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LIDAR. Space based applications Global profiling of wind velocity, aerosol concentrations, and DIAL measurements of water vapor and other molecular concentrations.

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Presentazione sul tema: "LIDAR. Space based applications Global profiling of wind velocity, aerosol concentrations, and DIAL measurements of water vapor and other molecular concentrations."— Transcript della presentazione:

1 LIDAR

2 Space based applications Global profiling of wind velocity, aerosol concentrations, and DIAL measurements of water vapor and other molecular concentrations. Cloud frequency and characteristics Numerical weather prediction - safety and fuel savings for air and sea transportation, prevention of severe weather related loss of life and property, agriculture assistance, military planning and logistics Wind profiling of Mars and other solar system bodies from orbiting or surface platforms Spacecraft automated rendezvous, stand off operations, docking, and capture River flow, height, and width measurements Pollution - study, abatement strategies, and enforcement Nuclear weapons - nonproliferation monitoring and treaty enforcement Remote sensing missions to other planets

3 Aircraft based applications Take-off and landing: wind shear and wake vortex detection; clear air turbulence warning Cruising: route optimization for fuel efficiency, true airspeed, angle of attack, and sideslip angle measurement Collision Avoidance Volcanic ash detection and avoidance (using polarization) Taxi way obstacle detection and avoidance "Ground truth" measurements for orbiting instruments Flight Testing High speed commercial aircraft: inlet unstart warning and control

4 Ground based applications Miscellaneous: –River flow, height, and width measurement –Wind profiling for improved shuttle launch and landing safety –Wind profiling for ELV launch optimization –Wind field mapping to study effects of orographic features on planned or existing structures –Meteorological data acquisition –"Ground truth" measurements for orbiting instruments Airport –Airport monitoring of wind turbulence, wind shear, and wake vortices Automotive –Improved law enforcement monitoring of vehicle speed and location –Velocity and range remote sensing for collision avoidance –Doppler, range, reflectance imaging for automatic vehicle guidance –Wind mapping for coefficient of drag reduction research –Remote measurement of exhaust flow rate and composition –Fuel and coolant flow rate measurement –High speed motion measurement of engine components Medical: –Non-invasive blood flow rate monitoring in arteries, veins, retinas, etc. –Non-invasive Doppler imaging of internal organs –Diagnostics during surgery Pollution Abatement: –"Over the fence" pollution monitoring –Mass flow rate measurement of high stack emissions –Wind field mapping for pollution transport determination Military: –Wind measurements for improved targeting for military ordnance, and for parachute dropped personnel and supplies –Weapon fire control –Rocket launch wind monitoring –Improved weather prediction for planning and logistics –Nuclear weapon nonproliferation monitoring –Take-off and landing: wind shear and wake vortex detection; clear air turbulence warning –Cruising: route optimization for fuel efficiency, true airspeed, angle of attack, and sideslip angle measurement –Automatic Target Recognition (ATR) –Identification, Friend or Foe (IFF)

5 Richiami di teoria Elettromagnetica

6 Propagazione e polarizzazione Polarizzazione lineareCircolare Ellittica

7 Spettro elettromagnetico λ = c / ν E = hν h = 6.65 × J·s h = 4.1 μeV/GHz. colorwavelength intervalfrequency interval red~ nm~ THz orange~ nm~ THz yellow~ nm~ THz green~ nm~ THz cyan~ nm~ THz blue~ nm~ THz EHF = Extremely high frequency (Microwaves) SHF = Super high frequency (Microwaves) UHF = Ultrahigh frequency VHF = Very high frequency HF = High frequency MF = Medium frequency LF = Low frequency VLF = Very low frequency VF = Voice frequency ELF = Extremely low frequencyExtremely high frequencySuper high frequencyUltrahigh frequencyVery high frequencyHigh frequencyMedium frequencyLow frequencyVery low frequencyVoice frequencyExtremely low frequency

8 Densità spettrale di rumore Nel grafico è rappresentato y(f)=h [Wsec/photon] in funzione della frequenza ed è stata inserita lenergia del rumore termico alla temperatura di 290 °K (y1) Dalla figura si evidenzia che, essendo kT il limite inferiore del rumore a temperatura T, non è possibile rivelare un fotone alle microonde, dato che la sua energia è inferiore a kT. In figura 1.1 si vede come landamento del contributo di photon noise comincia a divenire sensibile rispetto al rumore termico intorno a frequenze dellordine di grandezza di Hz, equivalenti a lunghezze donda di 300 m. Per le microonde kT>>h e lo sviluppo in serie vale Segue che:

9 Rivelazione diretta e eterodina Rivelazione diretta Rivelazione coerente o etrodina P s (R) Segnale di Backscattering Ottica detector LPF B P BG Background R RLRL SNR D P s (R) Segnale di Backscattering cos if t Ottica Beam splitter Oscillatore locale LPF E tot SNR h P BG cos ift

10 Rivelazione eterodina Nel caso della rivelazione coerente (eterodina o omodina), alla radiazione incidente sul rivelatore viene sovrapposta la radiazione di un oscillatore locale. La radiazione incidente può interferire con loscillatore locale, a condizione che abbiano in comune almeno una componente della polarizzazione. Le radiazioni che interferiscono producono una frequenza di battimento pari alla differenza delle frequenze della radiazione incidente e delloscillatore locale segnale Oscillatore locale Beam splitter Livello di segnale + OL Livello di rumore s OL n s+n Rumore di fase e ampiezza più grande del livello del segnale OL s s+n Rumore di fase e ampiezza inferiori al livello di segnale

11 Rivelazione eterodina Il campo retrodiffuso dall atmosfera, quello dell oscillatore locale e quello totale sono rispettivamente pari a: Il rivelatore produce una corrente proporzionale alla potenza Ptot(t) del campo Etot(t)il cui valore è: Il filtro a frequenza intermedia lascia passare solo la componente a frequenza intermedia della i(t) : La tensione all ingresso del rivelatore coerente vale vif(t)=R i if (t) avendo indicato cor R la resistenza di carico all uscita della media frequenza. Il sistema di rivelazione coerente permette di scomporre il segnale di interesse v if (t)=R i if (t)=v if cos( if t+ (t)) nelle due componenti fase e quadratura come mostrato in figura:

12 LASER

13 Generazione di fotoni

14 SNR I valori di SNR diretto e eterodina si possono scrivere come segue: in cui: P s Potenza del segnale ricevuto P OL Potenza dell oscillatore locale P bg Potenza della radiazione di background dovuta alla radiazione dell ambiente in cui si opera che incide sull ottica del ricevitore P d Potenza dovuta alla corrente di buio del fonorivelatore, cioè quella corrente prodotta anche quando su di esso non incide alcuna radiazione P T Potenza del rumore termico dovuta alla parte elettronica del ricevitore het Efficienza di mixing eterodina FFigura di rumore dell amplificatore R eq Resistenza di carico dellamplificatore N Brillanza spettrale della sorgente di background s Angolo solido con cui è vista dal ricevitore A r Area della pupilla del ricevitore B ottico Banda del filtro ottico del ricevitore a, 0 Trasmissività rispettivamente dell atmosfera e delle ottiche di ricezione

15 Rivelazione eterodina La fase (t) e quella relativa fra gli oscillatori a media frequenza sin ift e cos ift.. Si deve notare che (t)= dt+ in cui è una fase fissa. Questo tipo di rivelazione coerente mantiene informazione della fase relativa ed è necessario nei processing per l analisi spettrale quando ad esempio si desidera stimare l informazione doppler. Il segnale rivelato con l eterodina vifcos( ift+ (t)) viene fatto battere con il segnale di riferimento cos ift e si ha: vifcos( ift+ (t)) cos ift= (vif/2)( cos (t)+cos(2 ift+2 (t))) La componente in alta frequenza viene filtrata dal low pass filter ottenendo in uscita: VI= (vif/2) cos (t)= (vif/2)cos( ift+ (t)) Analogamente per il canale in quadratura. La banda del LPF viene scelta in modo da consentire il passaggio della massima frequenza doppler che si intende stimare Se si desidera stimare la potenza è sufficiente inserire un rivelatore quadratico all uscita della media frequenza. Qualora si desideri stimare contemporaneamente la doppler e la potenza si possono rivelare, con due detector quadratici, i due canali in fase e quadratura e poi sommarli fra loro. v if cos v if sin v if e j vIvI vQvQ

16 Rivelazione eterodina Rapporto segnale rumore teorico Considerando lo shot noise prodotto dal rivelatore: e il rumore termico Pth=k TN Bif Nell ipotesi normalmente verificata che la potenza dell oscillatore locale sia sufficientemente grande (Shot noise>>Thermal noise) il rapporto segnale rumore vale: Tale valore è puramente teorico poiché l efficienza eterodina è degradata da altri fattori (RIN. allineamento dei fasci segnale OL etc)

17 Rivelazione eterodina Le componenti sen if t e cos if t nelloscillatore locale a media frequenza sono utilizzate per convertire il segnale nella banda IF in due segnali I e Q in banda video. Luso dei canali I e Q è necessario per: –Riduzione della frequenza di campionamento –Stima dello spostamento della frequenza Doppler positiva e negativa –Demodulazione ottima in presenza di spettri di segnale non simmetrici (modulazione simultanea di frequenza e ampiezza) –Eliminazione di velocità cieche (un segnale è sempre presente in uno dei due canali) –Elaborazione coerente del segnale con un algoritmo FFT o con un covariance processing In applicazioni quali DWL (Doppler Wind Lidar) il ricevitore deve fornire le tre stime più importanti dei momenti spettrali che sono: –La potenza del segnale di ritorno o momento zero dello spettro Doppler. Tale parametro è un indicatore del contenuto aereosolico o rate di precipitazione nella cella di volume risolta. –La velocità Doppler media o il primo momento dello spettro normalizzato di potenza. Questo parametro è uguale alla mobilità media degli elementi scatteranti pesati dalla loro cross section. E essenziale che vi sia una componente di velocità radiale nei confronti del ricevitore ottico. –La larghezza spettrale, ossia la radice quadrata del secondo momento che identifica la dispersione delle velocità delle particelle intorno al loro valore medio.

18 Differenza fra luce coerente e incoerente

19 Coerenza spaziale

20 Coerenza temporale e larghezza spettrale

21 Rayleigh, Mie scattering

22 LIDAR

23 Si consideri un impulso Laser il cui inviluppo temporale è indicato con p(t) all istante di riferimento t=0 come mostrato in figura. R=(c/2)(T- p ) R=(cT/2) time T/2 T/2- p p(t) inviluppo trasmesso t= p p(t- )-p(t-2R/c) inviluppo ricevuto all istante T p(t-T/2)=p(t-R/c) inviluppo all istante T/2

24 LIDAR All istante T/2, tale impulso illumina una cella di atmosfera posta a distanza R=cT/2 di area pari a A= R2 ( è l angolo solido del fascio laser, 2, è l ampiezza del fascio) e di spessore pari all equivalente in distanza della durata p dell impulso, cioè R=c p/2; l inviluppo è pari a p(t) ritardato di T/2 secondi, cioè p(t-T/2). La densità di potenza D con cui viene investita l area A a distanza R è data da : in cui: P T è la potenza trasmessa calcolata tenendo conto del ritardo T/2 impiegato dall impulso per percorrere la distanza R=p(t-T/2)=p(t-R/c) T a (R) è il fattore di attenuazione del percorso R K(R) è l andamento del coefficiente di attenuazione lungo il percorso R ARAR R R A R 2

25 LIDAR La densità di potenza D diffusa dalle molecole di atmosfera contenute nel volume infinitesimo A R è espressa in funzione del coefficiente di backscattering (R) (frazione di energia incidente che viene retrodiffusa, per unità di angolo solido e unità di lunghezza [m -1 sr -1 ]) come segue: Dopo un ulteriore ritardo temporale pari a T/2, questa potenza retrodiffusa viene ricevuta (con un inviluppo pari a p(t-T) da una ottica di area A R posta anchessa a distanza R ; la potenza ricevuta è pari alla densità di potenza integrata sull area A R tenendo inoltre in conto l ulteriore attenuazione T a (R) del percorso R

26 LIDAR Tale potenza ricevuta (relativa alla fetta di spessore R contenuta nel volume A R illuminato dall impulso ) deve essere intergrata su tutto il volume di atmosfera che concorre a determinare la potenza ricevuta all istante t=T=2R/c: Si possono fare le seguenti osservazioni: L attenuazione geometrica segue l andamento 1/R 2 (e non 1/R 4 ) poichè l atmosfera è un bersaglio esteso e non puntiforme Il livello del segnale riflesso (ossia la capacità diffusiva dell atmosfera e/o delle sostanze in essa contenute fumi, sostanze inquinanti) dipende dal coefficiente di backscattering (R) L attenuazione per effetto dell assorbimento molecolare è tenuta in conto dal fattore K(R)

27 LIDAR L espressione della potenza ricevuta può essere semplificata applicando alcune ipotesi valide nella pratica: Si ipotizza (R) costante entro la distanza c p /2 K(R) e l attenuazione praticamente costanti entro la distanza c p /2 Con queste ipotesi si ha: Poiché: in cui E è l energia dell impulso trasmesso e si ha in definitiva:

28 LIDAR avendo espresso l energia in termini di potenza(E=P T p ); normalmente in P ric (t) viene sottointeso l istante t=2R/c In figura è riportato, in forma qualitativa, l andamento della potenza ricevuta evidenziando la suddivisione della scala dei tempi in range bin di durata p ciascuno dei quali rappresenta il volume di atmosfera a distanza ct/2 e spessore c p /2 che ha prodotto la P ric (t). La potenza ricevuta si intende sul sistema ottico di ingresso pertanto nell analisi di sistema deve essere depurata delle perdite connesse alle ottiche al rivelatore etc. Si deve notare inoltre che il valore di potenza calcolato deve essere inteso come valore medio di un parametro aleatorio. Impulso trasmesso P ric (t) p p t

29 LIDAR Valori tipici per i parametri nella equazione lidar per applicazioni spaziali: K=10 -6 [m -1 ] =10 -6 [m -1 sr -1 ] E=5 [J] A R =0.2 1 [m] R= [km]

30 LIDAR La radiazione emessa dalle sorgenti laser è particolarmente ricca dal punto di vista dei fenomeni ottici cui può dare luogo; la maggior parte di essi è una diretta conseguenza della grande lunghezza di coerenza di cui sono dotate molte sorgenti laser. Una grande lunghezza di coerenza significa che, se la radiazione laser, per effetto, ad esempio, della diffusione prodotta da un oggetto che illumina, raggiunge lo stesso punto dopo aver percorso cammini ottici diversi, può interferire (purché la differenza di cammino ottico sia minore della lunghezza di coerenza). Linterferenza si traduce in vistose variazioni di intensità del segnale, che possono verificarsi a distanze fra punti più o meno grandi (un esempio tipico sono le frange di interferenza prodotte dagli interferometri). Uno degli effetti più vistosi dellinterferenza è il fenomeno degli speckles. Quando si osserva una superficie diffondente illuminata da una radiazione dotata di grande lunghezza di coerenza, la superficie appare coperta da molti puntini luminosi, intervallati da zone nere: è il fenomeno degli speckles. Se la zona illuminata della superficie non è liscia, ma è costituita da rilievi irregolari grandi rispetto alla lunghezza donda della radiazione che la illumina, da ciascun punto delle irregolarità si diffonde parte della radiazione, con una fase diversa da un punto allaltro. Se un sistema ottico raccoglie la radiazione per formare unimmagine della zona illuminata, nel caso ideale, di un sistema ottico con risoluzione infinita, di ciascun punto fa unimmagine indipendente. Nella realtà, però, un sistema ottico di risoluzione infinita non esiste, sia per effetto della diffrazione, che delle aberrazioni e dei difetti di costruzione e di messa a fuoco. Se la zona della superficie che contribuisce alla la minima dimensione risolta nellimmagine, è costituita da almeno due punti da cui parte la radiazione diffusa, con una differenza di distanza dallottica superiore alla lunghezza donda, quando i due contributi della radiazione diffusa vengono fatti convergere nel punto-immagine risolto, interferiscono, dando luogo ad una intensità che dipende dalla fase relativa: se sono in fase, le ampiezze si sommano (se le ampiezze sono uguali, lintensità del punto luminoso diviene quattro volte lintensità che avrebbe ciascuno dei punti separatamente); se sono in opposizione di fase, si sottraggono reciprocamente; in tutte le condizioni di fase intermedie danno luogo ad immagini di intensità intermedia. Quindi, allinterno di una zona risolta dellimmagine fatta dal sistema ottico, esiste una parte della radiazione che si somma in fase, una parte in opposizione di fase ed il resto in condizioni intermedie. Le dimensioni di ciascuno speckle dipendono dalla risoluzione del sistema ottico.

31 LIDAR Causati da una costruttiva e distruttiva interferenza dai ritorni degli elementi scatteranti all interno di una cella di risoluzione Il numero degli speckle N s in un sistema ottico è pari a: Per ridurre il numero degli speckle è necessario che l ottica del Tx sia simile a quella del Rx. Tipici valori di divergenza di un laser singolo modo di 1 cm di diametro intorno ai 100 rad. L angolo di diffrazione di un ottica da 1 m di diametro è pari a circa 1 rad. Per ottenere 3-4 speckle andrebbe ingrandito il fascio laser alcune decine di volte e ciò è molto difficile V 1, 1 V 2, 2 V 6, 6 V 4, 4 V 3, 3 V 5, 5

32 LIDAR Le perdite di efficienza di conversione eterodina possono essere raggruppate in due classi: Esterne: –Perdite per polarizzazione –Perdite per effetto degli speckles Interne: –Perdite per diversa dimensione degli spots di oscillatore locale e segnale –Perdite per effetto della diversa curvatura dei fronti del segnale e dell' oscillatore locale –Perdite per tilt fra segnale e oscillatore locale –Perdite per offset laterale –Perdita per turbolenza La perdita per turbolenza dipende dal tipo di applicazione; infatti in applicazioni satellitare in cui la distanza dall atmosfera è grande tale perdita è piccola mentre deve essere valutata per applicazioni da terra verso la parte bassa dell atmosfera. Ciascuna delle suddette perdite è riportata in dettaglio qui di seguito: Perdite per polarizzazione p Quando il segnale trasmesso è completamente depolarizzata (50% di probabilità di avere una componente del campo piano polarizzato in una direzione) dall' atmosfera la perdita attesa per p è pari a 0.5 Perdite per effetto degli speckles sp In presenza di speckles non correlati il massimo segnale possibile è pari alla somma di vettori indipendenti associati a ciascuno speckle metre il segnale che realmente è presente è pari al random walk degli stessi vettori. L' efficienza di mixing è pari al rapporto fra i quadrati dei vettori somma precedentemente definiti. Per uno speckle la densità di probabilità dell' ampiezza segue la distribuzione esponenziale mentre in presenza di più speckle si applica la distribuzione Gamma.

33 LIDAR Perdite per diversa dimensione degli spots di oscillatore locale e segnale m Tale perdita è dovuta alla dimensione diversa degli spots dell' oscillatore locale e del segnale. Considerando che solo le superfici sovrapposte contribuiscono al segnale di mixing è sufficiente che la superficie illuminata dall' oscillatore locale sia più grande di quella del segnale che il segnale di battimento non subisce perdite se non a spese del solo oscillatore locale. L' importante è valutare che la maggiore potenza richiesta all' OL che di fatto investe il rivelatore non renda maggiore il valore di RIN. Tale causa, con questo accorgimento, non contribuisce in modo notevole alla degradazione di SNR. Perdite per effetto della diversa curvatura dei fronti del segnale e dell' OL r Se i raggi di curvatura del fronte d' onda del segnale e dell' OL sono diversi le differenze di fase fra i segnali interferenti non è uniforme sull' area illuminata del rivelatore. Ciò si traduce in una perdita di efficienza che può essere valutata dalla seguente relazione : in cui w è il minimo waist del fasio laser, a il raggio del rivelatore ed R è il raggio di curvatura di un fascio considerando piano il fronte d' onda del secondo fascio.

34 LIDAR Perdite per tilt fra segnale e oscillatore locale t Assumendo che tutta la potenza del segnale riempa il rivelatore l' efficienza è data dalla seguente espressione valutata per uno speckle. in cui J 1 è la funzione di Bessel di ordine 1, è l' angolo di tilt e k=2 /. Tale espressione con 50 micron di raggio del detector a 2 micron l' efficienza di mixing è unitaria per angoli dell' ordine del milliradiante che non creano problemi di progettazione. Pertanto anche questa causa di degradazione di SNR è trascurabile. Perdite per offset laterale l Per questa causa di degradazione si devono considerare le seguenti tre situazioni: –a-Uguale raggio di curvatura e uguale dimensione dei waist In tal caso esiste perdita per mancanza di sovrapposizione dei waist è la perdita è notevole come si può vedere dalla convoluzione di due segnali ad esempio di tipo rettangolare o Gaussiano pertanto la condizione di ugual dimensione si deve evitare e conviene utilizzare un OL con dimensioni di waist più grandi. –b- Uguale raggio di curvatura e differente dimensione dei waist In tal caso non c'è perdita come descritto precedentemente. –c-Raggi di curvatura differenti In tal caso facendo in modo che la superficie illuminata dell' LO sia più larga di quella illuminata dal segnale c' è solo perdita per tilt. Se infatti non si operasse così nel caso di uguale dimensione di superfici illuminate si avrebbero perdite per tilt e per diversa dimensione degli spots di oscillatore locale e segnale.

35 LIDAR Perdite per RIN (Relative Intensity Noise) Questa causa di degradazione modifica il rapporto SNR poiché interviene il rumore di ampiezza e fase dovuto al trasmettitore. Si può mitigare questa causa ricorrendo a ricevitori ottici bilanciati che sono molto complessi date le lunghezze d onda utilizzate. Lorentzian Lineshape

36 Danneggiamento oculare 1- meccanico Impulsi laser corti ( nd:yag sec) con shock wave 2-termico Impulsi laser corti (10-6 sec) nel vicino ir o nel visibile con incremento di temperatura sulla retina (15-20°c) e aumento dell' energia cinetica 3-fotochimico Nell' uv (maggiore sensibilita' a 350 nm)

37 Danneggiamento oculare Danni limitati nel tempo si possono ottenere per: -effetti fotochimici con danno da radicali liberi (edema maculare reversibile) che provocano cecita' da pochi secondi a 4 mesi -effetti da desaturazione dei pigmenti retinici (la melanina che e' il pigmento che blocca la luce si ossida) che provocano abbagliamento da pochi secondi a 1 minuto Danni permanenti si possono ottenere per esasperazione dei precedenti e per : -effetto termico -effetti dovuti a campo elettrico elevato -effetto meccanico

38 Limiti di esposizione Limiti di esposizione per visione diretta Limite di esposizione Sorgente puntiformeRiflessione diffusa (nm) t(sec) (J/cm 2 )(J/cm 2 sr) t t t t t 1/ t 1/ t 1/ mm t t 1/3 I limiti di esposizione per la riflessione diffusa sono valutati a grande distanza dalla sorgente.

39 Livelli di pericolosità sull occhio Il livello di pericolosita' sull' occhio si valuta considerando che la dimensione della pupilla e' pari a 8 mm e la distanza focale dell' occhio e' pari a 17 mm. Una divergenza del fascio laser di 0.5 mrad si traduce in un immagine sulla retina di dimensione pari a : Div. fascio distanza focale=dimensione sulla retina= 8 m Tale valore rappresenta la focalizzazione dovuta al cristallino (rapporto fra la superficie della pupilla e quella sulla retina) pari a 10 6 Il valore di RHR (valutato in continuous wave) a 0.35 m e' pari a 180 [1/kJ/cm 2 ] pertanto si ha che la minima energia che provoca fenomeni reversibili vale: J min /cm 2 =(1/180)10 -3 = J/cm 2 Tale valore depurato della focalizzazione del cristallino vale 5.5 J/cm 2.


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