LIDAR – Laser-Regel für die Entfernungsmessung

Autonome Fahrzeuge, militärische Entfernungsmessung, atmosphärische Erkennung und Verkehrsüberwachung sind nur einige der Anwendungen für diese vielseitige Technik

6. Dezember 2021 von Coherent

LIDAR, die Abkürzung für Light Detection and Ranging, ist eine laserbasierte Methode zur Fernmessung von Entfernung, Geschwindigkeit und vielen anderen Größen. Das Grundprinzip von LIDAR ist eigentlich recht einfach zu verstehen. Ein Laserpuls wird auf ein Objekt gerichtet, und die Zeit, die der Puls braucht, um das Ziel zu erreichen und zurück zu prallen, wird gemessen. Da wir wissen, wie schnell sich das Licht bewegt, sagt uns diese Zeitverzögerung genau, wie weit das Objekt entfernt ist.

Es überrascht nicht, dass das Militär LIDAR bereits seit den frühen 1960er Jahren einsetzt, um die Entfernung zu Zielen zu messen. Zunächst gab es nicht viele andere Anwendungen für diese Technik. Aber im Laufe der Jahre haben Ingenieure und Wissenschaftler erkannt, dass man mit LIDAR noch viel mehr machen kann. Lassen Sie uns sehen, was einige davon sind.

Laser-Kartierung – Von Stürmen auf der Erde zu Bergen auf dem Mars

LIDAR wird ähnlich wie Radar eingesetzt, um sowohl stationäre als auch sich bewegende Objekte zu erfassen. Dabei wird der Laserstrahl wiederholt über das Objekt oder die Region geschwenkt, bis er den gesamten interessierenden Bereich beleuchtet hat. Auf diese Weise wird die gesamte Form des Objekts bestimmt.

Aber aufgrund der Eigenschaften des Laserlichts liefert LIDAR in der Regel eine viel bessere Auflösung und Präzision als Radar. Mit anderen Worten, es gibt ein viel genaueres Bild der Objektform. Da diese Technik uns die Position, Höhe, Breite und Tiefe des Ziels liefert, wird Scanning-LIDAR oft auch als 3D-Scanning-LIDAR oder einfach als 3D-LIDAR bezeichnet.

LIDAR-Scan- und Kartierungsanwendungen sind sehr vielfältig. Es wird für die Kartierung von Stürmen und der Oberfläche von Planeten (wie dem Mars) von umlaufenden Satelliten aus verwendet. LIDAR hat auch ein großes Potenzial für autonome Fahrzeuge und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme, da es genaue Informationen über die Position anderer Fahrzeuge und Geländemerkmale liefern kann. Coherent unterstützt die Entwicklung von „augensicheren“ Lasern für LIDAR-Anwendungen im Automobilbereich mit unserem umfangreichen Angebot an aktiven und passiven optischen Fasern und unseren konischen Diodenlaserverstärkern.

Doppler-LIDAR – Wind bekommen von dem, was vor uns liegt

Zusätzlich zu Größe, Form und Position kann LIDAR auch die Geschwindigkeit von Objekten messen. Dies wird mit Hilfe von Doppler-LIDAR bewerkstelligt. Dies beruht auf der Tatsache, dass sich die Frequenz (Farbe) des zurückkommenden Impulses leicht ändert, wenn Licht von einem sich bewegenden Objekt reflektiert wird. Messen Sie also die Frequenzverschiebung, und Sie kennen die Geschwindigkeit. Die Radarpistolen der Verkehrspolizei funktionieren nach genau demselben Prinzip.

Eine häufige Anwendung für Doppler-LIDAR ist die Messung der Windgeschwindigkeit in der Nähe von Flughäfen. Es wird auch auf Hochleistungs-Rennyachten verwendet, um die günstigsten Windböen zu ermitteln.

Wenn das Ziel für Doppler-LIDAR kein einzelnes festes Objekt ist, sondern eine Wolke aus Wasserdampf, hat das zurückgeworfene Licht keine einzige Frequenzverschiebung. Es handelt sich dabei um ein Frequenzband, dessen Breite und Form uns verrät, wie schnell sich die Moleküle in der Wolke bewegen – mit anderen Worten, die Temperatur.

Raman-LIDAR ist für Atmosphärenforscher interessant

Es gibt einen noch subtileren Effekt, der auftritt, wenn ein Laserpuls auf Gasmoleküle trifft. Eine sehr, sehr kleine Anzahl von Molekülen (bis zu 1 in einer Milliarde!) verändert die Frequenz des reflektierten Lichts durch den sogenannten Raman-Effekt.

Jedes Molekül hat einen spezifischen „Fingerabdruck“ von Frequenzverschiebungen, die es erzeugt. Das bedeutet, dass Raman-LIDAR verwendet werden kann, um bestimmte Chemikalien wie Wasser, Methan und Kohlendioxid zu identifizieren. Auf diese Weise kann ein Raman-LIDAR-System zur Ferndetektion von „Treibhausgasen“ in die Atmosphäre gerichtet werden. Mit dieser Methode kann sogar die Konzentration dieser verschiedenen Chemikalien bestimmt werden.

Diese Technik wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT, Garmisch Partenkirchen, Deutschland) genutzt. Sie bauten ein spezielles Raman-LIDAR-System mit einem leistungsstarken Coherent LEAP Excimer-Laser, den sie eigens für ihre Anwendung modifizierten. Dieses System wurde in einer Forschungsstation in der Nähe des Gipfels der Zugspitze, dem höchsten Berg Deutschlands (2964 m), aufgestellt. Damit hat die Gruppe Wasserdampf in Höhen von weit über 20 km gemessen und Temperaturmessungen bis zu unglaublichen 80 km in der Atmosphäre vorgenommen. Und das alles, ohne den Komfort ihrer Forschungsstation zu verlassen.

LIDAR ist eine leistungsstarke und flexible Technik, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Meteorologie, Weltraumforschung, Automobile, Forschung und Verteidigung eingesetzt wird. Kohärente Laser, Fasern, optische Komponenten und mehr bieten die Kombination aus Leistung, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit, die für viele dieser Anwendungen erforderlich ist.

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