緑色発光のLiDARを使用して水中地形をキャプチャする理由と方法

LiDARは、車載用3Dセンシング、地形マッピング、宇宙探査の各分野で広く議論されています。地球上の最後のフロンティアは、水中の地形構造を探索するツールの開発です。そのようなツールがあれば、オーストラリアのバリアリーフの調査、湖や池の水深の測定、水中の物理的障害物の検出、水質の測定などが可能になります。

技術者が水深測量と呼ぶこのような調査では、計測器を運ぶためにドローンがしばしば使用されます。しかし、一般的なLiDARシステムで使用される標準的な赤外（IR）光は、水面で跳ね返されてしまいます。その結果、これらのドローンからの赤外光は、水面下にあるものを決して「見る」ことができません。

しかし、技術者が水中を覗き込んで水面下の構造を判断する方法がないわけではありません。超音波ドップラー流速分布計（ADCP）は、水中の堆積物などに反射した音波を送信することで流量を測定します。EcoMapperの自律型無人潜水機は、最短1フィートの等高線まで水深測量データを収集します。

これらの限られた技術はその目的を果たしますが、適切なエミッタ波長を使用すれば、ドローンベースのLiDARセンシングマシンがより深く水中に潜り、信頼性の高い結果を得ることが可能になります。

LiDARの動作原理と水への透過方法

LiDARシステムは、光デジタルパルス列信号の飛行時間（ToF）を測定します。エレクトロニクスは信号が発せられる瞬間をキャプチャし、信号が物体に跳ね返って戻ってくるのを待ちます。LiDARシステムは、光検出器とトランスインピーダンスアンプ（TIA）を使用して信号のエッジを探します。

一般的な長距離LiDAR設計では、波長1,064nmの赤外光を最大250mまで照射し、反射時間を計測して距離と物体の輪郭を特定します。これは、陸上の地形図作成に有効です。

一般的な水深測量の実装では、低速飛行する航空機（またはドローン）の翼下ポッドに、2つのLiDARシステムが搭載されます。一方には、従来の地形測定用の赤外線（IR）エミッタがあります。もう一方には緑色エミッタがありますが、これには「なぜ？」という疑問が浮かびます。

波長の短い光の方が水面への透過性が高く、1,064nmの赤外光は水に素早く吸収されることがわかりました。緑色LiDARの場合、532nmの波長、500Hzのパルスレートが水深データを提供するのに優れています。緑色のLED光源を使用すると、水が澄んでいる場合、水への透過は水深30mまで到達します（図1）。

図1：この測深器設計では、屈折を考慮して10°の角度で緑色LEDを設置したLiDAR回路を使用し、水深30mまで水面を透過します。（画像提供：ボニー・ベイカー氏）

図1に示す測深器フォトセンシング回路では、Analog Devicesの50MHz、高精度、低歪み、低ノイズCMOSアンプであるAD8652ARZを使用しています。AD8652ARZの帯域幅は、この回路の要件の範囲内にあり、5ナノボルト/ルートヘルツ（nV/√Hz）という低ノイズ仕様になっています。

Analog Devicesのフォトダイオード回路設計ウィザードツールは、LiDARのトランスインピーダンスアンプ（TIA）回路の設計を支援します（図2）。

図2：Analog Devicesのフォトダイオード回路設計ウィザードは、TIAに適した回路を提供し、光検出器と外部フィードバック抵抗およびコンデンサの選択を支援します。（画像提供：Analog Devicesのフォトダイオード回路設計ウィザード）

このツールは、この回路を簡単に作成するための柔軟なインターフェースを提供します。選択された仕様は、2MHzの帯域幅を対象とし、回路で発生するパルスに対して十分な遊びを持たせています。

まとめ

IRエミッタを搭載したLiDARシステムは地形測定に適していますが、IRは水を透過できません。そこで、緑色発光のLiDARソリューションを活用してください。波のない透明な水の場合、緑色発光体の波長により、最大30mまで容易に透過できます。

上述したように、Analog DevicesのAD8655アンプと同社のフォトダイオード回路設計ウィザードを使用することで、設計者は水を透過するLiDAR水深測量システムの作成に着手することができます。

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