01 萊布尼茨研究所使用激光雷達進行大氣研究

圖 1：在 Kühlungsborn 的 IAP 辦公室測試各種激光器

大氣研究使用脈沖激光束通過測量大氣中 100 公里高度的多普勒頻移和反向散射光來測量沿光束的溫度和風速。返回的光信號非常微弱，會被陽光阻擋，但是萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)已經解決了這個問題:他們開發了世界上唯一可以在白天使用的便攜式儀器，它已經為南極大氣的研究環境提供了新的見解。新一代緊湊可靠的系統使用新型二極管泵浦激光器，其核心是一個虹科任意波形發生器 (AWG) 和兩個數字化儀，可提供所需的極高速度、靈敏度和實時能力。

02、多普勒共振激光雷達

這種測量技術被稱為多普勒共振激光雷達，因為通過將激光精確調諧到金屬原子的共振躍遷，光會發生反向散射。反向散射信號非常微弱（每個激光脈沖一個光子），白天幾乎完全被太陽輻射淹沒。夜間和白天測量之間的區別在于，白天來自太陽的背景噪音要多 1 億倍。

了解海拔 80 到 110 公里之間大氣中的溫度分布，對于執行地球氣候的數值模擬至關重要，又稱為 MLT（中間層和低熱層）。 提供此類數據的一種有效方法是通過使用脈沖激光的共振激光雷達系統測量金屬原子的多普勒加寬譜線寬度，例如在770 nm處的鉀共振譜線和在372 nm或386 nm處的鐵共振譜線。到目前為止，這些激光器一直使用閃光燈泵，但該項目是第一個開發新型激光系統的項目，該系統使用高效、可調諧、二極管泵浦、紫翠玉激光器，能夠更好地應對惡劣的環境條件，如科考船或極地地區。有了這項技術，每立方厘米大約一個原子的濃度就足以測量 100 公里距離的溫度和風力，這個高度的大氣壓力非常低，只有火箭才能到達這個高度。

03 開發移動激光雷達測量系統

領導該項目的Josef博士H?ffner解釋說:“該項目的目標是創建我們可以在世界各地使用的緊湊型移動測量系統。這樣的系統需要在像南極洲這樣的極端環境條件下自動運行，而不能長時間使用。因此，我們需要非常堅固可靠的組件，并且能夠在這些具有挑戰性的條件下提供所需的靈敏度，速度和靈活性。虹科Spectrum的五年保修期讓我們放心，這些關鍵產品值得信賴。”

圖 2：移動激光雷達從破冰船“Aurora Australis”卸載到澳大利亞南極戴維斯站（69° S）前的堅冰上

改進該項目中的測量有幾個方面。第一個是通過具有極小視野的高分辨率、光學過濾和小視野來抑制背景噪聲。這意味著激光必須在視場以及所有濾光片中保持穩定。激光器本身需要一個復雜且快速的具有納秒計時的實時穩定系統。這是由虹科 M2i.6012-exp 20 MS/s AWG 控制的，每天 24 小時以每秒 500 個脈沖發射。來自反向散射光的信號由虹科M4i.4421-x8 250 MS/s 16 位數字化儀處理。使用 M4i.2221-x8 2.5 GS/s 8 位數字轉換器卡測量激光器內的條件。 該系統每天 24 小時處理超過 1 GByte/sec 的數據，實時處理測量數據后的響應時間約為 1 ms，總共有 21 個信號由 IAP 開發的軟件包管理。

虹科M4i.4421-x8

“通過將快速、靈活的電子設備與實時功能相結合，我們已經實現了一個緊湊、高度集成的解決方案，與以前大很多倍的大型且難以處理的解決方案相比，這是一個令人印象深刻的改進，”霍夫納博士說，  “我們的舊系統需要一個 10 噸、6 m 的容器，現在使用虹科 Spectrum 卡和新型激光器將系統縮小到 1500 kg 。我們幾乎已經完成了進一步縮小，將其縮小到一個只有250公斤的一米立方的盒子里，它將使用相同的電子設備和更緊湊、更先進的激光器。”這種高度緊湊的新型設備的靈敏度和便攜性使得能夠在偏遠地區以前所未有的分辨率和準確性獲得新的溫度數據。“我們的測量已經對我們對大氣的理解產生了重大影響，真正令人興奮的是，我們已經證明我們可以設計一個可靠、輕便、緊湊和高效的系統，足以滿足未來的太空任務，”博士總結道。