LiDAR: „Verfahren zur optoelektronischen Echolokalisierung“
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Das Verfahren zur optoelektronischen Echolokalisierung des LiDAR kommen recht häufig zur Anwendung. Von der Abstandsmessung beim Autofahren, über Messung bei Hindernissen, bis hin zur Bestimmung von Stärke der Partikelrückstreuung bei Witterungsbedingen.
„Beim Begriff LiDAR kommt die Silbe „Li“ vom englischen „Light“. LiDAR ist ein Verfahren zur optoelektronischen Echolokalisierung. Anstelle von Funkwellen verschickt ein LiDAR einen gepulsten Laserstrahl, dessen Echo die Bestimmung der Entfernung zu jedem Hindernis, das Licht reflektiert. Ausgehend vom Akronym RADAR (RAdio Detection And Ranging) existiert diese Technik seit etwa fünfzig Jahren, aber es wurde noch nie so oft erwähnt wie in der letzten Zeit. Der Hauptgrund dafür ist, dass früher nicht von selbstfahrenden Autos oder von mobilen Robotern die Rede war, die in der Lage sind, sich in einer unbekannten Umgebung zu bewegen und diese in Echtzeit zu kartieren.“
„Wolken und Staubpartikel in der Luft streuen das Laserlicht. Eine einfache Anwendung von Lidar ist daher die hochauflösende Detektion und Entfernungsmessung von Wolken und Aerosolschichten. Die Intensität der Molekül- und Partikelrückstreuung hängt von der Wellenlänge des ausgesandten Laserlichts ab. Die Rückstreuung an Molekülen, die Rayleigh-Streuung, folgt einer 1/λ4-Abhängigkeit. Die Stärke der Partikelrückstreuung bei einer bestimmten Wellenlänge hängt von Größe, Brechungsindex und Konzentration der Partikel ab. Mit Lidarsystemen, die mehrere Wellenlängen aussenden, kann daher die Größenverteilung der atmosphärischen Partikel bestimmt werden (Inversion).“
„Moderne LIDAR Geräte erfassen die Atmosphäre bis in Höhen von etwa 100 km. In der Atmosphärenphysik dienen LIDAR-Geräte vor allem zur Bestimmung von Aerosol-, Temperatur- und Ozon-Konzentrationsprofilen anhand der Messung der wellenlängenabhängigen relativen Absorption des Laserlichts auf dem Weg durch die verschiedenen Atmosphärenschichten (entsprechend dem Prinzip der Absorptionsspektroskopie) oder durch laserinduzierte Fluoreszenz (entsprechend der Emissionsspektroskopie). Dabei wird v.a. das Differential Absorption Lidar (DIAL) verwendet, das Laserpulse zweier unterschiedlicher Wellenlängen benutzt, die über ein Teleskop aufgeweitet und in die Atmosphäre abgestrahlt werden. Wählt man die Wellenlänge des ersten Pulses außerhalb der Spektrallinie eines Übergangs des nachzuweisenden Stoffes, die des zweiten Pulses aber bei der maximalen Absorption, dann kann man aus der Differenz der Intensitäten der reflektierten Pulse die Konzentration des gesuchten Stoffes entlang der Ausbreitungsrichtung bestimmen.“
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