EINLEITUNG LIDAR ANWENDUNGEN AUSBLICK ZUSAMMENFASSUNG LIDAR. Martin Reichelt. Universität Osnabrück. 12. Juni 2007 MARTIN REICHELT LIDAR

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1 Martin Reichelt Universität Osnabrück 12. Juni 2007

2 Gliederung 1 Einleitung 2 3 Anwendungen 4 Ausblick 5 Zusammenfassung

3 Einleitung Light Detection And Ranging Nachweis und Entfernungsbestimmung mittels Licht Aktives, optisches (Fern-)Erkundungsverfahren genutzte Strahlung wird künstlich erzeugt

4 Messprinzip MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Ein kurzer Lichtpuls (wenige ns) eines Senders (Laser) wird in die Atmosphäre ausgesendet. Das Licht wird dort z.b. an Gasmolekülen gestreut (Rayleigh, Raman oder Mie Streuung). Ein Teil des Streulichts wird von einem Empfänger wieder aufgefangen und quantitativ detektiert.

5 Auswertung I MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Entfernung aus der Laufzeit kann die Entfernung des streuenden Objekts berechnet werden

6 Auswertung II MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Entfernung

7 Auswertung III MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Entfernung aus der Laufzeit kann die Entfernung des streuenden Objekts berechnet werden R = c Luft T 2 R = Entfernung c Luft = Lichtgeschwindigkeit in Luft T = Laufzeit des Lichts

8 Auswertung IV MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Raumauflösung (1) Raumauflösung R ist abhänging von: Länge des Laserpulses τ l Zeitkonstante der Nachweiselektronik τ n Reaktionszeit der Wechselwirkung des Laserlichts mit den Partikeln τ w R = c Luft 2 (τ l + τ n + τ w )

9 Auswertung V MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Raumauflösung (2) Reaktionszeit der Wechselwirkung τ w vernachlässigbar Länge des Laserpulses τ l ist ungefähr 10 ns (Nd:YAG) Zeitkonstante der Nachweiselektronik τ n liegt je nach Apperatur zwischen 50 und 200 ns = Raumauflösung R von 7.5 bis 30 m

10 Lidargleichung I MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Leistungsdetektion des rückgestreuten Lichts

11 Lidargleichung II MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG Leistung P(R) des rückgestreuten Lichts bei fester Wellenlänge ist gegeben durch: P(R) = KG(R)β(R)T (R) K = Systemkonstante G(R) = Entfernungsabhängige Messgeometrie β(r) = Rückstreukoeffizient T (R) = Transmissionsterm

12 Lidargleichung III MESSPRINZIP AUSWERTUNG GLEICHUNG cτ O(R) P(R) = P 0 Aη 2 R 2 j N i (R) dσ i,sca dω exp [ 2 R 0 α(r)dr ]

13 -Typen TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Raman Doppler DIAL (Differential Absorption ) Fluoreszenz...

14 Raman I TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Ausnutzung des Raman Effekts

15 Raman II TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Raman Effekt

16 Raman III TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Ausnutzung des Raman Effekts Rayleigh Streuung (keine Änderung von ν p ) Stokes Raman Streuung (ν p ν vib ) Anti Stokes Raman Streuung (ν p + ν vib ) zusätzliches detektieren anderer Wellenlängen, als die ausgesendete (elastische Rückstreuung) das zurückgestreute Licht erfährt eine Frequenzverschiebung charakteristisch für das streuende Molekül Detektion von atmosphärischem Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff,...

17 Raman IV TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Hauptgebäude des IAP in Kühlungsborn mit dem Strahl des Raman s

18 Raman V TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Raman in Kühlungsborn Excimer u. Nd:YAG L.(353 nm, 532 nm und 1064 nm) Vibrations Raman Streuung bei 376 nm (O 2 ), 387 nm (N 2 ) und 407 nm (H 2 O)

19 Doppler I TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Turbulenzen und Wind Bewegungen von Molekülen und Partikeln Doppler Prinzip Frequenzverschiebung der rückgestreuten Strahlung Frequenz wird bei Annäherung der Teilchen größer Stauchung der Wellen und bei Entfernung der Teilchen kleiner Auseinanderziehen der Wellen

20 Doppler II TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Frequenzverschiebung ν berechnet sich wie folgt: ν = ν 0 v c ν = Frequenzverschiebung ν 0 = vom Sender abgestrahlte Frequenz v = Geschwindigkeit des Teilchens Frequenzverschiebung Windgeschwindigkeit v entlang des Strahls

21 Doppler III TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Windmessung zum Orkantief Kyrill

22 TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ DIAL (Differential Absorption ) I zwei Laserimpulse unterschiedlicher Wellenlänge eine Wellenlängen so, dass sie vom Stoff, dessen Konzentration bestimmt werden soll, absorbiert wird die andere Wellenlänge so, dass sie nicht oder möglichst wenig absorbiert wird

23 TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ DIAL (Differential Absorption ) II schrittweiser Vergleich der Rückstreusignale Konzentrationsprofil des Stoffes Absorptionskoeffizienten sind aus dem Labor bekannt Konzentration in der Atmosphäre Untersuchung von Wasserdampf und anderen atmosphärischen Spurenstoffen, wie O 3, SO 2, HCl,...

24 TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ DIAL (Differential Absorption ) III Dauermessung der Ozonkonzentration (Leipzig)

25 Fluoreszenz I TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Laserimpuls wird exakt auf die Absorptionsfrequenz eines zu untersuchenden Moleküls oder Atoms eingestellt Wellenlängen durchstimmbarer Laser (Farbstoff-Laser) Detektion des Fluoreszenzlichts Messung von Metall Schichten in der Stratosphäre (80 km) verschiedene Metalle (Na, K, Li, Ca, Fe) als Folge der Verdampfung von Meteoriten

26 Fluoreszenz II TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Natrium und Eisengehalt in Stratosphäre

27 Fluoreszenz III TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Beobachtung kurzlebiger Meteoritenspuren im Na-Profil

28 Fluoreszenz IV TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Mobiles Kalium Lidar des IAP auf Spitzbergen

29 Fluoreszenz V TYPEN RAMAN DOPPLER DIAL FLUORESZENZ Mobiles Kalium Lidar auf Spitzbergen Alexandrit (BeAl 2 O 4 : Cr 3+ ) Wellenlänge 770 nm, durchstimmbar Pulsenergie 200 mj Pulsdauer 250 ns

30 Ausblick I Doppler Lidar zur Wirbelschleppen Erkennung

31 Ausblick II Wirbelschleppen großer Flugzeuge gefährden nachfolgende Flugzeuge, wenn diese den Luftwirbeln zu nahe kommen zopfartige, gegenläufig drehende Luftverwirbelungen hinter fliegenden Flugzeugen Intensität ist vom Gewicht des Flugzeuges abhängig Lebensdauer wird von Wind und Atmosphäre beeinflusst

32 Ausblick II Entwicklung eines vorausschauenden Sensors zur Erkennung von und rechtzeitigen Warnung vor Wirbelschleppen außerdem erkennen gefährlicher Windscherungen und Clear-Air-Turbulenzen (CAT) Lidar gestützten Warnsystemen wird eine große Bedeutung prognostiziert Kapazitätsengpässe im Luftverkehr vermeiden ohne die hohen Sicherheitsstandards zu verletzen

33 Zusammenfassung I aussenden und detektieren eines Laserimpulses Ausnutzung der verschiedenen Wechselwirkungen (Rayleigh, Raman oder Mie Streuung) Ermittlung von Geschwindigkeit, Art, Konzentration,... der Partikel bzw. Moleküle verbreiteter Einsatz bei der Wetter und Klimaanalyse

34 Zusammenfassung II Typen und ihre Verwendung

35 Quellen lidar.tropos.de/index.html AMT_II_Kap06_bw.pdf de.wikipedia.org/wiki p1fri/lidarev/artikel2_97b/artikel2_97b.html

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!