Il LiDAR (Light Detection and Ranging) è un sistema di misura che stima distanze e forme dello spazio usando luce, in genere impulsi laser o segnali ottici modulati. Il principio è affine a quello del radar, ma lavora a lunghezze d’onda ottiche: emette radiazione, riceve la parte riflessa dagli oggetti e ricava informazioni geometriche dal ritardo, dalla fase o dalla frequenza del segnale di ritorno.
Nel caso più intuitivo, detto tempo di volo, il sensore invia un impulso luminoso e misura il tempo necessario perché l’impulso torni dopo la riflessione. Poiché il segnale percorre andata e ritorno, la distanza vale:
dove è la velocità della luce nel mezzo. La divisione per due è essenziale: il tempo misurato riguarda il percorso completo sorgente-oggetto-sensore.
Emissione e ricezione
Un LiDAR contiene una sorgente luminosa, spesso un laser, un sistema ottico di emissione, un ricevitore fotosensibile e un’elettronica di temporizzazione. La sorgente deve essere abbastanza collimata da mantenere risoluzione angolare, ma compatibile con i limiti di sicurezza per occhi e pelle.
Il ricevitore deve rilevare segnali deboli, talvolta immersi in luce ambientale intensa. Per questo sono usati fotodiodi, APD, SPAD o matrici sensibili, insieme a filtri ottici e circuiti di misura molto rapidi. Nei sistemi a singolo fotone, il problema diventa statistico: si accumulano molti ritorni per distinguere il segnale reale dal rumore.
Tipologie di misura
Oltre al tempo di volo impulsato, esistono LiDAR a fase e LiDAR FMCW. Nei sistemi a fase, la luce è modulata e la distanza viene ricavata dallo sfasamento tra segnale emesso e ricevuto. Nei sistemi FMCW, la frequenza ottica viene variata nel tempo; confrontando segnale emesso e riflesso si può ricavare distanza e, in alcuni casi, velocità radiale.
La scena viene ricostruita in una nuvola di punti: ogni punto rappresenta una direzione e una distanza misurata. La scansione può essere meccanica, tramite specchi rotanti, MEMS, ottiche solid-state o illuminazione flash dell’intera scena.
Risoluzione e limiti
Le prestazioni dipendono da portata, risoluzione angolare, precisione temporale, potenza ottica, riflettanza dell’oggetto e condizioni ambientali. Superfici nere, vetro, pioggia, nebbia e luce solare diretta possono peggiorare la misura.
Un LiDAR non produce una fotografia nel senso tradizionale: produce geometria campionata. È prezioso in robotica, topografia, guida assistita, archeologia, metrologia e automazione perché trasforma il tempo della luce in una rappresentazione spaziale misurabile.