德國漢斯多爾夫,2018年12月13日訊-大氣研究通過脈沖激光來測量100km高空多普勒(Doppler)頻移后向散射光,從而測量沿光束的溫度和風(fēng)速。這種方式返回的信號非常弱,有時甚至受到陽光的阻擋。然而萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)解決了這一問題。萊布尼茨大氣物理研究所獨創(chuàng)了全球首款可在白天使用的便攜式設(shè)備,為南極大氣條件的研究提供了新的見解。新一代小巧且可靠的系統(tǒng)采用新型二極管泵浦固體激光器,其核心使用了Spectrum儀器提供的任意波形發(fā)生器(AWG)以及兩款數(shù)字化儀,以確保研究所需的高速、高靈敏度以及實時性能。
萊布尼茨大氣物理研究所測試的不同激光
該測量技術(shù)被稱為多普勒共振激光雷達。這是由于將激光精確地調(diào)節(jié)至金屬原子的共振躍遷而形成的反向散射光。反向散射信號非常弱(每個激光脈沖產(chǎn)生單個光子),白天幾乎完全被太陽輻射淹沒。夜間與白天測量最大的區(qū)別在于,白天的背景噪音是夜間的108倍。
研究80km到110km之間的大氣溫度分布被稱為MLT(中間層和低熱層),這對進行地球氣候的數(shù)值模擬至關(guān)重要。進行這項研究的一種成熟方式是測量金屬原子的多普勒展寬線寬,例如在770nm處的鉀共振線和在372nm或386nm處的鐵共振線使用脈沖激光的共振激光雷達系統(tǒng)。到目前為止,這些激光器都使用了閃光燈泵浦。但是,這是首個使用高效、可調(diào)節(jié)、二極管泵浦和紫翠綠寶石激光所研發(fā)的新型激光系統(tǒng)項目。該激光器能夠更好地應(yīng)對惡劣的環(huán)境條件,例如研究船舶或極地地區(qū)。憑借這項技術(shù),大約1個原子/ cm3的濃度足以在100km的距離進行溫度和風(fēng)速測量,這種大氣壓力低于只有火箭可以進入的高度。
該項目的負責(zé)人Josef Höffner博士解釋說:“該項目旨在創(chuàng)造適用于全球的小型移動測量系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)適用于南極洲等環(huán)境惡劣的地區(qū),在無需對設(shè)備頻繁訪問的情況下進行自動操作。因此,我們需要非常堅固且耐用的組件。除此之外,設(shè)備對靈敏度、速度以及靈活度也具有極高的要求。Spectrum儀器的設(shè)備性能卓越,產(chǎn)品所提供的五年質(zhì)保期也加深了我們對其產(chǎn)品的信賴!
將移動式激光雷達從破冰船“Aurora Australis”卸載到澳大利亞南極站Davis(69°S)的冰面上
這個項目有幾個方面可以提升測量的結(jié)果。第一種方法是通過使用高分辨率的小視場以及光學(xué)濾波來抑制背景噪音。這意味著激光必須在視場以及所有濾光器中穩(wěn)定。激光器本身需要具有納秒定時功能的多功能且穩(wěn)定的系統(tǒng)。這是由Spectrum M2i.6012 20 MS / s AWG控制,每天24小時以500個脈沖每秒的速度發(fā)射。來自反向散射光的信號由Spectrum M4i.4421 250 MS / s 16位數(shù)字化儀處理。使用M4i.2221 2.5 GS / s 8位數(shù)字化儀卡測量激光器內(nèi)的條件。在實時處理測量數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)每天24小時處理超過1 GByte / sec,響應(yīng)時間約為1 ms。 IAP開發(fā)的軟件包一共管理21個信號。
Höffner博士表示:“我們通過將快速且靈活的電子設(shè)備與實時功能相結(jié)合,實現(xiàn)了小巧、高度集成的解決方案。與此前大型且難以處理的解決方案相比,此次改進可謂意義非凡。我們的舊系統(tǒng)需要一個10噸,體積為6米的容器。使用Spectrum儀器的數(shù)字化儀卡和一種新型激光器使我們的系統(tǒng)縮小到1500kg。我們甚至還能夠使其再度縮小以適應(yīng)一個只有250kg的1米方箱。最重要的是,它將使用相同的電子設(shè)備和更小巧的先進激光器。
這種新型設(shè)備小巧且具有超強的靈敏度和便攜性,使研究人員能夠在偏遠地區(qū)以前所未有的分辨率和精度獲得新的溫度數(shù)據(jù)。Höffner博士表示:“測量結(jié)果已經(jīng)為我們對大氣的認知產(chǎn)生了重大影響,真正令人興奮的是,我們已經(jīng)向世界證明我們可以設(shè)計一個可靠、輕便、小巧且高效的系統(tǒng),足以完成未來的太空任務(wù)。”
Höffner博士在10月9日至12日在希臘哈尼亞舉行的國際空間光學(xué)會議上介紹了該項目的最新成果。 有關(guān)IAP工作的更多信息,請訪問:https://www.iap-kborn.de/en/home。
Spectrum儀器
Spectrum儀器公司是全球領(lǐng)先的PC測試測量設(shè)備的設(shè)計制造商,于1989年成立于德國漢斯多爾夫。公司產(chǎn)品主要應(yīng)用于電子信號的采集、生成和分析。Spectrum儀器專注于高速數(shù)字化儀和發(fā)生器技術(shù)。迄今為止,Spectrum擁有500多種可用的模塊化產(chǎn)品,并符合PCIe, LXI和PXI等主流行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。德國Spectrum儀器的銷售網(wǎng)絡(luò)遍布全球,其設(shè)計工程師直接服務(wù)客戶,并提供快速、杰出的技術(shù)支持。如需更多信息請訪問Spectrum儀器公司官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com。