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[[Datei:LIDAR-scanned-SICK-LMS-animation.gif|mini|2D-Abtastung mit Lidar]]
[[Datei:LIDAR am Schneefernerhaus 2.jpg|mini|Aerosol-Lidar auf der [[Zugspitze]]]]

'''Lidar''' ({{IPA2|ˈlaɪdɑːr}}) ist eine Methode, um [[Abstand]] und [[Geschwindigkeit]] zu messen. Mit mehreren oder beweglichen Lidar-Sensoren können auch Form und Oberflächenbeschaffenheit (zum Beispiel rau oder glatt) bestimmt werden.

Diese Informationen werden [[Elektrooptische Entfernungsmessung|elektrooptisch erfasst]]. Somit können auch [[Erdatmosphäre|atmosphärische]] Parameter aus der Ferne gemessen werden, etwa Temperatur, Zusammensetzung und Partikelgröße in Wolken.

Statt [[Radiowelle]]n wie beim [[Radar]] werden bei Lidar [[Laser]]strahlen genutzt, genauer ist es eine Form des [[Dreidimensional|dreidimensionalen]] [[Laserscanning]].

Andere Namen sind '''LIDAR''' ({{lang|en|'''''L'''ight '''i'''maging, '''d'''etection '''a'''nd '''r'''anging''}}), '''LiDAR''' ({{lang|en|'''''Li'''ght '''D'''etection '''a'''nd '''R'''anging''}})<ref>{{Internetquelle|url=https://www.ibm.com/de-de/think/topics/lidar|titel=Was ist LiDAR?|hrsg=[[IBM]]|abruf=2025-07-29}}</ref><ref>{{Internetquelle|url=https://www.ipms.fraunhofer.de/de/Components-and-Systems/Components-and-Systems-Sensors/Optical-Sensors/MEMS-mirror-scanning-LiDAR.html|titel=Automotive LiDAR Technologie|hrsg=[[Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme]]|abruf=2025-07-29}}</ref> und '''Ladar''' ({{lang|en|'''''L'''ight '''a'''mplification by Stimulated Emission of Radiation '''d'''etection '''a'''nd '''r'''anging''}}).

Lidar wird zur Erstellung hochauflösender [[Landkarte]]n verwendet, mit Anwendungen in den Bereichen [[Vermessung]], [[Geodäsie]], [[Geomatik]], [[Archäologie]], [[Geographie]], [[Geologie]], [[Geomorphologie]], [[Seismologie]], [[Meteorologie]], [[Forstwirtschaft]] und [[Airborne Laserscanning]].

Eine wesentliche Rolle spielt Lidar auch bei der Steuerung [[Autonomes Fahrzeug|autonomer Fahrzeuge]].

== Funktionsweise ==
Lidar-Systeme zur Atmosphärenmessung senden [[Laser]]impulse aus und detektieren das aus der [[Erdatmosphäre|Atmosphäre]] zurückgestreute Licht. Aus der Laufzeit der Lichtsignale wird die Entfernung zum Ort der [[Streuung (Physik)|Streuung]] berechnet. Wolken- und Staubteilchen in der Luft ([[Aerosol]]e) streuen das Laserlicht und ermöglichen eine hochauflösende Detektion und [[Entfernungsmessung]] von Wolken und Aerosolschichten. Mit komplexeren Systemen lassen sich atmosphärische Zustandsparameter und die Konzentration von atmosphärischen [[Spurengase]]n bestimmen. Beispielsweise dienen Lidar-Instrumente auch der Überwachung von [[Emission (Umwelt)|Emissionsmengen]] von Schornsteinen von Fabriken auf Einhaltung vorgegebener [[Grenzwert (Technik)|Grenzwerte]].

Je nach [[Wellenlänge]] des verwendeten Laserlichts sind Lidar-Systeme mehr oder weniger empfindlich für molekulare oder Partikelrückstreuung. Auch hängt die Stärke der Rückstreuung bei einer Wellenlänge von der jeweiligen Partikelgröße und Konzentration ab. Mit Lidar-Systemen, die mehrere Wellenlängen nutzen, kann daher die genaue Größenverteilung der atmosphärischen Partikel bestimmt werden.

Mit ausgefeilten Techniken lässt sich mittels Lidar eine Vielzahl an Zustandswerten der Atmosphäre messen: Druck, [[Temperatur]], Feuchte, Wasserdampf-Konzentration sowie die Konzentration atmosphärischer Spurengase (Ozon, [[Stickoxid]]e, [[Schwefeldioxid]], [[Methan]] und so weiter). Außerdem lassen sich die [[optisch]]en Eigenschaften von Aerosolen und Wolkenpartikeln bestimmen ([[Extinktionskoeffizient]], Rückstreuungskoeffizient, [[Depolarisation (Wellenausbreitung)|Depolarisation]]). Mit einem Depolarisations-Lidar lässt sich der [[Aggregatzustand]] (flüssig oder fest, also bei Wolkenteilchen: ob noch Wasser oder schon Eis) bestimmen (siehe auch [[Polarisation]]).

=== Raman-Lidar-Systeme ===
''Raman-Lidar-Systeme'' (siehe auch [[Raman-Spektroskopie]]) detektieren zusätzlich zur Rückstreuung der gerade ausgesendeten Strahlung einer bestimmten Wellenlänge (elastische Rückstreuung) auch Signale bei anderen Wellenlängen. Diese Signale entstehen dadurch, dass ein Teil der Energie des ausgesendeten Lichts bei der [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] in Wärme, das heißt [[Vibration]] oder [[Rotation (Physik)|Rotation]] von [[Molekül]]en bzw. [[Phonon|Gitterschwingungen]] von Kristallen, umgewandelt wird ([[Streuung (Physik)#Raman-Streuung|inelastische Streuung]]). Dieser Energieverlust bei der Reflexion ist charakteristisch für Schwingungsmodi verschiedener chemischer Bindungen. Wassermoleküle streuen beispielsweise grünes Licht mit kleiner Wahrscheinlichkeit rot zurück (frequenzverdoppeltes [[Nd:YAG-Laser|Nd:YAG-Laserlicht]] einer Wellenlänge von 532 Nanometern wird bei 660 Nanometern zurück gestreut). Dieser Prozess wird bei der Bestimmung des Wasserdampfmischungsverhältnisses in der Atmosphäre (Wasserdampf-Raman-Lidar) verwendet. Die Intensität der inelastischen [[Raman-Streuung]] verhält sich gegenüber der Wellenlänge so wie die elastische Rayleigh-Streuung, also umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Daher ist es sinnvoll, auf Laser im ultravioletten Spektralbereich zurückzugreifen, also zum Beispiel frequenzverdreifachte [[Nd:YAG-Laser]] (355 Nanometer) oder sogar [[XeCl-Excimerlaser|Xe:Cl-Excimer-Laser]] mit 308 Nanometern Wellenlänge. Bei noch kürzeren Wellenlängen dominiert jedoch die Absorption durch atmosphärisches Ozon, so dass sich über die stärkere Rückstreuung bei größeren Entfernungen (mehrere Kilometer) kein weiterer Vorteil erzielen lässt.

=== Differentielle Absorptions-Lidar ===
Spurengaskonzentrationen können auch – und bei den meisten Stoffen genauer – mit der Methode des ''differentiellen Absorptions-Lidars'' (engl.: {{lang|en|''differential absorption lidar''}}, ''DIAL'') gemessen werden. Bei dieser Technik werden zwei Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge ausgesendet. Eine der Wellenlängen wird so gewählt, dass sie vom Stoff, dessen Konzentration bestimmt werden soll, absorbiert wird (On-line-Wellenlänge); die andere Wellenlänge so, dass sie nicht oder möglichst wenig absorbiert wird (Off-line-Wellenlänge). Aus dem schrittweisen Vergleich der Rückstreusignale (jeweils für „on“ und „off“) kann dann das Konzentrationsprofil des Stoffes entlang der Ausbreitungslinie der Laserpulse berechnet werden. Absorptionskoeffizienten sind in der Regel aus Laborexperimenten gut bekannt; DIAL bestimmt mittels der entsprechenden Werte für On- und Off-Wellenlänge die atmosphärische Spurengaskonzentration, ohne dass eine weitere Kalibrierung des Instrumentes erforderlich wäre (die Technik ist „selbst[[kalibrieren]]d“). Dafür müssen allerdings die Wellenlängen der Laserpulse sehr genau eingestellt bzw. kontrolliert werden. Da die Absorptionskoeffizienten von Druck und Temperatur abhängen, müssen diese entlang der [[Messstrecke]] genau bekannt sein. Vor allem bei der Vertikalsondierung der Atmosphäre spielt dieser Umstand eine große Rolle. Ebenso muss berücksichtigt werden, dass das Rückstreulicht (Rayleigh-Streuung) eine temperaturabhängige Dopplerverbreiterung erfährt. Dieser Effekt tritt jedoch nicht bei der Rückstreuung an Partikeln (Aerosolen) auf. Daher müssen auch Informationen über das Verhältnis von Rayleigh-Streuung und Rückstreuung an Partikeln eingeholt werden.

Unter aerosolfreien Bedingungen und der Annahme, dass die spektrale Verteilung des Lichts nicht signifikant durch das zu messende Spurengas selbst verändert wird, gilt die vereinfachte Lidar-Gleichung für das DIAL:

:<math>N(r) = \frac{1}{\Delta \sigma_\uparrow(r) + \Delta \sigma_\downarrow(r)} \cdot \left[-\frac{\text{d}}{\text{d}r} \ln \frac{S_\mathrm{on}(r)}{S_\mathrm{off}(r)}\right]</math>

Dabei ist <math>N(r)</math> die Konzentration des zu messenden Spurengases, <math>\Delta \sigma_\uparrow(r)</math> bzw. <math>\Delta \sigma_\downarrow(r)</math> die Differenzen der effektiven Absorptionsquerschnitte <math>(\sigma_\mathrm{off} - \sigma_\mathrm{on})</math> auf dem Lichtweg des Laserstrahls bis zum Streuprozess bzw. auf dem Lichtweg vom Streuprozess zum Lidar-Empfänger und <math>S_\mathrm{on}(r)</math> und <math>S_\mathrm{off}(r)</math> die Rückstreusignale der Laserschüsse auf den Wellenlängen <math>\lambda_\mathrm{on}</math> bzw. <math>\lambda_\mathrm{off}</math>. Bei einer signifikant aerosolhaltigen Atmosphäre ist die Berechnung von <math>N(r)</math> allgemein erheblich komplexer, da die spektrale Verteilung des rückgestreuten Lichts stark von der Verteilung der Aerosole abhängig ist.

== Risiken ==
Bei der von einigen [[Kraftfahrzeug]]en genutzten Abstandsmessung mittels Lidar können die ausgesandten Infrarot-Laserstrahlen den Sensor einer Kamera (z. B. in einem Smartphone) beim Auftreffen dauerhaft beschädigen, sofern der Abstand zwischen Lidar-Kapsel und Kamera nur wenige Meter beträgt und das Lidar System mit einem 1550-nm-Laser arbeitet.<ref>{{Internetquelle |autor=Malte Mansholt |url=https://www.stern.de/digital/smartphones/smartphone-kameras--warum-moderne-autos-sie-zerstoeren-koennen-36122042.html |titel=Vorsicht! Warum moderne Autos Ihre Smartphone-Kamera zerstören können |werk=stern.de |datum=2025-10-13 |sprache=de |abruf=2025-10-16}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Stefan Krempl |url=https://www.heise.de/news/Autonomes-Fahren-Lidar-kann-Smartphone-Kameras-schwer-beschaedigen-10395810.html |titel=Autonomes Fahren: Lidar kann Smartphone-Kameras schwer beschädigen |werk=heise.de |datum=2025-05-25 |sprache=de |abruf=2025-10-16}}</ref>

== Weitere Anwendungen ==
[[Datei:LIDAR image of Zurich Airport's Terminal A.jpg|mini|rechts|LIDAR-Punktewolke, [[Flughafen Zürich]], Terminal A]]
Lidar-Systeme werden von Luftfahrzeugen aus eingesetzt, um [[Digitales Höhenmodell|digitale Geländemodelle]] zu erstellen. Durch die hohe mögliche Punktdichte ist es dabei sogar in Wäldern möglich, durch die Blätterkronen von Bäumen hindurch bis auf den Erdboden zu messen. Auf diese Weise können auch in solchen Gebieten prähistorische Stätten aufgespürt werden.<ref>{{Internetquelle |autor=deutschlandfunk.de |url=https://www.deutschlandfunk.de/lidar-verfahren-wie-die-archaeologie-mit-luftscans-arbeitet-100.html |titel=Lidar-Verfahren - Wie die Archäologie mit Luftscans arbeitet |sprache=de |abruf=2022-05-17}}</ref>

Lidar ersetzt immer stärker das Radar als Messinstrument bei mobilen [[Geschwindigkeitsüberwachung|Geschwindigkeitskontrollen]]. Auch bei stationären Geschwindigkeitsmessungen kann die Lidar-Technologie als Alternative zu dort verbreiteten Techniken wie [[Induktionsschleife]]n eingesetzt werden.<ref>{{Internetquelle|url=https://www.vitronic.de/verkehrstechnik/anwendungen/verkehrsueberwachung/geschwindigkeitsmessung/poliscan-speed-stationaer.html|titel=POLISCAN SPEED STATIONÄR – VITRONIC – the machine vision people|werk=www.vitronic.de|zugriff=2016-07-05}}</ref>

Auch [[Laserentfernungsmesser]] für Handwerk, Bau- und Vermessungswesen arbeiten nach dem Lidar-Prinzip. Prinzipiell können alle auch vom Radar her bekannten Messprinzipien für Lidar angewandt werden.

[[Datei:NIO EL7, Interboot 2023, Friedrichshafen (P1120659).jpg|mini|Vorschauender Lidar-Sensor eines [[Nio ES7|Nio EL7]]]]

Lidar-Systeme kommen auch im Bereich der Fahrerassistenzsysteme für Automobile und „automatisiertes Fahren“ zur Anwendung. Weiterhin kommt das Sensorprinzip in [[Fahrerloses Transportfahrzeug|fahrerlosen Transportfahrzeugen]] zum Einsatz, siehe auch [[Fahrerloses Transportfahrzeug#Lasernavigation|Lidar zur Hinderniserkennung]].<ref>H. Härter, LIDAR-Technik, Sensorik als Schlüsseltechnik für autonomes Fahren, Elektronik Praxis, 17.7.17 [http://www.elektronikpraxis.vogel.de/sensorik/articles/625182/?cmp=nl-95&uuid=1DF3751A-0DC1-AC96-5F158B8F171DF76E]</ref> Der Einsatz ist hier auch teilweise genormt, um Unfälle mit Personen, die die automatischen Fahrwege kreuzen könnten, zu vermeiden ([[Fahrerloses Transportfahrzeug#Sicherheitstechnik|Personenschutzanlage]]).<ref name="sick">{{Internetquelle |url=http://www.mysick.com/saqqara/pdf.aspx?id=im0012753 |titel=PDF Preview |archiv-url=https://web.archive.org/web/20160309045917/http://www.mysick.com/saqqara/pdf.aspx?id=im0012753 |archiv-datum=2016-03-09 |abruf=2025-11-13}}</ref> Die hier verwendeten Systeme sind i. d. R. als kompakte Sensormodule ausgeführt. Bei einer typischen Bauform wird der Laserstrahl zwar horizontal über einen weiten Winkelbereich abgelenkt (bis zu 360°), vertikal sind jedoch nur einige wenige Winkel kanalweise realisiert (zum Beispiel 16 Kanäle mit jeweils 2° Abstand). Dies reicht für eine Hinderniserkennung typischerweise vollkommen aus.<ref>{{Internetquelle |autor=Jörg Böttcher |url=https://messtechnik-und-sensorik.org/lidar-sensor/ |titel=Online-Kompendium Messtechnik und Sensorik |werk= |hrsg= |datum= |abruf=2019-10-30 |sprache=}}</ref>

Weiterhin werden [[Wind-LiDAR|Wind-Lidar-Systeme]] von modernen Passagierflugzeugen zur Detektion von Turbulenzen und Scherwinden im Nahbereich (in Flugrichtung) benutzt.

In der [[Windenergie]]branche wird zunehmend neben akustischen Messverfahren ([[Sodar]]) auch Lidar eingesetzt, um horizontale und vertikale [[Windgeschwindigkeit]] und [[Windrichtung]] zu messen und zum Beispiel an die Leitstelle zur optimalen Einstellung der Windräder zu übermitteln. Die Messung erfolgt typisch im Bereich von 40 bis 200 Metern Höhe und erfasst Windgeschwindigkeiten zwischen 0 und 70 Metern pro Sekunde bei 0,1 Metern pro Sekunde Genauigkeit. Der Vorteil von Lidar gegenüber Sodar besteht in der geringeren Störanfälligkeit gegenüber Geräuschen, womit eine weitere Verbreitung der Technik absehbar ist. Ein weiterer Vorteil gegenüber Sodar-Systemen ist, dass moderne, kommerziell erhältliche Lidar-Systeme klein und leicht sind und von ein bis zwei Personen transportiert bzw. auf- und abgebaut werden können. Das macht sie somit auch interessant für kurzzeitige Messungen, zum Beispiel bei der Standortsuche oder für die Leistungskennlinienvermessung von [[Windkraftanlage]]n.<ref>{{Internetquelle |autor=Meteotest |url=https://meteotest.ch/firma/ueber-uns |titel=Über uns |datum=2020-06-05 |abruf=2020-06-05 |sprache=de}}</ref><ref>{{Webarchiv|url=https://www.windenergie.iwes.fraunhofer.de/de/einstiegsseite-betreiber-und-entwickler/wind--und-wellenmessung0.html |wayback=20180105233642 |text=Archivierte Kopie }}</ref>
Auch in der [[Offshore-Windpark|Offshore]]-Branche wird an dem Einsatz von Lidar-Systemen gearbeitet. So gibt es bereits installierte Messgeräte auf Offshore-Plattformen<ref>{{Webarchiv|url=http://www.norsewind.eu/public/technology.html |wayback=20140108122804 |text=Archivierte Kopie }}</ref> sowie erste Prototypen von bojengestützten Lidar-Windmessgeräten.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.3e.eu/ |titel=3E |abruf=2020-06-05 |sprache=en-US}}</ref> Es gibt auch Ansätze, das Lidar direkt auf die Gondel von Windkraftanlagen zu installieren.<ref>{{Webarchiv|url=http://rave.iwes.fraunhofer.de/rave/pages/raveLidarII |wayback=20130410051945 |text=Archivierte Kopie }}</ref>

Die Wind-Lidar-Systeme werten die durch den [[Dopplereffekt]] verursachte Frequenzverschiebung zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal aus, das zuvor an Aerosolen reflektiert wurde, die mit dem Wind (und damit in Geschwindigkeit und Richtung gleich dem Wind) mitgetragen wurden. Durch die Messung in mindestens drei verschiedene Richtungen lässt sich somit Betrag und Richtung des Windvektors errechnen.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.mitsubishielectric.com/bu/lidar/lidar/principle/index.html |titel=Doppler Lidar Systems - MITSUBISHI ELECTRIC |abruf=2020-06-05 |archiv-datum=2020-02-17 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20200217210554/http://www.mitsubishielectric.com/bu/lidar/lidar/principle/index.html |offline=ja |archiv-bot=2026-03-29 15:40:20 InternetArchiveBot }}</ref>

Seit Oktober 2020 sind iPad Pro und iPhone 12 Pro erhältlich. Beide können mit Lidar innerhalb einer Reichweite von fünf Metern Raumtiefen in Innenräumen und im Freien vermessen.<ref>{{Internetquelle |autor=Stellv Chefredakteur |url=https://www.macwelt.de/article/979568/lidar-iphone-erklaert.html |titel=Lidar im iPhone: Was das ist und wozu es dient |datum=2023-05-10 |sprache=de |abruf=2023-10-25}}</ref>

In der [[Robotik]] kommen Lidar-Systeme seit Jahren zur Objekterkennung und Umgebungserfassung zum Einsatz.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.iftas.de/Main/Solutions |titel=Technik Autonomer Systeme : Solutions |abruf=2021-07-15}}</ref>

Sie werden auch zur luftgestützten Dichtheitsüberprüfung von [[Erdgasleitung]]en ([[Gasferndetektion]]) durch die zuverlässige, laserbasierte Detektion von [[Methan]] in bodennahen Luftschichten (siehe [[DVGW]]-Merkblatt G 501) verwendet.

== Siehe auch ==
* [[Airborne Laserscanning]]
* [[Iterative Closest Point Algorithm]]
* [[TOF-Kamera]]

== Literatur ==
* Claus Weitkamp: ''Lidar – range-resolved optical remote sensing of the atmosphere''. Springer, New York 2005, ISBN 0-387-40075-3.
* Takashi Fujii: ''Laser remote sensing''. CRC, Taylor & Francis, Boca Raton 2005, ISBN 0-8247-4256-7.
* Albert Ansmann: ''Advances in atmospheric remote sensing with lidar''. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-61887-2.

== Weblinks ==
{{Commonscat|LIDAR|Lidar}}
* https://lidar.ssec.wisc.edu/
* {{Webarchiv | url=http://imk-ifu.fzk.de/305.php | wayback=20160126073351 | text=LiDAR in der Atmosphärenforschung}} auf der Website des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU) des [[Forschungszentrum Karlsruhe]] (Stand Januar 2014)
* Claus Brenner: ''[https://www.ikg.uni-hannover.de/fileadmin/ikg/Forschung/publications/Brenner_tutorialSommerSchool2006.pdf Aerial Laser Scanning]''. ''International Summer School “Digital Recording and 3D Modeling”''. Aghios Nikolaos, Kreta, Griechenland, 24.–29. April 2006, abgerufen am 24. Juli 2010 (Tutorial über luftgestütztes Lidar; PDF-Datei; 16,88 MB)
* Spiegel Online: ''“[http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/laser-technik-lidar-revolutioniert-luftbild-archaeologie-a-845772.html Fliegender Laser verrät verschüttete Bauten]”''. Artikel und Bilderserie vom 26. Juli 2012 über LiDAR in der Luftbild-Archäologie
* Jörg Römer: [http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/lidar-technik-archaeologie-im-wald-entdecken-a-1224832.html ''Archäologie im Gebüsch''] bei [[Spiegel Online]] vom 10. September 2018

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4167607-5}}

[[Kategorie:Photogrammetrie]]
[[Kategorie:Computer Vision]]
[[Kategorie:Laseranwendung]]
[[Kategorie:Meteorologisches Messgerät]]
[[Kategorie:Dimensionales Messgerät]]

Lidar - Versionsgeschichte

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