Mehrwellenlängen-Lidar

RHI-Scan der radialen Windgeschwindigkeit orthogonal zur Landebahn eines Flugzeugs zur Detektion von Schleppwirbeln (Bild: OPTEC)

Lidar steht für Light Detection And Ranging und ist ein optisches Messverfahren, das auf einem ähnlichen Funktionsprinzip beruht wie das bekannte RADAR. Anstelle von Radiowellen wird hier Laserlicht verwendet, um beispielsweise die Entfernung eines Objekts oder auch dessen Geschwindigkeit zu bestimmen.
Dieses Messprinzip kann für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen genutzt werden. Eine ist etwa die Fernerkundung von Windgeschwindigkeiten, beispielsweise für meteorologische Zwecke oder zur Frühwarnung vor gefährlichen Windszenarien wie Schleppwirbeln oder Scherwinden an Flughäfen.
Beim Doppler-Wind-Lidar werden kurze Laserpulse einer bekannten Frequenz in höhere Luftschichten gesendet. Das Licht wird an kleinsten Teilchen (Aerosolen), die sich mit dem Wind bewegen, zurückgestreut, wovon auch ein Anteil in die Empfangseinheit des Lidarsystems gelangt. Das zurückgestreute Licht weist nun jedoch eine veränderte Frequenz auf. Die Frequenzänderung hängt davon ab, wie schnell und in welche Richtung sich das angestrahlte Aerosol bewegt. Dieses Phänomen wird als Dopplereffekt bezeichnet. Ein aus dem Alltag bekanntes Beispiel ist, daß sich die Tonhöhe der Sirene eines Krankenwagens ändert, je nachdem, ob er auf den Hörer zufährt oder sich entfernt.
Am Institute for Optical Technologies wurde eigenes Doppler-Wind-Lidar entwickelt. Das Besondere an diesem System ist, dass es mit vier verschiedene Wellenlängen arbeitet, die separat und mit einer sehr hohen Genauigkeit moduliert werden können. Dies hat den Vorteil, dass die verschiedenen Eigenschaften unterschiedlicher Pulsformen und -längen gleichzeitig ausgenutzt werden können. So erreicht man mit kurzen Laserpulsen eine hohe räumliche Auflösung, mit längeren Laserpulsen dagegen eine höhere Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung. 
Zielsetzung war es ebenfalls, ein robustes und kosteneffizientes System zu entwickeln. Dies wurde dadurch erreicht, dass die Laserstrahlen nicht von einem Festkörperlaser mit empfindlicher Freistrahloptik, sondern mit dotierten Lichtwellenleitern, sogenannten Faserlasern, erzeugt werden. Um dennoch eine hohe Pulsleistung zu erreichen, die nötig ist, um Windgeschwindigkeiten auch noch in einer Entfernung von bis zu 15 km messen zu können, wurden unter anderem nichtlineare optische Effekte in Lichtwellenleitern untersucht.
Die Entwicklung umfasste die Datenverarbeitung und -visualisierung, Programmierung von Steuerungsoberflächen sowie die Hardware zur Regelung der Pulsform. Die Regelbarkeit der Pulsform des ausgesendeten Laserpulses ist ein weiteres Alleinstellungsmerkmal dieses Lidarsystems. Dadurch können viele atmosphärische Vorgänge deutlich detaillierter untersucht werden, als es bisher möglich war.
Seit Sommer 2019 beschäftigen wir uns mit der Adaption von Messmethoden und Datenverarbeitungskonzepten zur Erfassung atmosphärischer Turbulenz. Das Ziel ist, die Sicherheit an Flughäfen bei Starts und Landungen zu erhöhen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die Erhöhung der Auslastung von Windkraftanlagen. Für Forschungsarbeiten im Bereich der Meteorologie und Atmosphärenphysik ließe sich das System zur Bestimmung von Luft-Bewegungsprofilen nutzen.
Bei Interesse an diesem Thema nehmen Sie gerne Kontakt zu uns auf oder besuchen Sie uns im Labor für Optoelektronik II in Raum 2.215