El LiDAR de detecció coherent atmosfèrica (Light Detection and Ranging) és una tecnologia de teledetecció avançada coneguda per la seva excepcional precisió de mesura de velocitat i alta sensibilitat. Al cor d'aquest sistema hi ha un component crític: la font de llum polsada. No es tracta només d'un làser normal, sinó d'una font làser altament especialitzada que ha de complir requisits de rendiment extremadament estrictes per permetre l'únic "coherent".
mecanisme de detecció".
Principi bàsic: de l'emissió de polsos a la detecció coherent
El principi fonamental del LiDAR coherent difereix significativament del LiDAR de detecció directa-tradicional. LiDAR de detecció directa-mesura la intensitat i el temps-de-vol de la llum retrodisfosa per determinar la distància i les característiques de l'objectiu. En canvi, el LiDAR de detecció coherent funciona com un radar òptic altament sensible. El seu extrem de transmissió emet un pols làser (conegut com a "llum de senyal"). Quan aquest pols és dispersat pels aerosols atmosfèrics (com la pols, les gotes d'aigua, etc.), l'extrem receptor no només mesura la intensitat d'aquesta feble llum de retorn. En canvi, barreja la llum de retorn amb un raig làser de referència pur (conegut com a "llum d'oscil·lador local") generat internament pel sistema.
Aquest procés de mescla és l'essència de la "coherència". Si els dos feixos de llum són altament coherents (és a dir, les seves freqüències d'ona i fases són estables i correlacionades), interferiran entre si, generant un senyal de freqüència de batec. La freqüència d'aquest senyal de ritme és exactament igual a la diferència de freqüència entre la llum del senyal i la llum de l'oscil·lador local. Segons l'efecte Doppler, quan l'objectiu (aerosol) té una velocitat radial en relació amb el LiDAR, la freqüència de la llum del senyal retornada canviarà. En detectar amb precisió la freqüència d'aquest senyal de batec, la velocitat de
l'objectiu es pot calcular amb una precisió extrema. Simultàniament, el temps-de-vol del pols proporciona informació de la distància.
Requisits clau de rendiment per a la font de llum polsada
Tenint en compte aquest principi de funcionament, la font de llum polsada per a la detecció coherent atmosfèrica LiDAR ha de tenir les següents característiques crítiques:
Ample de línia estret i estabilitat d'alta freqüència: aquest és el requisit més fonamental. La detecció coherent requereix que el làser mantingui una fase estable durant un període determinat. Una amplada de línia estreta (normalment menys d'1 MHz, fins i tot fins al nivell de kHz) garanteix una excel·lent monocromaticitat i coherència temporal, permetent una interferència efectiva amb la llum de l'oscil·lador local per generar un senyal de batec clar. La fluctuació de freqüència ha de ser mínima; en cas contrari, el senyal de ritme es veurà borrós, degradant greument la precisió de mesura.
Alta potència de sortida: per aconseguir una detecció de llarg-abast (de desenes a centenars de quilòmetres), la font de llum polsada ha de proporcionar una potència màxima de pols elevada. Això compensa la severa atenuació del raig làser a mesura que es propaga a llargues distàncies per l'atmosfera i cap enrere.
Longitud d'ona adequada: l'elecció de la longitud d'ona és crucial i sovint es selecciona a partir de "finestres de transmissió" atmosfèriques (per exemple, 1,5 μm, 2 μm, etc.) on la llum és menys absorbida per gasos com el vapor d'aigua i el diòxid de carboni. A més, la longitud d'ona ha d'assegurar una retrodispersió suficient dels aerosols atmosfèrics. Les longituds d'ona-segures per als ulls (com ara 1,5 μm) es prefereixen per a la seguretat operativa.
Conclusió
La font de llum polsada és el "motor" del LiDAR de detecció coherent atmosfèrica. El seu rendiment determina directament el rang de detecció del sistema, la precisió de mesura i la fiabilitat. Amb els continus avenços en la tecnologia làser, les futures fonts de llum polsada evolucionaran cap a amplades de línia encara més estretes, una potència més gran, mides més compactes i una major rendibilitat, impulsant així la detecció coherent atmosfèrica LiDAR cap a aplicacions més àmplies en el mesurament del camp del vent d'alta-precisió, el monitoratge de vòrtexs d'estela d'avions, la investigació de la física del núvol i el medi ambient.