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Introduction to LiDAR

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LiDAR  uses  electromagnetic  (EM)  waves  in  the  optical  and  infraredwavelengths.  It  is  an  active  sensor,  meaning  that  it  sends  out  an  EM  waveand  receives  the  reflected  signal  back.  It  is  similar  to  microwave  radar,except  at  a  much  shorter  wavelength.  This  means  that  it  will  have  muchbetter  angular  resolution  than  radar  but  will  not  see  through  fog  or  clouds.

It  is  similar  to  passive  electro-optical  (EO)  sensors  in  wavelengths,  exceptthat  it  provides  its  own  radiation  rather  than  using  existing  radiation,and  has  many  more  sensing  modes  due  to  control  over  the  scene  illumination.  LiDAR  brings  its  own  flashlight  and  can  therefore  see  at  night  usingnear-infrared  wavelengths,  whereas  passive  EO  sensors  have  limitedcapability  in  the  near  infrared  at  night  because  of  insufficient  availablenear-infrared  radiation.  This  means  that  LiDAR  can  have  increased  angularresolution  associated  with  the  shorter  wavelengths  and  still  operate  24  hoursper  day.

Figure  1.1  is  a  diagram  showing  the  EM  spectrum  that  puts  LiDAR  (andEO  devices,  in  general)  into  the  broader  EM–wave  context.  We  see  that  thevisible  and  infrared  spectra  have  shorter  wavelengths  than  radiowaves  andmicrowaves,  but  longer  wavelengths  than  x  rays  and  gamma  rays.  This  is  alog  scale,  so  the  change  in  wavelength  is  large.  A  typical  tracking  microwaveradar  might  have  a  frequency  of  10  GHz,  which  corresponds  to  a  wavelengthof  3  cm.  This  is  called  X-band  radar.  A  typical  search  radar  may  have  afrequency  of  1  GHz  and  a  wavelength  of  30  cm.  This  is  called  L-band  radar.

Since  a  typical  eye-safe  LiDAR  will  have  a  frequency  of  200  THz  and  awavelength  around  1.5  mm,  a  typical  LiDAR  will  have  a  wavelength  about20,000  times  smaller  than  the  X-band  tracking  radar,  and  200,000  timessmaller  than  the  L-band  search  radar,  with  corresponding  increases  incarrier  frequency.  X  rays  and  gamma  rays  will  be  orders  of  magnitudeshorter  in  wavelength  and  higher  in  frequency  than  visible  or  infrared  EMradiation.

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