Was sind die verschiedenen LIDAR-Systemdesigns?
In atmosphärischen Studien wird häufig ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) verwendet. Einige der verschiedenen LIDAR-Systemdesigns sind Mie und Rayleigh LIDAR, Raman und differentielle Absorption LIDAR, Doppler und Fluoreszenz LIDAR sowie Systeme, die als einfache Entfernungsmesser oder Höhenmesser verwendet werden. Die Ausführungen variieren je nach Untersuchungsgegenstand, erforderlicher Messgenauigkeit und Einsatzbedingungen. Jeder Systemtyp ist ein Produkt zur Bewertung der Fähigkeiten der verfügbaren Hardware und Software und der Art und Weise, wie sie zur Erreichung der Messziele verwendet werden können.
Ein LIDAR-System misst normalerweise die Laser-Rückstreuung, bei der es sich um reflektiertes Laserlicht handelt. Es kann speziell zur Messung der direkten Laserrückstreuung, der wellenlängenverschobenen Rückstreuung, der Differenz der Absorptionsraten zwischen zwei Wellenlängen oder der Frequenzänderung des rückgestreuten Lichts ausgelegt sein. Ein Basissystem besteht aus einem Sender, einem Empfänger und einer Datenanalysekomponente. LIDAR-Systemdesigns haben entweder eine bistatische oder eine monostatische Konfiguration. In einem monostatischen System befinden sich Sender und Empfänger zusammen, während in einem bistatischen Design die beiden getrennt sind.
Eine weitere konstruktive Überlegung besteht darin, entweder eine zweiachsige oder eine koaxiale Sensoranordnung zu verwenden. Bei einer zweiachsigen Anordnung weisen die Achsen von Sender und Empfänger eine unterschiedliche Ausrichtung auf. Rückgestreutes Licht kann vom Empfänger nur erfasst werden, wenn sich das Motiv außerhalb einer bestimmten Entfernung befindet. Die Achsen von Sender und Empfänger sind in koaxialer Anordnung gleich.
LIDAR-Systeme, die gepulste Laser verwenden, weisen normalerweise eine monostatische Konfiguration auf, können jedoch entweder eine zweiachsige oder eine koaxiale Sensoranordnung aufweisen. Systeme, die einen Dauerstrichlaser verwenden, weisen üblicherweise eine bistatische Konfiguration auf. Wenn die Reichweite des Objekts relativ nahe ist, wird im Allgemeinen eine koaxiale Anordnung von Sender und Empfänger bevorzugt. Wenn die Fähigkeit, nahe am Ziel zu sein, kein Problem ist, kann eine zweiachsige Anordnung gewählt werden, um Komplikationen durch nahegelegene Laser-Rückstreuung zu vermeiden.
Verschiedene LIDAR-Systemdesigns verwenden auch verschiedene Laserwellenlängen und verschiedene Bandbreitenkombinationen für die Sender und Empfänger. Weitere konstruktive Überlegungen betreffen Anforderungen für die Verwendung als LIDAR mit oder ohne Suchfunktion sowie die Frage, ob das System im Dauerbetrieb ist oder nur nachts verwendet wird. Einige Designs verwenden abstimmbare Laser. Diese Optionen werden sorgfältig ausgewählt, um ein bestimmtes Messziel zu verfolgen.
Die Datenanalysekomponente eines LIDAR-Systems verwendet verschiedene Analysetechniken. Mie, Rayliegh, Raman und Fluoreszenz-LIDARS dienen zur Analyse verschiedener Arten von Laser-Rückstreumustern. Die Streumuster hängen von der Wellenlänge ab. Die Mie-Analyse beschreibt am besten Streumuster, wenn das reflektierende Teilchen ungefähr die gleiche Größe wie die Wellenlänge hat. Die Rayleigh-Analyse ist genauer für Partikel, die viel kleiner als die Wellenlänge sind.
Die Entwürfe von Rayliegh und Mie untersuchen elastische Rückstreuung, bei der das reflektierte Licht die gleiche Wellenlänge wie das durchgelassene Licht hat. Raman LIDAR analysiert unelastische Rückstreuung. Dies resultiert daraus, dass sich das Licht in der Wellenlänge geringfügig verschiebt, wenn es von einem Partikel reflektiert wird. Das Ausmaß der Verschiebung kann die Zusammensetzung und die atmosphärische Konzentration der reflektierenden Teilchen identifizieren. Fluorecence LIDAR verwendet eine ähnliche Analyse, um die Rückstreuung von Flüssigkeiten und Feststoffen zu untersuchen.
Doppler LIDAR misst die Frequenzverschiebungen des zurückgestreuten Lichts, um Änderungen der Temperatur und der Windgeschwindigkeit oder -richtung zu bestimmen. Die differentielle Absorption lässt zwei Wellenlängen des Lichts durch und misst den Unterschied der atmosphärischen Absorption zwischen den beiden Wellenlängen. Die relativen Absorptionsunterschiede können die Aerosolkonzentrationen identifizieren.
Jedes der verschiedenen LIDAR-Systemdesigns verwendet eine einzigartige Konfiguration von Hardware und Software, um unter bestimmten Umständen eine genaue Messung einer bestimmten Menge durchzuführen. Allgemeinere Systeme wie ein Geschwindigkeitsdetektor der Polizei liefern weniger genaue Ergebnisse. In einigen Systemen bestimmt die in der Datenanalysekomponente anzuwendende Analysemethode das Systemhardware-Design. In anderen Fällen bestimmt die verfügbare Hardware, welche Systemdesigns verwendet werden können.