Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Wasserdampf ist eines der wichtigsten Spurengase in der Atmosph\u00e4re, das an einer Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen entscheidend beteiligt ist. Die f\u00fcr Untersuchungen dieser Prozesse bisher zur Verf\u00fcgung stehende Messtechnik ist nicht ausreichend in Bezug auf Genauigkeit Aufl\u00f6sung, und zeitliche Abdeckung. Ziel des Vorhabens ist deshalb, ein f\u00fcr Forschungszwecke am MPI f\u00fcr Meteorologie zur Verf\u00fcgung stehendes Laser-Fernerkundungsverfahren, ein Differential Absorption Lidar, so weiter zu entwickeln dass es f\u00fcr einen allgemeinen operationellen Einsatz geeignet ist.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn den Laser eines Wasserdampf-DIAL werden besonders hohe Anforderungen gestellt. F\u00fcr den operationellen Einsatz wird hier ein Diodengepumpter Nd:YAG-Laser in master-slave Konfiguration verwendet, der in dem Wellenl\u00e4ngenbereich um 1123 nm auf geeignete Wasserdampf-Absorptionslinien abgestimmt werden kann. Die Entwicklung einer Laborversion hierf\u00fcr am MPI wurde abgeschlossen, diese Version wird von dem Kooperationpartner Elight Laser Systems zu einem robusten Industrieprodukt ausgebaut. Das gesamte Lidar-System wird modular unter Verwendung von Komponenten aus bestehenden kommerziellen Systemen aufgebaut, speziell f\u00fcr dieses System entwickelte Komponenten stehen auch f\u00fcr andere Anlagen zur Verf\u00fcgung. Zur Festlegung der Spezifikationen f\u00fcr die Komponenten dient hierbei die am MPI entstandene Laborversion. F\u00fcr die Gesamtsteuerung des Systems wird eine Rechner-Steuerung entworfen, um Fehlbedienung des komplexen Einstellungs- und Messablaufes weitgehend auszuschlie\u00dfen. Zum Abschluss des Projektes soll ein Prototyp aufgebaut werden (Elight), der als Demonstrationsger\u00e4t zum Nachweis der erreichten Eigenschaften dient und damit die Vermarktung erst erm\u00f6glicht.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Entwicklung eines geeigneten Lasersystems als Labormuster konnte trotz erheblicher unvorhergesehener Schwierigkeiten erfolgreich abgeschlossen werden. Das Konzept f\u00fcr den Aufbau des Lasersystems als master-oscillator-power-oscillator (MOPO) System, in dem sowohl der master-laser als auch der Hochleistungslaser Dioden-gepumpt sind, erwies sich als erfolgreich. Hierbei erzeugt der master-laser, der als Dauerstrichlaser betrieben wird, einen Strahl mit den erforderlichen spektralen Eigenschaften, an die h\u00f6chste Anspr\u00fcche gestellt werden. Mit dem Prototypen wurde der Einmodenbetrieb si-cher erreicht, und zwar in drei Wellenl\u00e4ngenbereichen von jeweils etwa 1 nm Breite, in dem geeignete Wasserdampfabsorptionslinien liegen. Damit stehen 5 verschiedene Absorptionslinien f\u00fcr sehr unterschiedliche Messbedingungen zur Verf\u00fcgung. Die Abstimmung auf die gew\u00fcnschte Wellenl\u00e4nge erfolgt rechnergesteuert, ebenso wie der stabilisierte Betrieb. Bez\u00fcglich der besonders wichtigen Wellenl\u00e4ngenstabilit\u00e4t wurde im Dauerversuch \u00fcber 2 Tage eine Standardabweichung von 2×10-4 cm-1 erreicht und damit die Anforderung deutlich unterschritten. Die Ausgangsleistung betr\u00e4gt etwa 200 mW, die Bandbreite ist kleiner als die Schwankungsbreite und konnte mit den vorhandenen Messger\u00e4ten nicht bestimmt werden. Damit hat dieser Laser hervorragende Eigenschaften, die ihn auch als Einzelprodukt sehr gut einsetzbar machen.
\nDie Kopplung zwischen Master- und Hochleistungslaser erfolgt \u00fcber Faseroptik, die Umschaltung zwischen den 2 erforderlichen master-lasern \u00fcber einen faseroptischen Schalter. Damit ist das Lasersystem vollst\u00e4ndig modular aufgebaut, was die Wartung und ggf. Reparatur sowie die Justierung erheblich vereinfacht. Der Hochleistungslaser wurde in einem hermetisch verschlie\u00dfbaren Block aufgebaut. Trotz erheblicher Schwierigkeiten bei der Entwicklung, die im wesentlichen auf thermische Probleme aufgrund der hohen erforderlichen Pumpleistung zur\u00fcckzuf\u00fchren waren, konnte der Prototyp erfolgreich in Betrieb genommen werden. Eine Pulsenergie von 1 mJ bei einer Repetitionsrate von 1 kHz wurde dauerhaft erreicht, und zwar im injection-seeded single mode Betrieb. Damit steht eine hervorragende Laserquelle im Spektralbereich des nahen IR zur Verf\u00fcgung.
\nF\u00fcr die Erfassung der Lidarsignale mit dieser hohen Repetitionsrate wurde eine geeignete Datenerfassung bereitgestellt, die au\u00dfer den Lidarsignalen bei den beiden Signalwellenl\u00e4ngen auch die \u00dcberpr\u00fcfung auf \u00dcbersteuerung in einzelnen H\u00f6henbereichen \u00fcbernimmt sowie die Berechnung der Mittelwerte und der Standardabweichung der Signale \u00fcber eine w\u00e4hlbare Anzahl von Laserpulsen. Damit wird die erforderliche Signalverarbeitung mit Hilfe spezieller Signalprozessoren im Echtzeitbetrieb realisiert. Die hiermit erzeugten Produkte k\u00f6nnen in herk\u00f6mmlicher Weise gespeichert und weiterverarbeitet werden.
\nDurch erste Testmessungen mit einem aus diesen Komponenten zusammengestellten System konnte nachgewiesen werden, dass die Integration des komplexen Lidarsystems erfolgreich war und alle Module ihre Funktion im gemeinsamen Betrieb erf\u00fcllten. Diese ersten Messungen zeigten auch, dass die Signalqualit\u00e4t f\u00fcr Messungen im Bereich der planetaren Grenzschicht ausreichend ist und der Vorausberechnung entspricht. Die gemessenen Wasserdampfprofile sind plausibel, eine rigorose \u00dcberpr\u00fcfung der erzielten Messgenauigkeit war jedoch noch nicht m\u00f6glich. Dies soll in K\u00fcrze mit einer verbesserten Systemversion erfolgen, die einen stabileren Langzeitbetrieb erm\u00f6glicht. Dann werden auch besser geeignete Vergleichssysteme zur Verf\u00fcgung stehen.
\nEin kommerzielles Demonstrationsger\u00e4t wird zur Zeit bei der Firma Elight Laser Systems auf der Grundlage des am MPI entwickelten Labormusters aufgebaut.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Das Lasersystem sowie vorl\u00e4ufige Ergebnisse mit Testversionen des Gesamtsystems wurden auf internationalen Fachtagungen, insbesondere der Internationalen Laser Radar Conference in Vichy 2000 vorgestellt und fanden starke Beachtung. Teilergebnisse wurden im Rahmen einer Dissertation bereits ver\u00f6ffentlicht, weitere Publikationen in anerkannten Fachzeitschriften sind geplant. Der ausf\u00fchrliche Abschlu\u00dfbericht ist zur Ver\u00f6ffentlichung in dem Sonderband der ESPR eingereicht, der die Ergebnisse des Gro\u00dfverbundes Atmosph\u00e4rische Diagnostik zusammenfassen wird. Eine gezielte Werbung f\u00fcr dieses System kann jedoch erst erfolgen, wenn Messgenauigkeit und Systemverf\u00fcgbarkeit nachgewiesen sind und ein Demonstrationsger\u00e4t fertiggestellt ist. Dies wird in naher Zukunft trotz formaler Beendigung des Projektes erfolgen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Entwicklung eines sehr komplexen Fernerkundungssystems f\u00fcr Messungen des Wasserdampf-Vertikalprofils in der unteren Atmosph\u00e4re war zwar schwieriger als erwartet, die aufgetretenen Probleme konnten jedoch bew\u00e4ltigt werden. Der Aufbau eines Prototypen der Industrieversion hat sich durch diese Schwierigkeiten verz\u00f6gert, erfolgt aber zur Zeit durch den industriellen Kooperationspartner. Nach Abschluss dieser Entwicklung wird dies voraussichtlich das erste vollautomatische DIAL-System f\u00fcr die Messung von Vertikalprofilen de Wasserdampfes in der Atmosph\u00e4re sein.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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