Pourquoi et comment utiliser un lidar à émetteur vert pour capturer les topologies sous-marines

Le lidar fait l'objet de nombreuses discussions dans les cercles de la détection automobile 3D, de la cartographie topologique et de l'exploration spatiale. La dernière frontière terrestre est le développement d'un outil d'exploration des structures topologiques sous-marines. Avec un tel outil, les ingénieurs peuvent étudier les barrières de corail australiennes, déterminer la profondeur d'un lac ou d'un étang, détecter des obstructions physiques sous-marines et déterminer la qualité de l'eau.

Dans ce processus topographique, appelé bathymétrie, des drones sont souvent utilisés pour transporter les instruments. Toutefois, la lumière infrarouge (IR) standard utilisée dans un système lidar typique rebondit à la surface de l'eau. Par conséquent, la lumière IR de ces drones ne « voit » jamais ce qui se trouve sous la surface.

Cela ne veut pas dire qu'il n'existe aucun moyen pour les ingénieurs de scruter l'eau et de déterminer les structures sous la surface. Le profileur de courant à effet Doppler (ADCP) mesure le débit d'un cours d'eau en transmettant des ondes sonores réfléchies par les sédiments et autres matières présentes dans l'eau. Le véhicule sous-marin autonome Ecomaper collecte des données bathymétriques jusqu'à des lignes de contour de trente centimètres.

Ces techniques limitées remplissent leur fonction, mais il est possible pour une machine de détection lidar basée sur un drone d'aller plus profond dans l'eau avec des résultats fiables si la bonne longueur d'onde d'émetteur est utilisée.

Principe de fonctionnement du lidar et pénétration dans l'eau

Un système lidar mesure le temps de vol (ToF) d'un signal optique à train d'impulsions numériques. L'électronique capture le moment où le signal part, puis attend que le signal rebondisse sur un objet et revienne. Le système lidar recherche les bords du signal à l'aide d'un photodétecteur et d'un amplificateur d'adaptation d'impédance.

Une conception lidar longue distance typique émet de la lumière infrarouge à des longueurs d'onde de 1064 nanomètres (nm) à une distance maximale de 250 mètres (m) et mesure le temps de réflexion pour déterminer la distance et les contours de l'objet. Cette méthode fonctionne bien pour la cartographie topographique terrestre.

Dans une implémentation bathymétrique typique, un avion à vol lent (ou un drone) possède en fait deux systèmes lidars sous les ailes. L'un est équipé d'un émetteur infrarouge pour les mesures topographiques classiques, tandis que l'autre est équipé d'un émetteur vert. Pourquoi ?

Il s'avère que la lumière à une longueur d'onde plus courte a une meilleure pénétration à la surface de l'eau. L'eau absorbe rapidement la lumière infrarouge à 1064 nm. Pour le lidar vert, la longueur d'onde de 532 nm avec une fréquence d'impulsion de 500 Hz fournit d'excellentes données sur la profondeur de l'eau. En utilisant une source de lumière LED verte, la pénétration dans l'eau atteint une profondeur de 30 m lorsque l'eau est transparente (Figure 1).

Figure 1 : Cette conception de bathymètre utilise un circuit lidar avec une LED verte réglée à un angle de 10° pour tenir compte de la réfraction et pénétrer la surface de l'eau jusqu'à une profondeur de 30 m. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Le circuit de photodétection du bathymètre illustré à la Figure 1 utilise l'AD8652ARZ d'Analog Devices, un amplificateur CMOS de précision de 50 mégahertz (MHz) à faible distorsion et à faible bruit. L'AD8652ARZ présente une largeur de bande répondant parfaitement aux exigences de ce circuit, et une spécification de faible bruit de 5 nV/√Hz.

L'outil Photodiode Circuit Design Wizard d'Analog Devices aide à concevoir le circuit d'amplificateur d'adaptation d'impédance du lidar (Figure 2).

Figure 2 : L'outil Photodiode Circuit Design Wizard d'Analog Devices fournit le circuit approprié pour l'amplificateur d'adaptation d'impédance et aide à choisir le photodétecteur ainsi que la résistance de contre-réaction et le condensateur externes. (Source de l'image : Photodiode Circuit Design Wizard d'Analog Devices)

L'outil fournit une interface flexible pour produire facilement ce circuit. Les spécifications choisies visaient une largeur de bande de 2 MHz, offrant un terrain de jeu suffisant pour les impulsions générées par le circuit.

Conclusion

Bien que les systèmes lidars dotés d'un émetteur infrarouge conviennent aux mesures topologiques, l'infrarouge est incapable de pénétrer dans l'eau. C'est là qu'intervient la solution lidar à émetteur vert. La longueur d'onde de l'émetteur vert lui permet de pénétrer facilement dans une eau calme et transparente jusqu'à 30 m.

Comme illustré, en utilisant l'amplificateur AD8655 et l'outil Photodiode Circuit Design Wizard d'Analog Devices, les concepteurs peuvent se lancer dans la création d'un système bathymétrique lidar pénétrant dans l'eau.

Lecture recommandée

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