Bei atmosphärischen Studien wird häufig ein Light Detection and Ranging (LIDAR)-System verwendet. Einige der verschiedenen LIDAR-Systemdesigns sind Mie- und Rayleigh-LIDAR, Raman- und Differentialabsorptions-LIDAR, Doppler- und Fluoreszenz-LIDAR sowie Systeme, die als einfache Entfernungsmesser oder Höhenmesser verwendet werden. Die Designs variieren je nach Untersuchungsgegenstand, erforderlicher Messgenauigkeit und Einsatzumständen. Jeder Systemtyp ist ein Produkt der Bewertung der Fähigkeiten der verfügbaren Hard- und Software und wie sie verwendet werden kann, um die Messziele zu erreichen.
Ein LIDAR-System misst normalerweise die Laserrückstreuung, die reflektiertes Laserlicht ist. Es kann speziell dafür ausgelegt sein, direkte Laser-Rückstreuung, wellenlängenverschobene Rückstreuung, den Unterschied in den Absorptionsraten zwischen zwei Wellenlängen oder die Frequenzänderung in rückgestreutem Licht zu messen. Ein Basissystem besteht aus einem Sender, einem Empfänger und einer Datenanalysekomponente. LIDAR-Systemdesigns haben entweder eine bistatische oder eine monostatische Konfiguration. Bei einem monostatischen System befinden sich Sender und Empfänger zusammen, bei einem bistatischen System sind beide getrennt.
Eine andere Designüberlegung besteht darin, entweder eine biaxiale oder eine koaxiale Sensoranordnung zu verwenden. Bei einer biaxialen Anordnung haben die Achsen von Sender und Empfänger eine unterschiedliche Ausrichtung. Rückstreulicht kann vom Empfänger nur dann erkannt werden, wenn sich das Motiv über einer bestimmten Entfernung befindet. Bei koaxialer Anordnung sind die Achsen von Sender und Empfänger gleich.
LIDAR-Systeme, die gepulste Laser verwenden, haben normalerweise eine monostatische Konfiguration, können jedoch entweder eine biaxiale oder eine koaxiale Sensoranordnung aufweisen. Systeme, die einen Dauerstrichlaser verwenden, haben normalerweise eine bistatische Konfiguration. Wenn die Reichweite des Objekts relativ nahe ist, wird im Allgemeinen eine koaxiale Anordnung von Sender und Empfänger bevorzugt. Wenn die Fähigkeit zum nahen Ziel kein Problem darstellt, kann eine biaxiale Anordnung verwendet werden, um Komplikationen durch Laserrückstreuung in der Nähe zu vermeiden.
Verschiedene LIDAR-Systemdesigns verwenden auch verschiedene Laserwellenlängen und verschiedene Bandbreitenkombinationen für die Sender und Empfänger. Andere Designüberlegungen umfassen Anforderungen für die Verwendung als Look-Up- oder Look-Down-LIDAR und ob das System im Dauerbetrieb oder nur nachts verwendet wird. Einige Designs verwenden abstimmbare Laser. Diese Optionen werden sorgfältig ausgewählt, um ein bestimmtes Messziel zu verfolgen.
Die Datenanalysekomponente eines LIDAR-Systems verwendet verschiedene Analysetechniken. Mie, Rayliegh, Raman und Fluoreszenz-LIDARS wurden entwickelt, um verschiedene Arten von Laser-Rückstreumustern zu analysieren. Streumuster hängen von der Wellenlänge ab. Die Mie-Analyse beschreibt Streumuster am besten, wenn das reflektierende Partikel ungefähr die gleiche Größe wie die Wellenlänge hat. Die Rayleigh-Analyse ist genauer für Partikel, die viel kleiner als die Wellenlänge sind.
Die Designs von Rayliegh und Mie untersuchen die elastische Rückstreuung, bei der das reflektierte Licht die gleiche Wellenlänge wie das durchgelassene Licht hat. Raman LIDAR analysiert inelastische Rückstreuung. Dies resultiert daraus, dass Licht in der Wellenlänge leicht verschoben wird, wenn es von einem Partikel reflektiert wird. Der Betrag der Verschiebung kann die Zusammensetzung und die atmosphärische Konzentration der reflektierenden Partikel identifizieren. Fluorecence LIDAR verwendet eine ähnliche Analyse, um die Rückstreuung von Flüssigkeiten und Feststoffen zu untersuchen.
Doppler-LIDAR misst Verschiebungen in der Frequenz von rückgestreutem Licht, um Änderungen der Temperatur und der Windgeschwindigkeit oder -richtung zu bestimmen. Die differenzielle Absorption überträgt zwei Wellenlängen des Lichts und misst den Unterschied in der atmosphärischen Absorption zwischen den beiden Wellenlängen. Die relativen Absorptionsunterschiede können Aerosolkonzentrationen identifizieren.
Jedes der verschiedenen LIDAR-Systemdesigns verwendet eine einzigartige Konfiguration von Hard- und Software, um eine genaue Messung einer bestimmten Größe unter einer begrenzten Anzahl von Umständen durchzuführen. Mehrzwecksysteme, wie beispielsweise ein Polizei-Geschwindigkeitsdetektor, liefern weniger genaue Ergebnisse. In einigen Systemen bestimmt das in der Datenanalysekomponente zu verwendende Analyseverfahren das Design der Systemhardware. In anderen diktiert die verfügbare Hardware, welche Systemdesigns verwendet werden können.