LiDAR – Die Laser-Regeln der Entfernungsmessung

Lidar, kurz für „Laser Detection and Ranging“, ist ein laserbasiertes Verfahren zur Fernmessung von Entfernungen, Geschwindigkeiten und vielen anderen Größen. Das Grundprinzip von Lidar ist eigentlich leicht zu verstehen. Ein Laserimpuls wird auf ein Objekt gerichtet, und die Zeit wird gemessen, die der Impuls benötigt, um das Ziel zu erreichen und zurückzuprallen. Da wir die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts kennen, lässt sich anhand dieser Zeitverzögerung genau bestimmen, wie weit das Objekt von uns entfernt ist.

Es überrascht nicht, dass das Militär bereits seit Anfang der 1960er Jahre Lidar einsetzt, um Entfernungen zu Zielen zu messen. Anfangs gab es für diese Technologie kaum andere Anwendungsmöglichkeiten. Im Laufe der Jahre wurde Ingenieuren und Wissenschaftlern jedoch klar, dass wir mit Lidar tatsächlich noch viel mehr erreichen können. Werfen wir einen Blick auf einige dieser Anwendungen.

Laser-Kartografie – Von Stürmen auf der Erde bis zu Gebirgen auf dem Mars

Laserradar kann zur Kartierung von stationären und sich bewegenden Objekten verwendet werden, ähnlich wie Radar. Dabei wird der Laserstrahl wiederholt über das Objekt oder den Bereich geführt, bis der gesamte Zielbereich ausgeleuchtet ist. Auf diese Weise lässt sich die gesamte Form des Objekts bestimmen.

Aufgrund der Eigenschaften des Lasers sind jedoch die Auflösung und Genauigkeit von Lidar-Systemen in der Regel besser als bei herkömmlichen Radarsystemen. Mit anderen Worten: Sie liefern ein genaueres Bild der Objektform. Da diese Technologie uns Informationen über Position, Höhe, Breite und Tiefe des Ziels liefert, werden Scanning-Lidar-Systeme häufig als 3D-Scanning-Lidar oder 3D-Lidar bezeichnet.

Es gibt zahlreiche Anwendungsbereiche für Lidar-Scanning und -Kartierung. Es wird eingesetzt, um von Satelliten aus Stürme und die Oberflächen von Planeten wie dem Mars zu kartieren. Lidar birgt zudem ein enormes Potenzial für autonome Fahrzeuge und Fahrerassistenzsysteme, da es präzise Informationen über die Position anderer Fahrzeuge und über Geländemerkmale liefern kann.Coherent eine breite Palette anaktiven und passiven faseroptischen sowiekonischen HalbleiterlaserverstärkernCoherent und unterstützt damit die Entwicklung von „augensicheren“ Lasern für Lidar-Anwendungen im Automobilbereich.

Doppler-LiDAR – Einblicke in die neuesten Entwicklungen

Neben der Messung von Größe, Form und Position kann ein Lidar auch die Geschwindigkeit von Objekten messen. Dazu wird ein Doppler-Lidar verwendet. Das Prinzip dieses Radars besteht darin, dass sich die Frequenz (Farbe) des zurückgesendeten Impulses geringfügig verändert, wenn das Licht von einem sich bewegenden Objekt reflektiert wird. Durch die Messung dieser Frequenzverschiebung lässt sich somit die Geschwindigkeit ermitteln. Die von der Verkehrspolizei verwendeten Radarpistolen funktionieren nach genau demselben Prinzip.

Eine häufige Anwendung von Doppler-Laserradar ist die Messung der Windgeschwindigkeit in der Nähe von Flughäfen. Es wird auch bei Hochleistungs-Rennbooten eingesetzt, um die günstigsten Windböen zu erkennen.

Wenn das Ziel des Doppler-Laserradars kein einzelnes festes Objekt, sondern eine Wasserdampfwolke ist, weist das zurückgeworfene Licht keine einzelne Frequenzverschiebung auf. Es handelt sich vielmehr um ein Frequenzband, dessen Breite und Form Aufschluss über die Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle in der Wolke geben – also über die Temperatur.

Der Raman-Lidar wartet darauf, von Atmosphärenwissenschaftlern genutzt zu werden

Wenn ein Laserimpuls auf Gasmoleküle trifft, kommt es zu einem noch subtileren Effekt. Ein verschwindend geringer Anteil (weniger als ein Milliardstel!) der Moleküleverändertdurchden sogenannten Raman-Effektdie Frequenz des reflektierten Lichts.

Jede durch ein Molekül verursachte Frequenzverschiebung weist einen spezifischen „Fingerabdruck“ auf, was bedeutet, dass Raman-Lidar zur Identifizierung bestimmter chemischer Stoffe wie Wasser, Methan und Kohlendioxid eingesetzt werden kann. Daher können wir Raman-Lidar-Systeme auf die Atmosphäre ausrichten, um „Treibhausgase“ aus der Ferne zu erkennen. Diese Methode liefert sogar Angaben zur Konzentration der verschiedenen chemischen Stoffe.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT, Garmisch-Partenkirchen) hat diese Technologie in die Praxis umgesetzt. Sie nutzten einen speziell für diese Anwendung modifizierten LEAP Coherent und bauten damit einspezielles LEAP auf.Das System wurde in einer Forschungsstation in der Nähe des Zugspitzgipfels (2964 m ü. M.), dem höchsten Berg Deutschlands, aufgestellt. Mit diesem Lidar hat das Team Wasserdampf in Höhen von über 20 Kilometern gemessen und in der Atmosphäre Temperaturmessungen in einer unvorstellbaren Entfernung von 80 Kilometern durchgeführt. All dies gelang ihnen, ohne die komfortable Forschungsstation verlassen zu müssen.

Lidar ist eine leistungsstarke und flexible Technologie, die in zahlreichen Bereichen wie der Meteorologie, der Automobilindustrie und der wissenschaftlichen Forschung zum Einsatz kommt.Coherent , Glasfasern und optischen KomponentenCoherent bieten die Leistung, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit, die für viele dieser Anwendungen erforderlich sind.

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