DE19613805C1

DE19613805C1 - Verfahren und Einrichtung zur Fernerkundung von Spurengasen

Info

Publication number: DE19613805C1
Application number: DE1996113805
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Fix; Gerhard Ehret
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1996-04-06
Filing date: 1996-04-06
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2016-04-07
Also published as: GB9705964D0; GB2311852B; FR2747193A1; GB2311852A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Fernerkundung von Spurengasen unter Verwendung des DIAL-Ver fahrens

Das DIAL-(DIfferential-Absorptions-Lidar-)Verfahren ist eine Weiterentwicklung der konventionellen Lidarmeßtechnik, welche ihren Ursprung in der Radar-Technologie hat. Da Lidar-Geräte, ähnlich wie Radaranlagen, arbeiten, weisen sie einen Sender, der elektromagnetische Strahlung pulsförmig in die Atmosphäre aussendet und einen Empfänger auf, welcher die Stärke der Echos als Funktion der Laufzeit registriert. Die Laufzeit der Pulse ist ein Maß für die Entfernung eines Targets. Mit einem Lidar kann im allgemeinen sehr genau gemessen werden, da die typische zeitliche Pulslänge der Strahlquelle nur wenige 10^-9 Sekunden beträgt.

Während beim Radar die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung im cm-Bereich liegt, emittiert ein Lidargerät vergleichsweise kurzwellige Strahlung im optischen Spektralbereich. Wegen der kurzen Wellenlänge kommt diese Strahlung schon mit den klein sten Bestandteilen der Atmosphäre, den Luftmolekülen und Schwebeteilchen (Aerosolen) in Wechselwirkung, so daß selbst klare wolkenfreie Luft ein nachweisbares Echo liefert, was beim Radar nicht der Fall ist. Die Stärke des Lidarechos ist dann ein Maß sowohl für die Dichte und optische Eigenschaften des streuenden Luftvolumens als auch für die Transmission der Atmosphäre bei der entsprechenden Wellenlänge des Senders.

Aus den Rückstreudaten eines Lidars können eine Vielzahl um weltrelevanter bzw. meteorologischer Parameter der untersuch ten Atmosphäre abgeleitet werden, wobei in Abhängigkeit von der jeweiligen Fragestellung hierfür unterschiedliche Techni ken entwickelt wurden. Eine Meßtechnik nach dem DIAL-Verfahren eignet sich insbesondere für eine Fernerkundung von Spurengas profilen.

In Fig. 4 ist das Prinzip des DIAL-Verfahrens schematisch wie dergegeben. Im Unterschied zum konventionellen Rückstreu-Li dar, welches bei einer festen Wellenlänge sendet, werden beim DIAL-Verfahren zwei eng benachbarte Wellenlängen λ_on und λ_off kurz hintereinander ausgestrahlt. Bei der Wellenlänge λ_on be wirkt das Spurengas wegen der Absorption eine zusätzliche Schwächung der Strahlung beim Durchlaufen der Atmosphäre. Die Wellenlänge λ_off ist die zugehörige Referenzwellenlänge, die so gewählt ist, daß hier eine deutlich geringere Absorption stattfindet. Bei bekannten molekularen Absorptionsquerschnit ten läßt sich das Spurengasprofil als Funktion der Entfernung in Ausbreitungsrichtung des Senders mit der sogenannten DIAL-Gleichung berechnen:

mit

Hierbei ist N(R) die mittlere Teilchenzahl-Konzentration (die Anzahl an Molekülen/m³) in einer Entfernung R=R₁+ΔR/2. Die Mittelung bezieht sich auf das Entfernungsintervall ΔR=R₂-R₁ in Fig. 4, welches auch gleichzeitig die Ortsauflösung des Spu rengasprofils längs des Senders definiert. Mit P_on und P_off sind die aus der Entfernung R₁ bzw. R₂ empfangenen Rückstreu signale bezeichnet. Die Nachweisempfindlichkeit ist im wesent lichen durch die Größe des effektiven differentiellen Absorp tionsquerschnitts Δν in Gl. (2) festgelegt. Dieser Querschnitt ist eine Funktion des molekularen Absorptionsquerschnitts σ(ν) der spektralen Energieverteilung L(ν) der Spektralquelle, wo bei ν die Frequenz der ausgewählten Spektrallinie des messen den Spurengases ist.

Unter atmosphärischen Bedingungen sind diese Spektrallinien im allgemeinen durch Druck oder Dopplerwirkung verbreitert mit Linienbreiten von 0,08 cm^-1 (HWHM - Half Width at Half Maximum - halbe Halbwertsbreite) in der unteren Troposphäre und 0,02 cm^-1 in der Stratosphäre. Die Form der Linie ist ein Voigtprofil. Mit Hilfe der Linienparameter, welche im Labor gemessen werden, können die Absorptionsquerschnitte als Funk tion der Frequenz und Höhe hinreichend genau berechnet werden.

Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines konventionellen DIAL-Ver fahrens. Hierbei ist auf der Abszisse die Wellenlänge in nm und auf der Ordinate der Absorptionsquerschnitt [1E - 22cm²] aufgetragen. Als Beispiel wurde eine Absorptionslinie des mo lekularen Wasserdampfes gewählt, welche bei 828,215 nm liegt. Ferner wurde ein schmalbandiger Sender mit Δν_Sender«Δν_Molekül für die on-line Messung auf das Linienzentrum eines linearen Übergangs abgestimmt. Die off-line Messung erfolgte im Linien flügel bei einer vernachlässigbaren Absorption. Im Falle einer schmalbandigen (monochromatischen) Strahlquelle mit Δν_Sender«Δν_Linie, wie dies in Fig. 5 für einen Sender mit Δν_Sender«Δν_Molekül dargestellt ist, kann Gl. (2) einfach aus gewertet werden mit

Δσ = σ_on - σ_off (3)

wobei σ_on und σ_off die Absorptionsquerschnitte im Linienzen trum (on-line) bzw. im Linienflügel (off-line) darstellen. Da wie bereits ausgeführt, im allgemeinen ist σ_on » σ_off, so daß der differentielle Absorptionsquerschnitt der DIAL-Gleichung im wesentlichen durch den Wert der Linienmitte gegeben ist, wodurch die Auswertung erheblich vereinfacht wird.

Das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten eines DIAL-Systems in der Umwelt- und Klimaüberwachung ist äußerst groß. Sowohl ortsfeste Systeme am Boden als auch flugzeuggetragene Geräte sind bereits mit Erfolg eingesetzt worden, um beispielsweise Ozon-, Stickoxyd- und Wasserdampfverteilungen in der Atmosphä re zu messen. Wie theoretische Untersuchungen gezeigt haben, könnte die DIAL-Technik beispielsweise auch vom Weltraum aus - mit einem Satelliten als Plattform - für globale Untersuchun gen angewendet werden.

Ferner ist von der Anmelderin festgestellt worden, daß sich diese Meßtechnik als äußert robust und wenig empfindlich hin sichtlich Druck- und Temperaturänderungen in der Atmosphäre oder Änderungen in der Nachweisempfindlichkeit erweist. Da die DIAL-Technik im Prinzip eine selbstkalibrierende Meßtechnik ist, sind keine aufwendigen Kalibrationsmessungen notwendig, um eine Spurengehalt quantitativ zu erfassen. Dadurch unter scheidet sich diese Technik deutlich von passiven Verfahren, bei denen die empfindliche Strahlungsleistung ebenfalls quantitativ gemessen werden muß, um daraus ein Spurengasprofil abzuleiten. Zudem weist das DIAL-Verfahren, das obendrein so wohl am Tage als auch nachts angewendet werden kann, eine deutlich höhere Entfernungsauflösung als die passiven Methoden auf.

Trotz einer Vielzahl positiver Eigenschaften des DIAL-Verfah rens gibt es jedoch bis jetzt nur wenige operationell arbei tende DIAL-Geräte. Der Grund hierfür liegt in der Komplexität der bisherigen Systeme, insbesondere hinsichtlich des Senders. Als Sender zur Realisierung eines DIAL-Verfahrens wurden bis lang überwiegend durchstimmbare gepulste Lasersysteme einge setzt, welche aufgrund ihrer geringen Strahldivergenz und ih rer Energie auch noch in größeren Entfernungen hohe Beleuch tungsstärken erzielen, damit ein Echo nachweisbar wird. Die Durchstimmbarkeit ist notwendig, damit die Wellenlänge im Fal le einer on-line Messung exakt auf die Linienmitte eines mole kularen Übergangs des zu messenden Spurengases abgestimmt wer den kann. Die maximal zulässige Impulsenergie des Senders ist bei Lidar-Verfahren generell aus Gründen der Augensicherheit begrenzt. Eine hohe räumliche bzw. zeitliche Auflösung der Messung erfordert daher möglichst hohe Pulsfolge-Frequenzen.

Im allgemeinen wird bei herkömmlichen DIAL-Systemen eine der folgenden Varianten verwendet:

a) Es werden zwei schmalbandige Strahlquellen 11₁ und 11₂ ver wendet, von denen die eine (11₁) auf die on-line Wellenlänge λ_on und die andere (11₂) auf die off-line Wellenlänge λ_off ab gestimmt ist (siehe Fig. 6(a)). Beide Strahlquellen 10₁ und 10₂ müssen die hohen Anforderungen an die Energie, die mittlere Leistung, die Strahldivergenz und die spektralen Eigenschaften erfüllen. Wenn zwei Strahlquellen 11₁ und 11₂ betrieben werden müssen, ist daher der instrumentelle Aufbau sowie das Gesamt gewicht vergleichsweise hoch. Ferner müssen die beiden Strahl quellen 11₁ und 11₂ in diesem Fall mit Energie und gleichzei tig mit Kühlmittel versorgt werden.

Unterscheidet sich die Divergenz der beiden Strahlquellen 11₁ und 11₂ oder emittieren diese nicht exakt kollinear, dann ist auch das untersuchte Gasvolumen für die on-line- oder die off- line-Messung verschieden. Bereits Abweichungen im Bereich we niger Bruchteile von Millirad führen zu erheblichen Meßfeh lern, so daß ein hohes Maß an mechanischer und thermischer Stabilität erforderlich ist, die nur mit hohem technischen Aufwand gewährleistet werden kann. Ein vor allem für mobile DIAL-Systeme geforderter, kompakter und robuster Aufbau kann auf diese Weise nur mit Einschränkungen realisiert werden.

In EP 0 489 546 A2 ist eine Einrichtung zur flugzeug-gestütz ten Fernerkundung von Spurengasen mit der vorstehend beschrie benen Variante des DIAL-Verfahrens vorgeschlagen. Als Strahl quellen sind mindestens zwei durchstimmbare Laser im infraro ten Spektralbereich vorgesehen, nämlich gepulste Nd : YAG-, Nd : YLF-, Nd : Glas-, Ti : Saphir-, Er : YAG- oder Alexandrit-Laser vorgesehen. Zum Erzeugen einer schmalbandigen Strahlung werden mindestens zwei durchstimmbare Diodenlaser mit einer Wellen länge von 810 nm oder 1550 nm verwendet. Diese Diodenlaser dienen als Seedlaser für optische parametrische Oszillatoren, die eine Pumpwellenlänge von 532 nm oder 1064 nm haben.

Es sind also immer zwei oder mehr verschiedene Strahlquellen erforderlich. Obendrein ist keine variable Linienbreite der Strahlquellen vorgesehen, d. h. das vorgeschlagene DIAL-Verfah ren beruht nicht auf einer variablen spektralen Breite. Ferner ist der Wellenlängenbereich der Einrichtung explizit auf den infraroten Spektralbereich beschränkt.

Bei FORCE, A. P., et al: Laser remote sensing of atmospheric ammonia using a CO₂ lidar system, Applied Optics, Vol. 24, No. 17, vom 1. September 1985, S. 2837 bis 2841 ist ebenfalls die vorstehend unter a) skizzierte Variante eines herkömmli chen DIAL-Verfahrens zur Fernerkundung von NH3 beschrieben. Als Strahlquellen für die Erzeugung von on-line- oder off-li ne-Frequenzen dienen zwei verschiedene gepulste CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm. Da es sich bei CO₂-Laser um Gaslaser handelt, ist deren spektrale Breite klein (hier 0,1 cm^-1), d. h. nicht variabel, da die beiden eingesetzten Strahlquellen schmalbandig sind. Obendrein müssen zwei ver schiedene Strahlquellen eingesetzt werden. Ferner handelt es sich bei dem laseraktiven Medium CO₂ auch nicht um eine Licht quelle mit nicht-linearer Frequenzkonversion.

b) Bei der zweiten Variante wird eine einzige schmalbandige Strahlquelle 11₃ verwendet, deren Wellenlänge mit hoher Fre quenz zwischen on-line (λ_on) und off-line (λ_off) hin und her verstimmt wird. Dabei werden die wesentlichen Nachteile der vorstehend beschriebenen Variante (a) vermieden. Die Schwie rigkeit besteht jedoch darin, daß die spektralen Eigenschaften der Strahlquelle beim Verstimmen sich nicht verändern. Vor al lem wird die hohe Reproduzierbarkeit der absoluten Wellenlän ge, der spektralen Breite bei der on-line- und bei der off-li ne-Wellenlänge verlangt.

Um eine zur Durchführung des DIAL-Verfahrens einsetzbare Strahlquelle zwischen zwei Wellenlängen abzustimmen, können wiederum zwei unterschiedliche Verfahren benutzt werden. Bei dem ersten Verfahren werden frequenzselektive Elemente, wie beispielsweise Gitter, Etalons, Prismen, Lyotfilter u.ä. im Resonator verwendet. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Reproduzierbarkeit müssen diese Elemente mit höchster Präszi sion angesteuert und geregelt werden (siehe Fig. 6(b)). Insbe sondere bei hohen Pulsfolge-Frequenzen ist dies nur mit gro ßem technischen Aufwand zu realisieren. Darüber hinaus verrin gern intern im Resonator untergebrachte Elemente die Effizienz der Strahlquelle. Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Reso nator sind daher die im Resonator untergebrachten internen Elemente beträchtlichen Belastungen unterworfen und müssen eine hohe optische Zerstörschwelle besitzen.

Bei dem zweiten Verfahren wird die Technik des sogenannten "Injection seeding" verwendet. Bei diesem Verfahren wird Licht einer externen, schmalbandigen Lichtquelle, einer soge nannten Seedquelle 10₁ in den Resonator der Strahlquelle 11₄ eingekoppelt. Bereits mit geringen Lichtleistungen ist es da bei möglich, die spektralen Eigenschaften der DIAL-Strahlquel le zuverlässig zu beeinflussen.

Vorteilhaft bei dieser Technik ist, daß die Kontrolle der spektralen Eigenschaften der Strahlquelle 11₄ auf eine separa te Lichtquelle übertragen wird. Die Strahlquelle muß daher nur noch die nötige optische Leistung erzeugen. Dadurch wird deren Aufbau sehr viel einfacher; gleichzeitig führt dies zu einer Steigerung der Effizienz.

Eine Änderung der Wellenlänge λ von on-line (λ_on) zu off-line (λ_off) erfolgt dadurch, daß die Wellenlänge der Seedquelle 10₁ entsprechend verstimmt wird, wie Fig. 6(c) zu entnehmen ist. Obwohl dies aufgrund der deutlich niedrigeren, mittleren Lei stung der Seedquelle leichter zu handhaben ist als bei einer schmalbandigen, durchstimmbaren Strahlquelle, sind die techni schen Anforderungen dennoch beachtlich. Erschwerend kommt hin zu, daß der Resonator der Strahlquelle 11₄ und die Frequenzen der Seedstrahlung aufeinander abgestimmt werden müssen, und daß sich die Geometrie der Seedstrahlung beim Verstimmen nicht ändern sollte.

Bei WULFMEYER, V., et al; Injection-seeded alexandrite ring laser: performance and application in a water-vapor differen tial absorption lidar, Optics Letters, Vol. 20, No. 6, vom 15. März 1995, S. 638 bis 640 ist das im vorhergehenden Absatz skizzierte DIAL-Verfahren zur Fernerkundung von Wasserdampf profilen in der Atmosphäre verwendet. Als Strahlquelle dient ein gepulster Cr : BeAl₂O₄-Laser (Alexandrit-Laser) mit einer Wellenlänge von etwa 730 nm, der mittels eines Titan-Saphir-La ser geseedet wird. Dadurch ist ein schmalbandiger Betrieb er zielt. Zum Hin- und Herschalten zwischen einer on-line- und einer off-line-Frequenz wird die Frequenz des Titan-Saphir-La sers entsprechend verändert. Bei dieser Ausführung des DIAL- Verfahrens ist die spektrale Breite immer klein (<5·10^-3cm^-1), d. h. nicht variabel, da die Strahlquelle immer geseedet wird. Ferner muß die Frequenz der Seedquelle verändert werden.

Es können jedoch auch zwei Seedquellen 10₂ und 10₃ für die on line und die off-line Wellenlänge λ_on bzw. λ_off eingesetzt werden. Mittels eines Schaltmechanismus 12₁ mit der richtigen Folgefrequenz muß in diesem Fall dafür gesorgt werden, daß die Strahlquelle mit der jeweiligen Seedwellenlänge sendet, wie in Fig. 6(d) schematisch angedeutet ist. Außer diesem Schaltme chanismus ist hier vor allem der höhere instrumentelle Aufwand wegen der Bereitstellung von zwei Seedquellen von Nachteil.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Fernerkundung von Spurengasen zu schaffen, wo bei das Verfahren weniger aufwendig und erheblich einfacher und damit schneller durchzuführen ist und wobei die Einrich tung sowohl hinsichtlich des instrumentellen Aufwands deutlich vereinfacht ist und die technischen Anforderungen ganz erheb lich geringer sind. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren sowie bei einer Einrichtung zur Fernerkundung von Spurengasen durch die Merkmale im Anspruch 1 bzw. 2 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 3 bis 10.

Gemäß der Erfindung ist bei dem Verfahren zur Fernerkundung von Spurengasen unter Verwendung des DIAL-Verfahrens besonders vorteilhaft, daß die zur Berechnung der eingangs angeführten Gl. ′en (1) und (2) benötigten Werte der Leistungen P_on und P_off von aus zwei Entfernungen R₁ und R₂ empfangenen Rückstreu signalen dadurch erhalten werden, daß der Wert von P_on mittels Strahlung einer schmalbandigen Strahlquelle mit der Absorp tionslinien-Frequenz ν_on des zu untersuchenden Gases erzeugt wird, deren spektrale Breite kleiner ist als die Linienbreite der Absorptionslinie, und der Wert P_off mit Strahlung einer breitbandigen Strahlquelle der Referenzfrequenz ν_off erzeugt wird, deren spektrale Breite um ein Vielfaches größer ist als die Linienbreite der Absorptionslinie.

Gemäß der Erfindung ist das wesentliche Merkmal der unter Ver wendung des DIAL-Verfahrens betriebenen Vorrichtung darin zu sehen, daß gegenüber der Realisisierung des eingangs beschrie benen herkömmlichen Verfahrens nur eine Strahlquelle mit vari abler spektraler Breite verwendet wird. Gemäß der Erfindung ist dies mit Hilfe des Injection seeding erreicht, in dem die Strahlquelle zwischen geseedetem, d. h. schmalbandigem Betrieb und ungeseedetem, d. h. breitbandigem Betrieb hin und her ge schaltet wird.

Für den Betrieb ist nur noch eine einzige Seedquelle sowie eine einzige Strahlquelle erforderlich. Dadurch entfällt auch eine Justierung bezüglich einer Überlappung zweier Strahlen und es braucht auch nur eine Strahlquelle mit elektrischer Energie und einem Kühlmittel versorgt zu werden.

Da somit gemäß der Erfindung nur eine verhältnismäßig lei stungsschwache Seedquelle sowie eine für Systeme mit Injection seeding typische - relativ einfach aufgebaute - Strahlquelle erforderlich ist, ist durch die Erfindung eine leichte, kom pakte und robuste Ausführung einer Einrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens zur Fernerkundung von Spurengasen er reicht. Ferner wird die Seedquelle bei der on-line Wellenlänge mit einer festen Frequenz betrieben. Da eine Wellenlängenände rung, wie bisher von On-line zu Off-line, nicht erforderlich ist, läßt sich die notwendige Frequenzstabilität der Seedquel le wesentlich einfach erreichen und obendrein ist es möglich, problemlos auch einen Betrieb mit höheren Pulsfolge-Frequenzen durchzuführen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutern. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 Graphen von experimentell bestimmten Wasserdampfprofi len;

Fig. 3 und 3b eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemä ßen DIAL-Verfahrens am Beispiel eines Wasserdampfspek trums;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen in der DIAL-Meßtechnik verwendeten Einrichtung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des konventionellen DIAL-Verfahrens, und

Fig. 6a bis 6d verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung der konventionellen DIAL-Meßtechnik.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind zur Durchführung des DIAL-Ver fahrens gemäß der Erfindung eine Sendereinrichtung 1 sowie eine Empfangseinrichtung 2 erforderlich. Hierbei weist die Sendeeinrichtung 1 im wesentlichen drei Komponenten auf, näm lich eine Seedquelle 10, eine Strahlquelle 11 sowie einen da zwischen angeordneten Schalter 12, der das sogenannte Injec tion seeding unterbricht. Die Strahlquelle 11 muß hierbei so ausgelegt sein, daß sie im Bereich der Absorptionslinien eines zu untersuchenden Gases abstimmbar ist. Ferner muß sie eine spektrale Breite besitzen, die um ein Vielfaches größer ist als diejenige der Absorptionslinien, und die spektralen Eigen schaften der Strahlquelle müssen mit Hilfe des Injection see ding zu kontrollieren sein.

Zusätzlich zu den spektralen Eigenschaften muß die Strahlquel le 11 allen Anforderungen an eine DIAL-Lichtquelle genügen, d. h. an eine Lichtquelle, mit welcher das DIAL-Verfahren durchzuführen ist, welche eine hinreichende Impulsenergie und eine entsprechende mittlere Leistung aufweist, deren Impuls dauer ausreichend groß ist, die eine entsprechend hohe Impuls folgefrequenz hat und nur eine geringe Strahldivergenz auf weist.

Als solche Strahlquellen kommen in Frage:

1) durchstimmbare Laser, bei denen als laseraktives Medium Farbstoffe oder Festkörpermaterialien verwendet sind. Hierbei sind mögliche Festkörpermaterialien beispielsweise Ti : Saphir (Ti : SA), Cr³⁺ und Cr⁴⁺-dotierte Materialien, wie z. B. Alexan drit, Colquiriit-Struktur-Kristalle, wie beispielsweise Cr³⁺ : LiSrAlF₆ oder Cr³⁺ : LiCaAlF₆) oder Forsterit; darüber hin aus eignen sich jedoch auch Farbzentren-Kristalle.
2) Lichtquellen, die auf dem Prinzip einer nicht-linearen Fre quenzkonversion beruhen, wie optische, parametrische Oszilla toren (OPOs). Hierbei kommen beispielsweise folgende Materia lien in Frage, nämlich Betabariumborat (BBO), Lithium-Triborat (LBO), Kaliumtitanylphosphat (TiOPO₄KTP), KTiOAsO₄ (KTA); RbTiOAsO₄ (RTA), CsTiOAsO₄ (CTA), Kaliumniobat (KNbO₃), Lithi umniobat (LiNbO₃), Silbergalliumselenid (AgGaS₂), Silbergalli umselenid (AgGaSe₂), Zink-Germanium-Phosphat (ZnGeP₂); ferner kommen andere, beispielsweise organische Kristalle in Frage.
3) Ebenso wie die Strahlquelle 11 muß eine gemäß der Erfindung verwendbare Seedquelle 10 im Bereich der Absorptionslinien des zu untersuchenden Gases abstimmbar sein. Hierbei muß die Li nienbreite kleiner sein oder in der gleichen Größenordnung liegen wie die Breite der Absorptionslinien. Das bedeutet, es kommen sowohl kontinuierlich betriebene oder gepulste Laser oder auch optische parametrische Oszillatoren (OPOs) in Frage. Als laseraktive bzw. nichtlinieare optische Materialien können alle bereits vorstehend in Verbindung mit der Strahlquelle 11 angeführten Lichtquellen eingesetzt werden. Darüber hinaus kommen auch Halbleiterlaser bzw. Lasersysteme in Frage, deren aktives Material Halbleiter-Kristalle sind. Werden optische parametrische Oszillatoren (OPOs) als Strahlquellen verwendet, ist es besonders vorteilhaft, daß das Injection seeding sowohl auf der Signal- als auch auf der Idler-Wellenlänge eines OPO stattfinden kann.

Der in der Sendeeinrichtung 1 vorgesehene Schalter 12, der zwischen der Seedquelle 10 und der Strahlquelle 11 angeordnet ist, dient dazu, daß Injection seeding zu unterbrechen, um da durch die Strahlquelle 11 zwischen geseedetem und somit schmalbandigem Betrieb und ungeseedetem und somit breitbandi gen Betrieb hin- und herzuschalten. Mittels des Schalters 12 wird der Strahl eines als Seedquelle 10 verwendeten Seedlasers unterbrochen oder über den Schalter 12 abgelenkt. Hierbei kann das Hin- und Herschalten auf mechanische Weise oder mit Hilfe elektrooptischer oder akusto-optischer Verfahren erfolgen. Ist die Funktionsweise des Injection seeding von der Polarisation abhängig, dann kann das Injection seeding auch durch ein Dre hen der Polarisation der Seedstrahlung unterbrochen werden.

Ferner wird bei DIAL-Messungen häufig ein schmalbandiges Fil ter in der Empfangseinrichtung verwendet, das nur eine Strah lung zum Detektor transmittiert, die sich in einem kleinen spektralen Bereich um die Wellenlänge der Sendeeinrichtung he rum befindet. Durch den Einsatz eines solchen Filters wird die solare Hintergrundstrahlung reduziert und dadurch können auch tagsüber Gaskonzentrationen mit geringen Fehlern bestimmt wer den. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung muß lediglich darauf geachtet werden, daß die Durchlaßkurve des Filters die Transmission der ungeseedeten und damit der breit bandigen Strahlung zuläßt.

In Verbindung mit der Entwicklung eines flugzeuggetragenen DIAL-Systems für einen Wasserdampf-Nachweis in der Atmosphäre wurde von der Anmelderin inzwischen ein Prototyp einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung, die nach dem DIAL-System arbeitet, aufgebaut und getestet. Als Strahlquelle 11 wurde hierbei ein geseedeter OPO für die on-line Messungen und gleichzeitig wur de derselbe OPO, jedoch ungeseedet, für die off-line Wellen länge verwendet. In dem OPO wurde als nichtlineares Kristall BBO benutzt und ferner wurde der OPO mit der in der Frequenz verdreifachten Strahlung eines gütegeschalteten Nd:YAG-Lasers angeregt. Als Seedquelle 10 wurde ein gepulster Farbstofflaser bei einer Wellenlänge von etwa 620 nm benutzt.

Die Messungen wurden bei der Idlerwellenlänge des OPO von 828,2 nm durchgeführt. Der geseedete und somit schmalbandige OPO wurde bei diesen Messungen mit Hilfe einer photo-akusti schen Absorptionszelle exakt auf die Linienmitte des ausge wählten H₂O-Übergangs abgestimmt. Für die off-line Messung wurde die Seedquelle mechanisch abgeblockt und die ungeseedete und somit breitbandige OPO-Strahlung wurde ohne weitere die Bandbreite begrenzende Elemente ausgesendet.

Die Lidar-Echos wurden mit einem 35 cm Cassegrain-Teleskop aufgefangen und mit einer Avalanche Photodiode (APD) nachge wiesen. Zur Unterdrückung des Hintergrundlichtes wurde ein 5 nm (HWHM - Half Width at Half Maximum) Filter eingesetzt. Mit Hilfe einer schnellen Datenerfassung konnten die Signale in Abhängigkeit von der Laufzeit digital aufgezeigt werden. Ne ben der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde auch noch die kon ventionelle DIAL-Methode eingesetzt, bei welcher die Seedquel le zwischen der on-line und der off-line Weglänge hin- und hergestimmt wird, wie beispielsweise Fig. 5 zu entnehmen ist.

In Fig. 2 sind ein gemäß der Erfindung sowie ein mittels der herkömmlichen DIAL-Methode gemessene Wasserdampf-Profil wie dergegeben. In Fig. 2 ist auf der Abszisse das H₂O-Mischungs verhältnis in g/kg und auf der Ordinate die Entfernung in m aufgetragen. In Fig. 2 ist die unter Verwendung der erfindungs gemäßen Einrichtung durchgeführte Messung durch eine gestri chelte Linie wiedergegeben, während die Messung nach dem kon ventionellen DIAL-Verfahren durch die ausgezogene Linie wie dergegeben ist. Hierbei ist eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den beiden Messungen feststellbar.

Ferner sind in Fig. 2 zum Vergleich auch durch Dreiecke bzw. Vollkreise eingetragene Meßpunkte wiedergegeben, die sich bei zwei Radiussonden-Aufstiegen ergeben haben, die in dem glei chen Zeitraum erfolgt sind, wie die beiden durch die strich punktieren bzw. ausgezogenen Linien wiedergegebenen Messungen.

Der Grund für die sehr gute Übereinstimmung der in Fig. 2 dar gestellten Meßergebnisse stellt eine Bestätigung für sowohl für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens als auch für den Einsatz und die Verwendung der erfindungsgemäßen Vor richtung dar. Der Grund hierfür liegt darin, daß die differen tiellen Absorptionsquerschnitte bei beiden Meßmethoden nur un wesentlich verschieden sind. Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn die effektiven Absorptionsquerschnitte im betref fenden Spektralbereich mittels Gl. (2) berechnet werden. Für den konventionellen Fall ergibt sich in Fig. 5 ein Wert von

Δσ_alt = 6,51 · 10^-23 cm²

und gemäß der Erfindung nach Fig. 2

Δσ_neu = 6,34 · 10^-23 cm²

Hierbei ist mit den Indizes "alt" bzw. "neu"die konventionelle Methode bzw. die neue Methode gemäß der Erfindung bezeichnet.

In Fig. 3a wurde am Beispiel eines Wasserdampfspektrums im Spektralbereich von 828 nm für die off-line Messung eine unge seedete und somit breitbandige Strahlung verwendet. In Fig. 3b wurde ebenfalls in dem Wasserdampfspektrum im Spektralbereich von 828 nm die geseedete und somit schmalbandige Lichtquelle auf die Absorptionslinie abgestimmt. Hierbei beträgt dann die spektrale Bandbreite (FWHM - Full Width at Half Maximum) der ungeseedeten Strahlquelle 2 nm und ist somit um einen Faktor 1000 größer als die Breite der Strahlquelle im geseedeten Be trieb, welche bei 0,002 nm liegt.

Für die Berechnungen wurde ein gauß-förmiges Linienprofil mit einer Halbwertsbreite von 2 nm im Falle eines breitbandigen OPO gemäß Fig. 3a angenommen. Hier sind in Fig. 3a und Fig. 3b auf der Abszisse wieder die Wellenlänge in nm und auf der Or dinate der Absorptionsquerschnitt [IE - 22cm₂] aufgetragen. Die Bestimmung der H₂O-Absorptionsquerschnitte in dem entspre chenden Spektralbereich beruht auf den Linienparametern der HITRAN-Datenbank. Als Linienprofil wurde ein Lorenz-Profil an genommen, welches für Messungen am Boden eine gute Näherung ist. Die spektrale Halbwertsbreite des geseedeten OPO wurde gemessen und ist kleiner als 0,002 nm. Die spektrale Breite der breitbandigen, ungeseedeten Idlerstrahlung des OPO beträgt bei der verwendeten Wellenlänge üblicherweise 1 bis 3 nm. Mo dellrechnungen mit unterschiedlichen Laserlinienbreiten von 0,5 bis 5 nm in diesem Spektralbereich haben gezeigt, daß die maximale Änderung des vorstehend angegebenen Absorptionsquer schnittes Δσ_neu < 1% ist.

Das vorstehend beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung wur de von der Anmelderin für die Fernerkundung von Wasserdampf am Boden getestet. Aufgrund der Kompaktheit des erstellten Proto typs wird nunmehr ein flugzeuggetragendes System erstellt, das bei meteorologischen Meßkampagnen zum Einsatz kommt. Auch läßt sich dieses Verfahren gemäß der Erfindung auf alle Spurengase erweitern, die der DIAL-Nachweistechnik zugänglich sind und ein diskretes Schwingungs-Rotations-Bandensystem im entspre chenden Spektralbereich besitzen, so beispielsweise bei SO₂, CO₂, NO_x und bei Kohlenwasserstoffverbindungen.

Claims

1. Verfahren zur Fernerkundung von Spurengasen, bei welchem unter Verwendung des DIAL-Verfahrens

a) die Teilchenzahl-Konzentration N(R) des zu untersuchenden Gases als Funktion der Entfernung (R = R₁ + ΔR/2) mit Hilfe der DIAL-Gleichung berechnet wird,
wobei ΔR das Entfernungsintervall aus der Differenz von zwei Entfernungen R₁ und R₂ ist, P_on(R₁), P_off(R₁), P_on(R₂) und P_off(R₂) die Leistungen von aus der Entfernung R₁ und R₂ emp fangenen Rückstreusignalen sind, und Δσ der effektive diffe rentielle Absorptionsquerschnitt ist, mit wobei ν die Frequenz einer ausgewählten Spektrallinie des zu untersuchenden Gases ist, ν_on die Frequenz dessen Absorptions linie und ν_off eine Referenzfrequenz ist, σ(ν) der molekulare Absorptionsquerschnitt und L(ν) die spektrale Energievertei lung einer Strahlquelle ist,
b) P_on mittels Strahlung einer schmalbandigen Strahlquelle mit der Absorptionslinien-Frequenz ν_on des zu untersuchenden Gases erzeugt wird, deren spektrale Breite kleiner ist als die Linienbreite der Absorptionslinie, und
c) P_off mit Strahlung einer breitbandigen Strahlquelle der Re ferenzfrequenz ν_off erzeugt wird, deren spektrale Breite um ein Vielfaches größer ist als die Linienbreite der Absorp tionslinie.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welcher eine Sendeeinrichtung (1) mit variabler spek traler Bandbreite vorgesehen ist, die eine Seedquelle (10), eine Strahlquelle (11) und einen dazwischen angeordneten Schalter (12) aufweist, mittels welchem die Strahlquelle (11) zwischen geseedetem (schmalbandigem) Betrieb, bei welchem Strahlung mit der Absorptionsfrequenz (ν_on) abgegeben wird, und ungeseedetem (breitbandigem) Betrieb, bei welchem Strah lung mit einer Referenzfrequenz (ν_off) abgegeben wird, hin- und herschaltbar ist, und eine Empfangseinrichtung (2) für aus zwei Entfernungen (R₁, R₂) eintreffende Rückstreusignale (P_on, P_off) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Strahlquelle ein durchstimmbarer Laser ist, bei dem als laseraktives Medium Farbstoffe oder Festkörper-Materialien verwendbar sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Strahlquelle eine Lichtquelle mit nicht-linearer Frequenzkonversion, wie ein erster optischer parametrischer Oszillator (OPO), ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher die Seedquelle (10) ein kontinuierlich betriebener oder ein gepulster Laser ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher die Seedquelle (10) ein zweiter kontinuierlich betriebener oder gepulster, optischer parametrischer Oszillator (OPO) ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welcher die Wellenlänge der Seedquelle (10) entweder der Signal- oder der Idlerwellenlänge des ersten optischen parametrischen Os zillators (OPO) entspricht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welcher der Schalter (12) ein mechanisches Schaltmittel ist, welches zum Unterbrechen von Injection seeding die Strahlquelle (11) zwischen geseedetem und ungeseedetem Betrieb hin- und her schaltet.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welcher der Schalter (12) mittels elektro-optischer oder akusto-opti scher Mittel den Strahl der Seedquelle (10) ablenkt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welcher der Schalter (12) die Polarisationsrichtung der Strahlung der Seedquelle (10) verändert und die Strahlquelle (11) mittels dieser Veränderung zwischen geseedetem und ungeseedetem Be trieb hin- und hergeschaltet wird.