O LiDAR é um sensor que usa feixes laser para calcular distâncias e velocidades de objetos e, criar mapas e modelos 3D detalhados.
Post sobre o funcionamento do laserclique aqui
Princípio de funcionamento
LiDAR é a abreviatura de Light Detection And Ranging (detecção e alcance por luz); funciona de forma semelhante ao radar. O sensor emite pulsos laser na frequência do infravermelho próximo, os objetos refletem os pulsos e estes voltam para o sensor.
O tempo que a luz leva desde a emissão até a chegada no sensor é medido e a distância é calculada por um processador. Para calcular a distância:
distância do objeto=(velocidade da luz * tempo medido)/2
Outros componentes importantes no LiDAR são a unidade de medição inercial (IMU), para obter medições precisas da inclinação e da orientação do sensor e o GPS, para obter as coordenadas do objeto.
O escaneador a laser
Emite vários pulsos de laser por segundo em várias direções, para fazer a varredura de um ambiente em três dimensões. O mecanismo de varredura pode ser:
- Espelhos e/ou prismas móveis, controlados por motores elétricos ou servomotores.
- Microsistemas eletromecânicos (MEMS) com microespelhos oscilantes. Serve para aplicações que exigem peso, consumo e tamanho baixos.
- Matriz de fase ótica (OPA), que consiste em uma matriz de nanoantenas fotônicas (emitters); estas recebem luz de uma mesma fonte de laser, cuja luz passa por um divisor de feixe. Cada nanoantena está ligada a um sintonizador de fase (phase tuner), cujo controle é realizado eletronicamente. A direção do feixe de luz (beam direction) é controlada ajustando os sintonizadores de fase, pois as luzes emitidas pelas nanoantenas fazem interferências construtivas e destrutivas.
O LiDAR emite uma grande quantidade de pulsos de luz por segundo, criando uma nuvem de pontos em três dimensões.
Fotodetectores para LiDAR
A luz refletida é detectada por fotodiodos. Atualmente, os sensores LiDAR usam dois tipos de fotodiodos.
Para melhor entendimento, é preciso saber sobre o funcionamento do diodo. O link para o post sobre o funcionamento deste componente está abaixo.
O fotodiodo PIN
Além das camadas P e N, há uma terceira camada intríseca I, que é maior que as outras duas.
Na polarização reversa, a região de depleção do fotodiodo obtém a mesma espessura da região I. Quando um fóton (partícula de luz) incidente é absorvido pelo material da região I, um elétron recebe energia suficiente e surge um par elétron-lacuna. O elétron se movimenta devido ao campo elétrico na região de depleção, produzindo uma corrente. Conforme aumenta o número de fótons, haverá o aumento do número de pares elétrons-lacuna, logo, aumentará a corrente elétrica.
O fotodiodo avalanche (APD)
Este tipo é muito sensível e possui 4 camadas.
Este fotodetector usa o fenômeno da ionização de impacto para aumentar o ganho e amplificar a corrente. Quando o elétron adquire energia do fóton absorvido, recebe energia suficiente para colidir com átomos nas camadas p e n+, liberando mais elétrons, formando uma reação em cadeia.
Este componente requer elevada tensão reversa, acima de 100 V, e a construção é mais complexa.
Fotomultiplicador de sílicio (SiPMs)
É uma matriz de fotodiodos avalanche, cada um formando um pixel ou microcélula. Cada pixel pode detectar um único fóton.
Processamento
Após a coleta de dados, estes precisam ser processados para produzir modelos precisos de ambientes e objetos. Primeiramente, os dados devem passar por um filtro para remover falhas e ruídos, em seguida, são classificados para a construção de modelos.
Outros tipos de LiDAR
O LiDAR batimétrico usa um laser verde para penetrar na água e obter modelos digitais de elevação do fundo costeiro e de rios, lagos e reservatórios.
Em contraste com o sensor gerador de nuvem de pontos, o sistema flash LiDAR ilumina uma área com um único feixe laser, dispensando o mecanismo escaneador.
O LiDAR FMCW mede a distância e a velocidade com a diferença de frequência entre os feixes transmitido e refletido. Com esta tecnologia, o processamento dos dados é bem diferente.
Algumas aplicações do LiDAR
- O mapeamento com o LiDAR ajudará veículos autônomos a navegar no ambiente.
- Monitoramento ambiental: para avaliar impactos e desastres ambientais. O LiDAR também permite observar a altura e a densidade da vegetação.
- Topografia: esta tecnologia produz mapas detalhados em três dimensões e com uma resolução e precisão melhores que a fotogrametria, embora com um custo mais elevado.
- Na arqueologia, é um método não invasivo para procurar artefatos e vestígios.
- Alguns celulares possuem escaneadores LiDAR.
