Лидар как прибор представляет собой активный дальномер оптического диапазона. Но, в отличие от дльномера, лидар строит профиль рассеяния по всей длине трассы. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.
В большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора. Наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн:
· 1550 нм — инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн.
· 1064 нм — ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
· 532 нм — зелёное излучение неодимового лазера, эффективно при измерении в воде
· 355 нм — ближнее ультрафиолетовое излучение
Общий вид излучения импульсного лазера представлен на рис. 3. Излучение было направлено на фотоприёмник, подключённый к осциллографу.
Рис. 3. Излучение импульсного лазера.
Генерируемое лазером излучение при распространении в атмосфере сопровождается различными процессами, но наибольшее влияние оказывает релеевское рассеяние, за счет которого формируется эхо-сигнал, приходящий на приемные системы лидара. По интенсивности пришедшего излучения мы может делать выводы об оптических свойствах исследуемого объекта, а в последствии и о физических.
Основные принципы лазерного зондирования могут быть выражены лидарными уравнением в приближении однократного рассеяния
|
где:
- мгновенное значение мощности, принимаемой с расстояния R
- мощность лазерного импульса
- пространственное разрешение
с – скорость света
- длительность лазерного импульса
- объёмный коэффициент рассеяния назад
R – расстояние
- эффективная площадь приёмной апертуры
- объёмный коэффициент ослабления.
На рис. 4 показан типичный лидарный сигнал при зондировании атмосферы вертикально вверх. 1 пик приходится на слой аэрозоля у поверхности земли, 2-й на нижний слой облачности.
Рис. 4. Типичный лидарный сигнал при зондировании вертикально вверх: а – наблюдаемый в виде гистограммы фотоотсчетов; б – скорректированный по дальности