Rilevamento coerente atmosferico LiDAR è una tecnologia fondamentale nel telerilevamento attivo, ampiamente utilizzata per la misurazione della velocità del vento, la ricerca sulla turbolenza atmosferica e la valutazione dell'energia eolica. Questa tecnica funziona emettendo impulsi laser e catturando i segnali retrodiffusi dagli aerosol atmosferici (come polvere e goccioline). Utilizzando il rilevamento ottico eterodina, estrae lo spostamento di frequenza Doppler per ricavare la velocità e la direzione del vento. In questo sofisticato processo, la sorgente di luce pulsata è fondamentale, poiché le sue caratteristiche determinano direttamente la sensibilità di rilevamento del sistema, la risoluzione della portata e l'affidabilità dei dati. Le sorgenti di luce pulsata utilizzate in questo campo presentano tipicamente le seguenti caratteristiche degne di nota:
1. Elevata purezza spettrale e stabilità della frequenza
Il nucleo del rilevamento coerente risiede nel miscelare il segnale retrodiffuso con un raggio di oscillatore locale (LO). Per ottenere un'eterodina efficiente, è essenziale un'eccellente coerenza tra il segnale e i raggi LO. Di conseguenza, la sorgente di luce pulsata deve possedere una larghezza di linea estremamente ridotta (spesso dell'ordine di kHz) ed un'eccezionale stabilità di frequenza. La larghezza di linea ridotta garantisce che il segnale della frequenza intermedia (IF) dopo il missaggio coerente sia chiaro e distinguibile. Nel frattempo, la stabilità della frequenza previene gli errori di misurazione negli spostamenti Doppler causati dalla deriva della frequenza della sorgente, garantendo così la precisione del recupero del vento.
2. Potenza di picco dell'impulso elevato
Gli aerosol atmosferici sono tipicamente presenti a basse densità, risultando in segnali retrodiffusi estremamente deboli. Per migliorare il rapporto segnale-rispetto-rumore (SNR), sono necessari impulsi laser con elevata potenza di picco. L'elevata potenza di picco migliora significativamente la forza del segnale di ritorno, consentendo al LiDAR di rilevare aerosol a distanze maggiori o in aree con concentrazioni inferiori, estendendo così il raggio di rilevamento effettivo.
3. Frequenza di ripetizione dell'impulso (PRF) e ciclo di lavoro appropriati
La PRF della sorgente pulsata determina la velocità di aggiornamento dei dati del LiDAR, mentre l'ampiezza dell'impulso influenza direttamente la risoluzione della portata. Per il sondaggio atmosferico è spesso necessario un equilibrio tra portata di rilevamento e risoluzione:
Ampiezza impulso stretto (livello ns): consente una risoluzione ad alta portata, consentendo l'analisi precisa delle informazioni atmosferiche a diverse distanze.
PRF elevato (livello da kHz a MHz): aumenta la velocità di acquisizione dei dati, facilitando il monitoraggio continuo dei campi di vento atmosferici in rapido cambiamento.
Tuttavia, esiste spesso un compromesso tecnico-tra il raggiungimento di una potenza di picco elevata e un PRF elevato, che richiede l'ottimizzazione in base ai requisiti dell'applicazione specifica.
4. Eccellente qualità del raggio
Per ottenere un'elevata risoluzione spaziale e un'energia concentrata in campo lontano-, la sorgente pulsata in genere deve emettere un raggio vicino al limite di diffrazione (con un fattore M² vicino a 1). Una buona qualità del raggio non solo migliora l’efficienza del telescopio trasmittente, ma garantisce anche una dimensione dello spot ridotta su lunghe distanze, migliorando così la risoluzione spaziale laterale.
5. Stabilità della lunghezza d'onda e adattabilità ambientale
I sistemi LiDAR coerenti atmosferici spesso operano nelle bande di lunghezza d'onda "sicure per gli occhi" (come 1,5 μm o 2 μm) per bilanciare le finestre di trasmissione atmosferica e i problemi di sicurezza. La sorgente pulsata deve mantenere il bloccaggio della lunghezza d'onda in un ampio intervallo di temperature e in condizioni vibrazionali. Ciò impedisce la deriva della lunghezza d'onda, che potrebbe portare a un maggiore assorbimento atmosferico o a una ridotta efficienza di rilevamento.
In sintesi, la sorgente di luce pulsata per il rilevamento coerente atmosferico LiDAR è un sofisticato sistema optoelettronico che integra alta coerenza, elevata potenza di picco e qualità del fascio abbagliante. Queste caratteristiche determinano collettivamente la capacità del sistema di eseguire il telerilevamento ad alta-precisione e ad alta-risoluzione in ambienti atmosferici complessi.