Projekt:FE Beobachtung 1/Lidar/Typen

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Allgemein

Es gibt verschiedene Lidartypen, die zur Messung von einer Vielzahl von Parametern verwendet werden können. Zum Beispiel zur Messung von Wind, Wasserdampf, Spurengasen und Aerosole. Im folgenden Bild sind die Lidartypen und die mit deren Hilfe messbaren Größen aufgezeigt. Im Grunde basieren alle Lidartypen auf dem allgemeinen Lidar-Prinzip, jedoch gibt es Besonderheiten bei jedem Lidartyp.

Anwendungsgebiete der verschiedenen Lidartypen

--Puetti

Raman-Lidar

Mit Hilfe dieses Lidartyps können Wasserdampfprofile in der Troposphäre sowie optische Eigenschaften der Atmosphäre und der Aerosolteilchen bestimmt werden, da dass Raman-Lidar in der Lage ist, die Verschiebung der Wellenlänge bei der Streuung zu berücksichtigen. Diese Verschiebungen entstehen, wenn die durch das Licht rückstreuenden Moleküle einen Teil der Energie des Photons aufnehmen oder ihm zusätzliche Energie hinzugeben (inelastische Streuung). Durch diese Energieänderung widerfährt dem zurückgestreuten Licht eine Frequenzverschiebung, welche für das streuende Molekül typisch ist.

Raman-Lidar-Systeme sind in der Lage nicht nur die ausgesendeten Wellenlängen (elastische Streuung) zu detektieren sondern auch die Signale anderer Wellenlängen zu erkennen.

Unter dem Raman-Prozess versteht man die Modifikation des Vibrations- und/oder Rotationszustand der Moleküle bei der inelastischen Streuung.

Die Wirkungsquerschnitte für die Ramanstreuung sind um einige Größenordnungen geringer als die für elastische Streuprozesse. Raman-Lidare arbeiten daher mit hohen Laserpulsenergien, relativ großen Teleskopen und effizienten Detektoren auf der Basis des Einzelphotonennachweises. --Puetti

Doppler-Lidar

Das Doppler-Lidar wird mit großer Bedeutung für die Windmessung genutzt, indem das Signal empfangen wird, welches von den atmosphärischen Aerosolenpartikeln und Molekülen zurückgestreut wird. Bei den kürzeren Wellenlängen im sichtbaren und UV- Bereich findet der größte Teil der gesamten Streuung an den sich in der Atmosphäre befindenden Molekülen statt, wohingegen bei einer größeren Wellenlänge im Infrarotbereich die Aerosolstreuung dominiert. Die Aerosole bewegen sich mit dem Wind, wodurch das zurückgestreute Licht eine Frequenzänderung nach dem Dopplereffekt erfährt.

Das Doppler-Lidar liefert kontinuierliche, zuverlässige und detaillierte räumliche Messungen über längere Zeiträume. Nachteil ist allerdings, dass das Verfahren sehr aufwendig und zudem auf eine wolkenarme Atmosphäre beschränkt ist. --Puetti

Elastisches Rückstreu-Lidar (Rayleigh-Lidar)

Dieser Lidartyp ist der einfachste, da bei diesem Typ das von Molekülen oder Partikeln zurückgestreute Licht elastisch wieder aufgefangen und detekiert wird. Die Rückstreuung erfolgt in der Troposphäre überwiegend durch Partikel (Aerosol-Streuung (Mie-Streuung)) und in Stratosphäre durch Gas-Moleküle (Rayleigh-Streuung)). Messungen sind mit diesem Lidar bis in große Höhen möglich und es wird zur Detektion von Aerosolen und Wolken benutzt. --Puetti

Fluoreszenz-Lidar

Bei der Fluoreszenz wird ein Molekül in ein elektronisch angeregten Zustand gehoben. Hierbei handelt es sich um ein Lidar mit einer resonanten Anregung. Auf die Absorptionsfrequenz eines zu untersuchenden Atoms oder Moleküls wird ein Lidar- Laserpuls eingestellt. Dann findet eine resonante Absorption des Laserlichtes mit einem sehr hohen Wirkungsquerschnitten statt. Anschließend wird das Fluoreszenslicht emittiert und einer Detektion unterzogen. Es ist eine Messung der Konzentrationsprofile bis in eine Höhe von 100km möglich, mit einer Auflösung bis unter 40m.

Anwendung findet ein solches Lidar bei der Messung von Metallschichten in der obersten Atmosphäre. Die Metalle, wie zum Beispiel Na, K, Ca, Li und Fe, befinden sich aufgrund der verdampfenden Meteoriten in der Stratosphäre. --Puetti

DIAL (Differential Absorption Lidar)

Das Differential Absorption Lidar wird genutzt um Gaskonzentrationen in der Atmosphäre, besonders Wasserdampf, mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu messen. Somit können dynamische atmosphärische Prozesse, wie Grenzschichtentwicklung, turbulenter Transport und Wellen im Detail untersucht werden. Aber auch Luftschadstoffe, vor allem Ozon sowie ${SO_{2}}$, NO, ${NO_{2}}$ und wenige aromatische Kohlenwasserstoffe können damit gemessen werden.

Das Differential Absorption Lidar basiert auf dem DIAL-Verfahren. Bei diesem Verfahren werden die Absorptionseigenschaften des ausgewählten Gases unter Anwendung des Beer-Lambertschen-Absorptionsgesetzes genutzt. Es werden Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge ausgesandt, wobei das Licht der Wellenlänge λon von dem Gas stärker absorbiert wird als das Licht der Wellenlänge λoff . Grund dafür ist, dass λon , auch als On-Line-Puls bezeichnet, eine Wellenlänge aufweist, welche einer Absorptionswellenlänge des ausgewählten Gases entspricht. Der Offline Puls hingegen weist eine Wellenlänge auf, bei der das Licht nicht absorbiert wird. Er dient als Referenzpuls.

DIAL-Verfahren

Ziel ist jedoch, dass bei guter Justierung der Strahlen die Wellenlängen so nah beieinander liegen, dass die übrigen atmosphärischen Parameter, wie Rückstreu- und Extinktionsparameter für beide annähernd gleich sind. Wenn dies gegeben ist, kann man den differentiellen Absorptionskoeffizienten in einem Volumen der Länge ΔR = R2 - R1 bestimmen, indem man die empfangenen Intensitäten Pon/Poff aus den beiden Entfernungen R2 und R1 miteinander vergleicht. Aus dem zeitlichen Verlauf der Differenz der Echos der Laserpulse lässt sich anschließend die Spurenstoffverteilung entlang des Laserstrahls ermitteln. --Puetti

Beispiele für die Lidarnutzung

ADM-Aeolus mit ALADIN - Atmospheric LAser Doppler INstrument

• ist das erste Wind-Lidar und das erste High-Spectral-Resolution Lidar HSRL im All
• um Profile von Wind und auch optische Eigenschaften von Aerosolen (Extinktionskoeffizient) zu erfassen
• dient zur Windgeschwindigkeitsmessung in der Troposphäre und unteren Stratosphäre bis 30 km, mit einer vertikalen Auflösung von 250 m - 2 km und einer horizontalen Mittelung von 50 km im Abstand von 200 km.
• Laserpulse im Ultravioletten bei Wellenlängen von 355 nm mit Spektrometern für Signale von Rayleigh-Streuung (Molekülen) und Mie-Streuung (Aerosol, Wolken)

TROPOLEX-System

• entwickeltet vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt
• Differenzial-Lidar System "TropOLEX" (Tropospheric Ozone Lidar Experiment)
• kann die vertikale und horizontale Ozonkonzentration großräumig vom Flugzeug aus (Bsp.: Cessna Grand Caravan) messen
• basiert auf der Differenzial-Lidar Technik (kurz: DIAL)
• Messung der Konzentration atmosphärischer Spurengase wie Ozon aber auch Luftverschmutzung durch den Fernverkehr --Mobby