarilor tectonice ale muntelui St. Helensmiscarilor tectonice ale muntelui St. Helens.

Sisteme lidar pe platforme aeriene sunt folositepentru monitorizarea ghetarilormonitorizarea ghetarilor si pot detecta

cresterile si descresterile acestora in cantitatifoarte mici (ex. sistemul ICES al NASA).


30/40


31/40

Aplicatii astronomiceO retea internationala de observatoare foloseste lidare

pentru a masura distanta pana la reflectoare plasatepe luna, determinand astfel pozitia lunii cu preciziepozitia lunii cu precizie

milimetricamilimetrica si permitand efectuarea de teste aleefectuarea de teste ale

teoriei relativitatii generaleteoriei relativitatii generale.

Instrumentul MOLA care este un altimetru orbital cualtimetru orbital cu

laser plasat in jurul planetei Martelaser plasat in jurul planetei Marte, foloseste uninstrument lidar pentru a produce o supravegheresupraveghere

topograficatopografica spectaculos de precisa a acestei planete

(sistemul Mars Global Surveyor al NASA).


32/40

plicatii atmosferice si oceanografice (1

In fizica atmosferei, lidarul este folosit ca un instrument deinstrument de

teledetectie pentru masurarea densitatiiteledetectie pentru masurarea densitatii anumitorconstituenti ai atmosferei medii si inalte cum ar fi sodiul, potasiul,oxigenul molecular sau azotul molecular. Aceste masuratori pot fi

folosite pentru a calcula temperaturi localefolosite pentru a calcula temperaturi locale. Lidarul se poatefolosi de asemenea si pentru a masura viteza vantului sipentru a capata informat ii asupra particulelor de aerosol.

In oceanografie, lidarele sunt folosite pentru estimareafluorescentei fitoplanctonului si in general a biomasei dinstraturile de suprafata ale oceanului. O alta aplicatie este studiul

zonelor de mare prea putin adanci pentru studiul direct cuambarcatiuni hidrografice.


33/40


PCL (Purple CrowPurple Crow LidarLidar): Sistemul european de l idar atmosferic.

Masoara temperatura, valurile si vaporii de apa.

Temperatura se masoara prin doua procedee:

Unul este prin folosirea imprastierii de fluorescenta rezonantafluorescenta rezonanta aa sodiuluisodiului.

Celalalt este folosind imprastierea Rayleigh de catre moleculele de aer(imprastierea Rayleigh este raspunzatoare de culoarea albastraculoarea albastra aa ceruluicerului).Ecuatia LIDAR leaga numarul de fotoni receptionati de densitateaatmosferei:

Cunoscand profilul de densitate, temperatura se poate determina folosindipoteza echilibrului hidrostatic si ecuatia de stare a gazului perfect.

( ) ( )2

2det lasC R T RP P

R

=


34/40


35/40


Sistemul PCL foloseste un t ip unic de receptor numittelescoptelescop cucu oglinda lichidaoglinda lichida (LMT)(LMT).

LMT folosesle un metalmetal lichidlichid lala temperatura camereitemperatura camerei, cumar fi mercurul sau galiul.

Metalul se afla intr-o cuva si este pus in miscare de rotatie,de ex. cu 6 rot/minut, astfel incat suprafata sa libera devineparabolica, ideala pentru masuratori lidar.

Cu aceasta tehnologie putem obtine o oglinda de diametrumai mare decat cea de pe telescopul spatial Hubble, ceea cepermite masurarea modificari lor de temperatura

datorate valurilor in t impi de ordinul minutelor.

Topometrie subacvatica Lidar


36/40

p



37/40

Pulsul LaserInitial

Reflexia subacvatica

Reflexia apei


GeometriaGeometria pulsuluipulsului laser : 532 nmlaser : 532 nm


38/40

GeometriaGeometriapulsuluipulsuluilaser : 532 nmlaser : 532 nm

Fundulapei

Suprafata

apei

Intensitate

Suprafata marina, fundul apei si coloana

de apa

?


39/40

Aplicatii civile

O situatie in care lidarul are o importanta aplicatie nestiintificaeste in supravegherea legalitatii traficului rutiersupravegherea legalitatii traficului rutier, pentrumasurarea vitezei vehicolelor rut iere, ca o alternativa latunurile radar.

Spre deosebire de radarul Doppler, care masoara viteza cu prindeplasarile Doppler, radarele folosite de politie calculeazaviteza din timpul dus-intors al trenului de unde radar. Astfel desisteme sunt deseori incapabile sa izoleze un anum it vehicoldin fluxu l traficului si sunt in general prea voluminoase pentru

a fi purtate de un agent.Tehnologia LIDAR pentru o asemenea aplicatie este suficientsuficientde miniaturizata pentru a fi montata intrde miniaturizata pentru a fi montata intr --ununpistolpistol cucuvideocameravideocamera si permite determinarea vitezei unui anum itvehicol aflat in fluxul rutier.


40/40

Aplicatii militare

Din cat se cunoaste, pana in prezent aplicatiile militare nu

sunt operationale sau sunt clasificate, dar se desfasoara uneffort de cercetare foarte sustinut pentru folosireafolosirealidarului in imagerielidarului in imagerie. Rezolutia marita a lidarelor le face

extrem de atractive pentru observarea de detalii pentruidentificarea tintelor (ex. blindate). In astfel de aplicatii,denumirea de LADARLADAReste mai obisnuita.

Cinci unitati lidar produse de compania germana Sick AG au

fost folosite pentru detectia apropiata a automobiluluiautonom Stanley, care a castigat editia din 2005 acompetitiei DARPA.

senzori_lidar

Documents