Un sistema de detección de luz y rango (LIDAR) se utiliza a menudo en estudios atmosféricos. Algunos de los diferentes diseños de sistemas LIDAR son Mie y Rayleigh LIDAR, Raman y LIDAR de absorción diferencial, Doppler y LIDAR de fluorescencia, y sistemas utilizados como simples telémetros o altímetros. Los diseños varían según el tema en estudio, la precisión de medición requerida y las circunstancias de su despliegue. Cada tipo de sistema es producto de evaluar las capacidades del hardware y software disponibles y cómo se puede utilizar para cumplir con los objetivos de medición.
Un sistema LIDAR generalmente mide la retrodispersión láser, que es luz láser reflejada. Puede diseñarse específicamente para medir la retrodispersión láser directa, la retrodispersión con desplazamiento de longitud de onda, la diferencia en las tasas de absorción entre dos longitudes de onda o el cambio de frecuencia en la luz retrodispersada. Un sistema básico consta de un transmisor, un receptor y un componente de análisis de datos. Los diseños del sistema LIDAR tienen una configuración biestática o monoestática. En un sistema monoestático, el transmisor y el receptor están ubicados juntos, mientras que en un diseño biestático los dos están separados.
Otra consideración de diseño es emplear una disposición de sensor biaxial o coaxial. En una disposición biaxial, el eje del transmisor y el receptor tienen una orientación diferente. El receptor solo puede detectar la luz retrodispersada cuando el sujeto se encuentra más allá de una cierta distancia. El eje del transmisor y el receptor son iguales en una disposición coaxial.
Los sistemas LIDAR que utilizan láseres pulsados suelen tener una configuración monoestática, pero pueden tener una disposición de sensor biaxial o coaxial. Los sistemas que utilizan un láser de onda continua suelen tener una configuración biestática. Si el alcance del sujeto es relativamente cercano, generalmente se prefiere una disposición coaxial de transmisor y receptor. Si la capacidad cerca del objetivo no es un problema, se podría adoptar una disposición biaxial para ayudar a evitar complicaciones por la retrodispersión del láser cercano.
Los diferentes diseños de sistemas LIDAR también emplean diferentes longitudes de onda láser y varias combinaciones de ancho de banda para los transmisores y receptores. Otras consideraciones de diseño incluyen requisitos para su uso como LIDAR de búsqueda o búsqueda hacia abajo, y si el sistema estará en funcionamiento continuo o se usará solo de noche. Algunos diseños utilizan láseres sintonizables. Estas opciones se eligen cuidadosamente para perseguir un objetivo de medición específico.
El componente de análisis de datos de un sistema LIDAR utiliza varias técnicas analíticas. Mie, Rayliegh, Raman y LIDAR de fluorescencia están diseñados para analizar diferentes tipos de patrones de retrodispersión láser. Los patrones de dispersión dependen de la longitud de onda. El análisis de Mie describe mejor los patrones de dispersión cuando la partícula reflectante tiene aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda. El análisis de Rayleigh es más preciso para partículas mucho más pequeñas que la longitud de onda.
Los diseños de Rayliegh y Mie examinan la retrodispersión elástica, en la que la luz reflejada tiene la misma longitud de onda que la luz transmitida. Raman LIDAR analiza la retrodispersión inelástica. Esto se debe a que la luz se desplaza ligeramente en longitud de onda cuando es reflejada por una partícula. La cantidad de desplazamiento puede identificar la composición y la concentración atmosférica de las partículas reflectantes. El LIDAR de fluorescencia utiliza un análisis similar para examinar la retrodispersión de líquidos y sólidos.
Doppler LIDAR mide los cambios en la frecuencia de la luz retrodispersada para determinar los cambios en la temperatura y la velocidad o dirección del viento. La absorción diferencial transmite dos longitudes de onda de luz y mide la diferencia en la absorción atmosférica entre las dos longitudes de onda. Las diferencias relativas en la absorción pueden identificar las concentraciones de aerosoles.
Cada uno de los diferentes diseños del sistema LIDAR utiliza una configuración única de hardware y software para realizar una medición precisa de una cantidad específica en un conjunto limitado de circunstancias. Los sistemas de uso más general, como un detector de velocidad de la policía, arrojan resultados menos precisos. En algunos sistemas, el método analítico que se empleará en el componente de análisis de datos determina el diseño del hardware del sistema. En otros, el hardware disponible dicta los diseños de sistemas que se pueden emplear.