Ein Laseraltimeter ist primär ein Instrument zum Messen von Entfernungen. Oft werden Laseraltimeter als wissenschaftliche Nutzlast bei Raumfahrtmissionen verwendet, um sehr genaue Entfernungsmessungen vorzunehmen.
Bereits Anfang der siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts wurden die ersten Laseraltimeter in der planetaren Raumfahrt eingesetzt. Die Apollo Missionen 15,16 und 17 hatten dabei jeweils ein solches Messinstrument an Bord. Seitdem hat sich die Technik deutlich weiterentwickelt und wurde inzwischen auch auf Missionen zum Mars, zum Merkur und den Asteroiden 433 Eros und 25143 Itokawa eingesetzt.
Mit Hilfe der Laseraltimetrie kann man viele Fragen der planetaren Physik, Geologie und Geodäsie beantworten. Darunter fallen unter anderem Fragen nach:
Ein Laseraltimeter besteht aus zwei Hauptkomponenten, einem Transmitter (dem Laser) und einem Receiver (einem Empfänger mit einer Photodiode). Die Photodiode kann man sich dabei ungefähr wie eine kleine Solarzelle vorstellen, die das Licht in einen Strom umwandelt, den wir schließlich messen können. Vor der Diode befinden sich optische Filter, die nur Licht in einer bestimmten Wellenlänge durchlassen. Die Wellenlänge muss der des Lichts vom Laser entsprechen.
Bei den vom DLR genutzten Laseraltimertern BELA und GALA nutzen wir Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Dieses Licht liegt im infraroten Bereich und kann vom menschlichen Auge nicht gesehen werden.
Das Messprinzip eines Laseraltimeters basiert auf dem Weg-Zeit-Gesetz:
Der Laser sendet einen kurzen Lichtimpuls in Richtung der Planetenoberfläche. Dabei wird der Zeitpunkt des ausgehenden Laserpulses (t0), hochgenau erfasst (im Bereich von Nano- bis Pikosekunden).
Auf der Plantenoberfläche wird das Signal reflektiert. Erreicht das reflektierte Signal (der Returnpuls) den Empfänger, wird der Zeitpunkt des empfangenen Signals (t1) erneut hochgenau bestimmt. Mit diesen zwei Zeiten können wir nun die Laufzeit ∆t bestimmen. Diese ist die Differenz zwischen empfangenen und ausgehenden Puls, also
∆t = t1-t0
Wir wissen nun welche Zeit das Licht benötigt hat, um vom Altimeter-Instrument zu der Oberfläche hin und nach der Reflektion wieder zurück zufliegen. Da sich das Licht (im Vakuum) mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, also c = 299792 km/s, können wir nun die Entfernung bestimmen. Bei ungestörten Bewegungen ist die Strecke dann
s = c * ∆t
Im Fall der Altimetrie, bei der der Laserpulse ja einmal zur Oberfläche hin und dann wieder zurück laufen muss, ist die Höhe z des Laseraltimeters über dem Boden
z = c * ∆t /2
Mit dieser Formel und dem Messprinzip des Laseraltimeters können wir dann für jeden Schuss die jeweilige Höhe des Intruments über dem Boden bestimmen. Mit Hilfe von Bahndaten, können wir dann sehr gute Aussagen über die Topographie treffen.
Die hier beschriebene Vorgehensweise ist allerdings nur ein kleiner Teil des gesamten Verfahrens, wenn auch der wichtigste. Durch weitere Bearbeitung, wie zum Beispiel Interpolationen, genaue Auswertung der Form der Return-Pulses, Überlagerungen von mehreren Bodenspuren usw., können wir mit der Laseraltimetrie einen entscheidenden Beitrag zur Wissenschaft der nächsten Raumfahrtmissionen leisten.
Die Laseraltimeter BELA (BepiColombo, Merkur) und GALA (JUICE, Jupiter System) werden partiell vom DLR entwickelt und gebaut und hauptverantwortlich vom DLR betrieben.
Farbkodiertes Höhenprofil vom Merkur. Mit Daten des Laseraltimeters MLA der NASA wurde am DLR die Oberfläche des Merkurs vermessen. In den Bereichen in der Nähe des Äquators sieht man die einzelnen Bodenspuren.