7. Anwendungen von Lidar über Gewässern
Lidar und Laserfluorosensor
Ein Lidar ist ein aktives Instrument, mit dem Objekte bestrahlt werden können und die von den Objekten durch die Bestrahlung erzeugten Signale empfangen und ausgewertet werden. Es ähnelt mit diesen Eigenschaften einem Radar, allerdings wird statt dem Mikrowellenbereich - je nach Anwendung - das Ultraviolett (UV), der sichtbare Bereich (VIS) oder das Infrarot (IR) genutzt, siehe Kapitel 1 der Lerneinheit Spektren der Erde. Da im UV, VIS und IR durch das Sonnenlicht am Tage ein starker Strahlungshintergrund vorhanden ist, verwendet man Pulslaser als Lichtquelle. Das Tageslicht ist zeitlich nur wenig veränderlich, die von einem Objekt mit einem Pulslaser erzeugten Signale sind jedoch kurze Pulse, so kann man die mit dem Lidar erzeugten Signale vom Tageslicht gut unterscheiden, und Lidar auch am Tag einsetzen.
Mit Laserpulsen kann - wie mit einem Radar - auch die Entfernung r zwischen dem Instrument und dem Objekt gemessen werden, wenn man die Zeit t vom Aussenden des Laserpulses bis zum Eintreffen des am Objekt erzeugten Signals am Detektor misst:
c ist die Lichtgeschwindigkeit. In Luft beträgt sie etwa c=300 000 km/s oder 3·108 m/s. In Wasser ist die Lichtgeschwindigkeit nur etwa 75% dieses Werts. Die 2 im Nenner der rechten Seite erklärt sich dadurch, dass das Licht die Strecke r zweimal - hin und zurück - durchläuft. Dies ist eine der Grundgleichungen des Lidar. Die Bezeichnung Lidar deutet auf die Möglichkeiten hin, die sich aus der Laufzeitmessung der Laserpulse ergeben: Light detection and ranging.
Die von einem Objekt erzeugten Signale können eine Reflexion des Laserpulses sein. Kennt man die genauen Positions- und Lagedaten des Flugzeugs und berücksichtigt sie bei der Datenauswertung, so erlauben diese Messungen, sehr detaillierte topographische Karten der Festlandsoberfläche mit Genauigkeiten im cm-Bereich zu erzeugen; dieses Verfahren wird als airborne laser scanning oder airborne lidar topographic mapping bezeichnet. Mit dem gleichen Verfahren können in Küstengewässern - sofern das Wasser nicht zu trübe ist - auch Karten des Meeresbodens bis zu etwa 50 m Tiefe gewonnen werden; dies wird als airborne laser bathymetry bezeichnet.
Viele Objekte absorbieren das Licht und emittieren einen Bruchteil davon wieder als Fluoreszenzlicht. Die spektrale Analyse des Fluoreszenzlichts erlaubt in vielen Fällen die Bestimmung von Substanzen, aus denen das Objekt besteht. Lidar-Instrumente, mit denen Fluoreszenzsignale gemessen werden können, heißen Fluoreszenz-Lidar oder Laserfluorosensor. Sie können in Flugzeugen eingesetzt werden, um physikalische und biologische Eigenschaften von Gewässern - zum Beispiel die Trübung und den Algengehalt - zu analysieren oder auch Meeresverschmutzungen aufzufinden, wie es die Grafik unten zeigt.
