Che cos'è il LiDAR?

Definizione di LiDAR

LiDAR è l'acronimo di Light Detection and Ranging. Il suo funzionamento si basa sull'invio di un raggio laser da un trasmettitore, che viene poi riflesso dagli oggetti presenti nell'ambiente. Il ricevitore del sistema rileva la luce riflessa e, misurando il tempo impiegato dalla luce per raggiungere e tornare da ciascun oggetto (noto come "tempo di volo"), il LiDAR crea una mappa dettagliata delle distanze della scena.

Il LiDAR è una tecnologia ottica spesso indicata come metodo fondamentale per il rilevamento delle distanze nei veicoli a guida autonoma. Molti produttori stanno lavorando allo sviluppo di sistemi LiDAR economici e compatti. Praticamente tutti i produttori impegnati nella guida autonoma considerano il LiDAR una tecnologia abilitante fondamentale, e alcuni sistemi LiDAR sono già disponibili per i sistemi Advanced di assistenza Advanced (ADAS).

Come funziona il LiDAR e in che modo offre soluzioni?

In sostanza, il LiDAR è un dispositivo di telemetria che misura la distanza da un bersaglio. Esso misura la distanza inviando un breve impulso laser e registrando l'intervallo di tempo che intercorre tra l'emissione dell'impulso luminoso e il rilevamento dell'impulso luminoso riflesso (retrodiffuso).

Un sistema LiDAR può utilizzare uno specchio di scansione, più raggi laser o altri mezzi per "scansionare" lo spazio circostante. Grazie alla sua capacità di fornire misurazioni accurate delle distanze, il LiDAR è in grado di risolvere molti problemi diversi.

Nel telerilevamento, i sistemi LiDAR sono in grado di misurare la diffusione, l'assorbimento o la riemissione da parte di particelle o molecole presenti nell'atmosfera. A tal fine, tali sistemi possono richiedere requisiti specifici per quanto riguarda la lunghezza d'onda dei raggi laser. Ad esempio, i sistemi LiDAR possono misurare la concentrazione di una specifica specie molecolare nell'atmosfera, come il metano e la carica di aerosol. Il LiDAR può inoltre misurare le gocce di pioggia presenti nell'atmosfera per stimare la distanza di un temporale e l'intensità delle precipitazioni.

Altri sistemi LiDAR forniscono profili di superfici tridimensionali nello spazio degli oggetti. In questi sistemi, i raggi laser di scansione non sono vincolati a specifiche caratteristiche spettrali. È invece possibile scegliere la lunghezza d'onda dei raggi laser per garantire la sicurezza degli occhi o per evitare interferenze dovute alle caratteristiche spettrali dell'atmosfera. Il raggio di scansione incontra un «bersaglio rigido», che lo riflette verso il ricevitore LiDAR.

È inoltre possibile utilizzare il LiDAR per determinare la velocità di un bersaglio, sia tramite la tecnica Doppler sia misurando la distanza dal bersaglio in rapida successione. Ad esempio, i sistemi LiDAR possono misurare la velocità del vento nell'atmosfera e la velocità di un'automobile.

Inoltre, è possibile utilizzare i sistemi LiDAR per creare un modello tridimensionale di una scena dinamica, come ad esempio quella che potrebbe trovarsi ad affrontare un veicolo a guida autonoma. Ciò può essere fatto in vari modi, solitamente ricorrendo a una tecnica di scansione.

Quali sono le sfide legate al LiDAR?

I sistemi LiDAR operativi devono affrontare diverse sfide ben note, che possono variare a seconda del tipo specifico di sistema. Alcuni esempi comuni includono:

Queste sfide sono al centro di un'intensa attività di ricerca e sviluppo volta a migliorare l'affidabilità, la sicurezza e l'accessibilità economica della tecnologia LiDAR.

I campi di applicazione del LiDAR sono ampi e variegati. Gli scienziati atmosferici utilizzano il LiDAR per rilevare numerosi tipi di componenti atmosferici. Lo impiegano per caratterizzare gli aerosol presenti nell'atmosfera, studiare i venti nella parte superiore dell'atmosfera, tracciare il profilo delle nuvole, facilitare la raccolta di dati meteorologici e per molte altre applicazioni.

Gli astronomi utilizzano il LiDAR per misurare le distanze, sia di oggetti lontani come la Luna, sia di oggetti molto vicini. Infatti, il LiDAR è uno strumento fondamentale per migliorare la misurazione della distanza dalla Luna con una precisione dell'ordine dei millimetri. Inoltre, utilizzano il LiDAR per creare stelle guida per applicazioni astronomiche.

Gli scienziati della NOAA utilizzano i prodotti generati dal LiDAR per studiare sia gli ambienti naturali che quelli antropizzati. I dati LiDAR sono di supporto ad attività quali la modellizzazione delle inondazioni e delle mareggiate, la modellizzazione idrodinamica, la mappatura delle linee di costa, la gestione delle emergenze, i rilievi idrografici e l'analisi della vulnerabilità costiera.

Inoltre, il LiDAR topografico utilizza un laser nel vicino infrarosso per mappare il territorio e gli edifici, mentre il LiDAR batimetrico impiega una luce verde in grado di penetrare l'acqua per mappare i fondali marini e i letti dei fiumi. Il settore agricolo utilizza il LiDAR per mappare la topografia e la crescita delle colture, ottenendo così informazioni sul fabbisogno di fertilizzanti e sulle esigenze di irrigazione. Gli archeologi utilizzano il LiDAR per mappare antichi sistemi di trasporto nascosti sotto la fitta chioma delle foreste.

Oggi gli scienziati utilizzano spesso il LiDAR per creare modelli tridimensionali dell'ambiente circostante il sensore LiDAR. La navigazione autonoma è una delle applicazioni che sfrutta la nuvola di punti generata da un sistema LiDAR. È possibile trovare sistemi LiDAR in miniatura anche in dispositivi delle dimensioni di un telefono cellulare.

Come si comporta il LiDAR in una situazione reale?

Un'applicazione affascinante del LiDAR è la consapevolezza situazionale, ad esempio nella navigazione autonoma. Il sistema di consapevolezza situazionale di qualsiasi veicolo in movimento deve essere in grado di rilevare sia gli oggetti fissi che quelli in movimento che lo circondano. Ad esempio, il radar viene utilizzato da molto tempo per individuare gli aeromobili. Anche i produttori di veicoli terrestri trovano il LiDAR molto utile perché è in grado di determinare la distanza dagli oggetti ed è molto preciso in termini di direzionalità. Possono dirigere i fasci di sondaggio verso angoli precisi ed eseguire rapidamente una scansione per creare una nuvola di punti per un modello tridimensionale. La capacità di eseguire scansioni rapide è fondamentale per questa applicazione perché la situazione che circonda il veicolo è altamente dinamica.

Figura 5. I sensori delle auto a guida autonoma utilizzano i dati delle telecamere, dei radar e dei sistemi LiDAR per rilevare gli oggetti circostanti.

Figura 6. L'auto a guida autonoma utilizza sensori LiDAR per rilevare gli edifici e le auto circostanti.

Il software è fondamentale in ogni fase della realizzazione e del funzionamento dei sistemi LiDAR. Ciò significa che la progettazione di sistemi LiDAR richiede l'utilizzo di diversi tipi di software.

L'ingegnere di sistema ha bisogno di un modello radiometrico per prevedere il rapporto segnale-rumore del fascio di ritorno. L'ingegnere ottico ha bisogno di un software per realizzare il progetto ottico. L'ingegnere elettronico ha bisogno di un modello elettronico per realizzare il progetto elettrico. L'ingegnere meccanico ha bisogno di un pacchetto CAD per realizzare il layout del sistema. Gli ingegneri potrebbero inoltre aver bisogno di software di modellazione strutturale e termica.

Il funzionamento dei sistemi LiDAR richiede un software di controllo e un software di ricostruzione che converta la nuvola di punti in un modello tridimensionale. Keysight offre diversi strumenti ottici e fotonici a supporto della progettazione di sistemi e componenti LiDAR: