Spectrum儀器數(shù)字化儀及AWG被用于萊布尼茨研究所的激光雷達大氣研究

——在強烈日光下能檢測到100km外單原子的激光光束反射

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，大約1個原子/ cm3的濃度足以在100km的距離進行溫度和風速測量，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果。第一種方法是通過使用高分辨率的小視場以及光學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備與實時功能相結合，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備和更小巧的先進激光器。

這種新型設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。”

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會議上介紹了該項目的最新成果。