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Lexikon der Optik: Lidar

Lidar (Abk. für engl. light detection and ranging), Bezeichnung für aktive optische Fernerkundungssysteme mit Impulslasern oder mit intensitätsmodulierten Lasern. Ein Lidargerät besteht aus einem Lasersendesystem, einem spektral und zeitlich hochauflösenden Empfänger sowie einer Datenverarbeitungsanlage. Häufig befindet sich der Empfänger direkt neben dem Sender, er kann aber auch bei speziellen Meßaufgaben anders positioniert sein. Einfache Lidaranlagen dienen als elektrooptische Entfernungsmesser. Dabei wird eine Laufzeitmessung vorgenommen (Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen der Abstrahlung eines kurzen Laserimpulses und der Ankunftszeit der vom Ziel gestreuten bzw. reflektierten Strahlung). Sender und Empfänger arbeiten auf der gleichen Wellenlänge. Das L.-Meßsignal hängt von der Extinktion im durchstrahlten Medium, dem Rückstreukoeffizienten des Zieles, der Größe der Empfängerfläche und der Laserleistung ab und ist umgekehrt proportional dem Quadrat der Zielentfernung. Für terrestrische Entfernungsmessungen werden häufig Neodym-YAG-Laser oder Halbleiterlaser mit hoher Impulsfolgefrequenz eingesetzt. Extraterrestrische Ziele in Erdnähe (Satelliten, Mond) können mit besonders leistungsstarken Laser- und Detektorsystemen vermessen werden. Außer der Entfernungsmessung von festen Zielen kann mit L. auch die Entfernung und Ausdehnung von optisch dünnen Wolken, Nebeln, Rauchfahnen und Abgaswolken bestimmt werden. An wolkenarmen Tagen, oder besser noch in wolkenarmen Nächten, können mit L. Inversionsschichten und hochatmosphärische Staubschichten geortet werden. Unter Verwendung von digitalgesteuerten Displays ist es möglich, räumliche und zeitliche Abtastungen vorzunehmen und zweidimensionale Entfernungs-Zeit-Verteilungen, ähnlich wie beim Radar, darzustellen. Neben dem einfachen L. gibt es eine Reihe von komplizierteren L.-Verfahren. Mit sehr leistungsstarken Impulslasern (Excimerlaser, Stickstofflaser, Neodymglaslaser mit Frequenzwandlern, welche die zweite Harmonische erzeugen, und Rubinlaser) können Raman-Lidar-Anlagen aufgebaut werden. In diesem Falle arbeitet der Lasersender auf einer festen Wellenlänge, das Empfangssystem wird jedoch zum Nachweis des Raman-gestreuten Lichtes spektral durchgestimmt (Raman-Streuung). Es ist unter anderem möglich, die räumliche Konzentrationsverteilung von N2-, O2-, H2O-, CO2-, SO2-Molekülen und, mit höherem Aufwand, auch die Temperaturen dieser Gase in der Atmosphäre zu bestimmen. Bei dem sogenannten Resonanz-L. wird sowohl das Laser- als auch das Empfangssystem auf die Absorptionswellenlänge einer zu untersuchenden atmosphärischen Molekülart eingestellt. Dieses L.-System erfordert einen spektral durchstimmbaren Laser, z.B. einen Farbstofflaser. Gemessen wird die Resonanzfluoreszenz der angeregten Moleküle oder Atome. In der niederen Atmosphäre ist wegen des relativ hohen Druckes die Fluoreszenz oft gelöscht, jedoch können in der Hochatmosphäre (80 bis 120 km Höhe) Natrium- und Kaliumkonzentrationen gemessen werden. In den unteren Schichten ist der Nachweis von NO- und NO2-Spezies möglich. Erfolgreich arbeiten auch differentielle Absorptions-Lidarsysteme (Differential-L.). Mit diesen Geräten werden die Absorptionsquerschnitte verschiedener Molekülspezies (z.B. Ozon) in Relation zur allgemeinen Streuung des Laserlichtes in der Atmosphäre gemessen. Dazu arbeiten die Geräte auf zwei eng benachbarten Wellenlängen, von denen eine genau auf die Absorptionslinie einer Molekülart abgestimmt ist, während zum Vergleich das Licht einer zweiten Wellenlänge weitgehend absorptionsunbeeinflußt die zur Korrektur notwendigen Rückstreuwerte liefert.

Werden Sender und Empfänger räumlich getrennt aufgestellt, aber auf das gleiche Luftvolumen bzw. Ziel gerichtet, so spricht man vom bistatischen L. Variation des Streuwinkels zwischen Sender und Empfänger erlaubt, aus den Messungen Informationen über den Brechungsindex oder die Größenverteilung des atmosphärischen Aerosols zu gewinnen. Sind Laser und Empfänger in einer relativ großen Distanz gegeneinander gerichtet oder wird als Gegenstation ein fast idealer Reflektor in Form eines Tripelspiegels errichtet, so können schwache Molekülabsorptionen untersucht werden. Heterodyn-L. wird ein Verfahren genannt, bei dem ein Laserstrahl dem von den Luftmolekülen rückwärtig gestreuten Licht bzw. der thermischen Strahlung von Gasen überlagert wird (optischer Überlagerungsempfang). Damit können, spektral hochaufgelöst, schwache Strahlungskomponenten erfaßt werden.

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