Por qué y cómo usar un sistema LiDAR de emisión verde para capturar topologías submarinas

Se habla mucho del sistema LiDAR en los ámbitos de detección automotriz 3D, mapeo de topología y exploración espacial. La última frontera terrestre es el desarrollo de una herramienta para explorar estructuras topológicas submarinas. Con una herramienta así, los ingenieros pueden explorar los arrecifes de coral australianos, determinar la profundidad del agua de lagos o estanques, detectar obstrucciones físicas submarinas y determinar la calidad del agua.

Los ingenieros conocen este proceso de levantamiento como batimetría, en el que a menudo se utilizan drones para transportar la instrumentación. Sin embargo, la luz infrarroja (IR) estándar de un típico sistema LiDAR rebota en la superficie del agua. Como resultado, la luz IR de dichos drones nunca “ve” lo que hay debajo.

Pero eso no quiere decir que sea imposible para los ingenieros mirar bajo el agua y determinar las estructuras existentes debajo de la superficie. El perfilador de corrientes acústico Doppler (ADCP) mide el flujo de la corriente a través de la transmisión de ondas de sonido reflejadas en los sedimentos y otros materiales del agua. El vehículo Ecomaper Autonomous Underwater recopila datos batimétricos en contornos de hasta un pie.

Estas técnicas limitadas cumplen su función, pero también es posible que una máquina de detección LiDAR basada en drones se sumerja más profundo en el agua con resultados confiables si se usa la longitud de onda del emisor correcto.

Principio de funcionamiento del LiDAR y cómo ingresa al agua

Un sistema LiDAR mide el tiempo de vuelo (ToF) de una señal de tren de pulsos óptico digitales. El sistema electrónico captura el momento en el que sale la señal, espera a que rebote en un objeto y regrese. El sistema LiDAR busca bordes de señal mediante un fotodetector y un amplificador de transimpedancia (TIA).

El diseño típico de un LiDAR de larga distancia emite luz IR en longitudes de onda de 1,064 nanómetros (nm) a una distancia máxima de 250 metros (m) y registra el tiempo de reflexión para determinar la distancia y los contornos del objeto. Esto funciona bien para el mapeo topográfico terrestre.

En una implementación batimétrica típica, un avión (o dron) de vuelo lento tiene en realidad dos sistemas LiDAR en cápsulas debajo de las alas. Uno tiene un emisor de infrarrojos (IR) para mediciones topográficas clásicas; el otro, un emisor verde, lo que nos lleva a la pregunta: "¿Por qué?".

Resulta que la luz a una longitud de onda más corta tiene una mejor penetración en la superficie del agua porque absorbe rápidamente la luz IR a 1,064 nm. Para los sistemas LiDAR verde, la longitud de onda de 532 nm con una frecuencia de pulso de 500 Hz es excelente para proporcionar los datos de profundidad del agua. Con una fuente de luz LED verde, la penetración en el agua alcanzará una profundidad de 30 m cuando el agua sea clara (Figura 1).

Figura 1: Este diseño de batímetro utiliza un circuito LiDAR con un LED verde configurado en un ángulo de 10° para adaptarse a la refracción y penetrar la superficie del agua hasta una profundidad de 30 m. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

El circuito de fotosensor del batímetro que se muestra en la Figura 1 utiliza AD8652ARZ de Analog Devices, un amplificador CMOS de precisión, baja distorsión y de bajo ruido de 50 megahercios (MHz). El ancho de banda del AD8652ARZ se ajusta perfectamente a los requisitos de este circuito y tiene una especificación de bajo ruido de 5 nanovoltios por raíz de hercio (nV/√Hz).

La herramienta Analog Devices Photodiode Circuit Design Wizard (Asistente de diseño de circuitos de foto de Analog Devices) ayuda con el diseño del amplificador de transimpedancia (TIA) del LiDAR (Figura 2).

Figura 2: El Analog Devices’ Photodiode Circuit Design Wizard proporciona el circuito adecuado para el TIA y ayuda a seleccionar el fotodetector y la resistencia y el condensador de retroalimentación externa. (Fuente de imagen: Analog Devices Photodiode Circuit Design Wizard)

La herramienta proporciona una interfaz flexible para producir fácilmente este circuito. Las especificaciones elegidas tenían como objetivo un ancho de banda de 2 MHz, lo cual nos da mucho espacio para los pulsos generados por el circuito.

Conclusión

Si bien los sistemas LiDAR con emisor de IR son buenos para las mediciones de topología, el IR no puede penetrar el agua. Conozca la solución LiDAR de emisión verde. La longitud de onda del emisor verde le permite penetrar fácilmente hasta 30 m en aguas tranquilas y claras.

Como se muestra, con el amplificador AD8655 de Analog Devices y el Photodiode Circuit Design Wizard de la compañía, los diseñadores pueden comenzar a crear un sistema batimétrico LiDAR que penetre el agua.

Lectura recomendada

Una comprensión de cómo funciona LiDAR muestra la importancia de una selección cuidadosa de TIA y comparador.