Lidar

Animation der 2D-Abtastung LIDAR

Wasserdampf-Lidar auf der Zugspitze

Lidar, Abkürzung für englisch Light detection and ranging, ist eine dem Radar (englisch radiowave detection and ranging) sehr verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. Statt Funkwellen wie beim Radar werden jedoch Laserstrahlen verwendet.

Abstandsmessung

Die Grundfunktion eines Lidar-Systems besteht in der Entfernungsmessung. Das Instrument sendet Laserpulse aus und detektiert das von einem Objekt zurückgestreute Licht. Aus der Laufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit wird die Entfernung zum Objekt berechnet.

Anwendung zur Atmosphärenmessung

Lidar-Systeme zur Atmosphärenmessung senden Laserpulse aus und detektieren das aus der Atmosphäre zurückgestreute Licht. Aus der Lichtlaufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit wird die Entfernung zum Ort der Streuung berechnet. Wolken- und Staubteilchen in der Luft (Aerosole) streuen das Laserlicht und ermöglichen eine hochauflösende Detektion und Entfernungsmessung von Wolken und Aerosolschichten. Mit komplexeren Systemen lassen sich atmosphärische Zustandsparameter und die Konzentration von atmosphärischen Spurengasen bestimmen. Beispielsweise dienen Lidar-Instrumente auch der Überwachung von Emissionsmengen von Schornsteinen von Fabriken auf Einhaltung vorgegebener Grenzwerte.

Je nach Wellenlänge des verwendeten Laserlichts sind Lidar-Systeme mehr oder weniger empfindlich für molekulare oder Partikelrückstreuung. Auch hängt die Stärke der Rückstreuung bei einer Wellenlänge von der jeweiligen Partikelgröße und Konzentration ab. Mit Lidar-Systemen, die mehrere Wellenlängen aussenden, kann daher die genaue Größenverteilung der atmosphärischen Partikel bestimmt werden.

Mit ausgefeilten Techniken lässt sich mittels Lidar eine Vielzahl atmosphärischer Parameter messen: Druck, Temperatur, Feuchte, Wasserdampfkonzentration sowie die Konzentration atmosphärischer Spurengase (Ozon, Stickoxide, Schwefeldioxid, Methan usw.). Außerdem lassen sich die optischen Eigenschaften von Aerosolen und Wolkenpartikeln bestimmen (Extinktionskoeffizient, Rückstreuungskoeffizient, Depolarisation). Mit einem Depolarisations-Lidar lässt sich der Aggregatzustand (flüssig oder fest, also bei Wolkenteilchen: ob noch Wasser oder schon Eis) bestimmen (siehe auch Polarisation).

Raman-Lidar-Systeme

Raman-Lidar-Systeme (siehe auch Raman-Spektroskopie) detektieren zusätzlich zur Rückstreuung der gerade ausgesendeten Wellenlänge (elastische Rückstreuung) auch Signale bei anderen Wellenlängen. Diese Signale entstehen dadurch, dass die das Licht rückstreuenden Moleküle einen Teil der Energie des Lichtteilchens (des Photons) aufnehmen oder ihm zusätzliche Energie hinzugeben (inelastische Streuung). Die Moleküle ändern bei der inelastischen Streuung ihre Vibration oder Rotation (Raman-Prozess). Die Energieänderung ist nur in bestimmten „gestuften“ Schritten möglich (siehe Quantenmechanik) und diese Schritte sind charakteristisch für die Molekülart. Wassermoleküle streuen beispielsweise grünes Licht mit kleiner Wahrscheinlichkeit rot zurück (frequenzverdoppeltes Nd:YAG-Laserlicht einer Wellenlänge von 532 nm wird bei 660 nm zurückgestreut). Dieser Prozess wird bei der Bestimmung des Wasserdampfmischungsverhältnisses in der Atmosphäre (Wasserdampf-Raman-Lidar) verwendet.

Differentielle Absorptions-Lidar

Spurengaskonzentrationen können auch – und bei den meisten Stoffen genauer – mit der Methode des differentiellen Absorptions-Lidars (engl.: differential absorption lidar, DIAL) gemessen werden. Bei dieser Technik werden zwei Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet. Eine der Wellenlängen wird so gewählt, dass sie vom Stoff, dessen Konzentration bestimmt werden soll, absorbiert wird (On-Line-Wellenlänge); die andere Wellenlänge so, dass sie nicht oder möglichst wenig absorbiert wird (Off-Line-Wellenlänge). Aus dem schrittweisen Vergleich der Rückstreusignale (jeweils für „On“ und „Off“) kann dann das Konzentrationsprofil des Stoffes entlang der Ausbreitungslinie der Laserpulse berechnet werden. Absorptionskoeffizienten sind in der Regel aus Laborexperimenten gut bekannt; DIAL bestimmt mittels der entsprechenden Werte für On- und Off-Wellenlänge die atmosphärische Spurengaskonzentration, ohne dass eine weitere Kalibrierung des Instrumentes erforderlich wäre (die Technik ist „selbstkalibrierend“). Dafür müssen allerdings die Wellenlängen der Laserpulse sehr genau eingestellt bzw. kontrolliert werden. Da die Absorptionskoeffizienten meist von Druck und Temperatur abhängen, müssen diese entlang der Messstrecke genau bekannt sein. Vor allem bei der Vertikalsondierung der Atmosphäre spielt dieser Umstand eine große Rolle. Ebenso muss berücksichtigt werden, dass das Rückstreulicht (Rayleigh-Streuung) eine temperaturabhängige Dopplerverbreiterung erfährt. Dieser Effekt tritt jedoch nicht bei der Rückstreuung an Partikeln (Aerosolen) auf. Daher müssen auch Informationen über das Verhältnis von Rayleigh-Streuung und Rückstreuung an Partikeln eingeholt werden.

Unter aerosolfreien Bedingungen und der Annahme, dass die spektrale Verteilung des Lichts nicht signifikant durch das zu messende Spurengas selbst verändert wird, gilt die vereinfachte Lidar-Gleichung für das DIAL:

$N(r) = \frac{1}{\Delta \sigma_\uparrow(r) + \Delta \sigma_\downarrow(r)} \cdot \left[\frac{-d}{dr} \ln \frac{S_\mathrm{on}(r)}{S_\mathrm{off}(r)}\right]$

Dabei ist N(r) die Konzentration des zu messenden Spurengases, $\Delta \sigma_\uparrow(r)$ bzw. $\Delta \sigma_\downarrow(r)$ die Differenzen der effektiven Absorptionsquerschnitte (σ_off − σ_on) auf dem Lichtweg des Laserstrahls bis zum Streuprozess bzw. auf dem Lichtweg vom Streuprozess zum Lidar-Empfänger und S_on(r) und S_off(r) die Rückstreusignale der Laserschüsse auf den Wellenlängen λ_on bzw. λ_off. Bei einer signifikant aerosolhaltigen Atmosphäre ist die Berechnung von N(r) allgemein erheblich komplexer, da die spektrale Verteilung des rückgestreuten Lichts stark von der Verteilung der Aerosole abhängig ist.

Weitere Anwendungen

Die sichtbarsten Lidar-Anwendungen in Deutschland sind sicher die von der Fa. VITRONIC GmbH entwickelten und gelieferten Mautbrücken, auf denen die sich annähernden Fahrzeuge von einem LIDAR erfasst und bis zur Durchfahrt verfolgt (getrackt) werden. Mit einem weiteren LIDAR, der für den Nahbereich konzipiert ist, wird eine 3D-Kontur der Fahrzeuge ermittelt, um aus den Gerätedaten mautpflichtige LKW von allen anderen Fahrzeugen zu unterscheiden.

Auch die sogenannten Laserpistolen der Verkehrspolizei zur Geschwindigkeitsmessung sowie Laserentfernungsmesser für Handwerk, Bau- und Vermessungswesen arbeiten nach dem Lidar-Prinzip. Prinzipiell können alle auch vom Radar her bekannte Messprinzipien für Lidar angewandt werden:

• Aussendung einer Impulsfolge und Messen der Laufzeit der zurückgeworfenen Signale (Messung der Entfernung und auch der Geschwindigkeit sind möglich)
• Auswertung der Frequenzverschiebung der zurückgeworfenen Signale eines frequenzstabilen Lasers zur Messung der Relativgeschwindigkeit (Prinzip des Doppler-RADAR, für große Entfernungen und Geschwindigkeiten)
• Modulation der Laserstrahlung mit einer festen Frequenz zur Messung der Relativgeschwindigkeit
• Modulation mit einer veränderlichen Frequenz zur Messung der Entfernung.

In fahrerlosen Transportfahrzeugen wird Lidar zur Hinderniserkennung verwendet. Der Einsatz ist hier auch teilweise genormt, um Unfälle mit Personen, welche die automatischen Fahrwege kreuzen könnten, zu vermeiden (Personenschutzanlage).^[1]

Weiterhin werden Lidar-Systeme zur Detektion von Turbulenzen und Scherwinden im Nahbereich (in Flugrichtung) von modernen Passagierflugzeugen benutzt.

In der Windenergiebranche wird zunehmend neben akustischen Messverfahren (Sodar) auch Lidar eingesetzt, um horizontale und vertikale Windgeschwindigkeit und Windrichtung zu messen und an die Leitstelle zur optimalen Einstellung der Windräder zu übermitteln. Die Messung erfolgt typisch im Bereich von 40–200 m und erfasst Windgeschwindigkeiten zwischen 0 und 60 m/s bei 0,1 m/s Genauigkeit. Der Vorteil von Lidar gegenüber Sodar besteht in der geringeren Störanfälligkeit gegenüber Geräuschen, womit eine weitere Verbreitung der Technik absehbar ist.

In der Robotik kommen LIDAR-Systeme seit Jahren zur Objekterkennung und Umgebungserfassung zum Einsatz.^[2]

Schließlich können Laser-Interferometer zur hochgenauen Entfernungsbestimmung auch als Anwendungsbeispiel des Dopplereffektes aufgefasst werden, fallen jedoch nicht unter den Begriff LIDAR.

Siehe auch

• Satellite Laser Ranging
• Airborne Laserscanning
• Terrestrisches Laserscanning
• Mobile Laserscanning
• TOF-Kamera

Literatur

• Claus Weitkamp: Lidar - range-resolved optical remote sensing of the atmosphere. Springer, New York 2005, ISBN 0-387-40075-3.
• Takashi Fujii: Laser remote sensing. CRC, Taylor & Francis, Boca Raton 2005, ISBN 0-8247-4256-7.
• Albert Ansmann: Advances in atmospheric remote sensing with lidar. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-61887-2.

Weblinks

• http://lidar.ssec.wisc.edu/
• http://www.meteo.physik.uni-muenchen.de/strahlung/lidar/backgrd.htm
• http://alomar.rocketrange.no/alomar-lidar.html
• http://imk-ifu.fzk.de/305.php (Lidar in der Atmosphärenforschung, Wasserdampf- und Ozon-DIAL, Aerosol-Lidar)
• Claus Brenner: Aerial Laser Scanning. International Summer School “Digital Recording and 3D Modeling. Aghios Nikolaos, Kreta, Griechenland, 24.–29. April 2006, abgerufen am 24. Juli 2010 (Tutorial über luftgestütztes Lidar; PDF-Datei; 16,88 MB).

Einzelnachweise

1. ↑ SICK (Hrsg.): LMS Prospekt. (PDF, abgerufen am 3. März 2008).
2. ↑ http://www.iftas.de/Main/Solutions IfTAS