Projekt:FE Beobachtung 1/Lidar/Messprinzip Lidar

Teilprojekt Lidar

Startseite Einleitung Messprinzip Streumechanismen Lidar-Gleichung Typen Anwendung Aktuelle Projekte Quellen

Betreuer

Immler

Weitere Teilprojekte

Meteosat TOVS A-Train Lidar Wetterradar Wolkenradar

Navi bearbeiten

Lidar-Prinzip

Das Lidar sendet einen gepulsten Laserstrahl in die Atmosphäre. Dieser trifft dabei auf Aerosole und Luftmoleküle. Das gestreute Licht wird in alle Richtungen gelenkt und ein kleiner Teil, der zurückstreut, wird anschließend mithilfe eines Teleskops erfasst. Dieses gestreute Licht gelangt hinterher in eine Detektionseinheit, wo es in elektrische Signale umgewandelt und zeitlich aufgelöst gespeichert wird.

Mithilfe der Laufzeit, die das gestreute Licht zurücklegt, kann die Entfernung $z$ des aufgenommenen Signals ermittelt werden.

${z={\frac {t\cdot c_{Luft}}{2}}}$

$c$ ... Lichtgeschwindigkeit

$t$ ... Zeit zwischen Aussenden des Laserimpuls und Empfangen des zurückgestreuten Lichtes

${\Delta z={c/2\cdot \left(\tau _{L}\cdot \tau _{N}\cdot \tau _{W}\right)}}$

$\Delta z$... maximale Höhenauflösung

$\tau _{L}$... Länge des Laserimpulses

$\tau _{N}$... Zeitkonstante der Nachweiselektronik

$\tau _{W}$... Reaktionszeit der Wechselwirkung des Laserlichtes mit den Partikeln

Messprinzip LIDAR

Man unterscheidet bei den LIDAR-Prinzipien in Abhängigkeit wie die physikalischen Wechselwirkungen des Lichtes mit den Atomen, Molekülen oder Aerosolpartikeln in der Atmosphäre ausgenutzt werden in:

• Aerosol-Lidar zur Messung von Staubteilchen, Dunst, Wolken (Beispeiel: Messung der Sichtweite an Flughäfen)
• Gas-Konzentrations-Lidar nach dem Absorptionsprinzip zur Messung von Ozon, SO₂, Wasserdampf
• Gas-Konzentrationslidar nach dem Raman Prinzip zur Messung von Methan und Wasserdampf
• Doppler-Wind-Lidar zur Messung des Windvektors und der Turbulenz
• Molekül-Lidar zur Messung von Druck und Temperatur

In diesen Bild sind beispielhaft zwei dieser Prinzipien schematisch dargestellt.

Messprinzipien LIDAR

Beobachtungsgeometrie

Messungen sind aus verschiedenen Winkeln zum Nadir möglich. Um Moleküle, welche nur in geringen Konzentrationen vorkommen, untersuchen zu können, nutzt man die Horizontalabtastung. Die Plattform, die dabei in Frage kommt, sollte sich innerhalb bzw. oberhalb des zu messenden Abschnittes befinden. Ziel ist es, durch diese Beobachtungsgeometrie eine sehr weite Strecke durch die Atmosphäre zu gestatten.

Wahl der Wellenlänge

Die Wellenlänge sollte entsprechend dem Beobachtungsziel sinnvoll gewählt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass nur ein Signal von einem gewählten Molekül in der Atmosphäre gemessen wird. Dies gilt jedoch nur, wenn die Druckverteilung und die Temperaturverteilung in der Atmosphäre bekannt sind. Somit kann aus der Messung der Strahlungsintensität auf die vertikale Verteilung des interessierten Moleküls entnommen werden. Gleichermaßen kann auch bei bekannt sein der Verteilung der Moleküle auf das Temperaturprofil geschlossen werden.

Anhand der Wellenlänge kann die Größe und Form der in der Atmosphäre vorkommenden Teilchen bestimmt werden. In Abhängigkeit der Wellenlänge sind die am Molekül auftretenden Effekte unterschiedlich. Wird die langwellige Strahlung verwendet, dann finden am Molekül Prozesse statt, die einen dielektrischen Verlust am Material hervorrufen. Bei der Verwendung der infraroten Wellen muss ein Streuungsalgorithmus unter Beachtung der Teilchengrößenverteilung und Teilchenform benutzt werden. Diese zur Verfügung stehenden Algorithmen sind jedoch sehr rechenaufwendig.

Man sollte die Laserwellenlängen nach Möglichkeit so wählen, dass keine Absorptionsbanden anderer Gase berührt werden. Durch die Unkenntnis der Wirkung der Aerosole wird die Bestimmung der Gaskonzentration unmöglich. Daher kommt die DIAL (Differential Absorption Lidar)- Methode zum Einsatz. Diese sendet, statt einer, zwei Laserwellenlängen aus. Diese werden entweder abwechselnd oder mit Signaltrennung in der Detektion versandt. Die beiden Laserwellenlängen liegen soweit auseinander, das einmal das Gas stark absorbiert und einmal weniger. Wiederum sollen die beiden so nah aneinander liegen, dass die restlichen atmosphärischen Koeffizienten und Parameter für die beiden beinahe gleich sind.

DIAL-Gleichung

$N_{gas}(r)={\frac {1}{2\Delta \sigma _{gas}}}{\frac {d}{dr}}\left[\ln {\frac {P(r,\lambda _{off})}{P(r,\lambda _{on})}}\right]$

$N_{gas}(r)$...Konzentrationsprofil

$\sigma _{gas}$...Absorptionsbande

Oft wird das Lidar im nahen UV eingesetzt. Hier werden Luftschadstoffe, wie Ozon, SO₂, NO, NO₂ und aromatische Kohlenwasserstoffe gemessen. Problematisch verhält es sich beim Infrarot, denn hier sind die Absorptionslinien sehr schmal. Dies verursacht schon bei sehr kleinen Ungenauigkeiten, sehr große Fehler.

Die DIAL- Technik wird erfolgreich eingesetzt und ist optimiert für ein einzelnes Spurengas. Wobei die Auswertungen der Signale auch spezifische Fehlerquellen beinhalten.

Nutzbare Spektralbereiche

Ultravioletter und sichtbarer Spektralbereich

In diesem Spektralbereich findet nur Absorption statt, wenn elektronische Molekülübergänge angeregt werden können. Aufgrund der zur selben Zeit eintretenden Rotations- und Vibrationsanregungen, fallen die Molekülspektren sehr umfassend aus. Diese Bandenspektren bestehen aus zahlreichen gegenseitig überlappenden Linien.

Infraroter Spektralbereich

Dieser Spektralbereich bietet eine ausgezeichnete Möglichkeit, um die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre zu untersuchen. Hier kommt es zu Rotations- und Schwingungsübergängen. Diese fallen mit steigender Anzahl der atomaren Teile im Molekül umfassender aus. Viele Spurengase sind in diesem Wellenlängenbereich strahlungsaktiv. Zu ihnen gehören zum Beispiel H₂O, O₃, CO₂, CH₄, HNO₃, oder N₂O. Jedoch betrifft das nicht die in der Atmosphäre am häufigsten vorkommenden Spurengase, wie Stickstoff und Sauerstoff. Wäre dies der Fall, dann wäre die Atmosphäre im infrarotem Spektralbereich völlig undurchsichtig. In Abhängigkeit der Konzentration und der Position ihrer Hauptbanden der verschiedenen Spurengase kann die Atmosphäre in bestimmten Fensterbereichen transparent sein.