LAPMI (2000/2002)
Lidar for Atmospheric Particulate Monitoring Investigation

Progetto di ricerca per il monitoraggio dell'inquinamento atmosferico da particolato mediante lidar

(Vedi anche il progetto "Implementazione di un Lidar portatile per il monitoraggio del particolato" - 2005)

Durante la seconda metà del secolo scorso è cresciuto ovunque nel mondo l'interesse per l'ambiente e per tutte le problematiche ad esso connesse.
In particolare, si è cercato di studiare ed analizzare il fenomeno dell'inquinamento dell'aria, soprattutto nei centri urbani.
Ricerche condotte in Europa dall'Organizzazione Mondiale della Sanità e negli USA dal Dipartimento di Epidemiologia dell'Università di Baltimora, dimostrano che, per la salute dell'uomo, sono particolarmente dannose le emissioni di particolato PM10 (particelle con una dimensione lineare inferiore a 10 µm).
Queste penetrano facilmente nelle vie aeree provocando un incremento delle patologie dell'apparato respiratorio e cardiovascolare. Nei grandi conglomerati urbani l'incremento della concentrazione di aerosol (polveri, fuliggine e PM10) dovuto all'emissione di grandi quantità di particolato proveniente da traffico veicolare, impianti industriali, centrali elettriche, riscaldamento casalingo, raggiunge livelli molto alti, sottoponendo un grande numero di persone agli effetti dannosi dell'inquinamento da polveri. Di qui la necessità di tenere sotto controllo questi fenomeni e le loro conseguenze.

La concentrazione di aerosol in una determinata area ed in un determinato periodo di tempo dipende principalmente da tre fattori:

  • lo spostamento degli aerosol dalla sorgente all'atmosfera (emissione)
  • il trasporto del particolato in atmosfera (trasmissione)
  • l'impatto degli aerosol su esseri umani, animali, piante ed edifici (immissione)
  • Per questa ragione i sistemi per la misura dell'inquinamento atmosferico da particolato devono essere capaci di monitorare l'emissione, la trasmissione e l'immissione e quantificarne la concentrazione che ne risulta.
    La tecnica LIDAR è efficacemente usata nel mondo per il monitoraggio del particolato in atmosfera e spesso un unico sistema è in grado di ricavare informazioni circa l'emissione, la trasmissione e l'immissione.
    Negli anni sono stati sviluppati sistemi diversi di monitoraggio nel campo del controllo degli inquinanti.
    Tra questi si possono distinguere due classi principali: gli analizzatori "in situ" e i telesensori.
    I primi sono utilizzati per uso di routine nelle centraline di rilevamento, grazie soprattutto al loro funzionamento semplice ed affidabile. I secondi rientrano nel campo del telerilevamento ed hanno caratteri di maggiore mobilità e precisione. Il lidar rientra in questo secondo gruppo.
    Si tratta di un sensore composto essenzialmente da un emettitore (laser) e da un ricevitore (telescopio). Il laser emette un impulso luminoso in atmosfera e il telescopio osserva la frazione retrodiffusa dal particolato. In questo modo risulta possibile il monitoraggio dell'inquinamento da aerosol con una elevata risoluzione spazio-temporale.

    Il Progetto

    CO.RI.S.T.A. ha partecipato insieme a Kayser Italia srl e a Quanta System srl al progetto di ricerca LAPMI in collaborazione con il laboratorio di Napoli dell' INFM (Istituto Nazionale per la Fisica della Materia).
    Il progetto é finalizzato al miglioramento del lidar, nel senso di renderlo uno strumento compatto, economico e di semplice e sicuro utilizzo. Con un laser innovativo, si è ottenuto un raggio di misura superiore al km con una risoluzione spaziale migliore di 10 metri.

    Il lidar presenta molti vantaggi rispetto alle tecniche usuali:

  • rilevamento senza estrazione dei campioni, eliminando così il rischio di modificazioni dell'aria durante il prelievo,
  • ricostruzione senza soluzione di continuità della concentrazione di inquinanti lungo il raggio laser,
  • determinazione integrata su un cammino ottico meno sensibile ad effetti locali, come le emissioni di incroci stradali o ciminiere,
  • capacità di dirigere il laser nell'intero emisfero, permettendo così di disegnare una mappa tridimensionale dell'inquinamento e di studiare la dinamica chimico-fisica dell'atmosfera.
  • Queste caratteristiche offrono:

  • la possibilità di controllare il funzionamento delle centraline di rilevamento;
  • uno strumento efficace per la validazione dei modelli chimico-fisici dell'atmosfera;
  • consentono:

  • di ottenere una visione di sintesi dell'inquinamento urbano;
  • di comparare le misure telerilevate con le simulazioni numeriche che, generalmente, si riferiscono a medie calcolate su masse d'aria relativamente estese.
  • Il progetto, iniziato a gennaio 2000, è terminato a dicembre 2002. È stato cofinanziato dal MIUR (Ministero dell'Istruzione, dell' Università e della Ricerca) all'interno del Programma europeo EUREKA.

    Sviluppo del progetto

    Il sistema è costituito da un laser a Nd:YAG (emettitore) ed un telescopio di tipo Cassegrain (ricevitore), montati secondo una configurazione di tipo bistatico.
    Scopo dichiarato del progetto è stato quello di realizzare un sistema LIDAR compatto, economico ed affidabile, la cui facilità di impiego possa garantirne la diffusione commerciale.

    Un ruolo determinante per il raggiungimento di questo obiettivo è dato dalla sorgente laser.
    Per ottenere il migliore compromesso tra la facilità di impiego e la necessità di realizzare un sistema affidabile è stata individuata una sorgente laser con le seguenti caratteristiche:

    Lunghezze d'onda 532 nm e 355 nm
    Energia per impulso 500 mJ @ 532 nm
    300 mJ @ 355 nm
    Qualità del fascio TEM00
    Frequenza di ripetizione 1kHz
    Durata dell'impulso 45 ns

    Per ottenere una elevata efficienza e mantenere la compattezza del sistema, la scelta obbligata è stata quella di progettare una sorgente pompata a diodi laser.
    Il laser scelto è di tipo Nd:YAG. in cui è possibile selezionare in modo automatico la lunghezza d'onda (532 nm o 355 nm) del segnale in uscita in modo da riuscire ad ottenere in maniera univoca il coefficiente di backscattering e la trasparenza dell'aria.

    Per inviare il segnale della sorgente laser in atmosfera, è stato progettato un sistema di ottiche di rinvio. L'ottica di ricezione è costituita da un telescopio di tipo Cassegrain. Questa scelta della geometria garantisce una buona raccolta del segnale, consentendo di ridurre al massimo gli ingombri.

    Come elementi di selezione spettrale sono stati scelti due filtri interferenziali, con frequenza centrale di 532 nm e 355 nm. Sono stati previsti due canali di rivelazione, uno per l'acquisizione in analogico (basse quote) e uno per l'acquisizione in fotoconteggio (alte quote).
    In pratica, il funzionamento del nostro sistema lidar può essere così schematizzato: il segnale della sorgente laser inviato in atmosfera attraverso le ottiche di rinvio, viene raccolto dal telescopio, "ripulito" per mezzo di un diaframma posto nel fuoco del telescopio, e poi opportunamente collimato sul filtro interferenziale. I segnali rivelati in analogico ed in fotoconteggio sono acquisiti tramite schede multicanali standard ed i dati sono analizzati con un opportuno software sviluppato presso il consorzio CO.RI.S.T.A.

    Allo stato attuale questo sistema è stato calibrato ed è in grado di misurare le concentrazioni di aerosols da una quota minima di 150 m a una quota massima di 7 Km.

    Nel grafico sottostante riportiamo un tipico segnale lidar misurato con il nostro prototipo.




    Articoli di CO.RI.S.T.A. sull'argomento:

    • Pica G., Boselli A., Castaldo F., Fusco R., Mattei S., Santovito M.R., Wang Xuang," New prototype of very compact LIDAR for atmospheric particulate monitoring", 23rd EARSeL Symposium "Remote Sensing in Transition", 2-5 Giugno 2003, Gent (Belgio)       
    • G. Pica, M.R.Santovito (CO.RI.S.T.A.), A.Boselli (IMAA CNR –Area della Ricerca di Potenza), F.Castaldo (PROMETE, INFM Spin off Company), W. XUAN (INFM –CNR Unità di Napoli) "New prototype of very compact LIDAR for atmospheric particulate monitoring", JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS Vol. 10, No. 11, November 2008, p. 3111 - 3116.       

    Per approfondimenti contattare:

    Giulia Pica
    giulia.pica@corista.eu
    tel. 081 5935101









    Disegno del progetto del LAPMI




    Il sensore in funzione durante la sperimentazione




    Il lidar LAPMI in laboratorio




    Il lidar LAPMI in laboratorio