Date post: | 08-Apr-2018 |
Category: |
Documents |
Upload: | pascal-catalin |
View: | 219 times |
Download: | 0 times |
of 40
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
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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 .
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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)
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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..
8/6/2019 Senzori_LIDAR
7/40
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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).
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
13/40
8/6/2019 Senzori_LIDAR
14/40
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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
8/6/2019 Senzori_LIDAR
22/40
Comparatie intre sectiunile
eficace de retroimprastiere
8/6/2019 Senzori_LIDAR
23/40
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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).
8/6/2019 Senzori_LIDAR
26/40
Imagini LIDAR (3)
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
28/40
Imagini LIDAR (Experimentul
LITE)
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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).
8/6/2019 Senzori_LIDAR
30/40
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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).
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
33/40
plicatii atmosferice si oceanografice (2
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
=
8/6/2019 Senzori_LIDAR
34/40
8/6/2019 Senzori_LIDAR
35/40
plicatii atmosferice si oceanografice (4
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
8/6/2019 Senzori_LIDAR
36/40
p
Topometrie subacvatica Lidar
8/6/2019 Senzori_LIDAR
37/40
Pulsul LaserInitial
Reflexia subacvatica
Reflexia apei
Topometrie subacvatica Lidar
GeometriaGeometria pulsuluipulsului laser : 532 nmlaser : 532 nm
8/6/2019 Senzori_LIDAR
38/40
GeometriaGeometriapulsuluipulsuluilaser : 532 nmlaser : 532 nm
Fundulapei
Suprafata
apei
Intensitate
Suprafata marina, fundul apei si coloana
de apa
?
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.
8/6/2019 Senzori_LIDAR
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.