La Evolución del Lidar

Un Fotón Lidar aporta mayores frecuencias del pulso para el Lidar Aerotransportado.

Los sistemas Sistemas Lidar Aerotransportados Actuales. Tales como la serie Leica ALS, capturan un millón de puntos por segundo. Aumentar la tasa de repetición de impulsos es la mejor manera de lograr nubes de puntos densas a costos más bajos, ya que la velocidad de vuelo puede aumentarse. Sin embargo, la frecuencia del pulso está limitada por parámetros como el consumo de energía y la seguridad ocular. El fotón único Lidar permite alcanzar una tasa de pulso mucho mayor, ya que se necesita mucho menos energía por impulso.


Figura 2, Nube de puntos de un levantamiento de una sola pasada con SPL a una altura de 4.000 m sobre el nivel del suelo

Los sistemas Lidar se construyen típicamente a partir de una serie de componentes: un sistema de búsqueda de rango, óptica de escaneo para dirigir los impulsos láser y sistema de posición y orientación para registrar el punto de origen del pulso láser. Cuando se emplea para el Lidar Aerotransportado, a veces también se denomina a dicho sistema como “Lidar de Modo Lineal”.

Los sistemas Lidar de modo lineal utilizan energía relativamente alta en cada pulso láser emitido. Cada pulso viaja desde el avión hasta el suelo, desde donde se refleja de nuevo al escáner.

Usando más energía por pulso, se puede registrar una reflexión más fuerte porque más fotones son reflejados por el terreno debajo de la aeronave. La salida de los sistemas de modo lineal proporciona datos con alta precisión espacial y radiométrica.

Sin embargo, la tecnología impone algunas limitaciones en las tasas de pulso máximas efectivas que se pueden lograr.

Frecuencias de pulso más altas

La frecuencia de repetición de impulsos es el parámetro más importante para definir la altura de vuelo y velocidad de vuelo aceptables durante la adquisición de datos. Una tasa de repetición de pulso más alta permite un vuelo más rápido manteniendo una densidad de punto similar. A medida que aumenta la tasa de pulso de los sistemas Lidar de modo lineal, también lo hace el consumo de energía eléctrica, el enfriamiento del sistema, el tamaño, el peso y la seguridad de los ojos.

Esto se traduce en limitaciones de salida óptica de promedio máximo, limitando así también las máximas tasas de pulso efectivas.

Para dar un siguiente paso en el desarrollo del sistema Lidar Aéreos, debe reducirse la energía requerida por pulso. Esto puede lograrse cambiando la naturaleza y la tecnología del sistema de localización. La próxima generación de tecnologías Lidar, incluyendo el Fotón Único Lidar (SPL), responde a los nuevos sistemas de búsqueda de rango para lograr un menor consumo de energía y mayores tasas de pulso.

Conteo de fotones

SPL se desarrolló originalmente para el rango de Tierra-a-Satélite y tiene mediciones usando una cantidad mínima de energía láser en cada pulso. En comparación con los sistemas Lidar de modo lineal actualmente disponibles, SPL permite realizar mediciones de rango desde el terreno debajo de la aeronave. Este nivel de sensibilidad permite una determinada cantidad de salida láser para ser asignados a mayores frecuencias del pulso con menor energía en cada pulso.

El sistema SPL contiene un divisor láser, que divide cada pulso láser en una matriz de diez por diez pequeños rayos láser (Figura 1).

Figura 1, Las 100 beamlets del sistema SPL, visibles cuando están dirigidas a una pared

Para estas 100 beamlets, el tiempo de viaje de los fotones al suelo y al fondo se mide individualmente. La cantidad de energía en cada beamlet es mucho menor en comparación con el Lidar tradicional, pero, gracias a la mayor sensibilidad, un Único Fotón de Retorno es suficiente para medir el rango. El sistema SPL puede generar 60.000 pulsos por segundo. Dado que cada pulso se divide en 100 beamlets, esto da como resultado una frecuencia de pulso efectiva de 6,0 MHz, significativamente mayor que la que se puede conseguir con el Lidar de modo lineal.

Múltiples Retornos

Los sistemas Lidar de modo lineal permiten el registro de peaks de diversas reflexiones de destinos dentro de la longitud de onda de retorno completo, que puede procesarse para recuperar múltiples devoluciones. Como los sistemas SPL no capturan una onda continua, sino que cuentan los fotones individuales en su lugar, tal forma de longitud de onda no está disponible. Sin embargo, todavía es posible recuperar múltiples devoluciones gracias a los tiempos de recuperación de canales muy cortos de 1,6 nanosegundos.
Esto significa que el contador de fotones se restablece cada 1,6 nanosegundos para contar si hay nuevos fotones devueltos desde el beamlet. Estos son considerados como un nuevo retorno. El resultado es un verdadero sistema Lidar multi-retorno con separaciones inter-retorno cortas de 24 cms. Como resultado, los SPL pueden adquirir nubes de punto de alta densidad de 12 a 30 puntos por metro cuadrado con muchas devoluciones bajo toldos de bosques. La densidad de puntos varía inversamente con la altura de vuelo. Si se duplica la altura de vuelo, la franja cubierta se duplicará, pero la densidad de punto se acortará por la mitad. Un instrumento SPL volando a 200 nudos a 4.000 m sobre el suelo producirá una densidad de puntos de aproximadamente 20 puntos por metro cuadrado. La figura 2 muestra un ejemplo de una nube de puntos resultante.

Áreas de Aplicación

El Lidar de modo lineal sigue siendo el estándar de la industria, pero SPL está ganando aceptación para proyectos de cartografía de gran tamaño. Por ejemplo, el Programa de Elevación 3D del Servicio Geológico de los Estados Unidos, cuyo objetivo es recolectar sistemáticamente datos de elevación mejorados en forma de datos de Lidar de alta calidad, ha empleado SPL. El sistema ha demostrado cumplir los estándares de exactitud o datos USGS QL1, lo que corresponde a una precisión de altura superior a 10 cm para áreas no vegetales. Otras aplicaciones, tales como mapeo de corredores, clasificaciones de recursos y batimetría, requieren más datos de cada punto de datos, como robustos valores de intensidad o completas longitudes de onda. Esto no se puede lograr con SPL, haciendo más apropiado el Lidar de modo lineal.

En general, cuanto menor sea el costo por puntos con datos, mayor será el número de aplicaciones que surgirán para utilizar cualquier tipo de datos.

Por lo tanto, SPL es particularmente adecuado para aplicaciones de gran superficie en las que se va a adquirir un gran número de puntos de datos.

Panorama

Se espera que el rendimiento de SPL aumente con el tiempo en términos de precisión y capacidades radiométricas. Esto resultará en un cambio en el tiempo en las áreas de aplicación para las cuales SPL es adecuado. También se espera que la tasa efectiva de pulso de los sistemas SPL continúe mejorando, de la misma manera que la frecuencia del pulso para los sistemas de modo lineal ha mejorado constantemente en las últimas dos décadas.

Esto se puede ver en la Figura 3. Con niveles de rendimiento actuales de seis millones de puntos por segundo, la nube SPL podría capturar un billón de puntos por segundo en menos de una década, a partir de ahora.

Observaciones finales

Reducir costos por punto a través de mayores tasas de pulsos efectivos es la mejor manera de abordar los proyectos de grandes áreas y densidades de puntos altos en el futuro. A medida que el uso del SPL se vuelva apropiado en más y más aplicaciones, veremos cambios positivos en todas las industrias, tales como una mayor eficiencia en la gestión de recursos, una planificación de infraestructura más eficaz y una mejor preparación para desastres naturales.

Fuente: Gim-International

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