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mwbwLIDAR (acronimo dall'inglese mwcaLight Detection and Rangingcite-ref-iupac-1-0[1] o mwdqLaser Imaging Detection and Ranging) è uno strumento di mwdgtelerilevamento che permette di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso mwdwlaser, ma è anche in grado di determinare la mweaconcentrazione di mweqspecie chimiche nell'atmosferacite-ref-iupac-1-1[1] e nelle distese d'acqua.

Come per il mwfwradar, che al posto della mwgaluce utilizza mwgqonde 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 a una precisa mwgglunghezza d'onda, inviato verso il sistema da osservare. La tecnologia LIDAR ha applicazioni in mwgwgeologia, mwhasismologia, mwhqarcheologia, mwhgtelerilevamento e mwhwfisica dell'atmosfera.

Altri termini per questa tecnica sono mwiqALSM (mwigAirborne Laser Swath Mapping) e mwiwaltimetria laser. L'acronimo mwjaLADAR (mwjqLaser Detection and Ranging) si usa spesso in ambito militare. Anche il termine mwjgradar laser è a volte usato, ma è fuorviante perché la sorgente usata è ottica e non radio, con proprietà e comportamenti differenti.

• Descrizione

• Progetto

• Applicazioni

• Note

• Voci correlate

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

La principale differenza fra LIDAR e radar è che il LIDAR usa mwkglunghezze d'onda mwkwultraviolette, nel mwlavisibile 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 mwlqaerosol e al particolato in sospensione nelle mwlgnuvole ed è molto usato in mwlwmeteorologia e in fisica dell'atmosfera.

Affinché un oggetto rifletta un'onda elettromagnetica, deve produrre una mwmqdiscontinuità mwmgdielettrica; alle frequenze del radar (mwmwradio o mwnamicroonde) un oggetto metallico produce una buona eco, ma gli oggetti non-metallici come mwnqpioggia e rocce producono riflessioni molto più deboli, e alcuni materiali non ne producono affatto, risultando invisibili ai radar. Questo vale soprattutto per oggetti molto piccoli come polveri, molecole e aerosol.

I laser forniscono la soluzione: la coerenza e densità del fascio laser sono ottime, la lunghezza d'onda è molto più piccola dei sistemi radio, e va dai 10 mwnwmicron a circa 250 mwoanm. Onde di questa lunghezza sono riflesse bene dai piccoli oggetti, con un comportamento detto mwoqretrodiffusione; il tipo esatto di retrodiffusione impiegato può variare: in genere si sfruttano la mwogdiffusione Rayleigh, la mwowdiffusione Mie e la mwpadiffusione Raman, oltre che la mwpqfluorescenza. 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 mwpwrisoluzione 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 mwqqanni 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.cite-ref-2[2]

In genere ci sono due tipi di sistemi LIDAR: mwsaa microimpulsi e mwsqad 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 mwsgwatt, 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 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 (mwswozono, mwtametano, mwtqossido di diazoto, ecc.).

Un lidar è composto dai seguenti sistemi:

1. mwuqLaser - I laser da 600-1mwug 000 mwuwnm 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, requisito fondamentale per molte applicazioni; un'alternativa comune sono i laser su 1mwva 550mwvq nm, sicuri per potenze molto più alte poiché la loro frequenza non è 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 1mwvg 550mwvw nm sono molto usati anche dai militari, perché tale frequenza non è visibile ai visori infrarossi per visione notturna, diversamente dai laser infrarossi da 1mwwa 000mwwq nm. I LIDAR aerotrasportati per mappatura topografica usano di solito laser YAG da 1mwwg 064mwww nm pompati con diodi, mentre i sistemi batimetrici, benché usino lo stesso tipo di laser, ne raddoppiano la frequenza lavorando a 532mwxa 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 mwxqQ-switching. Tanto più brevi sono gli impulsi, tanto migliore è la risoluzione del bersaglio, purché i rivelatori e l'elettronica del LIDAR abbiano banda passante sufficiente.

2. mwxwScanner e mwyaottica - La velocità con cui l'immagine è 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 è raccolto con uno specchio forato o con un divisore di fascio.

3. mwygRicevitore ed elettronica - I ricevitori possono essere costruiti con molti materiali. Due molto comuni sono mwywsilicio e arseniuro di gallio e indio impiegati in mwzqdiodi PIN o mwzgfotodiodi a valanga. La sensibilità del ricevitore è un altro parametro che deve essere considerato nella progettazione di un sistema LIDAR.

4. mwaaSistemi di localizzazione e navigazione - I sensori LIDAR montati su 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 mwaqGPS e una mwagpiattaforma inerziale.

In geologia e sismologia la combinazione di mwbqGPS e LIDAR aerotrasportati è diventata uno degli strumenti principali per il rilevamento di mwbgfaglie, mwbwsubsidenza 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 in America durante la mappature della faglia di mwcaSeattle nello mwcqStato di Washington.

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

Il LIDAR aereo ha trovato ulteriore uso nella mweasilvicoltura: con tali strumenti si possono studiare le coperture arboree delle foreste, misurare la mweqbiomassa presente e studiare la zona del fogliame. Allo stesso modo, il LIDAR è usato da molte industrie - ferrovie, settori energia e trasporti - come sistema veloce di sorveglianza. Sta inoltre diventando uno strumento sempre più comune nella ricerca archeologica.

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. Un LIDAR a scansione come l'HARLIEcite-ref-3[3], sempre della NASA, è stato usato per misurare la velocità del vento in un ampio cono tridimensionalecite-ref-4[4]; le applicazioni si estendono alla sorveglianza degli uragani. La missione ADM-Aeolus dell'mwgwESA sarà equipaggiata con un sistema LIDAR Doppler per mappare globalmente la velocità verticale dei venti.

I LIDAR Doppler cominciano a essere usati 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 sia a impulsi: per ottenere la risoluzione verticale, gli apparati continui si basano sulla messa a fuoco dei rivelatori, mentre quelli a impulsi sfruttano la temporizzazione precisa del segnale emesso.

Una rete mondiale di osservatori usa i LIDAR per misurare mwhgla distanza dei riflettori collocati sulla Luna, misurando così la distanza Terra-Luna con precisione millimetrica e rendendo possibile un test sulla mwhwteoria della relatività generale.

MOLA, il mwigMars Orbiting Laser Altimeter, ha usato uno strumento LIDAR in un satellite in orbita intorno a Marte (il mwiwMars 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 mwjqatmosfera come il mwjgpotassio, il mwjwsodio, l'mwkaazoto e mwkqossigeno molecolari; queste misure permettono poi di calcolare le temperature degli strati interessati. Il LIDAR può anche fornire informazioni sulla distribuzione verticale delle particelle di mwkgaerosol eventualmente presenti.

In mwlaoceanografia i LIDAR forniscono una stima della mwlqfluorescenza del mwlgfitoplancton e in generale delle biomasse negli strati superficiali dell'oceano. Un altro uso è la mwlwbatimetria, con apparati aerei, di secche e zone di mare non abbastanza profonde per le navi oceanografiche.

Dal lato consumer, grazie all'integrazione del sensore LiDAR negli ultimi dispositivi mwmqApple, si possono fare scansioni 3D molto accurate degli interni e degli esterni di un'abitazione con una resa finale davvero realistica. Per quanto riguarda il campo dell'accessibilità, è stata concepita un'applicazione nativa Apple per aiutare le persone non vedenti. La compagnia di Cupertino ha creato un sistema che rileva la presenza e la distanza rispetto alla fotocamera dell'mwmgiPhone. La funzionalità è integrata nell'app mwmwLente d'Ingrandimento e funziona sfruttando in contemporanea ARKit e lo scanner LiDAR, essa andrà a rilevare la distanza delle persone davanti alla fotocamera il tutto coadiuvato con un suono (o con la voce di Siri, l'assistente vocale) e con un feedback tattile che avviserà prontamente l'utente se ci sono persone vicine a lui in base alla distanza preimpostatacite-ref-5[5].

Un'importante applicazione non-scientifica del LIDAR è nel controllo della 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 permette di controllare la velocità di un singolo veicolo anche in un flusso di traffico denso, dove invece i normali radar Doppler sono confusi dal numero di eco contemporanee.

Le applicazioni militari di LIDAR sul campo sono ancora segrete, ma è in corso un intenso lavoro di mwogricerca e sviluppo sul problema della generazione di immagini dai dati LIDAR; la loro maggiore risoluzione li rende particolarmente adatti a 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 un'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 mwpqLaser mwpgLine mwpwScanner) il laser è mantenuto in un raggio sottile che "legge" l'area di scansione riga per riga, con una scansione di tipo mwqatelevisivo. Con la scansione a ventaglio invece il fascio laser s'allarga 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 sia 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 a otturatore ultrarapido. Esistono programmi di ricerca militare su questo tipo di LIDAR almeno in mwqgSvezia, mwqwDanimarca, mwraStati Uniti e mwrqInghilterra: 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 mwrwJET sulla mwsafusione nucleare in Inghilterra ad Abingdon, Oxfordshire, si usa un LIDAR a mwsgdiffusione Thomson per determinare i profili di densità e temperatura degli mwswelettroni del mwtaplasmacite-ref-6[6].

cite-note-iupac-11. ↑ mwwq(mwwgmwwwEN) mwxamwxqIUPAC Gold Book, "LIDAR", su mwxggoldbook.iupac.org.

cite-note-22. ↑ mwyg(mwywmwzaEN) mwzqmwzgEAARL: Experimental Advanced Airborne Research LiDAR, su mwzwinst.wff.nasa.gov. mw0aURL consultato il 21 marzo 2018 mw0q(archiviato dall'mw0gurl originale il 16 giugno 2007).

cite-note-33. ↑ mw1g(mw1wmw2aEN) mw2qmw2gHolographic Airborne Rotating Lidar Instrument Experiment, su mw2wharlie.gsfc.nasa.gov. mw3aURL consultato il 21 marzo 2018 mw3q(archiviato dall'mw3gurl originale il 30 giugno 2007).

cite-note-44. ↑ mw4gmw4wmw5aLIDAR PROFILING OF AEROSOLS, CLOUDS, AND WINDS BY DOPPLER AND NON-DOPPLER METHODS (mw5qmw5gPDF), su mw5wharlie.gsfc.nasa.gov. mw6aURL consultato il 5 ottobre 2020 mw6q(archiviato dall'mw6gurl originale il 22 agosto 2007).

cite-note-55. ↑ mw7gmw7winteractivelab.it, mw8ahttps://www.interactivelab.it/scanner-lidar-apple/mw8q Titolo mancante per url mw8gurl (aiuto).

cite-note-66. ↑ mw-a(mw-qmw-gEN) mw-wmw-aLidar-Thomson Scattering Diagnostic on JET, su mw-qmw-gJetRadar. mw-wURL consultato il 5 ottobre 2020 mwaqa(archiviato dall'mwaqeurl originale il 2 luglio 2007).

• mwaquTelerilevamento

• mwaqcRadar

• mwaqkLaser scanner

• mwaqsSonar

• mwaq0Monge

• mwaq8Velodyne LiDAR

Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su lidar

• mwarqNASA Experimental Advanced Airborne ricerca Lidar . EAARL è un LIDAR aerotrasportato progettato per mappare complessi ambienti costieri sopra e sotto la superficie dell'acqua in aree coperte da vegetazione. Viene anche usato per mappare il fondale di fiumi e canali poco profondi.

• mwaryCALIPSO: Il satellite Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation-rilevamento dallo spazio di nubi e aerosol per una migliore comprensione dei fenomeni di cambiamento climatico

• mwargNCAR REAL: I laboratori EOL di NCAR hanno creato il Raman-shifted Eyesafe Aerosol Lidar. Questo LIDAR sicuro ad mwarkalta energia estende l'uso dei LIDAR a scansione allo studio degli inquinanti atmosferici urbani e della loro dispersione vicino alla superficie del suolo.

• mwarsTutorial NASA sui LIDAR.

• mwar0Lidar oceanografico NOAA (Fish), su etl.noaa.gov.

• mwar8Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise (JALBTCX), su shoals.sam.usace.army.mil. URL consultato il 9 giugno 2007 (archiviato dall'url originale il 26 settembre 2006).

• mwaseEOSL - L'Electro-Optical Systems Laboratory al GTRI ha un programma pubblico sulla ricerca e sviluppo dei LIDAR.

• mwasqThe NASA Goddard Space Flight Center's Raman Lidar Laboratory - Questo laboratorio ha LIDAR Raman sia al suolo sia aerotrasportati per misurazione di vapore acqueo, aerosol e altre specie atmosferiche.

• mwasyThe USGS Center for LIDAR Information Coordination e Knowledge (CLICK) - Sito con lo scopo di "facilitare l'accesso ai dati, il coordinamento degli utenti e l'apprendimento sul monitoraggio remoto via LIDAR per usi scientifici".

• mwasgPresentazione introduttiva sui LIDAR (scansione laser aerea): Principi, errori, regolazione della striscia, filtraggio. (PDF), su ikg.uni-hannover.de (archiviato dall'url originale il 26 gennaio 2007).

• mwasoPresentazione introduttiva sui LIDAR (scansione laser aerea): Estrazione e modellazione dei dati. (PDF), su ikg.uni-hannover.de (archiviato dall'url originale il 26 gennaio 2007).

• Weier, John. 2004. mwaswConservation in 3D. mwas0Conservation in Practice 5(3):39-41. Sulle applicazioni dei LIDAR nella conservazione.

• mwas8Sensori LiDAR, Ingegneria Cartografica Europea GEIE, su icegeie.it. URL consultato il 4 febbraio 2009 (archiviato dall'url originale il 10 febbraio 2009).