Un sistema di rilevamento e distanza della luce (LIDAR) viene spesso utilizzato negli studi atmosferici. Alcuni dei diversi modelli di sistemi LIDAR sono Mie e Rayleigh LIDAR, Raman e LIDAR ad assorbimento differenziale, Doppler e LIDAR a fluorescenza e sistemi utilizzati come semplici telemetri o altimetri. I disegni variano a seconda del soggetto studiato, della precisione della misurazione richiesta e delle circostanze del loro dispiegamento. Ogni tipo di sistema è un prodotto della valutazione delle capacità dell’hardware e del software disponibili e come può essere utilizzato per raggiungere gli obiettivi di misurazione.
Un sistema LIDAR di solito misura la retrodiffusione del laser, che è la luce laser riflessa. Può essere progettato specificamente per misurare la retrodiffusione laser diretta, la retrodiffusione spostata in lunghezza d’onda, la differenza nei tassi di assorbimento tra due lunghezze d’onda o la variazione di frequenza nella luce retrodiffusa. Un sistema di base è costituito da un trasmettitore, un ricevitore e un componente per l’analisi dei dati. I design dei sistemi LIDAR hanno una configurazione bistatica o monostatica. In un sistema monostatico, il trasmettitore e il ricevitore si trovano insieme, mentre in un design bistatico i due sono separati.
Un’altra considerazione progettuale consiste nell’impiegare una disposizione di sensore biassiale o coassiale. In una disposizione biassiale, l’asse del trasmettitore e del ricevitore hanno un orientamento diverso. La luce retrodiffusa può essere rilevata dal ricevitore solo quando il soggetto si trova oltre una certa distanza. L’asse del trasmettitore e del ricevitore sono gli stessi in una disposizione coassiale.
I sistemi LIDAR che utilizzano laser a impulsi di solito hanno una configurazione monostatica, ma potrebbero avere una disposizione del sensore biassiale o coassiale. I sistemi che utilizzano un laser ad onda continua hanno solitamente una configurazione bistatica. Se la portata del soggetto è relativamente vicina, è generalmente preferita una disposizione coassiale di trasmettitore e ricevitore. Se la capacità vicino al bersaglio non è un problema, potrebbe essere adottata una disposizione biassiale per evitare complicazioni dovute alla retrodiffusione del laser nelle vicinanze.
Diversi progetti di sistemi LIDAR impiegano anche diverse lunghezze d’onda del laser e varie combinazioni di larghezza di banda per trasmettitori e ricevitori. Altre considerazioni di progettazione includono i requisiti per l’uso come LIDAR look-up o look-down e se il sistema sarà in funzionamento continuo o utilizzato solo di notte. Alcuni modelli utilizzano laser sintonizzabili. Queste opzioni sono scelte con cura per perseguire uno specifico obiettivo di misurazione.
La componente di analisi dei dati di un sistema LIDAR fa uso di varie tecniche analitiche. Mie, Rayliegh, Raman e LIDARS a fluorescenza sono progettati per analizzare diversi tipi di pattern di retrodiffusione laser. I modelli di dispersione dipendono dalla lunghezza d’onda. L’analisi di Mie descrive meglio i modelli di dispersione quando la particella riflettente ha circa le stesse dimensioni della lunghezza d’onda. L’analisi di Rayleigh è più accurata per le particelle molto più piccole della lunghezza d’onda.
I progetti di Rayliegh e Mie esaminano la retrodiffusione elastica, in cui la luce riflessa ha la stessa lunghezza d’onda della luce trasmessa. Raman LIDAR analizza la retrodiffusione anelastica. Ciò deriva dal fatto che la luce viene leggermente spostata in lunghezza d’onda quando viene riflessa da una particella. La quantità di spostamento può identificare la composizione e la concentrazione atmosferica delle particelle riflettenti. Fluorecence LIDAR utilizza un’analisi simile per esaminare la retrodiffusione di liquidi e solidi.
Doppler LIDAR misura i cambiamenti nella frequenza della luce retrodiffusa per determinare i cambiamenti di temperatura e velocità o direzione del vento. L’assorbimento differenziale trasmette due lunghezze d’onda della luce e misura la differenza nell’assorbimento atmosferico tra le due lunghezze d’onda. Le differenze relative nell’assorbimento possono identificare le concentrazioni di aerosol.
Ciascuno dei diversi progetti di sistemi LIDAR utilizza una configurazione unica di hardware e software per effettuare una misurazione precisa di una quantità specifica in un insieme limitato di circostanze. Sistemi più generici, come un rilevatore di velocità della polizia, restituiscono risultati meno precisi. In alcuni sistemi, il metodo analitico da impiegare nel componente di analisi dei dati determina la progettazione dell’hardware del sistema. In altri, l’hardware disponibile determina quali progetti di sistema possono essere impiegati.