Principi di acquisizione

In base al principio di acquisizione i sistemi laser possono essere classificati in distanziometrici e triangola tori (Bornaz 2006). I primi utilizzano il laser in modo attivo, ossia affidano al laser stesso il compito di misurare una distanza mentre i triangolatori utilizzano il laser in modo passivo. In quest’ultimo caso il laser ha il compito di evidenziare un’entità geometrica (punto, linea, superficie) che viene però misurata con un altro metodo.

I laser scanner distanziometrici acquisiscono la posizione tridimensionale dei punti misurando per ognuno di essi un angolo zenitale, un angolo azimutale ed una distanza inclinata; quest’ultimi vengono acquisiti in automatico una volta definita l’area che si vuole

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misurare e la densità dei punti necessaria per il rilievo. Pertanto, non esiste la possibilità, come avviene invece nei rilievi topografici effettuati con total stations, di rilevare particolari punti della struttura in esame (ad esempio spigoli di edifici).

I sistemi laser distanziometrici possono operare con due diversi principi di funzionamento: misurando il tempo di volo oppure la differenza di fase.

Gli scanner che operano con differenza di fase sono caratterizzati da un apparato ricevente in grado di calcolare la differenza di fase fra l’onda emessa (raggio laser modulato con un’onda armonica) e quella ricevuta, dopo che è stata riflessa dall’apparato trasmittente (prisma retroriflettente). Il dato acquisito è piuttosto complesso da elaborare e di conseguenza il tempo necessario per il calcolo è superiore rispetto ad altri strumenti. Inoltre, tali distanziometri richiedono un segnale di ritorno dotato di adeguata potenza, con conseguente riduzione della portata dello strumento (Froehlich and Mettenleiter 2004).

I laser oggi più diffusi sono i distanziometri ad impulsi, ovvero distanziometri che misurano il tempo di volo (Figura 2.1.1-1a).

Figura 2.1.1-1: Principali schemi di funzionamento dei laser a scansione: (a) Tempo di volo, (b) Triangolazione ottica.

La distanza fra il centro strumentale ed il primo punto che il raggio incontra e da cui viene riflesso viene determinata dalla misura del

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TOF (Time of flight) che intercorre tra l’emissione e la ricezione. In questo caso l’impulso laser, mediante opportuni sistemi ottico/meccanici in rotazione, viene inviato verso l’oggetto variando per passi discreti gli angoli azimutale e zenitale.

La distanza, insieme alla conoscenza dei due angoli di emissione del raggio, consente di determinare per coordinate polari la posizione del punto in questione. All’utente tali coordinate vengono fornite in un sistema cartesiano tridimensionale avente origine nel centro strumentale.

La precisione di questa tipologia di laser è legata anche alla qualità dell’elettronica interna che misura il tempo di volo dell’impulso. Ogni errore causato dall’orientamento degli assi o dai dispositivi di lettura angolare determina un errore perpendicolare alla direzione di propagazione che si ripercuote sulla posizione dei punti stessi.

Il principio di funzionamento (Figura 2.1.1-2) della misura di distanza effettuata con il laser può essere in generale così sintetizzata:

• un generatore di impulsi elettrici impone periodicamente ad un diodo laser semiconduttore di emettere degli impulsi, indirizzati e convogliati da una lente di emissione;

• una seconda lente di ricezione capta la parte del segnale di eco del raggio laser riflesso dalla superficie di impatto dell’oggetto, mentre un fotodiodo produce un segnale di ricezione elettrico. L’intervallo di tempo tra il segnale emesso e l’eco del segnale ricevuto è quantificato da un orologio stabilizzato al quarzo. Il risultato viene trasmesso ad un microelaboratore interno che, nota la velocità di propagazione dell’impulso c nel mezzo considerato (aria) e il tempo di volo τ, trasforma il dato ricevuto in una misura di distanza:

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Figura 2.1.1-2: Schema del principio di funzionamento dei sistemi laser basati sul tempo

di volo.

Se la relazione (2.1.1-1) permette di calcolare la distanza, allora la precisione può essere determinata dalla relazione seguente:

δD =U_cδτ (2.1.1-2)

Nei sistemi laser che utilizzano come principio di acquisizione la triangolazione ottica (Figura 2.1.1-1b), un raggio laser viene deflesso, secondo un passo regolare da uno specchio rotante e inviato verso l’oggetto da acquisire. Uno o più sensori di immagine a stato solido CCD (Charge-Coupled Device) o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ricevono il punto o la linea laser che viene riflessa. Tali sensori sono posti ad una distanza nota e calibrata rispetto al punto da cui il laser viene inviato all’oggetto. Note quindi la distanza relativa fra proiettore e sensore CCD e l’angolo di inclinazione della sorgente, con semplici relazioni trigonometriche si determinano le coordinate dei punti acquisiti. In questa tipologia di strumenti la misura è effettuata mediante un sistema ottico (ad

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esempio la camera CCD): tale misura è perciò limitata dalle leggi fisiche dell’ottica e della diffrazione. In genere la precisione tende a diminuire con il quadrato della distanza fra lo scanner e l’oggetto (Boehler e Marbs 2002).

La triangolazione ottica permette di ottenere delle precisioni sicuramente maggiori rispetto agli strumenti che sfruttano il tempo di volo ma hanno in genere una portata di misura limitata a pochi metri. Le precisioni raggiungibili possono essere ampiamente sub- millimetriche per i sistemi laser triangolatori e da millimetriche a centimetriche per i sistemi basati sul tempo di volo, con possibilità di operare anche fino al chilometro.

In genere, i sistemi triangolatori risultano più precisi ma sono ottimizzati per portate assai minori e quindi più adatti per applicazioni very close-range di tipo industriale o per oggetti piccoli; è possibile trovarne applicazione in ambiti molto diversi, dal controllo di qualità sino all’ambito del rilievo dei Beni culturali (Pieraccini et al. 2001, Yemez and Wetherilt 2007).

Le caratteristiche appena enunciate hanno pertanto indirizzato la scelta sul sistema Trimble-Mensi GS200 per realizzare le indagini laser presso i radiotelescopi di Medicina e di Noto (vedi paragrafo 2.2). Al tempo in cui è stato realizzato il rilievo, settembre 2005, il laser GS200 possedeva specifiche tecniche idonee a garantire precisioni millimetriche anche alle distanze necessarie per il rilievo delle antenne VLBI.