Apollo ve erken mesafe ölçümü
1969'da astronotlar Ay'a bir retroreflektör dizisi yerleştirdi. Dünya tabanlı teleskoplar ona lazer darbeleri gönderir; 2,5 saniyelik gidiş-dönüş Dünya-Ay mesafesini milimetre hassasiyetle ölçer. Bu ilk operasyonel LIDAR sistemiydi ve kavramı kanıtladı: kısa darbeler, hassas zamanlama, temiz dönüşler.
Sürücüsüz ve katı hal
Modern otomotiv LIDAR 905 nm veya 1550 nm lazerler, dönen aynalar veya MEMS mikro aynalar kullanır. 1550 nm daha yüksek güçte göz güvenlidir, 200+ m menzil verir. Katı hal tasarımları (flash LIDAR, OPA) hareketli parçaları kaldırır. Her otonom araç yığını — Waymo, Tesla, Mobileye — 3D dünya haritalaması için LIDAR'a bağlıdır.
LIDAR sınırlamaları
Lazerler sise, yağmura veya toza nüfuz etmez — dalga boyu parçacık boyutuna çok yakındır. Diğer lazerler veya güneş tarafından kör edilebilirler. Ve nokta nokta taramak için tarama hızı çözünürlüğe karşı ticaret yapar. Radar hava durumunu görür ve her ışık seviyesinde çalışır. İki sensör birbirini tamamlar, rekabet etmez.
LADAR: radar benzeri varyant
LIDAR radar gibi faz ve Doppler ölçtüğünde — mühendisler bazen LADAR (Lazer Algılama ve Ranging) veya koherent LIDAR der. Bu askeri hedefleme ve rüzgâr algılama yaygındır. Terminoloji akışkandır ama fizik nettir: koherent ışık algılama koherent radyo algılama kadar güçlüdür, sadece optik dalga boylarında.
Diferansiyel Emilim LIDAR (DIAL)
Mesafe ölçen klasik LIDAR'ın aksine, Diferansiyel Emilim LIDAR (DIAL) atmosferik bileşimi belirlemek için kullanılır. Bu teknik iki farklı lazer dalga boyu kullanır: biri ozon veya su buharı gibi hedef molekül tarafından emilecek şekilde ayarlanır, diğeri ise 'hat dışı' bir dalga boyudur ve emilmez. İki darbenin geri saçılma yoğunluklarını karşılaştırarak, araştırmacılar ışın yolu boyunca spesifik gazların tam konsantrasyonunu hesaplayabilirler. 1960'larda Richard Schotland gibi araştırmacılar tarafından geliştirilen DIAL, hava balonlarına ihtiyaç duymadan atmosferin gerçek zamanlı kimyasal analizini mümkün kılarak meteorolojide devrim yaratmıştır.
DIAL sistemlerinin teknik karmaşıklığı, lazer kaynağının hassas ayarlanmasında yatar. Bu sistemler, bir nanometrenin çok küçük bir kesrine kadar kararlılığını koruyan dar hat genişlikli lazerler gerektirir. Modern sistemler bu esnekliği sağlamak için genellikle Titanyum-Safir veya Optik Parametrik Osilatörler (OPO) kullanır. Bu yetenek, çevre ajanslarının şehirlerdeki azot dioksit seviyelerini izlemesine veya volkanik kül bulutlarının hareketini takip etmesine olanak tanır. Lazer, basit bir cetvel olmaktan çıkıp gelişmiş bir spektrometreye dönüşerek iklim modellemesi ve yerel hava kalitesi uyarıları için kritik olan dikey atmosfer profilleri sağlar.
Darbe ve Faz Kayması Yöntemi
Uçuş Süresi (ToF) ölçümü uzun menzilli LIDAR için standarttır, ancak kısa menzilli yüksek hassasiyetli görevler genellikle faz kayması ölçümünü kullanır. Bir ToF sisteminde, ayrık bir darbe ateşlenir ve geri döndüğünde saat durur. Faz kayması sisteminde ise lazer, sürekli ve modüle edilmiş bir dalga yayar. Sensör, yansıyan dalganın fazını referans dalga ile karşılaştırır; ortaya çıkan faz farkı mesafeyi ortaya koyar. Faz kayması sistemleri, yüksek enerjili darbeler için gereken toparlanma süresi olmadan çok daha yüksek frekanslarda örnekleme yapabildiği için endüstriyel metroloji ve hassas üretim hatlarında tercih edilen araçtır.
Bu iki yöntem arasındaki temel fark kullanım alanıdır. ToF sistemleri, kilometrelerce mesafeyi etkin bir şekilde ölçebildiği için haritalama veya otomotiv güvenliği için üstündür. Ancak, faz kayması tarayıcıları 100 metrenin altındaki mesafelerde milimetre altı hassasiyet sağlar. Tipik bir faz kayması tarayıcısı, saniyede milyonlarca nokta yakalayarak karmaşık makine parçalarının veya tarihi eserlerin rakipsiz doğrulukta 'dijital ikizlerini' oluşturabilir. Mühendisler için bu ayrım kritiktir: 200 metredeki bir yayayı tespit etmek için darbeli ToF, bir türbin kanadını 3D taramak için ise faz kayması protokolü kullanılır.
Sentetik Açıklıklı LIDAR (SAL)
Geleneksel LIDAR çözünürlüğü fiziksel açıklık boyutuyla sınırlıyken, Sentetik Açıklıklı LIDAR (SAL), platformun hareketini kullanarak sanal ve daha büyük bir açıklık oluşturur. Sentetik Açıklıklı Radar'dan (SAR) uyarlanan bu teknik, standart sistemlere göre çok daha uzak mesafelerde yüksek çözünürlüklü görüntüleme sağlar. Sensör hareket ederken optik geri dönüş sinyalinin fazını işleyen SAL, yörünge irtifalarından veya yüksek hızlı uçaklardan desimetre düzeyinde çözünürlük üretebilir. Basit uçuş süresi ölçümünden faz uyumlu işlemeye geçiş, son on yılda lazerli uzaktan algılama alanındaki en önemli teknik evrimi temsil etmektedir.
SAL uygulamasındaki temel zorluk, faz kararlılığı için gereken aşırı hassasiyettir. Lazer dalga boyları mikrodalga radar dalga boylarından beş kat daha küçük olduğu için, uçaktaki veya uydudaki mikroskobik titreşimler bile sinyali bozabilir. DARPA ve Northrop Grumman gibi kuruluşlar, bu hareketi telafi etmek için gereken mikrometre altı atalet ölçüm birimlerini (IMU) geliştirmek için yıllar harcamıştır. Günümüzde SAL, özellikle stratejik ISR (İstihbarat, Gözetleme ve Keşif) faaliyetlerinde, belirli araç modellerini veya ekipman türlerini güvenli mesafelerden tanımlamanın kritik olduğu durumlarda kullanılmaktadır.
Batimetrik LIDAR ve Kıyı Haritalama
1064 nm veya 1550 nm'deki standart kızılötesi LIDAR su tarafından emilir, bu da onu su altı haritalama için işe yaramaz hale getirir. Bu sorunu çözmek için batimetrik LIDAR, standart bir kızılötesi darbesiyle birlikte yeşil spektrumlu (532 nm) bir lazer ateşleyen çift frekanslı bir yaklaşım kullanır. Yeşil ışık su sütununa nüfuz eder, deniz tabanından yansır ve sensöre geri döner. Yüzey yansıması (kızılötesi) ile taban yansıması (yeşil) arasındaki zaman gecikmesini hesaplayan sistemler, berrak koşullarda 50 metre derinliğe kadar su altı topografyasını haritalayabilir.
Batimetrik LIDAR'ın benimsenmesi, daha önce yavaş ve gemi tabanlı çok ışınlı sonarlara dayanan hidrografide devrim yaratmıştır. NOAA ve ABD Ordusu Mühendisler Birliği gibi kuruluşlar, büyük fırtınalardan sonra deniz haritalarını güncellemek için bu sistemleri kullanır. Ancak bulanıklık temel kısıtlama olmaya devam etmektedir; askıda kalan tortu yeşil ışığı dağıtarak etkili derinliği sınırlar. Buna rağmen, bir hava LIDAR araştırmasının verimliliği deniz araçlarından önemli ölçüde yüksektir ve tek bir uçuş penceresinde binlerce kilometrelik kıyı şeridinin hızla dijitalleştirilmesine olanak tanır.