Wat zijn de verschillende LIDAR-systeemontwerpen?

Een lichtdetectie- en bereiksysteem (LIDAR) wordt vaak gebruikt in atmosferische onderzoeken. Enkele van de verschillende ontwerpen van het LIDAR-systeem zijn Mie en Rayleigh LIDAR, Raman en differentiaalabsorptie LIDAR, Doppler en fluorescentie LIDAR, en systemen die worden gebruikt als eenvoudige afstandmeters of hoogtemeters. De ontwerpen variëren afhankelijk van het te bestuderen onderwerp, de vereiste meetnauwkeurigheid en de omstandigheden van hun inzet. Elk type systeem is een product van het evalueren van de mogelijkheden van de beschikbare hardware en software en hoe het kan worden gebruikt om de meetdoelstellingen te bereiken.

Een LIDAR-systeem meet meestal laserverstrooiing, hetgeen gereflecteerd laserlicht is. Het kan specifiek worden ontworpen voor het meten van directe laser-backscatter, golflengte-verschoven backscatter, het verschil in absorptiesnelheden tussen twee golflengten of frequentiewijziging in terugverstrooid licht. Een basissysteem bestaat uit een zender, een ontvanger en een data-analysecomponent. LIDAR-systeemontwerpen hebben een bistatische of een monostatische configuratie. In een monostatisch systeem zijn de zender en ontvanger bij elkaar geplaatst, terwijl in een bistatisch ontwerp de twee gescheiden zijn.

Een andere ontwerpoverweging is om een ​​biaxiale of coaxiale sensoropstelling te gebruiken. In een biaxiale opstelling hebben de as van de zender en ontvanger een andere oriëntatie. Terugverstrooid licht kan alleen door de ontvanger worden gedetecteerd als het onderwerp een bepaalde afstand overschrijdt. De as van de zender en ontvanger zijn hetzelfde in een coaxiale opstelling.

LIDAR-systemen die gepulseerde lasers gebruiken, hebben meestal een monostatische configuratie, maar kunnen een biaxiale of een coaxiale sensor hebben. Systemen die een laser met continue golf gebruiken, hebben meestal een bistatische configuratie. Als het bereik van het onderwerp relatief dichtbij is, heeft een coaxiale opstelling van zender en ontvanger in het algemeen de voorkeur. Als dichtbij-doelvermogen geen probleem is, kan een biaxiale regeling worden gebruikt om complicaties door laser-verstrooiing in de buurt te voorkomen.

Verschillende ontwerpen van het LIDAR-systeem gebruiken ook verschillende lasergolflengten en verschillende bandbreedtecombinaties voor de zenders en ontvangers. Andere overwegingen bij het ontwerp zijn vereisten voor gebruik als een LIDAR om op te zoeken of om naar beneden te kijken, en of het systeem continu zal werken of alleen 's nachts zal worden gebruikt. Sommige ontwerpen maken gebruik van instelbare lasers. Deze opties zijn zorgvuldig gekozen om een ​​specifiek meetdoel na te streven.

De data-analysecomponent van een LIDAR-systeem maakt gebruik van verschillende analysetechnieken. Mie, Rayliegh, Raman en fluorescentie LIDARS zijn ontworpen om verschillende soorten laser-backscatterpatronen te analyseren. Verspreidingspatronen zijn afhankelijk van de golflengte. Mie-analyse beschrijft het beste spreidingspatronen wanneer het reflecterende deeltje ongeveer even groot is als de golflengte. Rayleigh-analyse is nauwkeuriger voor deeltjes die veel kleiner zijn dan de golflengte.

De ontwerpen van Rayliegh en Mie onderzoeken elastische terugverstrooiing, waarbij het gereflecteerde licht dezelfde golflengte heeft als het doorgelaten licht. Raman LIDAR analyseert inelastische backscatter. Dit wordt veroorzaakt doordat licht enigszins in golflengte wordt verschoven wanneer het wordt gereflecteerd door een deeltje. De hoeveelheid verschuiving kan de samenstelling en atmosferische concentratie van de reflecterende deeltjes identificeren. Fluorecentie LIDAR gebruikt een vergelijkbare analyse om terugverstrooiing van vloeistoffen en vaste stoffen te onderzoeken.

Doppler LIDAR meet verschuivingen in de frequentie van terugverstrooid licht om veranderingen in temperatuur en windsnelheid of -richting te bepalen. Differentiële absorptie laat twee golflengten van licht door en meet het verschil in atmosferische absorptie tussen de twee golflengten. De relatieve verschillen in absorptie kunnen aerosolconcentraties identificeren.

Elk van de verschillende ontwerpen van het LIDAR-systeem gebruikt een unieke configuratie van hardware en software om een ​​specifieke hoeveelheid onder een beperkte reeks omstandigheden nauwkeurig te meten. Meer algemene systemen, zoals een politiesnelheidssensor, leveren minder precieze resultaten op. In sommige systemen bepaalt de analysemethode die moet worden gebruikt in de component voor gegevensanalyse het ontwerp van de systeemhardware. In andere dicteert beschikbare hardware welke systeemontwerpen kunnen worden gebruikt.