LIDAR (Light Detection and Ranging)

Intensive Laserimpulse werden in die Atmosphäre ausgesandt. Das von entfernten Teilchen oder Molekülen rückgestreute Licht wird gesammelt und als Funktion der Zeit analysiert. Die Entfernung zwischen dem LIDAR-System und den Messvolumen ist durch die Lichtgeschwindigkeit gegeben.
Instrumente zur Fernerkundung der Atmosphäre werden in zwei Kategorien eingeteilt: In Instrumente mit aktiven Sensoren und Instrumente mit passiven Sensoren. Während passive Instrumente von natürlichen Lichtquellen, wie der Sonne oder den Sternen, abhängen, liefern aktive Instrumente ihre Strahlung selbst.

Das LIDAR-Verfahren verwendet Laserstrahlung für die Fernerkundung von Schlüsselparametern der Atmosphäre oder auch der Bio- oder Hygrosphäre, deren genaue Kenntnis für ein Verständnis unseres Erdsystems wichtig sind. Die elastische oder inelastische Streuung der Laserlichtstrahlen, manchmal auch in Kombination mit Absorption, ist die Grundlage für eine große Anzahl verschiedener LIDAR-Anwendungen. Je nachdem, welche physikalische Wechselwirkung des Lichtes mit den Atomen, Molekülen oder Aerosolpartikeln in der Atmosphäre ausgenutzt wird, unterscheidet man Varianten des LIDAR-Prinzips:

Aerosol-LIDAR zur Messung von Staubteilchen, Dunst, Wolken etc.
Sichtweiten-LIDAR zur Messung der Sichtweite beispielsweise an Flughäfen oder Straßen
Gas-Konzentrations-LIDAR nach dem Absorptionsprinzip zur Messung von Ozon, Schwefeldioxid, Wasserdampf u.ä
Gas-Konzentrations-LIDAR nach dem Raman-Prinzip zur Messung von Methan, Wasserdampf u.ä
Doppler-Wind-LIDAR zur Messung des Windvektors und der Turbulenz
Molekül-LIDAR zur Messung von Druck und Temperatur

Das LIDAR-Messprinzip

LIDAR-Messprinzip

In Bild a) ist ein typisches Empfangssignal dargestellt, in dem vier Bereiche erkennbar sind:

Bis etwa 30 Meter Entfernung kann der Empfänger keine Strahlung erfassen, da der Sendekegel noch nicht in das Empfängergesichtsfeld eingetreten ist. Die Länge dieses "toten Bereichs" hängt von der Geometrie der Sende- und Empfangsoptik ab. Hier ist das Überlappungsintegral O(x) = 0.
Bei 60 Metern Entfernung bildet sich ein Maximum aus, welches dem Intensitätsverlauf durch Rückstreuung und Abschwächung durch die atmosphärischen Aerosole entspricht. Für Entfernungen x > 60 Metern ist das Überlappungsintegral O(x) = 1.
Bei 90 Metern erscheint ein weiteres Maximum, welches durch eine Inhomogenität in der Atmosphäre, zum Beispiel eine Nebelbank oder Wolke, hervorgerufen wird. Ohne diese Inhomogenität wäre der Signalverlauf auf der gestrichelten Linie gefolgt.
Die aufgespürte Wolke oder Nebelbank bewirkt eine Abschwächung des Lichts aus dem Bereich hinter der Wolke, so dass das Signal im Bereich jenseits der Inhomogenität schnell in das Rauschen übergeht, das heißt gegen Null geht.

Bild b) zeigt ein typisches Empfangssignal einer Messung in homogenem Nebel. Zur Erfassung der Sichtverhältnisse in unmittelbarer Nähe des Sichtweiten-LIDAR wird hier ein kompaktes Gerät mit großem Öffnungswinkel von Sende- und Empfangskegel verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrie der LIDAR-Systeme sind die Bereiche 1 bis 3 des Bildes a) in den ersten 30 Metern des Bildes b) enthalten.

GPS