Ray tracing per l'analisi della tecnologia LIDAR

Il LIDAR (acronimo di Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) è una tecnologia di telerilevamento che utilizza impulsi laser per misurare con estrema precisione le distanze tra il sensore e gli oggetti circostanti, creando mappe tridimensionali dettagliate dell'ambiente. I LIDAR sono montati sugli aerei, sui tripodi o su veicoli in movimento per la mappatura stradale. Tra i vantaggi di tale tecnologia vi sono l’ampia copertura e la versatilità operando il LIDAR in condizioni di nebbia o pioggia leggera.

Principio di funzionamento del LIDAR

Il funzionamento del LIDAR si basa sull'uso di impulsi laser altamente concentrati (generalmente nella gamma infrarossa o visibile) per misurare le distanze tra un dispositivo emettitore/sensore e gli oggetti circostanti, creando una rappresentazione tridimensionale dettagliata dell'ambiente. La tecnica principale utilizzata è il Time of Flight (ToF), che consiste nel misurare il tempo impiegato dalla luce laser per viaggiare verso un oggetto e tornare al sensore. Quando l’impulso laser colpisce un oggetto, esso viene riflesso in tutte le direzioni. La parte della luce riflessa che ritorna al sensore LIDAR consente di misurare la distanza tra oggetto e sensore calcolando il tempo che intercorre tra l’emissione la ricezione del segnale riflesso. Questo processo genera una nuvola di punti 3D (point cloud) che rappresenta l’ambiente in modo dettagliato.

Figure 1: Schema di funzionamento di un sistema LIDAR

Tipologie di LIDAR in base al principio operativo

Esistono diverse tipologie di LIDAR, ciascuna adatta a specifiche applicazioni in settori quali l'automotive, l'ingegneria civile, l'ambiente e le scienze spaziali:

1. LIDAR Aereo (Airborne LiDAR)

• Montato su aerei, droni o elicotteri
• Usato per mappature su larga scala (es. rilievi topografici, studi forestali)

2. LIDAR Terrestre (Terrestrial LIDAR)

• Installato a terra o su veicoli
• Utilizzato per mappature dettagliate (es. monitoraggio di infrastrutture, rilievi urbani)

3. LIDAR per Veicoli (Automotive LIDAR)

• Integrato in veicoli autonomi per rilevare ostacoli, pedoni e altri veicoli
• Ottimizzato per applicazioni in tempo reale

4. LIDAR Spaziale (Spaceborne LIDAR):

• Montato su satelliti o sonde spaziali
• Usato per studiare superfici planetarie, l'atmosfera o la vegetazione

Figura 2: Conversione del sistema da sequenziale a non sequenziale

Progettare un sistema LIDAR

Progettare un sistema LIDAR è un processo complesso che richiede approfondite conoscenze di fisica, ottica, elettronica e software. Riportiamo qui di seguito gli aspetti legati all’ottica:

1. Specitiche tecniche

• Definizione della risoluzione spaziale, della frequenza di scansione e del campo visivo (FOV in inglese)

2. Scelta della sorgente luminosa

• Lunghezza d'onda: di solito vengono utilizzati laser nel vicino infrarosso (850-1550 nm), considerando l'efficienza, la sicurezza oculare e l'assorbimento atmosferico
• Potenza ottica: la potenza necessaria per raggiungere la distanza desiderata senza compromettere la sicurezza
• Tipo di laser: un laser a diodo o a fibra ottica, a seconda delle esigenze
  

3. Progettazione del sistema ottico

• Ottiche di emissione: lenti o specchi per collimare o focalizzare il raggio laser
• Ottiche di ricezione: il sistema ottico del ricevitore deve essere ottimizzato per catturare il segnale di ritorno, riducendo il rumore ottico
• Scanner: scelta di un meccanismo di deviazione del fascio laser
• LIDAR rotativo: utilizzo di specchi rotanti
• Solid-state LIDAR: uso di phased array ottici (OPA) o MEMS (sistemi microelettromeccanici)
  

4. Sensore di rilevamento

• Sensore fotonico: un fotodiodo a valanga (APD) o un fotomoltiplicatore per rilevare il segnale riflesso
• Filtri ottici: filtri passa-banda per eliminare la luce indesiderata
  

5. Algoritmi e software

• Calcolo della distanza: sviluppo del software per calcolare la distanza misurando il tempo impiegato dal laser per “andare” e “tornare” dal target
• Mappatura e scansione: generazione di algoritmi per generare immagini 2D/3D
• Filtraggio del rumore: scrittura di algoritmi per migliorare il rapporto segnale/rumore

6. Considerazioni sulla sicurezza

• Sicurezza del laser: conformità agli standard di sicurezza (es. IEC 60825 per la classificazione laser)
• Robustezza: il sistema LIDAR deve resistere a condizioni ambientali difficili (polvere, umidità, vibrazioni)

Conclusioni

Nel settore dell'elettronica di consumo, gli ingegneri sfruttano il LIDAR per diverse funzioni, come il riconoscimento facciale e la mappatura 3D. Il vantaggio di costruire mappe tridimensionali impiegando sistemi ottici compatti ha fatto sì che il LIDAR a stato solido diventasse più comune nei prodotti di elettronica di consumo, come smartphone e tablet. In questa webinar mostreremo come Ansys Zemax OpticStudio può essere utilizzato per il design e l’analisi di un sistema LIDAR attaverso le modalità di raytracing sequenziale e non sequenziale.

Il LIDAR (acronimo di Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) è una tecnologia di telerilevamento che utilizza impulsi laser per misurare con estrema precisione le distanze tra il sensore e gli oggetti circostanti, creando mappe tridimensionali dettagliate dell'ambiente. I LIDAR sono montati sugli aerei, sui tripodi o su veicoli in movimento per la mappatura stradale. Tra i vantaggi di tale tecnologia vi sono l’ampia copertura e la versatilità operando il LIDAR in condizioni di nebbia o pioggia leggera.