Spectrum仪器数字化仪及AWG被用于莱布尼茨研究所的激光雷达大气研究

来源:北国网    关键词:激光雷达, 大气研究,    发布时间:2018-12-13

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——在强烈日光下能检测到100km外单原子的激光光束反射

德国汉斯多尔夫,2018年12月13日讯-大气研究通过脉冲激光来测量100km高空多普勒(Doppler)频移后向散射光,从而测量沿光束的温度和风速。这种方式返回的信号非常弱,有时甚至受到阳光的阻挡。然而莱布尼茨大气物理研究所(IAP)解决了这一问题。莱布尼茨大气物理研究所独创了全球首款可在白天使用的便携式设备,为南极大气条件的研究提供了新的见解。新一代小巧且可靠的系统采用新型二极管泵浦固体激光器,其核心使用了Spectrum仪器提供的任意波形发生器(AWG)以及两款数字化仪,以确保研究所需的高速、高灵敏度以及实时性能。

莱布尼茨大气物理研究所测试的不同激光


该测量技术被称为多普勒共振激光雷达。这是由于将激光精确地调节至金属原子的共振跃迁而形成的反向散射光。反向散射信号非常弱(每个激光脉冲产生单个光子),白天几乎完全被太阳辐射淹没。夜间与白天测量最大的区别在于,白天的背景噪音是夜间的108倍。


研究80km到110km之间的大气温度分布被称为MLT(中间层和低热层),这对进行地球气候的数值模拟至关重要。进行这项研究的一种成熟方式是测量金属原子的多普勒展宽线宽,例如在770nm处的钾共振线和在372nm或386nm处的铁共振线使用脉冲激光的共振激光雷达系统。到目前为止,这些激光器都使用了闪光灯泵浦。但是,这是首个使用高效、可调节、二极管泵浦和紫翠绿宝石激光所研发的新型激光系统项目。该激光器能够更好地应对恶劣的环境条件,例如研究船舶或极地地区。凭借这项技术,大约1个原子/ cm3的浓度足以在100km的距离进行温度和风速测量,这种大气压力低于只有火箭可以进入的高度。


该项目的负责人Josef Höffner博士解释说:“该项目旨在创造适用于全球的小型移动测量系统。这样的系统适用于南极洲等环境恶劣的地区,在无需对设备频繁访问的情况下进行自动操作。因此,我们需要非常坚固且耐用的组件。除此之外,设备对灵敏度、速度以及灵活度也具有极高的要求。Spectrum仪器的设备性能卓越,产品所提供的五年质保期也加深了我们对其产品的信赖。”


将移动式激光雷达从破冰船“Aurora Australis”卸载到澳大利亚南极站Davis(69°S)的冰面上


这个项目有几个方面可以提升测量的结果。第一种方法是通过使用高分辨率的小视场以及光学滤波来抑制背景噪音。这意味着激光必须在视场以及所有滤光器中稳定。激光器本身需要具有纳秒定时功能的多功能且稳定的系统。这是由Spectrum M2i.6012 20 MS / s AWG控制,每天24小时以500个脉冲每秒的速度发射。来自反向散射光的信号由Spectrum M4i.4421 250 MS / s 16位数字化仪处理。使用M4i.2221 2.5 GS / s 8位数字化仪卡测量激光器内的条件。在实时处理测量数据后,系统每天24小时处理超过1 GByte / sec,响应时间约为1 ms。 IAP开发的软件包一共管理21个信号。


Höffner博士表示:“我们通过将快速且灵活的电子设备与实时功能相结合,实现了小巧、高度集成的解决方案。与此前大型且难以处理的解决方案相比,此次改进可谓意义非凡。我们的旧系统需要一个10吨,体积为6米的容器。使用Spectrum仪器的数字化仪卡和一种新型激光器使我们的系统缩小到1500kg。我们甚至还能够使其再度缩小以适应一个只有250kg的1米方箱。最重要的是,它将使用相同的电子设备和更小巧的先进激光器。


这种新型设备小巧且具有超强的灵敏度和便携性,使研究人员能够在偏远地区以前所未有的分辨率和精度获得新的温度数据。Höffner博士表示:“测量结果已经为我们对大气的认知产生了重大影响,真正令人兴奋的是,我们已经向世界证明我们可以设计一个可靠、轻便、小巧且高效的系统,足以完成未来的太空任务。”