DE202006014264U1

DE202006014264U1 - Lidar-System

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Publication number: DE202006014264U1
Application number: DE202006014264U
Authority: DE
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2016-09-14

Abstract

Lidar-System zur Fernmessung atmosphärischer Aerosole mit
– einer Laser-Strahlungsquelle mit den Wellenlängen 1064, 532 und 355 nm,
– einer Transmissionseinrichtung für die Laserstrahlung,
– einem Empfangsteleskop für die Rückstreuung der Laserstrahlung,
– einem Verteilungssystem für die empfangene Rückstreuung mit zumindest diversen normalen und dichroitischen Spiegeln, Filtern, Linsen und einem Depolarisator,
– einem Detektionssystem für elastische Rückstreuungsanteile,
– einem Detektionssystem für die nichtelastischen Raman- und Fluoreszenz-Rückstreuungsanteile und
– einer Steuereinheit für das Lidar-System sowie
– einer digitalen Speicher- und Auswertungseinrichtung für die Detektionsergebnisse,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Transmissionseinrichtung für die Laserstrahlung ein achromatisches Aufweitungsteleskop AT ist,
– das Empfangsteleskop einen Off-Axis-Paraboloiden OP zur Strahlumlenkung und -parallelisierung aufweist,
– der Depolarisator ein rotierendes Glan-Taylor-Prisma GP mit einer alle 90° ein Triggersignal für die durch eine Synchronisationselektronik gesteuerte Auslösung eines Laserpulses erzeugenden Lichtschranke ist,
– das Detektionssystem für die...

Description

Die Neuerung bezieht sich auf ein Lidar-System zur Fernmessung atmosphärischer Aerosole mit

– einer Laser-Strahlungsquelle mit den Wellenlängen 1064, 532 und 355 nm,
– einer Transmissionseinrichtung für die Laserstrahlung,
– einem Empfangsteleskop für die Rückstreuung der Laserstrahlung,
– einem Verteilungssystem für die empfangene Rückstreuung mit zumindest diversen normalen und dichroitischen Spiegeln, Filtern, Linsen und einem Depolarisator,
– einem Detektionssystem für elastische Rückstreuungsanteile,
– einem Detektionssystem für die nichtelastischen Raman- und Fluoreszenz-Rückstreuungsanteile und
– einer Steuereinheit für das Lidar-System sowie
– einer digitalen Speicher- und Auswertungseinrichtung für die Detektionsergebnisse.

Derartige Lidar-Systeme (light detection and ranging = Lichtnachweis und -messung) werden zur aktiven Fernerkundung von Typ und Menge atmosphärischer Aerosole mit hoher zeitlicher (ca. 1–2 min) und räumlicher Auflösung (ca. 10 m–150 m) eingesetzt. Dazu wird mit hoher Effizienz und einer Bandbreite von mindestens 1 MHz die Rückstreuung eines ausgesendeten Laserpulses gemessen. Es soll mit einem Gerät bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen einerseits die elastische Rückstreuung und andererseits die Raman-Streuung und die Fluoreszenz als nichtelastische Rückstreuungen detektiert und an Hand der gewonnenen Messdaten Aerosole klassifiziert und ihre Menge bestimmt werden.
Stand der Technik
Es existiert eine große Anzahl unterschiedlichster Lidar-Systeme zur Detektion von Aerosolen in der Atmosphäre. Grundsätzlich erzeugt dabei ein Laser kurze Laserpulse, typischerweise mit einer Pulsdauer von 5 ns und einer Repetitionsrate von 10–1000 Hz. Diese werden von einer optischen Anordnung auf ein Zielgebiet in der Atmosphäre emittiert. Ein Teleskop, das auf die emittierte Laserstrahlachse ausgerichtet ist, fängt die zurückgestreute Strahlung auf und führt sie über eine weitere optische Anordnung einer Detektionseinheit zu, die die Lichtintensität mit hoher zeitlicher Auflösung, typischerweise 1–150 MHz, misst. Die einzelnen Messsignale werden über einen bestimmten Zeitraum aufaddiert und in einem Computer zur Auswertung abgespeichert oder auch on-line ausgewertet.
Aus der US 6,664,533 B1 ist eine Anordnung und eine Methode zur Detektion von Spurengasen, z.B. Methan, in der Atmosphäre mit einem Lidar-System bekannt. Ein Laserstrahl wird über Spiegel in den zentralen Strahlengang eines Detektionsteleskops eingeführt und auf das Ziel gelenkt. Die Rückstreuung von dem im mit dem Laser bestrahlten Zielgebiet austretenden Spurengas wird von dem Teleskop aufgefangen, gebündelt und auf eine Detektionseinrichtung geleitet. Das Gerät ist fahrbar und arbeitet automatisch. Es kann mit Hilfe eines Pipeline-Leck-Simulators kalibriert werden und ist einseitig auf die Detektion von Methangasspuren ausgelegt. Aus der US 5,796,471 ist ein satellitengestütztes Lidar-System zur meteorologisch Wetterbeobachtung mit Messung von Wind- und Wolkengeschwingigkeiten über die Detektion von Geschwindigkeit und Ort von Aerosolen bekannt. Das Gerät verfügt über einen UV-Laser mit Transmitter in die Atmosphäre und einen Empfänger für die dadurch erzeugte Rückstreuung. Durch die Anordnung in einem Satelliten in der Erdumlaufbahn kann das Gerät weite Bereiche der Erdoberfläche erfassen. Es ist nicht geeignet, verschiedenste Aerosole nach ihrer Art zu detektieren. Aus der US 2006/0139657 A1 ist ein Lidar-System zur Erfassung von atmosphärischen Turbulenzen, z.B. zum Einbau in Flugzeuge, bekannt. Es werden dabei nur die nahe bei der Ausstrahlungs wellenlänge liegenden Rückstreuungen, die Mie- und die Rayleigh-Linie, betrachtet. Die Mie-Linie wird konstruktiv ausgeblendet, indem Interferenzsäume gebildet werden und nur die Mitte der Rückstrahlung durch eine Lochblende zur Abbildung zugelassen wird. Die Mie-Linie wird dabei durch eine Abschattung der zentralen Mitte der Lochblende ausgeschlossen. Auch dieses System ist zur Detektion von verschiedensten Aerosolen nach ihrer Art ungeeignet.
Die US 6,593,582 B2 von der die vorliegende Neuerung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, offenbart ein tragbares digitales Lidar-System zur Frühwarnung vor verschiedenen Gasen in der Atmosphäre, insbesondere ABC-Kampfstoffen im Kriegseinsatz. Das Gerät verfügt über eine Laser-Strahlungsquelle mit den Wellenlängen 1064, 532 und 355 nm, eine gemeinsames Teleskop für die Transmission der Laserstrahlung und den Empfang der Rückstreuung der Laserstrahlung, ein Verteilungssystem für die empfangene Rückstreuung mit Spiegeln, Filtern, Linsen und Depolarisatoren, Detektionssystemen für elastische und nichtelastische Rückstreuungsanteile und eine Steuereinheit für das Lidar-System sowie eine digitale Speicher- und Auswertungseinrichtung für die Detektionsergebnisse. Das Gerät ist klein, mit einem Spiegeldurchmesser des Teleskops von ca. 25 cm und mit Laser-Pulsenergien von 0,1–1 mJ. Diese geringe Energie soll durch die digitale Auswertung mit einem entscheidend erhöhten Signal-Rauschabstand ermöglicht werden und trotz kleiner Bauweise eine hohe Auflösung des Detektionssignals zulassen. Ein Erfassungsbereich von 20 km bei einer mittleren Detektionszeit von 0,5 s und Auflösung nach verschiedenen Aerosolen werden propagiert. Aufgrund seiner Bauweise ermöglicht dieses Lidar-System nicht die quantitative Bestimmung der Partikel-Depolarisation. Außerdem wird die nicht-elastische Rückstreuung lediglich in einem bei 440 nm zentrierten 10 nm breiten Spektralband gemessen. Eine Messung des Fluoreszenz- bzw. Raman-Spektrumsist hier nicht vorgesehen. Da auch die molekulare Raman-Streuung nicht nachgewiesen wird, kann dieses System die Aerosol-Extinktion nicht direkt feststellen.
Aus diesen Gründen muss davon ausgegangen werden, dass die Sicherheit bei der Bestimmung der Aerosole begrenzt ist.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe für die vorliegende Neuerung ist es daher, die Bestimmung verschiedenster Aeorosole noch sicherer zu machen und dafür ein kompaktes und transportables System zur Verfügung zu stellen.
Die neuerungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Anspruch zu entnehmen.
Das neuerungsgemäße Lidar-System ist gekennzeichnet durch eine Transmissionseinrichtung für die Laserstrahlung als achromatisches Aufweitungsteleskop, ein Empfangsteleskop mit einem Off-Axis-Paraboloiden zur Strahlumlenkung und -parallelisierung, einen Depolarisator als rotierendes Glan-Taylor-Prisma mit einer alle 90° ein Triggersignal für die durch eine Synchronisationselektronik gesteuerte Auslösung eines Laserpulses erzeugenden Lichtschranke, ein Detektionssystem für die nichtelastischen Raman- und Fluoreszenz- Rückstreuungsanteile als gekreuzter Czerny-Turner-Spektrograph mit Multi-Anoden-Photonenvervielfacher und die simultane Aufzeichnung nichtelastischer Rückstreuspektren in 32 Kanälen mit einer Auflösung von min. 1.5 nm und einer Bandbreite von min. 1 MHz.
Die meisten Aerosol Lidar Systeme messen lediglich die elastische Rückstreuung aufgeteilt evtl. auf zwei Polarisationsebenen, andere nutzen zusätzlich die Raman Streuung. Eine relativ neue Entwicklung ist die Verwendung der Fluoreszenz zur Detektion von Bio-Aerosolen wie Pollen, Sporen, Bakterien und Viren. Die Entwicklungen auf diesem Gebiet stammen vorwiegend aus dem militärischen Bereich mit dem Ziel biologische Kampfstoffe, insbesondere Bakterien, die von Flugzeugen in die Atmosphäre eingebracht werden, aufzuspüren. Aber auch andere Aerosole fluoreszieren und seit kurzem wird die Fluoreszenz von über weite Strecken transportiertem Rauch aus Waldbränden in der Atmosphäre nachgewiesen. Ein Hauptproblem der Aerosolmessung mittels Lidar-Systemen stellt die Bestimmung von Aerosoltyp und Menge an Hand der Lidar-Signale dar.
Mit den gängigen Rückstreu-Lidar-Systemen werden optische Parameter des Aerosols wie der Rückstreukoeffizient und möglicherweise seine Wellenlängenabhängigkeit gemessen. Das Raman-Lidar-System erlaubt die Bestimmung des Extinktionskoeffizienten, bzw. der optischen Dicke der Aerosolpartikel. Es wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, die es ermöglichen sollen, aus diesen optischen Größen mikrophysikalische Parameter wie Partikelgröße und Zusammensetzung herzuleiten. Ein Grundproblem dieser Anstrengungen liegt darin, dass Aerosolpartikel über eine große Zahl unbekannter Eigenschaften wie Größenverteilung, Form und Brechungsindex verfügen, mit dem Lidar-System aber nur eine sehr begrenzte Anzahl von indirekten Parametern gemessen werden. Schon die Herleitung von Gleichungen, die die gemessenen Parameter mit den Eigenschaften der Aerosolpartikel verbinden, beinhaltet daher eine größere Anzahl von Annahmen um das komplexe Problem zu vereinfachen. Beispielsweise wird angenommen, dass über alle Größenbereiche nur ein bestimmter Partikeltyp vorliegt, dessen Brechungsindex unveränderlich und bekannt ist. Häufig geht man von kugelförmigen Teilchen aus. Unter diesen Annahmen lassen sich dann die entsprechenden Gleichungen formulieren. Diese sind aber nicht oder nur unter Hinzuziehung weitere Annahmen und Vereinfachungen lösbar, da uns die komplexe Natur der Lichtstreuung vor nicht-eindeutige und unterdeterminierte mathematische Probleme stellt.
Aus diesem Grund wird hier ein anderer Ansatz verfolgt, der davon ausgeht, dass sich Aerosole in verschiedene Klassen einteilen lassen. An Hand von in-situ und anderen Messungen können die Eigenschaften der verschiedenen Aerosol-Klassen bestimmt werden und daraufhin als bekannt vorausgesetzt werden. Die Aufgabe eines Fernerkundungsverfahren beschränkt sich dann darauf, die in den verschiedenen Höhenbereichen vorherrschende Aerosol-Klassen festzustellen.
Dazu berechnet man mit Hilfe einer geeigneten Streutheorie (z.B. Mie-Theorie) die relevanten optischen Größen wie Extinktions-, Rückstreukoeffizienten und Depolarisation der Aerosole und erstellt daraus eine Tabelle (Look-Up Table, LUT). Nach einer Messung vergleicht man die gemessen Werte mit denen in der Tabelle und wählt diejenige Aerosol-Klasse als vorherrschend aus, für die die Differenzen am geringsten sind (LUT-Verfahren). Diese Verfahren werden überwiegend für die Auswertung von Satellitendaten verwendet, eignen sich aber grundsätzlich auch für Lidar-Messungen.
Eigene Messungen mit einem mobilen Lidar-System zeigten, dass mit Hilfe der Wellenlängenabhängigkeit des Rückstreukoeffizienten b, ausgedrückt durch den Farbindex I:
sowie der Depolarisation, definiert durch
eine Klassifizierung durchgeführt werden kann.
An Hand von I und D lassen sich maritimes Aerosol (Seesalz), Staub und – mehr oder weniger rußhaltiges – Sulfataerosol voneinander unterscheiden. Sulfataerosole teilen sich auf in Aerosole aus Biomasseverbrennung (insb. Waldbränden) und verschmutzte Luft aus Industrie- und Verkehrsabgasen (urbanes Aerosol). Dabei erzeugen Aerosole aus der Biomasseverbrennung (insb. Waldbränden) deutliche Fluoreszenz-Signale, die mit einem Lidar-System nachgewiesen werden können. Die Fluoreszenz kann also zu einer genaueren Klassifizierung des Aerosols herangezogen werden. Die Bestimmung des Fluoreszenzspektrums kann aber noch weitergehende Informationen enthalten. Insbesondere deutet sich die Möglichkeit an, Bio-Aerosole von Verbrennungs-Aerosolen zu unterscheiden. Eine möglichst genaue Bestimmung der Aerosolklasse ist nötig, um den imaginären Brechungsindex der Partikel angeben zu können. Mit Hilfe dieser Angabe ist es dann möglich, aus den gemessenen optischen Parametern, den effektiven Radius der Partikel zu berechnen. Damit kann dann auch die Aerosol-Menge (oder Partikel-Anzahlkonzentration) bestimmt werden.
Die Besonderheit des hier vorgestellten Systems ist die gleichzeitige Messung von elastischen Rückstreusignalen bei verschiedenen Wellenlängen, deren Polarisationsabhängigkeit, der Ramanstreuung und der Fluoreszenz. Aus den aufgezeichneten Lidar-Signalen können die Aerosol-Rückstreukoeffizienten bei mehreren Wellenlängen, mindestens ein Extinktionskoeffizient, die Depolarisation, sowie ein Fluoreszenzspektrum als Funktion der Höhe gemessen werden. Mit Hilfe dieser Informationen kann der vorherrschende Aerosoltyp im jeweiligen Höhenbereich bestimmt werden. Anschließend ist es möglich, die Rückstreuquerschnitte der Aerosolpartikel hinreichend genau zu berechnen um die Aerosolmenge (in μg/m3) zu bestimmen. Bisherigen Verfahren ist es nicht möglich, Aerosoltyp und -menge mit der nötigen Zuverlässigkeit zu bestimmen.
Das hier vorgestellte Lidar-System ist kompakt und leicht transportierbar durch Verwendung eines achromatischen Newton-Teleskops als Empfangsteleskop mit einem Off-Axis-Paraboloiden zur Strahlumlenkung und -parallelisierung, wodurch die Anzahl der optischen Elemente verringert wird. Ein Depolarisator ist als rotierendes Glan-Taylor-Prisma mit einer alle 90° ein Triggersignal für die durch eine Synchronisationselektronik gesteuerte Auslösung eines Laserpulses erzeugenden Lichtschranke ausgebildet. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber herkömmlicher Depolarisationsmessungen, die das Signal auf zwei separate Detektoren aufteilt, besteht darin, dass hier keine Kalibrierung notwendig ist. Die elastischen Rückstreusignale werden mit speziell hierfür entwickelten Transientenrekorder aufgezeichnet. Diese zeichnen sich durch eine gleichzeitige Signalerfassung im analogen Modus und im Einzelphotonen-Zählverfahren aus. Sie verfügen über eine Bandbreite von 20 MHz und einer Datentiefe von 12 bit. Ein Detektionssystem für die nichtelastischen Raman- und Fluoreszenz-Rückstreuungsanteile ist als gekreuzter Czerny-Turner-Spektrograph mit Multi- Anoden-Photonenvervielfacher ausgebildet. Dieser Detektor wird von einem speziell hierfür konzipierten Transientenrekorder ausgelesen der mit einer Bandbreite von 5 MHz alle 32 Kanäle simultan im Einzelphotonen-Zählverfahren auswertet. Schließlich wurde noch eine Automatisierungssoftware entwickelt, die alle Einzelkomponenten des Systems ansteuert und entsprechend den Wetterbedingungen und Nutzervorgaben vollautomatisch Lidar-Messungen durchführt.
Ausführungsbeispiele
Ausbildungsformen des Lidar-Systems nach der Neuerung werden nachfolgend zum weiteren Verständnis der Neuerung anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 das Lidar-System insgesamt und
2 die Detektoreinheit daraus, jeweils im schematischen Aufbau.
1 zeigt den Aufbau eines Lidar-Systems LS nach der Neuerung. Ein solider Rahmen RA bildet drei voneinander getrennte Bereiche. Der erste Bereich BL trägt den vertikal ausgerichteten Laser LA. Es handelt sich um einen Nd:YAG-Laser vom Typ Quantel Brillant. Die Stromversorgung durch das Laser-Netzteil LN steht außerhalb des Bereichs BL. Der Laser LA erzeugt Laserpulse bei 1064 nm Wellenlänge mit einer Pulsenergie von 360 mJ mit einer Repetitionsrate von 20 Hz. Diese werden anschließend durch einen nichtlinearen Kristall verdoppelt und durch einen weiteren Kristall verdreifacht. Die Ausgangsenergie dieser Pulse beträgt 180 mJ bei 532 nm und 65 mJ bei 355 nm. In einem achromatischen Aufweitungsteleskop AT werden die Laserstrahlen LX bei allen drei Wellenlängen von ursprünglich 6 mm Durchmesser auf 30 mm Durchmesser aufgeweitet. Dabei verringert sich die Strahldivergenz von 0.5 mrad auf 0.1 mrad. Dieser Laserstrahl wird über einen Umlenkspiegel U1 in den mittleren Bereich gelenkt. Dort befindet sich ein weitere Umlenkspiegel U2, der kardanisch über computergesteuerte Elektro-Schrittmotoren SM justiert werden kann. Er lenkt die Laserstrahlen LX parallel zur Achse des Empfangs-Teleskops ET vertikal nach oben, wo das Licht durch ein spezielles Fenster SF in die Atmosphäre emittiert wird.
Der mittlere Bereich des Rahmens RM enthält das Empfangsteleskop ET. Der Primärspiegel PR ist ein Paraboloid aus aluminiumbeschichtetem Zerdur mit einen Durchmesser von 400 mm und eine Brennweite von 1200 mm. Er ist auf drei justierbaren Punktlagern JP gelagert. Über einen planen Sekundärspiegel PS wird ein axial einfallendes Lichtbündel LB auf eine Lochblende L1 mit 1 mm Durchmesser abgebildet und in den rechten Bereich BR überführt. Dort befindet sich ein Off-Axis-Paraboloid OP mit einer Brennweite von 25.4 mm und einer Axial-Verschiebung (Distanz zwischen Brennpunkt und Zentralachse des optischen Elements) von 50.8 mm. Dieser bewirkt eine Parallelisierung und eine Umlenkung des Lichtbündels LB von 90°. Das Lichtbündel LB wird anschließend durch eine Anordnung von dichroitischen Spiegeln (2) in verschiedene Kanäle aufgeteilt und der Detektoreinheit DE zugeführt.
Außerhalb des das Lidar-System tragenden Rahmens RA ist außerdem ein Schaltschrank SK angeordnet, der einen Computer PC mit Bildschirm SC zur Anzeige und Auswertung der empfangenen Daten, vier Transientenrekordern in einem Modul TR zur Aufzeichnung der empfangenen Daten und eine Steuerungselektronik SE zur Steuerung des Lidar-Systems LS enthält.
2 zeigt die Detektoreinheit DE, in der das Lichtbündel LB, aus dem Off-Axis-Paraboloid OP kommend, weiter verarbeitet wird. Ein dielektisch beschichteter dichroitischer Spiegel D1 lenkt elastisch gestreutes Licht aller Wellenlängen mit einer Effizienz von über 99% um 90° um, während er Licht im unelastisch gestreutes Wellenlängenbereich zwischen 370 nm und 470 nm zu im Mittel über 90% transmittiert. Das elastische gestreute Licht (bei 355 nm, 532 nm und 1064 nm) wird über weitere dichroitische Spiegel D2, D3 aufgeteilt. Licht bei einer Wellenlänge von 1064 nm wird von dem nächsten dichroitischen Spiegel D2 transmittiert und über einen Umlenkspiegel U3 einem ersten Detektor T1 zugeführt. Dieser besteht aus einem Interferenzfilter der eine Transmission bei 1064 nm von über 80% und eine Bandbreite von 2.8 nm aufweist, einer Fokussierlinse und eine aktiv gekühlte Si-Avalanche-Photodiode (APD). Licht bei den Wellenlängen 355 nm und 532 nm wird von dem dichroitischen Spiegel D2 umgelenkt und passiert im Anschluss einen Polarisator als rotierendes Glan-Taylor-Prisma GP. Dieses lässt Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung passieren, während Licht, das senkrecht dazu polarisiert ist abgelenkt und anschließend absorbiert wird. Die Drehmechanik verfügt über eine Lichtschranke, die immer dann ein Trigger-Signal erzeugt, wenn sich das Prisma um 90° gedreht hat. Über eine Logik wird dieses Signal an den Laser LA weitergeleitet und so synchronisiert, dass der Laser LA immer dann einen Lichtpuls erzeugt, wenn der Polarisator GP genau parallel zu dessen Polarisationsrichtung, bzw. senkrecht dazu ausgerichtet ist. Der Transientenrekorder TR ist so konfiguriert, dass die zugehörigen Messsignale separat aufaddiert und gespeichert werden. Auf diese Weise werden von Schuss zu Schuss abwechselnd die parallelen und die senkrecht zum Laser LA polarisierten Rückstreusignale gemessen. Nachdem das Licht den Polarisator GP passiert hat wird es durch einen weiteren dichroitischen Spiegel D3 in Licht der Wellenlänge 355 nm und 532 nm aufgeteilt und über je einen Detektor T2, T3 nachgewiesen. Die Detektoren T2, T3 bestehen jeweils aus einem schmalbandigen Interferenzfilter (Bandbreite ca. 0.8 nm), einer plankonvexen Linse und einem Sekundärelektronenvervielfacher (PMT).
Das inelastisch gestreute Licht wird vom dichroitischen Spiegel D1 transmittiert und anschließend über eine Fasereinkopplung FE in ein Faserbündel FB eingekoppelt. Am anderen Ende hat das Faserbündel die Form eines Rechtecks, das nun über eine F-Zahl-Anpassung und einen Filter (Semrock FF001-417/60) in einen gekreuzten Czerny-Turner-Spektrographen CS (Oriel MS125) eingekoppelt wird. Ein holographisches Gitter mit einer Zeilendichte von 3600 Linien/mm (305 nm blaze) und einer Dispersion von 1.88 nm/mm spaltet das Licht spektral auf, das anschließend auf einen 32-Kanal Multianoden Photonenvervielfacher MP abgebildet wird. Er ist 32 mm lang und jeder Kanal hat eine Breite von 0.8 mm.
Daraus ergibt sich eine Bandbreite von 1.5 nm pro Kanal. Abgebildet wird der Bereich von ca. 380 bis 440 nm. Der Multianoden Photonenvervielfacher MP wird so justiert, dass auf Kanal 2 die N2-Raman Linie bei 386.7 nm gemessen werden kann. Auf Kanal 12 liegt das Raman-Signal von Wasserdampf. Die übrigen Kanäle dienen der Detektion des Fluoreszenzspektrums, sowie der Ramanstreuung kondensierten Wassers.

AT: achromatisches Aufweitungsteleskop
BL: erster Bereich
BR: rechten Bereich
CS: Spektrograph
D1, D2, D3: dichroitischer Spiegel
DE: Detektoreinheit
ET: Empfangsteleskop
FB: Faserbündel
FE: Fasereinkopplung
GP: Polarisator
JP: justierbares Punktlager
L1: Lochblende
LA: Laser
LB: Lichtbündel
LN: Laser-Netzteil
LS: Lidar-System
LX: Laserstrahlen
MP: Multianoden Photonenvervielfacher
OP: Off-Axis-Paraboloid
PC: Computer
PR: Primärspiegel
PS: planer Sekundärspiegel
RA: Rahmen
SC: Bildschirm
SE: Steuerungselektronik
SF: Fenster
SK: Schaltschrank
SM: Schrittmotoren
T1, T2, T3: Detektor
TR: Transientenrekorder
U1, U2, U3: Umlenkspiegel

Claims

Lidar-System zur Fernmessung atmosphärischer Aerosole mit – einer Laser-Strahlungsquelle mit den Wellenlängen 1064, 532 und 355 nm, – einer Transmissionseinrichtung für die Laserstrahlung, – einem Empfangsteleskop für die Rückstreuung der Laserstrahlung, – einem Verteilungssystem für die empfangene Rückstreuung mit zumindest diversen normalen und dichroitischen Spiegeln, Filtern, Linsen und einem Depolarisator, – einem Detektionssystem für elastische Rückstreuungsanteile, – einem Detektionssystem für die nichtelastischen Raman- und Fluoreszenz-Rückstreuungsanteile und – einer Steuereinheit für das Lidar-System sowie – einer digitalen Speicher- und Auswertungseinrichtung für die Detektionsergebnisse, dadurch gekennzeichnet, dass – die Transmissionseinrichtung für die Laserstrahlung ein achromatisches Aufweitungsteleskop AT ist, – das Empfangsteleskop einen Off-Axis-Paraboloiden OP zur Strahlumlenkung und -parallelisierung aufweist, – der Depolarisator ein rotierendes Glan-Taylor-Prisma GP mit einer alle 90° ein Triggersignal für die durch eine Synchronisationselektronik gesteuerte Auslösung eines Laserpulses erzeugenden Lichtschranke ist, – das Detektionssystem für die nichtelastischen Raman- und Fluoreszenz-Rückstreuungsanteile ein gekreuzter Czerny-Turner-Spektrograph CS mit Multi-Anoden-Photonenvervielfacher MP ist und – nichtelastische Rückstreuspektren in 32 Kanälen mit einer Auflösung von min. 1.5 nm und einer Bandbreite von min. 1 MHz simultan aufgezeichnet werden.