WO2014083014A2 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen sowie berechnen eines streustrahlungsspektrums sowie verfahren zum komprimieren von daten - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for determining a spectrum of scattered radiation in which a plurality of laser pulses are scattered one after the other and the scattered scattered radiation is measured, wherein at least one property of the laser pulses is determined and linked to the scattered radiation for determining the spectrum. Furthermore, the invention relates to a device for determining a spectrum of scattered radiation, with a pulse laser whose scattered during operation of the device laser pulses are scattered to generate the scattered radiation, and with a radiation sensor which is adapted to receive the scattered radiation at least partially. Furthermore, the invention relates to a method for calculating a scattered radiation spectrum. Moreover, the invention relates to a method for compressing structureless data with known distribution.
  • the laser pulses may be scattered on gas to determine properties of the gas.
  • the gas under investigation is often part of the atmosphere whose properties are to be determined.
  • the device is for example part of a so-called lidar, which works like a radar, but uses laser radiation instead of the radio radiation.
  • lidar which works like a radar, but uses laser radiation instead of the radio radiation.
  • Known complex lidar systems can determine concentrations of atmospheric trace gases, for example for monitoring emission levels of power plants.
  • the properties of the gas can be determined all the more accurately, the more accurately the spectrum of the scattered radiation is determined.
  • a prerequisite for determining the scattered radiation spectrum is to keep the properties of the emitted laser pulses as stable as possible.
  • the characteristics of the individual laser pulses emitted by the pulsed laser vary unpredictably in known pulsed lasers and are so strong that many measurements can not be carried out with sufficient accuracy.
  • the stabilization of the properties of the laser pulses is already very laborious in the laboratory.
  • the properties of some laser pulses can easily deviate greatly from the properties of other laser pulses or a target property.
  • vibrations or sound lead to a change in the optical path length of a resonator of the laser, whereby properties and, for example, the wavelength of the laser can vary greatly from pulse to pulse.
  • This object is achieved for the aforementioned method in that the frequency of the laser pulses is determined as a property.
  • this object is achieved by a spectrum analyzer, the laser radiation receiving connected to the pulse laser and is designed to determine a property of the laser pulses.
  • the laser pulses all have a particularly constant and preferably a precisely predetermined frequency, so it is sufficient to use known pulse laser whose frequencies can vary uncontrollably, at least within certain limits from pulse to pulse.
  • the spectrum analyzer the property of the laser pulse and in particular its frequency is at least relatively determinable and can be stored, linked to measured data generated by the radiation sensor. From the linked data, the scattered radiation spectrum can be reconstructed accurately, although the properties of the laser pulses used were neither stable nor previously known. In a later data analysis, the sequence of the measurement can be reconstructed from the data and the scattered radiation spectrum to be measured can be determined with much higher accuracy than the stability of the pulsed laser would normally allow.
  • Doppler broadening or Doppler shift e.g. B. pressure changes are measured.
  • it is necessary to make minimal changes to a spectrum eg. For example, it may be necessary to demonstrate a line shape or width, with an accuracy that is generally desired only for high-precision laboratory measurements.
  • the frequency of the laser pulses can be determined. Frequency measurements are relatively simple and accurate.
  • the wavelength of the laser pulses is simply derived from their frequency.
  • the frequency of one of the laser pulses can be an excellent frequency in its spectrum.
  • the spectrum at the excellent frequency may have its maximum or center of gravity, with the center of gravity being preferred because it is more robust than the maximum.
  • the measured frequencies of the laser pulses to be scattered are available.
  • the scattered radiation spectra can be determined so accurately with the method and the device according to the invention that even the temperature or the wind speed of a gas in the atmosphere can be determined.
  • the laser pulses are directed into the atmosphere and receive scattered radiation of the laser pulses scattered back at least partially back to the device from the atmosphere.
  • the spectrum of scattered radiation is z. B. in the temperature measurement compared to the frequency spectrum of the laser pulses used Doppler spread.
  • Doppler measurements require an accuracy of better than 1 MHz (wavelength accuracy of about 1 fm) for the determination of the temperature to about 1 Kelvin or the wind to 1 m / s exactly.
  • a change in temperature corresponds to a linewidth change of typically 1: 500 or less.
  • the device is capable of being used for very long periods of time, e.g. B. several hours, days or weeks to determine scattered radiation spectra with an accuracy of up to 10 kHz or better repeatedly.
  • the achieved accuracy in the frequency measurement of each individual laser pulse is at a factor of about 10 ⁇ 10 the frequency of the emitted laser pulses and is thus substantially better than 1 MHz for each individual laser pulse used to determine the scattered radiation spectrum.
  • At least part of the scattered radiation can be detected per laser pulse and the amount of detected scattered radiation of the scattered laser pulse can be linked to the specific property, that is to say the frequency of the laser pulse.
  • the radiation sensor is designed to receive part of the scattered radiation and to generate a measurement or quantity signal that depends on the amount of scattered radiation received.
  • the amount of receivable scattered radiation is very low. Often not even a scattered photon is received per laser pulse.
  • the amount of detected scattered radiation may be the number of photons scattered and received per laser pulse. Alternatively, the amount of intensity may correspond to the detected scattered radiation per laser pulse.
  • vibrations can cause at least some of the laser pulses to be unsuitable for determining gas properties. Even a few unsuitable laser pulses can significantly impair the accuracy of the scattered radiation spectrum.
  • a quality feature can be determined by the laser pulses become. Only laser pulses and their associated scattered radiation are used to determine the scattered radiation spectrum whose quality feature satisfies a quality criterion.
  • multimode laser pulses or broadband emissions of the pulse laser with a frequency range greater than, for example, 1000 GHz do not meet the quality criterion. Even if the pulse laser has such disturbances less than one percent of the time, the scattered radiation spectrum to be measured is so strongly distorted that the quality of the measurement noticeably suffers.
  • their laser spectrum can be determined and the quality feature can be determined on the basis of this laser spectrum.
  • the laser spectrum can also be used to determine the frequency of the laser pulses. A separate measurement of the frequency is therefore not necessary and the quality feature and the frequency of the laser pulse can be determined in one step.
  • the laser pulse fulfills the quality criterion. If the laser pulse does not meet the quality criterion, its frequency and the scattered radiation caused by it are not used to determine the scattered radiation spectrum or the gas property. Only good quality laser pulses that fulfill the quality criterion are used for the determination and their specific property and in particular their frequency are linked to the amount of scattered radiation associated with the laser pulse.
  • the spectrum analyzer may comprise an incident laser light with self interfering interferometer, a measuring signal converter and a lens, wherein the lens between the interferometer and the measuring signal converter in a beam path is arranged from emerging from the interferometer and guided to the measuring signal converter laser light.
  • the lens is preferably a converging lens, which is the theoretically only at infinity forming interference pattern of the laser radiation on the measuring signal converter, z.
  • spectra can be determined over an almost unlimited frequency range.
  • B. broadband emissions of the pulse laser are well recognized. Unwanted modes of the laser pulses can also be determined with a high-resolution interferometer with a one-dimensional sensor.
  • the interferometer is preferably a Fabry-Perot etalon and arranged, for example, directly on the pulse laser, so that a part of each of the laser pulses in the interferometer is superimposed with itself and output via the lens to the measuring signal converter.
  • the spectrum analyzer over a very large wavelength range of up to many hundreds Nanometers are used unchanged.
  • all the necessary quantities for frequency determination from the interference pattern itself can be determined from the image via at least two free spectral regions (2 rings).
  • the only necessary indication for a precise determination of a frequency shift is the plate spacing of the two mirrors, which can be determined directly with extremely high precision during the construction. Alternatively, the plate spacing can later be determined by means of the reference laser, if there are enough many and in particular at least two precisely known wavelengths available.
  • the frequencies can not be determined unambiguously with the spectrum analyzer. If the free spectral range is, for example, 1000 MHz, then the spectrum analyzer generates substantially identical measured data or ring patterns for incident laser radiation with relative frequencies of, for example, 300 MHz, 1300 MHz and 2300 MHz, which do not permit a conclusion as to whether the frequency of the laser radiation is now 300 MHz, 1300 MHz or 2300 MHz. Only frequency differences that are smaller than the free spectral range, in the example, that is less than 1000 MHz, can be clearly identified.
  • frequencies can be at least relatively determined whose distance from each other is greater than the free spectral range of the interferometer, the frequency of the laser radiation and in particular the individual laser pulses, at least initially very coarse and in particular with an accuracy that is better than the free spectral determined become. If the relative frequency is roughly determined, it can then be determined with the spectrum analyzer exactly within the free spectral range.
  • the pulse laser or a pulse laser exciting seeder laser can be used.
  • the frequency of the laser pulses can namely z. B. depend on an electrical operating current and / or an electrical operating voltage of the pulse laser or the seeder laser.
  • Other operating parameters of the laser for example the gas pressure of a gas laser, can also influence the frequency of the laser pulses and thus be used for the coarse determination of the frequency.
  • the relative frequency of the laser pulse is roughly determined on the basis of an operating parameter of a laser participating in the generation of the laser pulse and in particular with an accuracy within the free spectral range of the interferometer, and the exact relative frequency is determined on the basis of the roughly determined relative frequency by measurement with the spectrum analyzer.
  • the distance between the two mirrors of the interferometer can be unchangeable, so that the interferometer can be built mechanically extremely stable.
  • the advantage of the Fabry Perot Etalon is its almost arbitrary plate spacing (high spectral resolution) as well his concentric ring system. By detecting the entire ring system, errors in the interferometer can be detected and averaged away. In addition, a much higher statistic per laser pulse is available.
  • the accuracy of the spectrum analyzer is limited, among other things, by the finite dynamics of the measuring sensor. By using the entire ring system, virtually the same measurements are made along many ring system diameters, which significantly increases the accuracy.
  • Mechanical changes eg. B. by the heating of the camera at the start of measurement, lead to a change in position of the interferogram on the measuring signal converter, which can be calculated and taken into account. This significantly reduces the requirement for the mechanical design of the spectrum analyzer.
  • the lidar With a mechanically stable interferometer, the lidar can be used mobile, ie on a ship or a motor vehicle, or transported for use in or as a space laboratory with a rocket, without changing the properties of the interferometer by vibrations occurring.
  • the spectrum analyzer also allows statements about the broadband emission of the pulse laser, which can extend over an extremely large frequency range of, for example, more than 1,000 GHz and which is usually not readily detectable by other methods.
  • the spectrum analyzer can be used unchanged over a very large wavelength range up to many hundreds of nanometers. As a result, spectra can be determined over an almost unlimited frequency range.
  • the device can have a reference frequency source, in particular in the form of a reference laser and, for example, a rubidium laser.
  • the reference laser is on a narrow reference line as possible, for. B. by saturation spectroscopy using rubidium stabilized.
  • the interferometer, the lens and the measuring signal converter can be arranged in the beam path of the reference frequency source. Radiation emitted by the reference frequency source has a well-known or at least stable frequency.
  • the reference laser does not require the use of a frequency comb generator.
  • the spectrum analyzer can be controlled so accurately that relative frequencies of the individual laser pulses can be measured with sufficient accuracy, even if the spectrum analyzer should have changed, for example as a result of temperature fluctuations or shocks.
  • the frequency of a reference laser beam emitted by the reference frequency source can be determined and the frequency of the previous and / or following laser pulse relative to the frequency of the reference laser beam determined. Even if the permanently stable frequency of the reference laser is not known absolutely, changes in the spectrum analyzer can be detected by occasionally or repeatedly measuring the frequency of the reference laser.
  • the frequency of the reference laser measured with the spectrum analyzer differs too much from a nominal reference frequency, eg. As a previously measured frequency of the reference laser from, so this deviation is evidence of an unwanted change in the spectrum analyzer.
  • the deviation and in particular its size can also be used for a mathematical correction, for example, of the specific frequency of the laser pulses.
  • the mathematical correction may be to simply use the difference from the last determined reference frequency and the reference reference frequency as an offset, wherein the offset is added to the correction, for example, to the measured frequency of the laser pulses or subtracted from it.
  • a higher order mathematical correction may be used if the reference frequency deviates from the frequency to be measured.
  • the interferometer or the etalon can be comparatively simple and thus inexpensive or even easily constructed.
  • the device can be operated without the reference laser.
  • the measurement accuracy of the device then depends on the stability of the interferometer or etalon.
  • the frequency of the reference laser beam determined by the spectrum analyzer and the frequency of the previous and / or subsequent laser pulse relative to the determined frequency of the reference laser beam can be determined.
  • the reference laser beam may be a continuous wave laser beam that is continuously generated and used as a clocked laser beam between the laser pulses to calibrate the spectrum analyzer.
  • a knowledge of the absolute wavelength of the reference laser is not necessary because it is only used to determine the change in the spectrum analyzer over time.
  • the reference laser can, for. B. be a diode laser, which is stabilized on an Rb saturation spectroscopy.
  • This method which is also used in atomic clocks, allows a frequency stability of ⁇ 10 10 even under unfavorable conditions over very long periods of time.
  • Other methods can also be used, since both the type of laser and the reference wavelength are largely selectable. This also allows highly accurate spectral measurements at arbitrary wavelengths where there is no reference. The method is therefore largely independent of the wavelength to be measured.
  • laser pulses of different frequencies are preferably emitted and scattered one after the other.
  • To determine the scattered radiation spectrum can be up to 1000 or more and z. B. up to 10000 or even up to 100,000 laser pulses in the measurement period and, for example, per second, hour or day are scattered.
  • the frequencies of the laser pulses can be changed in rapid succession and, for example, in any order and measured easily with the spectrum analyzer.
  • the concentration and transmission of the atmosphere can change greatly from pulse to pulse. Spectral measurements are therefore only possible if the laser changes the wavelength in a rapid manner from pulse to pulse in a suitable manner. In an ideal system, the entire spectrum must be recorded repeatedly in as short a time as possible. Above all, it is important to approach widely spaced frequencies as quickly as possible from pulse to pulse. This is technically possible only to a limited extent. In the method described here, the frequency of successive laser pulses can easily be traversed by many thousands of MHz. It is sufficient if the exact frequency of each laser pulse is determined with an accuracy of less than one MHz. Even if it is not possible in advance to emit the laser pulse with exactly the desired frequency, the scattered radiation spectrum can then be determined almost arbitrarily precisely from the measured frequencies of the laser pulses in the data evaluation.
  • each individual laser pulse used to determine the scattered radiation spectrum has one Frequency (and spectral properties) that are accurately determined, which greatly improves the quality and spectral resolution of the measurement.
  • the frequency of the laser pulses can be adjusted, for example, depending on the amount of detected scattered radiation already scattered laser pulses. If the detected scattered radiation does not yet cover all parts of the spectrum which are to be observed, then the frequency of the laser pulses can be shifted at least roughly into the frequency ranges which are not yet or not sufficiently considered.
  • a laser pulse with an arbitrary frequency can be scattered.
  • the amount of scattered radiation caused by this laser pulse in combination with the determined frequency of the laser pulse can give an indication of frequency ranges of interest for the measurement.
  • several laser pulses with possibly very different frequencies necessary to obtain enough clues to find the interesting frequency range. If the interesting frequency range in which, for example, a large amount of scattered radiation is received is known, the frequency of the laser pulses can be shifted into this frequency range.
  • a determination of the absolute frequency of each individual laser pulse occurs only in the data analysis by comparison with the theoretical model. In particular, it applies that the atmosphere moves on average only with mm / s up or down. Therefore, in a very good approximation, it applies on average over a longer period and greater altitude range, eg. In the mesosphere, for example, no Doppler shift occurs when measuring exactly vertically.
  • This method of determining the absolute wavelength is more accurate than the use of a reference gas in a laboratory reference cell.
  • the spectrum to be measured serves itself as a reference cell. Once the absolute frequency has been determined, the reference laser will suffice.
  • the determination of the absolute frequency is only necessary once, as long as the spectrum analyzer is not mechanically changed and can also be done with a laboratory reference.
  • Absolute frequencies of the spectrum of the scattered radiation can be determined in particular from their quantity distribution with respect to the at least one specific property of the laser pulses.
  • the amount of scattered radiation received can be linked to the precisely determined frequencies of the laser pulses, and the scattered radiation spectrum thus generated can be compared with a theoretical model for the translation of the relative frequencies into absolute frequencies.
  • the gas can be illuminated vertically and the backscattered scattered radiation can be measured. Since the atmosphere on average hardly ever and at most slowly moves, for example, with a few millimeters per second, up and down, is the Doppler shift of the backscattered fraction is negligible or may be averaged out with sufficiently long illumination.
  • This method of determining at least one absolute frequency value of a laser in which a gas in the atmosphere is vertical and for example over a long period of up to one hour or up to 2, 4, 8 or 16 hours or up to a day or more is illuminated and the absolute frequency value is determined on the basis of the scattered back scattered radiation, is also independent of the method for determining the scattered radiation spectrum of the laser pulses advantageous.
  • the transit time of the laser pulse can be used back to the radiation sensor until the gas volume to be examined is reached and the transit time of the scattered radiation from the gas volume to be examined. For example, properties of gas volumes at a height of several thousand meters can be determined.
  • the laser pulse traverses, in particular during measurements in the atmosphere on its way to the gas volume to be examined, further volumes of the atmosphere at which it is at least partially scattered.
  • the scattered radiation generated between the pulse laser and the gas volume to be examined can be used to determine the gas properties of further gas volumes that scatter the laser pulse.
  • a large volume of gas can be divided into several smaller volumes of gas located between the pulse laser and the gas volume furthest away from the pulse laser.
  • the gas volumes arranged, for example, just one behind the other can each generate a part of the scattered radiation, wherein the backscattered portions of the laser pulse are assigned to each of the volumes in the device a distance channel.
  • the total volume of gas to be examined can have many thousands and, for example, 8,000 distance channels with a separation resolution of a few millimeters, up to hundreds or even thousands of meters. If the measurement is carried out essentially vertically, the distance corresponds to the height.
  • the scattered radiation spectra fall measurement data, for example, the backscattered intensity or the number of backscattered photons per vertical channel and laser pulse and the data on the properties of the laser pulses, such as the frequency, energy and quality of the laser pulses. Up to a terabyte or even more data is generated per measurement day. Even if data on laser pulses whose quality does not meet the quality criterion, and their scattered radiation are not stored, the amount of data is so large that the storage of data in a continuous operation of the device even when using modern data storage is quickly no longer manageable.
  • known compression methods are not able to compress the measured data appreciably or even strongly, since the distribution of the measured data is generally known, but the data has no structure.
  • the invention is therefore also based on the object of providing a method for compressing structureless data, for example white noise, and having a known distribution, in particular counting data, which compresses the data appreciably.
  • this object is achieved by a method for compressing structureless data with a known distribution, in which a data record comprises at least one source data field, a plurality of address data fields and, per address data field, a target data field linked to one of the address data fields.
  • the non-structured data are, in particular, measurement data which are generated by the method according to the invention and the device according to the invention for determining the spectrum of scattered radiation.
  • the frequency of one of the laser pulses is entered in the source data field.
  • Other source data fields may include, for example, the intensity or quality feature of this laser pulse.
  • Channels, in particular height channels can be assigned to the address data fields, wherein a scattered radiation spectrum is to be determined for each height channel.
  • the data set can have, for example, up to 8000 or more address data fields, so that scattered radiation spectra of, for example, 8000 height channels can be determined.
  • an altitude channel represents a distance of 25 m, with 8000 altitude channels, which are arranged one behind the other, corresponding to a measurement distance of 200 km.
  • the amount of scattered scattered radiation is stored in the target data field, wherein an amount of scattered radiation associated with the height channels or the address data is stored in the target data field.
  • the target data are in particular count data, ie natural numbers, or preferably the number of photons of the scattered radiation received per laser pulse and vertical channel.
  • target data values that are less frequent, and in particular the second most common may not be stored and represented by the address data associated with them.
  • the address data can be converted into distance data, the distance data relating to the distance and in particular the number of height channels to a previous address data field, e.g.
  • address data values include target data values that are less than the most common target data values.
  • the value 3426 for the corresponding elevation channel but, for example, only the value 5 for the distance to the previous altitude channel 3421 need not be stored with target data that is less than the most frequently occurring target data.
  • a selected and for example minimal distance data value may represent an increase of the target data value associated with an address data field by a predetermined increment.
  • the minimum stall data value may be equal to zero and the predetermined increment may be one.
  • a selected and, for example, maximum distance data value can represent an increase in the address data value without representing a target data value.
  • the maximum distance data value may represent the value 15 (1 1 1 1). If a corresponding distance data value is entered in the distance data field, then the fourteen following distance data fields are assigned the most frequently occurring target data value. Only the address data value in the fifteenth following address data field can then represent a target data value which occurs less frequently than the most frequently occurring target data value.
  • the address data value in the fifteenth following address data field may represent a value between 1 and 14, which indicates that one of the first to fourteenth address data fields following this address data field represents, for example, the second most frequent target data value.
  • the value 15 (1 1 1 1) can again be stored, which increases the distance value counter by 15 without increasing or representing target data values. If the fifteenth address data field is assigned the second most frequent target data value, it is preferably assigned the target data value zero.
  • One terabyte of count data can be compressed with the inventive method, for example, to 10 gigabytes.
  • the compression is lossless.
  • This method is particularly effective for count data with a low count rate and a known distribution.
  • the distribution can z.
  • the count data obtained in the method for determining the scattered radiation spectrum corresponds to the number of backscattered photons per pulse and elevation channel. Most often, especially in measurements at high altitude of the atmosphere and z. B. scattered in the mesosphere no photon back to the device. The most common measured value is 0.
  • the second most common value corresponds to z. B. a single backscattered photon per laser pulse and height channel.
  • the larger the height resolution the lower the expected count rate.
  • a gas volume with a particularly small Thickness considered. This smaller gas volume scatters fewer photons compared to larger, ie thicker, gas volumes, so that the count rate is 0 rather than 2. Consequently, the better the compression the higher the resolution is.
  • the scattered radiation spectrum can not readily be generated directly.
  • a method for calculating a scattered radiation spectrum in which frequencies of laser radiation to be scattered are linked to the amount of scattered scattered radiation, frequencies belonging to frequency intervals of the laser radiation to be scattered and Quantities of detected scattered radiation assigned to the frequencies are combined to form frequency values and quantity values, the frequency and quantity values being determined in such a way that they come as close as possible to values of an expected theoretical spectrum.
  • the frequency and magnitude values can be calculated by a variety of mathematical methods known to those skilled in the art.
  • the frequency and quantity values can be approximated with the aid of a compensation calculation to the expected theoretical scattered radiation spectrum.
  • a linear approximation may suffice. If the results of the linear approximation are not close enough to the expected theoretical scattered radiation spectra, a higher order approximation can also be used.
  • the frequencies or frequency ranges at which a greater amount of scattered radiation has been received and / or the amounts of scattered radiation associated therewith may be weighted more heavily than frequencies or their associated amounts of scattered radiation at which a lesser amount of scattered radiation is received.
  • scatter spectra of any kind can be accurately determined with the use of available pulse lasers with little effort.
  • the laser pulses can be scattered not only on gas, in particular air, but also on other materials for determining a property of these materials and the resulting spread spectrum can be determined exactly.
  • the achieved accuracy of the measuring method not only enables highly accurate measurements to be carried out, but also allows properties of measuring instruments to be determined and physical theories to be checked. Deviations between theory and measurement show theoretical or Meßinstrumentelle problems or other unknown factors such.
  • B. due to the properties of the atmosphere on. This is achieved by the extremely accurate determination of the scattered radiation spectrum with many laser pulses whose frequencies were measured accurately. So can be z.
  • B. determine the average spectral line shape or the mean spectral width of the pulsed laser (typically Lorenz) from the wings of measured atmospheric spectra with high accuracy. Similarly, at asymmetric Line shape can be determined from the measurement of the plate spacing of the spectrum analyzer. In addition to instrumental parameters, the measurement can also be used to test the theory. Any deviation in the observed spectrum is due either to a fault in the system, a lack of consideration for atmospheric influences, or an error in the model of the spectral line (including trivial software errors). Careful analysis of the data obtained can reveal both experimental and theoretical problems.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of an inventive
  • Figure 2 is a schematic representation of an embodiment of an inventive
  • Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of an inventive
  • Figure 4 is a schematic representation of data
  • Figure 5 is a schematic representation of an embodiment of an inventive
  • Figure 6 is a schematic representation of a scattered radiation spectrum.
  • FIG. 1 shows the device 1 for determining a scattered radiation spectrum schematically with a pulse laser 2 and a radiation sensor 3.
  • the pulse laser 2 is designed to emit laser pulses P
  • the emitted laser pulses P are scattered and scattered radiation S of the scattered laser pulses P at least partially received by the radiation sensor 3 becomes.
  • the laser pulses P are directed, for example, to a gas volume V in order to be able to derive at least one property of the gas volume V from the scattered radiation S.
  • the laser pulses P can also be directed to them and scattered by them to determine at least one property of another volume, for example a liquid volume, or other structures.
  • the laser pulse P emitted by the pulse laser 2 propagates along an optical axis 02 in the direction of the gas volume V to be examined.
  • a beam splitter 4 is provided between the pulse laser 2 and the gas volume V, which is hit by the laser pulse P and from which the laser pulse P is divided.
  • a first part P 'of the laser pulse P leaves the beam splitter 4 in the direction of the gas volume V, where it is scattered.
  • a second part P "of the laser pulse P is guided by the beam splitter 4 along an optical axis 04 of the beam splitter 4 onto a spectrum analyzer 5.
  • the spectrum analyzer 5 can be used to determine at least one property of the laser pulse P based on the second part P".
  • the property is for example a selected frequency F of the laser pulse P and in particular the frequency F at which a frequency spectrum of the laser pulse P has its maximum or its center of gravity.
  • a quality feature Q of the laser pulse P can be determined with the spectrum analyzer 5.
  • the quality feature Q may include, for example, properties of laser modes or broadband emissions of the pulse laser 2.
  • the spectrum analyzer 5 has, for example, laser radiation and in particular the second part P "of the laser pulse P superimposed interferometer, a measuring signal converter and a lens
  • the lens is preferably as a converging lens between the interferometer and the measuring signal converter in a beam path exiting from the interferometer
  • the collecting lens generates a frequency signal Fs and / or a quality signal Qs that can be output by the spectrum analyzer 5 to a computing unit 6 of the device 1.
  • the arithmetic unit 6, for example, compares the quality signal Qs with a quality criterion: If the laser pulse P does not satisfy the quality criterion, data of the laser pulse P and of its scattered scattered radiation S will not be used to determine the scattered radiation Spectrum considered and discarded, for example.
  • the laser pulse P satisfies the quality criterion, its frequency F represented by the frequency signal Fs is stored at least temporarily in the arithmetic unit 6.
  • the arithmetic unit 6 is also connected receiving signal to the radiation sensor 3.
  • the radiation sensor 3 is designed to generate a quantity signal Ms representing the quantity M of scattered radiation S received as a measurement signal and to output it to the arithmetic unit 6.
  • the frequency F of the laser pulse P and the amount M of the received scattered radiation S are linked together and output, for example, as a data packet FM to a memory device 8.
  • the arithmetic unit 6 can determine whether the frequency F of the laser pulses P generated by the pulse laser 2 is to be changed. For this purpose, a decision rule can be stored in the arithmetic unit 6.
  • the arithmetic unit 6 can over a control line 8 control signal transmitted connected to the pulse laser 2 and thus influence the frequency F of the laser pulses P generated by the pulse laser 2. Die Steuertechnisch 8 ist mit für Steuer effet 8sky.
  • control line 8 can also lead from the arithmetic unit 6 to the seeded laser 9 as a control line 8 'shown in dashed lines, so that the arithmetic unit 6 controls the frequency of the laser pulses P Excitation radiation A of the seeder laser 9 to influenced.
  • the frequency F of the laser pulses P can not be determined absolutely absolutely, but only relatively. If the spectrum analyzer 5 changes in the course of time, for example as a result of a temperature change, then frequencies F of the laser pulses P can not be repeatedly accurately measured.
  • the device 1 can have a reference laser 10.
  • the reference laser 10 is in the operation of the device 1 reference radiation R with a reference frequency Fr to the spectrum analyzer 5 from.
  • the reference frequency Fr has been determined at least under controlled conditions in the past once with the spectrum analyzer 5. Since the reference frequency Fr is stable even over long periods of time, changes in the spectrum analyzer 5 can be determined by means of a new measurement of the reference frequency Fr.
  • the reference frequency Fr need not be absolutely known. Measurements of the frequencies F of the laser pulses P can even be corrected on the basis of the measurements of the reference frequency Fr, which differ from each other at different times and in the measurement result.
  • the reference frequency Fr can be determined, for example, between two laser pulses P with the spectrum analyzer 5.
  • the reference frequency Fr between all laser pulses P is measured.
  • the spectrum analyzer 5 can also be connected directly to the pulse laser 2.
  • a portion of the laser pulses P can enter the spectrum analyzer 5 directly from the pulsed laser 2, so that there Frequency F or the quality feature Q of the laser pulses P.
  • Such a spectrum analyzer is shown by dashed lines in the exemplary embodiment of Figure 5 and provided with the reference numeral 5 '
  • the gas volume V is, for example, a volume of gas in the upper atmosphere and in particular in the Mesosphere In order to be able to determine properties of a gas with a low pressure, the gas is to be irradiated with many laser pulses P.
  • the gas volume V is arranged in the upper atmosphere and, for example, in the mesosphere, at best only a few photons of scattered radiation S per laser pulse P reach the radiation sensor 3. Due to the many laser pulses P used, the scattered radiation spectrum can nevertheless be determined. To determine the gas property, it is necessary to irradiate the gas with laser pulses P of different frequencies F and consequently to scatter laser pulses P of different frequency F.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • the method 20 for determining a spectrum of scattered radiation is shown schematically in FIG. 2 as a flow chart.
  • a laser pulse P is emitted.
  • the frequency F of the laser pulse P is determined.
  • the laser pulse P or at least the first part P 'of the laser pulse P is scattered in method step 23 and the amount M of generated and received by the radiation sensor 3 scattered radiation S is determined in step 24.
  • the frequency F determined in method step 22 and the quantity M of scattered radiation S measured in method step 25 are linked to one another.
  • the frequency signal Fs and the quantity signal Ms are used.
  • the frequency F associated with the set M is stored as a data packet FM in step 26.
  • a reference frequency Fr can be measured in optional method steps 27, 28 in order to be able to detect changes in the frequency measurement.
  • the method 20 may be repeated and carried out, for example, up to 1000, up to 10000 or even up to 100000 times per second or more frequently.
  • the frequency F of the laser pulse P can be changed per run of the method 20 in order to be able to determine the scattered radiation spectrum with as many and / or widely spaced frequencies F as possible.
  • the quality feature Q of the laser pulse P can be determined and the signal Qs representing the quality feature Q can be output and used in method step 25. If the quality feature Q of the laser pulse P does not correspond to a quality criterion, neither the frequency F of the laser pulse P nor the quantity M of received scattered radiation S is stored in method step 26.
  • the method 20 of the embodiment of FIG. 2 generates a large amount of data, for example one terabyte, per measurement day. Even with modern data stores, such amounts of data per day can not be easily handled if the Measurements are made daily. However, current data compression methods are incapable of compressing the data generated by the method 20, since these data are structurally poor or structureless, the structure of which thus corresponds to white noise.
  • quantity data that is, count data, corresponding to the number of backscattered photons per laser pulse P are generated.
  • the expected distribution of the quantity M or the number of backscattered photons is known.
  • no photon is received by the radiation sensor 3.
  • the second most common is receiving interspersed photon.
  • the third most common is the reception of two scattered photons. Three or more scattered photons are received only in exceptional cases.
  • FIG. 3 schematically shows a compression method 40, with which structureless counting data, the structure of which, for example, is shown in FIG. B. white noise, but whose distribution is known, can be compressed lossless.
  • the compression method 40 is highly schematized in FIG. 3 and shown as a flow chart.
  • Counting data are generated in a first method step 41 and, for example, the number or quantity M in of photons of a laser pulse P backscattered in a channel, that is to say a gas volume with a predetermined thickness, are counted. If the laser pulses P are scattered at a gas volume V in the upper atmosphere and, for example, in the meso tube, then usually zero photons, less frequently a photon, even more rarely two photons and only in exceptional cases three or more photons per laser pulse P and elevation channel are received and counted , In method step 42 following method step 41, it is checked whether no photon has been counted. If no photon is received by the radiation sensor 3 and this happens most frequently, it is decided in method step 42 not to store at least the measured number of zero photons and possibly also data for the vertical channel as data, but to discard it.
  • step 43 it is checked whether as the second most frequent result z.
  • B. exactly one scattered photon was received by the radiation sensor 3. For example, if exactly one photon was received for one of the channels, data representative of that measurement, e.g. As the number of height channels, stored in step 44. In particular, the distance to the elevation channel, which previously received the same number of photons, is stored. If exactly two photons were received, it is decided in method step 45 to store data for this measurement. However, it is not necessary to store the value two. To save space, it is sufficient to store the distance zero.
  • the compression method 40 is repeatedly performed, as indicated by the arrow 46.
  • FIG. 4 schematically shows uncompressed data 60 and compressed data 61.
  • the same reference numerals are used.
  • the uncompressed data 60 and the compressed data 61 comprise at least one source data field S1 and, for example, three source data fields S1, S2, S3 in which source data can be stored.
  • Source data are, for example, data of a first laser pulse P and in particular its specific frequency F1, its intensity 11 and possibly its quality Q1.
  • the at least one source data field S1 is assigned a plurality of address data fields K.
  • the number of address data fields K may correspond to the number of height channels, and each of the height channels may be assigned an address in the address data field.
  • the uncompressed data 60 to one of the laser pulses P 8000 address data fields K1 to K8000. For digital representation of 8000 different address data values, these have a minimum length of 13 bits.
  • Each of the address data fields K is assigned a target data field Z, in which the amount M of scattered scattered radiation S to the associated height channel for the one of the scattered laser pulses P is entered.
  • the most common target data value is zero. This means that zero photons were received by the scattered laser pulse P for the respective channel.
  • the uncompressed data 60 also has data for further scattered laser pulses P. For example, the uncompressed data 60 has data for 50,000 laser pulses P.
  • the compressed data 61 has, instead of the address data K1 to K8000 and the target data, only distance data D to a first data field or a previous data field in which the most frequent target data value zero is not included.
  • the target data value is a photon for the address data field K containing the address data K4 represented by the distance data value three indicating that a target data value other than the second most common target data value and, for example, the value is not present in the address data field K1 with three address data Photon corresponds.
  • the value one following the value three in the next field represents that a target data value already deviating from the most frequent target data value is already contained in the target data field assigned to the next address data field K.
  • the encoded destination data value does not match the value on Photon, but the value of two photons.
  • the distance data value one is followed by the smallest possible distance data value zero.
  • the smallest possible distance data value indicates that the target data value has an increment and z. For example, add the value one.
  • the compressed data 61 to the remaining laser pulses two to 50,000 are comparably coded and thereby compressed.
  • FIG. 5 schematically shows a method 70 for determining the scattered radiation spectrum as a flowchart.
  • the same reference numerals are used for elements which correspond in function and / or construction to the elements of the previous embodiments.
  • the method 70 uses the data generated by the device 1 or by the method 20 for determining the scattered radiation spectrum.
  • the data represent discrete vertices, which, however, can not be readily assembled into the scattered spectrum.
  • a first method step 71 the method 70 starts.
  • method step 71 for example, method 20 is carried out a plurality of times in order to determine frequencies F of laser pulses P to be scattered and quantities M of scattered scattered radiation S.
  • a plurality of frequencies F and quantities M are fed to the method steps 72 and 73 following the first method step 71.
  • Frequencies F lying within a frequency interval are combined in method step 72 to form a combined frequency value F '.
  • quantities M of scattered radiation S assigned to the frequencies F of the frequency interval are combined to form a combined quantity value M '.
  • the values of the combined frequency F 'and the combined quantity M' are determined or calculated in such a way that they come as close as possible to expected values of a theoretical spectrum.
  • the combined frequency value F 'and the combined quantity value M' can be calculated by a linear approximation or a higher order approximation to the expected theoretical spectrum.
  • the frequencies F and the quantities M may be weighted by the number of frequencies F in the frequency interval or the intensity of the laser pulses P by the frequencies F in the frequency interval. In addition to the frequency F, it may therefore be necessary to determine and store the intensity of the laser pulse P at least relatively.
  • FIG. 6 schematically shows a scattered radiation spectrum X determined by the device 1 and / or the method 20 and calculated by the method 70.
  • the scattered radiation spectrum X is shown in greatly simplified form.
  • Values of the frequencies F of the laser pulses P are plotted on an abscissa axis 80.
  • values of the quantity M or the number of scattered photons and measured by the radiation sensor 3 are plotted.
  • the scattered radiation spectrum X of FIG. 6 shows quantity values M 'summarized only for twenty combined frequency values F of the laser pulses P. To determine properties of the matter scattering the photons, however, many thousands of combined frequency values F 'and associated quantity values M' are often necessary.
  • the distances and / or widths of the frequency intervals may differ from the distances shown.
  • a realistic scatter spectrum X encompassing all possible variants can not be represented graphically, which is why, for the sake of simplicity, only the twenty frequency values F 'with the associated quantity values M' are shown in the exemplary embodiment shown.
  • the scattered radiation spectrum X has a maximum at a frequency f0. At this frequency f0, for example, many thousands or even several million photons were counted over a period of for example 24 hours. Laser pulses P having the frequency f0 or at least a similar frequency F have been scattered many times to receive as many scattered photons. Laser pulses P with frequencies F deviating from the frequency fO were possibly emitted the same number of times. However, fewer photons have been backscattered, as evidenced by lower magnitude values M 'or count rate for frequency values F' of such laser pulses P plotted on the axis 81.
  • the measured frequency fO can be assigned an absolute frequency value. Furthermore, a width B can be read from the scattered radiation spectrum X. The shape of the scattered radiation spectrum X can also be determined on the basis of the measurement. The absolute value of the frequency f0, the width B of the scattered radiation spectrum X and the shape of the scattered radiation spectrum X allow conclusions about the properties of the matter scattering the laser pulses P. For example, the temperature of the gas scattering the laser pulses P in the mesosphere can be determined. Also, flow velocities of gases in the mesosphere can be accurately determined up to 1 m / s or even up to 0, 1 m / s. If corresponding models are present, other properties of the matter which scatters the laser pulses P can also be determined with high precision using the method 20 according to the invention and the device 1 according to the invention. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren (20) zum Bestimmen eines Spektrums (X) von Streustrahlung (S). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (70) zum Berechnen des Spektrums (X) und ein Verfahren zum Komprimieren von strukturlosen Daten (60) mit bekannter Verteilung. Um das Spektrum (X) möglichst genau bestimmen und hieraus Eigenschaften von Laserpulse (P) streuender Materie ableiten zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eine Eigenschaft des Laserpulses (P) bestimmt und hierfür ein Spektrumanalysator (5) verwendet wird. Zum Berechnen des Spektrums (X) werden Frequenzen (F) der Laserpulse (P) und Mengen (M) an zurückgestreuter Strahlung (S) zu Frequenz-und Mengenwerten (F', M') zusammengefasst. Um die Daten zu Komprimieren der Daten (60) werden die häufigsten Datenwerte gelöscht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen sowie Berechnen eines Streustrahlungsspektrums sowie Verfahren zum Komprimieren von Daten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Spektrums von Streustrahlung, bei dem mehrere Laserpulse nacheinander gestreut und die gestreuten Streustrahlungen vermessen werden, wobei zumindest eine Eigenschaft der Laserpulse bestimmt und zum Bestimmen des Spektrums mit der Streustrahlung verknüpft wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Spektrums von Streustrahlung, mit einem Pulslaser, dessen im Betrieb der Vorrichtung abgegebenen Laserpulse zur Erzeugung der Streustrahlung gestreut werden, und mit einem Strahlungssensor, der ausgebildet ist, die Streustrahlung zumindest teilweise zu empfangen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Berechnen eines Streustrahlungsspektrums. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Komprimieren von strukturlosen Daten mit bekannter Verteilung.
Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Streustrahlungsspektren sind allgemein bekannt und werden beispielsweise verwendet, um Eigenschaften von Materie zu bestimmen. Insbesondere können die Laserpulse an Gas gestreut werden, um Eigenschaften des Gases zu bestimmen. Das zu untersuchende Gas ist dabei oftmals Teil der Atmosphäre, deren Eigenschaften bestimmt werden sollen. Die Vorrichtung ist beispielsweise Teil eines so genannten Lidars, das wie ein Radar arbeitet, anstelle der Radiostrahlung jedoch Laserstrahlung verwendet. Bekannte komplexe Lidar-Systeme können Konzentrationen von atmosphärischen Spurengasen, beispielsweise zur Überwachung von Emissionsmengen von Kraftwerken, bestimmen.
Die Eigenschaften des Gases können dabei umso genauer bestimmt werden, desto genauer das Spektrum der Streustrahlung ermittelt wird. Eine Voraussetzung, um das Streustrahlungsspektrum bestimmen zu können, ist jedoch, die Eigenschaften der abgegebenen Laserpulse möglichst stabil zu halten. Die Eigenschaften der vom Pulslaser abgegebenen einzelnen Laserpulse variieren jedoch bei bekannten Pulslasern unvorhersehbar und so stark, dass viele Messungen nicht mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden können. Die Stabilisierung der Eigenschaften der Laserpulse ist schon im Labor sehr aufwändig.
Soll das Verfahren jedoch außerhalb des Labors und beispielsweise auf einem Schiff oder mit einem Satelliten durchgeführt werden, so können die Eigenschaften mancher Laserpulse ohne weiteres stark von den Eigenschaften anderer Laserpulse oder einer Solleigenschaft abweichen. Beispielsweise führen Vibrationen oder Schall zu einer Änderung der optischen Weglänge eines Resonators des Lasers, wodurch Eigenschaften und beispielsweise die Wellenlänge des Lasers von Puls zu Puls stark variieren können. Aufgrund der kurzen Pulslänge der Laserpulse von wenigen Nanosekunden ist eine Regelung des Pulslasers unmöglich. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Streustrahlungsspektren der eingangs genannten Art bereitzustellen, wobei mit dem Verfahren und der Vorrichtung Streustrahlungsspektren mit einer besseren Messgenauigkeit als bisher bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass als Eigenschaft die Frequenz der Laserpulse bestimmt wird. Für die eingangs genannte Vorrichtung wird diese Aufgabe durch einen Spektrumanalysator gelöst, der Laserstrahlung empfangend mit dem Pulslaser verbunden und ausgebildet ist, eine Eigenschaft der Laserpulse zu bestimmen.
Anstelle zu versuchen, mit hohem Aufwand einen Pulslaser zu bauen, dessen Laserpulse alle eine besonders konstante und vorzugsweise eine genau vorgegebene Frequenz aufweisen, genügt es also, bekannte Pulslaser zu verwenden, deren Frequenzen zumindest in gewissen Grenzen von Puls zu Puls unkontrolliert variieren können. Mit dem Spektrumanalysator ist die Eigenschaft des Laserpulses und insbesondere dessen Frequenz zumindest relativ bestimmbar und kann, verknüpft mit vom Strahlungssensor erzeugten Messdaten, gespeichert werden. Aus den verknüpften Daten kann das Streustrahlungsspektrum genau rekonstruiert werden, obwohl die Eigenschaften der verwendeten Laserpulse weder stabil noch vorab bekannt waren. Bei einer späteren Datenanalyse kann der Ablauf der Messung anhand der Daten rekonstruiert und das zu messende Streustrahlungsspektrum mit wesentlich höherer Genauigkeit bestimmt werden, als es die Stabilität des Pulslasers normalerweise erlauben würde.
Aufgrund der hohen Genauigkeit können Doppler-Effekte (Dopplerverbreiterung oder Dopplerverschiebung) und beispielsweise Konzentration von Elementen in einem Gas oder andere aus der Spektroskopie bekannte minimale Änderungen, z. B. Druckveränderungen, gemessen werden. In allen Fällen gilt es, minimale Änderungen eines Spektrums, z. B. eine Linienform oder - breite nachzuweisen, wobei eine Genauigkeit erreicht werden muss, die im Allgemeinen nur bei hochpräzisen Labormessungen angestrebt werden.
Als Eigenschaft kann also die Frequenz der Laserpulse bestimmt werden. Frequenzmessungen sind vergleichsweise einfach und genau durchführbar. Die Wellenlänge der Laserpulse ist einfach aus deren Frequenz abzuleiten. Die Frequenz eines der Laserpulse kann eine ausgezeichnete Frequenz in dessen Spektrum sein. Insbesondere kann das Spektrum bei der ausgezeichneten Frequenz sein Maximum oder seinen Schwerpunkt aufweisen, wobei der Schwerpunkt bevorzugt ist, da er robuster als das Maximum ist. Für die Bestimmung des Streustrahlungsspektrums stehen also die gemessenen Frequenzen der zu streuenden Laserpulse zur Verfügung.
Die Streustrahlungsspektren können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund der guten Messbarkeit der Frequenz so genau bestimmt werden, dass selbst die Temperatur oder aber die Windgeschwindigkeit eines Gases in der Atmosphäre bestimmt werden kann. Beispielsweise werden die Laserpulse in die Atmosphäre gerichtet und von der Atmosphäre zumindest teilweise zur Vorrichtung zurück gestreute Streustrahlung der Laserpulse empfangen. Das Spektrum der Streustrahlung ist z. B. bei der Temperaturmessung im Vergleich zum Frequenzspektrum der verwendeten Laserpulse dopplerverbreitet. Solche Dopplermessungen erfordern eine Genauigkeit von besser als 1 MHz (Wellenlängengenauigkeit von etwa 1 fm) für die Bestimmung der Temperatur auf ca. 1 Kelvin bzw. des Windes auf 1 m/s genau. Eine Änderung der Temperatur entspricht einer Änderung der Linienbreite um typischerweise 1 : 500 oder weniger. Noch höhere Genauigkeiten erfordert z. B. der Nachweis von Gezeiten in der Atmosphäre anhand von Resonanzstreuung. Dabei beträgt die Amplitude des vertikalen Gezeitenwindes in der Atmosphäre im Mittel nur ca. 0, 1 m/s. Bei der Messung der Dopplerverschiebung anhand von Aerosolen in der mittleren Stratosphäre sind Amplituden im cm/s Geschwindigkeitsbereich und weniger zu bestimmen. Das Instrument muss daher in der Lage sein, für sehr lange Zeiträume Spektren mit einer Genauigkeit von -10 KHz in der Frequenzbestimmung wiederholt zu messen.
Auch derartig geringe Windgeschwindigkeiten können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen werden. Die Vorrichtung ist in der Lage, für sehr lange Zeiträume, z. B. mehrere Stunden, Tage oder Wochen, Streustrahlungsspektren mit einer Genauigkeit von bis zu 10 kHz oder besser wiederholt zu bestimmen. Die erreichte Genauigkeit in der Frequenzmessung jedes einzelnen Laserpulses liegt bei einem Faktor von ca. 10~10 der Frequenz der ausgesandten Laserpulse und ist somit wesentlich besser als 1 MHz für jeden einzelnen zur Bestimmung des Streustrahlungsspektrums verwendeten Laserpuls.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann je Laserpuls zumindest ein Teil der Streustrahlung erfasst und die Menge der erfassten Streustrahlung des gestreuten Laserpulses mit der bestimmten Eigenschaft, also der Frequenz des Laserpulses verknüpft werden. Beispielsweise ist der Strahlungssensor ausgebildet, einen Teil der Streustrahlung zu empfangen und ein von der Menge der empfangenen Streustrahlung abhängendes Mess- oder Mengensignal zu erzeugen.
Vor allem bei Bestimmung von Eigenschaften der oberen Atmosphäre, beispielsweise der Mesosphäre, ist die Menge an empfangbarer Streustrahlung sehr gering. Oftmals wird nicht einmal ein gestreutes Photon pro Laserpuls empfangen. Die Menge an erfasster Streustrahlung kann die Anzahl der je Laserpuls gestreuten und empfangenen Photonen sein. Alternativ kann die Menge der Intensität der erfassten Streustrahlung je Laserpuls entsprechen.
Gerade beim Einsatz der Vorrichtung außerhalb des Labors können beispielsweise Vibrationen dazu führen, dass zumindest einige der Laserpulse zur Bestimmung von Gaseigenschaften ungeeignet sind. Schon wenige ungeeignete Laserpulse können die Messgenauigkeit des Streustrahlungsspektrums nennenswert verschlechtern. Um das Streustrahlungsspektrum auch bei einer Durchführung des Verfahrens bzw. bei einer Verwendung der Vorrichtung außerhalb eines stabilen Labors bestimmen zu können, kann von den Laserpulsen ein Qualitätsmerkmal ermittelt werden. Nur Laserpulse und die diesen zugeordneten Streustrahlungen werden zur Bestimmung des Streustrahlungsspektrums verwendet, deren Qualitätsmerkmal einem Qualitätskriterium genügt.
Beispielsweise genügen Multimode-Laserpulse oder Breitbandemissionen des Pulslasers mit einem Frequenzbereich von größer beispielsweise 1000 GHz nicht dem Qualitätskriterium. Selbst wenn der Pulslaser weniger als ein Prozent der Zeit derartige Störungen aufweist, wird das zu messende Streustrahlungsspektrum derart stark verfälscht, dass die Messqualität spürbar darunter leidet. Um gestörte Laserpulse erkennen zu können, kann beispielsweise deren Laserspektrum bestimmt und anhand dieses Laserspektrums das Qualitätsmerkmal ermittelt werden. Das Laserspektrum kann ferner verwendet werden, um die Frequenz der Laserpulse zu bestimmen. Eine gesonderte Messung der Frequenz ist also nicht notwendig und das Qualitätsmerkmal sowie die Frequenz des Laserpulses können in einem Schritt ermittelt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also zunächst sichergestellt, dass der Laserpuls das Qualitätskriterium erfüllt. Erfüllt der Laserpuls das Qualitätskriterium nicht, so wird seine Frequenz und die durch ihn hervorgerufene Streustrahlung nicht zur Bestimmung des Streustrahlungsspektrums bzw. der Gaseigenschaft verwendet. Ausschließlich das Qualitätskriterium erfüllende gute Laserpulse werden für die Bestimmung genutzt und deren bestimmte Eigenschaft und insbesondere deren Frequenz mit der Menge an dem Laserpuls zugeordneter Streustrahlung verknüpft. Um zumindest die Eigenschaft und insbesondere die Frequenz und womöglich auch das Qualitätsmerkmal der Laserpulse bestimmen zu können, kann der Spektrumanalysator ein einfallendes Laserlicht mit sich selbst überlagerndes Interferometer, einen Messsignalwandler und eine Linse aufweisen, wobei die Linse zwischen dem Interferometer und dem Messsignalwandler in einem Strahlengang von aus dem Interferometer austretenden und zum Messsignalwandler geleiteten Laserlicht angeordnet ist.
Die Linse ist vorzugsweise eine Sammellinse, die das sich theoretisch erst im Unendlichen ausbildende Interferenzmuster der Laserstrahlung auf dem Messsignalwandler, z. B. ein ein- oder zweidimensionaler Sensor, wie etwa eine Zeilen- oder eine Flächenkamera, abbildet. Hierdurch können Spektren über einen nahezu beliebig großen Frequenzumfang bestimmt werden. Insbesondere mit einem zweidimensionalen Sensor können außer der Frequenz auch andere Eigenschaften und z. B. Breitbandemissionen des Pulslasers gut erkannt werden. Ungewünschte Moden der Laserpulse können mit einem hochauflösenden Interferometer auch mit einem eindimensionalen Sensor bestimmt werden.
Das Interferometer ist vorzugsweise ein Fabry-Perot Etalon und beispielsweise direkt am Pulslaser angeordnet, so dass ein Teil eines jeden der Laserpulse im Interferometer mit sich selbst überlagert und über die Linse an den Messsignalwandler ausgegeben wird. Mit dem Interferometer kann der Spektrumanalysator über einen sehr großen Wellenlängenbereich von bis zu vielen Hundert Nanometern unverändert eingesetzt werden. Bei einem genügend großen Farby-Perot Interfero- meter können aus der Abbildung über wenigstens zwei freie spektrale Bereiche (2 Ringe) alle notwendigen Größen für die Frequenzbestimmung aus dem Interferenzmuster selbst ermittelt werden. Die einzige notwendige Angabe für eine genaue Bestimmung einer Frequenzverschiebung ist der Plattenabstand der beiden Spiegel, der sich mit extrem hoher Präzision beim Bau direkt bestimmen läst. Alternativ kann der Plattenabstand später mittels des Referenzlasers bestimmt werden, falls genügend viele und insbesondere zumindest zwei genau bekannte Wellenlängen zur Verfügung stehen.
Ist der Abstand zweier Frequenzen zueinander größer als ein freier Spektralbereich des Interferometers, so können die Frequenzen mit dem Spektrumanalysator nicht eindeutig bestimmt werden. Beträgt der freie Spektralbereich beispielsweise 1000 MHz, so erzeugt der Spektrumanalysator bei einfallender Laserstrahlung mit Relativfrequenzen von beispielsweise 300 MHz, 1300 MHz und 2300 MHz im Wesentlichen identische Messdaten bzw. Ringbilder, die keinen Schluss darauf zulassen, ob die Frequenz der Laserstrahlung nun 300 MHz, 1300 MHz oder 2300 MHz beträgt. Lediglich Frequenzunterschiede, die geringer sind als der freie Spektralbereich, im Beispiel also kleiner als 1000 MHz, können eindeutig erkannt werden.
Damit auch Frequenzen zumindest relativ bestimmt werden können, deren Abstand zueinander größer ist als der freie Spektralbereich des Interferometers, kann die Frequenz der Laserstrahlung und insbesondere der einzelnen Laserpulse zumindest zunächst sehr grob und insbesondere mit einer Genauigkeit, die besser ist als der freie Spektralbereich, bestimmt werden. Ist die relative Frequenz grob bestimmt, kann diese dann mit dem Spektrumanalysator genau innerhalb des freien Spektralbereichs ermittelt werden.
Zur groben Bestimmung der Frequenz der Laserpulse, können Eigenschaften, z. B. Betriebsparameter, des Pulslasers oder eines den Pulslaser anregenden Seeder-Lasers verwendet werden. Die Frequenz der Laserpulse kann nämlich z. B. von einem elektrischen Betriebsstrom und/oder einer elektrischen Betriebsspannung des Pulslasers oder des Seeder-Lasers abhängen. Andere Betriebsparameter des Lasers, beispielsweise der Gasdruck eines Gaslasers, können die Frequenz der Laserpulse ebenfalls beeinflussen und somit zur groben Bestimmung der Frequenz verwendet werden. Vorzugsweise wird also zunächst die Relativfrequenz des Laserpulses anhand eines Betriebsparameters eines an der Erzeugung des Laserpulses beteiligten Lasers grob und insbesondere mit einer Genauigkeit innerhalb des freien Spektralbereichs des Interferometers ermittelt und die genaue Relativfrequenz anhand der grob ermittelten Relativfrequenz durch Messung mit dem Spektrumanalysator bestimmt. Insbesondere kann der Abstand zwischen den zwei Spiegeln des Interferometers unveränderbar sein, so dass das Interferometer mechanisch extrem stabil gebaut werden kann. Der Vorteil des Fabry Perot Etalons ist sein nahezu beliebiger Plattenabstand (hohe spektrale Auflösung) als auch sein konzentrisches Ringsystem. Durch Erfassung des gesamten Ringsystems können Fehler im Interferometer erfasst und weggemittelt werden. Zudem steht eine wesentlich höhere Statistik pro Laserpuls zur Verfügung. Die Genauigkeit des Spektrumanalysators ist u. a. durch die endliche Dynamik des Messsensors begrenzt. Durch Nutzung des gesamten Ringsystems entstehen quasi viele gleiche Messungen entlang vieler Durchmesser des Ringsystems, wodurch die Genauigkeit deutlich ansteigt. Mechanische Änderungen, z. B. durch die Erwärmung der Kamera bei Messbeginn, führen zu einer Lageänderung des Interferograms auf dem Messsignalwandler, die berechnet und berücksichtigt werden können. Dies reduziert die Anforderung an die mechanische Konstruktion des Spektrumanalysators erheblich. Mit einem mechanisch stabilen Interferometer kann das Lidar mobil, also auf einem Schiff oder einem Kraftfahrzeug, eingesetzt, oder für den Einsatz in einem bzw. als ein Weltraumlabor mit einer Rakete transportiert werden, ohne dass sich die Eigenschaften des Interferometers durch auftretende Erschütterungen verändern. Ändern sich Eigenschaften des Interferometers dennoch, so können diese Änderungen oftmals mit Hilfe des Referenzlasers erkannt werden. Aufgrund seiner Eigenschaften erlaubt der Spektrumanalysator auch Aussagen über die Breitbandemission des Pulslasers, die sich über einen extrem großen Frequenzbereich von beispielsweise mehr als 1.000 GHz erstrecken können und die mit anderen Verfahren meist nicht ohne weiteres nachweisbar ist. Als Interferometer kann der Spektrumanalysator über einen sehr großen Wellenlängenbereich bis zu viele hundert Nanometern unverändert eingesetzt werden. Hierdurch können Spektren über einen nahezu beliebig großen Frequenzumfang bestimmt werden.
Mit der bisher beschriebenen Vorrichtung bzw. dem bisher beschriebenen Verfahren können Frequenzen der Laserpulse relativ zu einer beliebigen Frequenz bestimmt werden. Die beliebige Frequenz bildet einen willkürlichen Nullpunkt, der durch die Stabilität des Spektrumanalysators vorgegeben ist. Da sich der Spektrumanalysator jedoch im Laufe der Zeit, beispielsweise durch Änderung der Umgebungstemperatur, verändern kann, kann eine relative Bestimmung der Frequenz der Laserpulse womöglich nicht ausreichen, um Messungen wiederholt genau ausführen zu können. Um die Änderungen des Spektrumanalysators erkennen und kompensieren zu können, kann die Vorrichtung eine Referenzfrequenzquelle, insbesondere in Form eines Referenzlasers und beispielsweise eines Rubidiumlasers aufweisen. Vorzugsweise ist der Referenzlaser auf eine möglichst schmale Referenzlinie, z. B. durch Sättigungsspektroskopie anhand von Rubidium, stabilisiert. Das Interferometer, die Linse und der Messsignalwandler können im Strahlengang der Referenzfrequenzquelle angeordnet sein. Von der Referenzfrequenzquelle abgegebene Strahlung weist eine wohl bekannte oder zumindest stabile Frequenz auf.
Durch die Verwendung des Referenzlasers ist die Verwendung eines Frequenzkammgenerators nicht notwendig. Mit Hilfe des Referenzlasers kann der Spektrumsanalysator so genau kontrolliert werden, dass Relativfrequenzen der einzelnen Laserpulse mit einer ausreichenden Genauigkeit gemessen werden können, selbst wenn sich der Spektrumanalysator beispielsweise infolge von Temperaturschwankungen oder Erschütterungen verändert haben sollte. Um zu bestimmen, ob der Spektrumanalysator sich verändert hat, kann vor oder nach wenigstens einem der Laserpulse die Frequenz eines von der Referenzfrequenzquelle abgegebenen Referenzlaserstrahls bestimmt und die Frequenz des vorherigen und/ oder folgenden Laserpulses relativ zu der Frequenz des Referenzlaserstrahls bestimmt werden. Selbst wenn die auf Dauer stabile Frequenz des Referenzlasers absolut nicht bekannt ist, können Veränderungen des Spektrumanalysators durch gelegentliches oder wiederholtes Vermessen der Frequenz des Referenzlasers festgestellt werden. Weicht die mit dem Spektrumanalysator gemessene Frequenz des Referenzlasers zu stark von einer Sollreferenzfrequenz, z. B. eine vorher gemessene Frequenz des Referenzlasers, ab, so gibt diese Abweichung Hinweise auf eine ungewünschte Veränderung des Spektrumanalysators. Die Abweichung und insbesondere deren Größe kann ferner für eine beispielsweise mathematische Korrektur der bestimmten Frequenz der Laserpulse verwendet werden. Die mathematische Korrektur kann darin bestehen, schlicht die Differenz aus der zuletzt bestimmten Referenzfrequenz und der Soll-Referenzfrequenz als Offset zu verwenden, wobei der Offset zur Korrektur beispielsweise zur gemessenen Frequenz der Laserpulse hinzu addiert oder davon subtrahiert wird. Für eine höhere Genauigkeit der Korrektur kann eine mathematische Korrektur höherer Ordnung verwendet werden, wenn die Referenzfrequenz von der zu messenden Frequenz abweicht.
Bei Verwendung des Referenzlasers ist es nicht nötig, ein langzeitstabiles Interferometer oder ein langzeitstabiler Etalon zu verwenden, das sich auch in mechanisch anspruchsvollen Umgebungen, etwa auf einem Kraftfahrzeug, nicht verändert. Verändert sich das Interferometer oder der Etalon beispielsweise in Folge von Erschütterungen, können derartige Änderungen durch die Vermessung der Referenzfrequenz erkannt und kompensiert werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Teil eines Weltraumlabors mit einer Rakete ins All befördert werden, ohne dass sich der Transport negativ auf die Messgenauigkeit der Vorrichtung auswirkt. Dabei kann das Interferometer oder der Etalon vergleichsweise einfach und somit preiswert oder auch leicht aufgebaut sein.
Zwar kann die Vorrichtung auch ohne den Referenzlaser betrieben werden. Die Messgenauigkeit der Vorrichtung hängt dann jedoch von der Stabilität des Interferometers oder der Etalons ab.
Damit auch kurzfristige Änderungen des Spektrumanalysators erkannt werden können, kann zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen und insbesondere zwischen allen Laserpulsen die Frequenz des Referenzlaserstrahls mit dem Spektrumanalysator bestimmt und die Frequenz des vorherigen und/oder folgenden Laserpulses relativ zur bestimmten Frequenz des Referenzlaserstrahls ermittelt werden.
Der Referenzlaserstrahl kann ein Dauerstrichlaserstrahl sein, der kontinuierlich erzeugt und als getakteter Laserstrahl zwischen den Laserpulsen zur Kalibrierung des Spektrumanalysators verwendet wird. Eine Kenntnis der absoluten Wellenlänge des Referenzlasers ist dabei nicht notwendig, da er nur zur Bestimmung der Änderung des Spektrumanalysators im Laufe der Zeit genutzt wird.
Dieses Verfahren des Vergleiches von gepulstem Laser und Referenzlaser in extrem kurzen Zeitabständen erlaubt die Bestimmung der Frequenz des gepulsten Lasers mit ungefähr der Genauigkeit des Referenzlasers. Der Referenzlaser kann z. B. ein Diodenlaser sein, der auf eine Rb-Sättigungsspektroskopie stabilisiert wird. Dieses auch bei Atomuhren angewendetes Verfahren erlaubt eine Frequenzstabilität von <1010 selbst bei ungünstigen Bedingungen über sehr lange Zeiträume. Andere Verfahren sind ebenso einsetzbar, da sowohl Typ des Lasers als auch Referenzwellenlänge weitgehend wählbar sind. Dies erlaubt auch hochgenaue spektrale Messungen auf beliebigen Wellenlängen, wo keine Referenz vorhanden ist. Das Verfahren ist daher weitgehend unabhängig von der zu messenden Wellenlänge.
Um ein möglichst viele Frequenzen umfassendes Streustrahlungsspektrum erzeugen zu können, werden vorzugsweise nacheinander Laserpulse unterschiedlicher Frequenz abgegeben und gestreut. Zur Bestimmung des Streustrahlungsspektrums können bis zu 1000 oder mehr und z. B. bis zu 10000 oder sogar bis zu 100000 Laserpulse im Messzeitraum und beispielsweise pro Sekunde, Stunde oder Tag gestreut werden. Somit können auch schnelle Änderungen des Streustrahlungsspektrums, beispielsweise hervorgerufen durch eine Windböe, erfasst werden. Zusätzlich können auch die Frequenzen der Laserpulse in schneller Folge und zum Beispiel in beliebiger Reihenfolge geändert und mit dem Spektrumanalysator ohne weiteres gemessen werden.
Für atmosphärische Messung ist zu berücksichtigen, dass sich die Konzentration und Transmission der Atmosphäre von Puls zu Puls stark ändern kann. Spektrale Messungen sind daher nur möglich, wenn der Laser in schneller Folge von Puls zu Puls die Wellenlänge in geeigneter Weise ändert. Bei einem idealen System muss das gesamte Spektrum wiederholt in möglichst kurzer Zeit erfasst werden. Dabei gilt es vor allem, weit auseinander liegende Frequenzen möglichst schnell von Puls zu Puls anzufahren. Dies ist technisch nur begrenzt genau möglich. Bei dem hier beschriebenen Verfahren kann die Frequenz aufeinanderfolgender Laserpulse ohne weiteres um viele tausend MHz verfahren werden. Es genügt, wenn die genaue Frequenz jedes Laserpulses mit einer Genauigkeit von weniger als einem MHz bestimmt wird. Auch wenn es im Vorfeld nicht gelingt, den Laserpuls mit genau der angestrebten Frequenz zu emittieren, kann anschließend bei der Datenauswertung das Streustrahlungsspektrum nahezu beliebig genau aus den gemessenen Frequenzen der Laserpulse bestimmt werden.
Dazu ist ein geeignetes mathematisches Verfahren notwendig, das nicht davon ausgeht, dass man einzelne Frequenzen beliebig genau erzeugen kann. Anstatt einen präziseren Laser zu bauen genügt es, eine aufwändigere Software zu entwickeln, wodurch die Anforderungen und der Aufwand im Experiment deutlich vereinfacht werden. Bei dem hier beschriebenen Verfahren besitzt jeder einzelne zur Bestimmung des Streustrahlungsspektrums verwendete Laserpuls eine Frequenz (und spektrale Eigenschaften), die genau ermittelt werden, wodurch die Qualität und spektrale Auflösung der Messung stark verbessert wird.
Die Frequenz der Laserpulse kann beispielsweise abhängig von der Menge der erfassten Streustrahlung bereits gestreuter Laserpulse eingestellt werden. Umfasst die erfasste Streu- Strahlung noch nicht alle Teile des Spektrums, die betrachtet werden sollen, so kann die Frequenz der Laserpulse zumindest grob in die noch nicht oder noch nicht ausreichend betrachteten Frequenzbereiche verschoben werden. Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens und zumindest bei der ersten Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zunächst ein Laserpuls mit einer beliebigen Frequenz gestreut werden. Die durch diesen Laserpuls hervorgerufene Menge an Streustrahlung in Kombination mit der ermittelten Frequenz des Laserpulses kann ein Hinweis auf für die Messung interessante Frequenzbereiche geben. Gegebenenfalls sind mehrere Laserpulse mit womöglich stark unterschiedlichen Frequenzen nötig, um genug Hinweise zum Auffinden des interessanten Frequenzbereiches zu erlangen. Ist der interessante Frequenzbereich, in dem beispielsweise viel Streustrahlung empfangen wird, bekannt, kann die Frequenz der Laserpulse in diesen Frequenzbereich verschoben werden.
Eine Bestimmung der absoluten Frequenz jedes einzelnen Laserpulses erfolgt erst bei der Datenanalyse durch den Vergleich mit dem theoretischen Modell. Insbesondere gilt, dass sich die Atmosphäre im Mittel nur mit mm/s auf- bzw. abwärts bewegt. Daher gilt in sehr guter Näherung, dass es im Mittel über einen längeren Zeitraum und größeren Höhenbereich, z. B. in der Mesosphäre, zu keiner Dopplerverschiebung kommt, wenn man genau vertikal misst. Dieses Verfahren zur Bestimmung der absoluten Wellenlänge ist genauer als die Verwendung eines Referenzgases in einer Laborreferenzzelle. Das zu messende Spektrum dient dabei quasi selber als Referenzzelle. Ist die absolute Frequenz einmal bestimmt, genügt der Referenzlaser im Weiteren. Die Bestimmung der absoluten Frequenz ist nur einmal nötig, solange der Spektrumanalysator nicht mechanisch verändert wird und kann auch mit einer Laborreferenz erfolgen.
Absolute Frequenzen des Spektrums der Streustrahlung können insbesondere aus deren Mengenverteilung in Bezug auf die wenigstens eine bestimmte Eigenschaft der Laserpulse ermittelt werden. Insbesondere kann die Menge der empfangenen Streustrahlung mit den genau bestimmten Frequenzen der Laserpulse verknüpft und das so erzeugte Streustrahlungsspektrum mit einem theoretischen Modell zur Übersetzung der relativen Frequenzen in absolute Frequenzen verglichen werden.
Zur Bestimmung von Eigenschaften des Gases kann es notwendig sein, absolute Frequenzwerte der Spektren der zurück gestreuten Streustrahlung der Laserpulse zu kennen. Um zumindest eine Frequenz einer zum Bestimmen der Eigenschaften des Gases verwendeten Streustrahlung eines der Laserpulse zu ermitteln, kann das Gas vertikal beleuchtet und die zurück gestreute Streustrahlung vermessen werden. Da sich die Atmosphäre im Mittel nahezu nicht und höchstens langsam, zum Beispiel mit wenigen Millimetern pro Sekunde, auf und ab bewegt, ist die Dopplerverschiebung des zurück gestreuten Anteils vernachlässigbar gering oder kann bei ausreichend langer Beleuchtung weggemittelt werden. Dieses Verfahren zum Bestimmen zumindest eines absoluten Frequenzwertes eines Lasers, bei dem ein Gas in der Atmosphäre vertikal und zum Beispiel über einen langen Zeitraum von bis zu einer Stunde oder bis zu 2, 4, 8 oder 16 Stunden oder von bis zu einem Tag oder länger beleuchtet und der absolute Frequenzwert anhand der zurück gestreuten Streustrahlung bestimmt wird, ist auch unabhängig vom Verfahren zum Bestimmen des Streustrahlungsspektrums der Laserpulse vorteilhaft.
Um Gaseigenschaften in einer vorbestimmten Entfernung bzw. Höhe in der Atmosphäre messen zu können, kann die Laufzeit des Laserpulses bis zum Erreichen des zu untersuchenden Gasvolumens sowie die Laufzeit der Streustrahlung vom zu untersuchenden Gasvolumen zurück zum Strahlungssensor herangezogen werden. Beispielsweise können Eigenschaften von Gasvolumina in einer Höhe von mehreren Tausend Metern bestimmt werden.
Der Laserpuls durchquert insbesondere bei Messungen in der Atmosphäre auf seinem Weg zum zu untersuchenden Gasvolumen weitere Volumina der Atmosphäre, an denen er zumindest teilweise gestreut wird. Die zwischen dem Pulslaser und dem zu untersuchenden Gasvolumen erzeugte Streustrahlung kann zur Bestimmung von Gaseigenschaften weiterer den Laserpuls streuende Gasvolumina genutzt werden.
Beispielsweise kann ein großes Gasvolumen in mehrere kleinere Gasvolumina aufgeteilt werden, die zwischen dem Pulslaser und dem am weitesten vom Pulslaser entfernten zu untersuchenden Gasvolumen angeordnet sind. Die beispielsweise gerade hintereinander angeordneten Gasvolumina können jeweils einen Teil der Streustrahlung erzeugen, wobei die zurückgestreuten Anteile des Laserpulses jedem der Volumina in der Vorrichtung einem Abstandskanal zugewiesen werden. Das gesamte zu untersuchende Gasvolumen kann viele tausend und beispielsweise 8000 Abstandskanäle mit einer Abstandsauflösung von wenigen Millimetern, bis zu hunderten oder gar tausenden von Metern aufweisen. Wird die Messung im Wesentlichen vertikal durchgeführt, entspricht der Abstand der Höhe.
Bei der Bestimmung der Streustrahlungsspektren fallen Messdaten an, beispielsweise die zurückgestreute Intensität bzw. die Anzahl der zurückgestreuten Photonen je Höhenkanal und Laserpuls sowie die Daten zu den Eigenschaften der Laserpulse, beispielsweise die Frequenz, die Energie und die Qualität der Laserpulse. Pro Messtag werden so bis zu einem Terabyte oder sogar mehr an Daten erzeugt. Selbst wenn Daten zu Laserpulsen, deren Qualität nicht dem Qualitätskriterium genügt, und deren Streustrahlung nicht gespeichert werden, ist die anfallende Datenmenge so groß, dass die Speicherung der Daten bei einem Dauerbetrieb der Vorrichtung sogar bei der Verwendung von modernen Datenspeichern schnell nicht mehr handhabbar ist. Bekannte Komprimierungsverfahren sind jedoch nicht in der Lage, die Messdaten nennenswert oder gar stark zu komprimieren, da die Verteilung der Messdaten zwar in der Regel bekannt ist, die Daten jedoch keine Struktur aufweisen. Der Erfindung liegt folglich darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Komprimieren von strukturlosen, beispielsweise einem weißen Rauschen entsprechenden, und eine bekannte Verteilung aufweisenden Daten, insbesondere Zähldaten, bereitzustellen, das die Daten nennenswert komprimiert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Komprimieren von strukturlosen Daten mit bekannter Verteilung gelöst, bei dem ein Datensatz der Daten zumindest ein Quelldatenfeld, mehrere Adressdatenfelder und je Adressdatenfeld ein mit einem der Adressdatenfelder verknüpftes Zieldatenfeld umfasst.
Die strukturlosen Daten sind insbesondere Messdaten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen des Spektrums von Streustrahlung erzeugt werden. Im Quelldatenfeld ist beispielsweise die Frequenz eines der Laserpulse eingetragen. Weitere Quelldatenfelder können zum Beispiel die Intensität oder das Qualitätsmerkmal dieses Laserpulses beinhalten. Den Adressdatenfeldern können Kanäle, insbesondere Höhenkanäle zugewiesen sein, wobei je Höhenkanal ein Streustrahlungsspektrum bestimmt werden soll. Der Datensatz kann beispielsweise bis zu 8000 oder mehr Adressdatenfelder aufweisen, so dass Streustrahlungsspektren von zum Beispiel 8000 Höhenkanälen bestimmt werden können. Ein Höhenkanal repräsentiert beispielsweise eine Strecke von 25 m, wobei 8000 Höhenkanäle, die hintereinander angeordnet sind, einer Messstrecke von 200 km entsprechen. Im Zieldatenfeld wird insbesondere die Menge an zurückgestreuter Streustrahlung gespeichert, wobei im Zieldatenfeld einem der Höhenkanäle bzw. der Adressdaten zugeordnete Menge an Streustrahlung gespeichert wird. Die Zieldaten sind insbesondere Zähldaten, also natürliche Zahlen, bzw. vorzugsweise die Anzahl der pro Laserpuls und Höhenkanal empfangenen Photonen der Streustrahlung.
Um die Daten zu komprimieren, werden die am häufigsten vorkommenden Zieldaten und die mit Ihnen verknüpften Adressdaten nicht gespeichert. Ein Vorhandensein von Quelldaten ohne Adress- und Zieldaten repräsentiert dabei den am häufigsten vorkommenden Zieldatenwert.
Um den benötigten Speicherplatz weiter zu reduzieren, können Zieldatenwerte, die weniger häufig und insbesondere am zweithäufigsten vorkommen, nicht gespeichert und durch die Ihnen zugeordneten Adressdaten repräsentiert werden. Damit auch der durch die Adressdaten verwendete Speicherplatz verringert werden kann, können die Adressdaten in Abstandsdaten gewandelt werden, wobei die Abstandsdaten den Abstand und insbesondere die Anzahl von Höhenkanälen zu einem vorhergehenden Adressdatenfeld, das z. B. Adressdatenwerte zu Zieldatenwerten, die weniger als die am häufigsten vorkommenden Zieldatenwerte vorkommen, umfasst. Somit muss beispielsweise nicht der Wert 3426 für den entsprechenden Höhenkanal, sondern beispielsweise nur der Wert 5 für den Abstand zum vorherigen Höhenkanal 3421 mit Zieldaten, die weniger als die am häufigsten vorkommenden Zieldaten vorkommen, gespeichert werden. Damit nicht nur die am zweithäufigsten vorkommenden Zieldaten, sondern auch noch seltener vorkommende Zieldaten gespeichert werden können, kann ein ausgewählter und beispielsweise minimaler Abstandsdatenwert eine Erhöhung des einem Adressdatenfeld zugeordneten Zieldatenwert um ein vorbestimmtes Inkrement repräsentieren. Beispielsweise kann der minimale Ab- Standsdatenwert dem Wert null entsprechen und das vorbestimmte Inkrement den Wert eins haben.
Damit die Datenwortlänge der Abstandsdatenwerte möglichst gering gehalten werden kann, kann ein ausgewählter und beispielsweise maximaler Abstandsdatenwert eine Erhöhung des Adress- datenwertes ohne Repräsentation eines Zieldatenwertes darstellen. Beträgt die Datenwortlänge des Abstandsdatenfeldes beispielsweise 4 bit, so kann der maximale Abstandsdatenwert den Wert 15 (1 1 1 1 ) repräsentieren. Ist ein entsprechender Abstandsdatenwert in das Abstandsdatenfeld eingetragen, so ist den vierzehn folgenden Abstandsdatenfeldern der am häufigsten vorkommende Zieldatenwert zugeordnet. Erst der Adressdatenwert im fünfzehnten folgenden Adressdatenfeld kann dann einen Zieldatenwert repräsentieren, der weniger häufig vorkommt als der am häufigsten auftretende Zieldatenwert. Ist diesem Adressdatenfeld jedoch kein solcher Zieldatenwert zugeordnet, so kann der Adressdatenwert im fünfzehnten folgenden Adressdatenfeld einen Wert zwischen 1 und 14 repräsentieren, der angibt, dass eines der ersten bis vierzehnten auf dieses Adressdatenfeld folgenden Adressdatenfelder beispielsweise den zweithäufigsten Zieldatenwert repräsentiert. Alternativ kann anstelle eines Wertes zwischen 1 und 14 wieder der Wert 15 (1 1 1 1 ) ab- gelegt sein, der ohne Erhöhung oder Repräsentierung von Zieldatenwerten den Abstandswert- zähler um 15 erhöht. Ist dem fünfzehnten Adressdatenfeld der zweithäufigste Zieldatenwert zugeordnet, so ist ihm vorzugsweise der Zieldatenwert null zugeordnet.
Ein Terabyte an Zähldaten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise auf 10 Gigabyte komprimiert werden. Die Komprimierung erfolgt dabei verlustfrei. Dieses Verfahren ist insbesondere für Zähldaten mit einer geringen Zählrate und einer bekannten Verteilung effektiv. Die Verteilung kann z. B. eine Poisson-Verteilung sein und die Zählrate kann zwischen 0 und 20 liegen.
Die beim Verfahren zum Bestimmen des Streustrahlungsspektrums anfallenden Zähldaten entsprechen der Anzahl an zurückgestreuten Photonen je Puls und Höhenkanal. Am häufigsten wird insbesondere bei Messungen in großer Höhe der Atmosphäre und z. B. in der Mesosphäre kein Photon zurück zur Vorrichtung gestreut. Der häufigste Messdatenwert beträgt also 0.
Der am zweithäufigsten vorkommende Wert entspricht z. B. einem einzelnen zurückgestreuten Photon je Laserpuls und Höhenkanal. Am dritthäufigsten werden beispielsweise zwei Photonen zurückgestreut, wobei dieser Wert oftmals schon sehr selten vorkommt. Je größer die Höhenauflösung, desto geringer wird die zu erwartende Zählrate. Bei einer besonders hohen Auflösung wird beispielsweise ein Gasvolumen mit einer besonders kleinen Dicke betrachtet. Dieses kleinere Gasvolumen streut im Vergleich zu größeren, also dickeren, Gasvolumina weniger Photonen, so dass die Zählrate eher 0 als größer 2 ist. Folglich ist die Kompression umso effektiver, desto besser die Höhenauflösung ist.
Mit den aus dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen des Streustrahlungsspektrums gewonnenen Daten kann das Streustrahlungsspektrum nicht ohne weiteres direkt erzeugt werden. Damit das Streustrahlungsspektrum auch durch Verwendung der Laserpulse gewonnen werden kann, wird erfindungsgemäß darüber hinaus ein Verfahren zum Berechnen eines Streustrahlungsspektrums bereitgestellt, bei dem Frequenzen von zu streuender Laserstrahlung mit der Menge an zurückgestreuter Streustrahlung verknüpft werden, wobei zu Frequenzintervallen gehörende Frequenzen der zu streuenden Laserstrahlung und den Frequenzen zugeordnete Mengen an ermittelter Streustrahlung jeweils zu Frequenzwerten und Mengenwerten zusammen- gefasst werden, wobei die Frequenz- und Mengenwerte so bestimmt werden, dass sie Werten eines zu erwartenden theoretischen Spektrums möglichst nahe kommen.
Die Frequenz- und Mengenwerte können mit einer Vielzahl von dem Fachmann bekannten mathematischen Verfahren berechnet werden. Beispielsweise können die Frequenz- und Mengenwerte mit Hilfe einer Ausgleichsrechnung an das zu erwartende theoretische Streustrahlungsspektrum angenähert werden. Im einfachsten Fall kann eine lineare Näherung ausreichen. Sind die Ergebnisse der linearen Näherung nicht nahe genug an den zu erwartenden theoretischen Streustrahlungsspektren, kann auch eine Näherung höherer Ordnung verwendet werden. Ferner können die Frequenzen oder Frequenzbereiche, bei denen eine größere Menge an Streustrahlung empfangen wurde und/oder die diesen zugeordneten Mengen an Streustrahlung, stärker gewichtet werden, als Frequenzen oder die ihnen zugeordneten Mengen an Streustrahlung, bei denen eine geringere Menge an Streustrahlung empfangen wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Streuspektren jeglicher Art unter Verwendung verfügbarer Pulslaser mit geringem Aufwand genau bestimmt werden. Dabei können die Laserpulse nicht nur an Gas, insbesondere Luft, sondern auch an anderen Materialien zur Bestimmung einer Eigenschaft dieser Materialien gestreut und das entstehende Streuspektrum exakt bestimmt werden.
Durch die erreichte Genauigkeit des Messverfahrens können nicht nur hochgenaue Messungen durchgeführt, sondern es können vielmehr Eigenschaften von Messinstrumenten bestimmt und physikalische Theorien überprüft werden. Abweichungen zwischen Theorie und Messung zeigen theoretische oder messinstrumentelle Probleme oder auch andere unbekannte Einflussgrößen, z. B. aufgrund der Eigenschaften der Atmosphäre, auf. Dies gelingt durch die extrem genaue Bestimmung des Streustrahlungsspektrums mit vielen Laserpulsen, deren Frequenzen genau gemessen wurden. So lässt sich z. B. die mittlere spektrale Linienform oder die mittlere spektrale Breite des gepulsten Lasers (typischerweise Lorenz) aus den Flügeln von gemessenen atmosphärischen Spektren mit hoher Genauigkeit bestimmen. Ähnlich kann bei asymmetrischer Linienform aus der Messung der Plattenabstand des Spektrumanalysators bestimmt werden. Neben instrumenteilen Parametern kann die Messung auch zur Überprüfung der Theorie genutzt werden. Jede Abweichung des beobachteten Spektrums ist entweder auf einen Fehler im System, mangelnde Berücksichtigung atmosphärischer Einflüsse oder aber einen Fehler im Modell der spektralen Linie (einschließlich banaler Softwarefehler) zurückzuführen. Eine sorgfältige Analyse der gewonnenen Daten kann sowohl experimentelle als auch theoretische Probleme aufzeigen.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung eines Streustrahlungsspektrums;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Bestimmen eines Streustrahlungsspektrums als ein Flussdiagramm;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Datenkomprimierung als ein Flussdiagramm;
Figur 4 eine schematische Darstellung von Daten;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Berechnen eines Streustrahlungsspektrums als ein Flussdiagramm; und
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Streustrahlungsspektrums.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Streustrahlungsspektrums mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben. Figur 1 zeigt die Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Streustrahlungsspektrums schematisch mit einem Pulslaser 2 und einem Strahlungssensor 3. Der Pulslaser 2 ist ausgebildet, Laserpulse P auszusenden, wobei die ausgesendeten Laserpulse P gestreut werden und Streustrahlung S der gestreuten Laserpulse P zumindest teilweise vom Strahlungssensor 3 empfangen wird. Die Laserpulse P werden beispielsweise auf ein Gasvolumen V gerichtet, um zumindest eine Eigenschaft des Gasvolumens V aus der Streustrahlung S ableiten zu können. Alternativ können die Laserpulse P auch zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines anderen Volumens, beispielsweise eines Flüssigkeitsvolumens, oder anderer Strukturen auf diese gerichtet und von diesen gestreut werden. Der vom Pulslaser 2 emittierte Laserpuls P breitet sich entlang einer optischen Achse 02 in Richtung auf das zu untersuchende Gasvolumen V aus. Entlang der optischen Achse 02 ist zwischen dem Pulslaser 2 und dem Gasvolumen V ein Strahlteiler 4 vorgesehen, auf den der Laserpuls P trifft und von dem der Laserpuls P geteilt wird. Ein erster Teil P' des Laserpulses P verlässt den Strahlteiler 4 in Richtung auf das Gasvolumen V, wo er gestreut wird. Ein zweiter Teil P" des Laserpulses P wird vom Strahlteiler 4 entlang einer optischen Achse 04 des Strahlteilers 4 auf einen Spektrumanalysator 5 geleitet. Mit dem Spektrumanalysator 5 kann zumindest eine Eigenschaft des Laserpulses P anhand des zweiten Teils P" bestimmt werden. Die Eigenschaft ist beispielsweise eine ausgewählte Frequenz F des Laserpulses P und insbesondere die Frequenz F, bei dem ein Frequenzspektrum des Laserpulses P sein Maximum oder seinen Schwerpunkt hat. Ferner kann mit dem Spektrumanalysator 5 ein Qualitätsmerkmal Q des Laserpulses P ermittelt werden. Das Qualitätsmerkmal Q kann beispielsweise Eigenschaften von Lasermoden oder Breitbandemissionen des Pulslasers 2 umfassen.
Der Spektrumanalysator 5 weist beispielsweise eine Laserstrahlung und insbesondere den zweiten Teil P" des Laserpulses P mit sich selbst überlagerndes Interferometer, einen Messsignalwandler und eine Linse auf. Die Linse ist vorzugsweise als Sammellinse zwischen dem Interferometer und dem Messsignalwandler in einem Strahlengang von aus dem Interferometer austretenden und zum Messsignalwandler geleiteten Laserlicht angeordnet. Die Sammellinse bildet ein Interferenzmuster der mit sich selbst überlagerten Laserstrahlung auf den Messsignalwandler ab. Der Messsignalwandler erzeugt ein Frequenzsignal Fs und/oder ein Qualitätssignal Qs, das vom Spektrumanalysator 5 an eine Recheneinheit 6 der Vorrichtung 1 ausgebbar ist. Die Recheneinheit 6 vergleicht beispielsweise das Qualitätssignal Qs mit einem Qualitätskriterium. Erfüllt der Laserpuls P das Qualitätskriterium nicht, so werden Daten des Laserpulses P und von dessen gestreuter Streustrahlung S nicht zum Bestimmen des Streustrahlungsspektrums berücksichtigt und beispielsweise verworfen. Erfüllt der Laserpuls P das Qualitätskriterium, so wird dessen durch das Frequenzsignal Fs repräsentierte Frequenz F in der Recheneinheit 6 zumindest temporär gespeichert. Die Recheneinheit 6 ist ferner Messsignal empfangend mit dem Strahlungssensor 3 verbunden. Der Strahlungssensor 3 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ausgebildet, ein die Menge M an empfangener Streustrahlung S repräsentierendes Mengensignal Ms als Messsignal zu generieren und an die Recheneinheit 6 auszugeben. In der Recheneinheit 6 werden zumindest die Frequenz F des Laserpulses P und die Menge M der empfangenen Streustrahlung S miteinander verknüpft und beispielsweise als ein Datenpaket FM an eine Speichereinrichtung 8 ausgegeben.
Anhand des die Menge M an vom Strahlungssensor 3 empfangener Streustrahlung S repräsentierenden Mengensignal Ms in Kombination mit dem die Frequenz F des Laserpulses P repräsentierenden Frequenzsignal Fs kann die Recheneinheit 6 ermitteln, ob die Frequenz F der mit dem Pulslaser 2 erzeugten Laserpulse P geändert werden soll. Hierzu kann in der Recheneinheit 6 eine Entscheidungsvorschrift gespeichert sein. Die Recheneinheit 6 kann über eine Steuerleitung 8 Steuersignal übertragend mit dem Pulslaser 2 verbunden und so die Frequenz F der mit dem Pulslaser 2 erzeugten Laserpulse P beeinflussen. Wird der Pulslaser 2 über einen gestrichelt dargestellten Seeder-Laser 9 angeregt, so kann die Steuerleitung 8 auch als eine gestrichelt dargestellte Steuerleitung 8' von der Recheneinheit 6 zum Seeder-Laser 9 führen, so dass die Recheneinheit 6 die Frequenz der die Laserpulse P anregenden Anregungsstrahlung A des Seeder-Lasers 9 zu beeinflusst.
Mit dem Spektrumanalysator 5 lässt sich die Frequenz F der Laserpulse P nicht ohne weiteres absolut, sondern nur relativ bestimmen. Verändert sich der Spektrumanalysator 5 im Laufe der Zeit, beispielsweise infolge einer Temperaturänderung, so können Frequenzen F der Laserpulse P nicht wiederholt genau gemessen werden. Um eine Veränderung des Spektrumanalysators 5 erkennen zu können, kann die Vorrichtung 1 einen Referenzlaser 10 aufweisen. Der Referenzlaser 10 gibt im Betrieb der Vorrichtung 1 Referenzstrahlung R mit einer Referenzfrequenz Fr an den Spektrumanalysator 5 ab. Die Referenzfrequenz Fr ist zumindest unter kontrollierten Bedingungen in der Vergangenheit einmal mit dem Spektrumanalysator 5 bestimmt worden. Da die Referenzfrequenz Fr auch über längere Zeiträume hinweg stabil ist, können Veränderungen des Spektrumanalysators 5 anhand einer erneuten Messung der Referenzfrequenz Fr bestimmt werden. Weicht die bestimmte Referenzfrequenz Fr zu stark von einer früher bestimmten Referenzfrequenz Fr ab, so ist dies ein Indikator für eine Veränderung des Spektrumanalysators 5. Die Referenzfrequenz Fr braucht dabei nicht absolut bekannt sein. Anhand der zu unterschiedlichen Zeitpunkten und sich im Messergebnis voneinander unterscheidenden Messungen der Referenzfrequenz Fr können Messungen der Frequenzen F der Laserpulse P sogar korrigiert werden.
Um längerfristige Veränderungen des Spektrumanalysators 5 ermitteln zu können, reicht es aus, die Referenzfrequenz Fr gelegentlich und beispielsweise stündlich mit dem Spektrumanalysator 5 zu bestimmen. Um auch kurzfristige Veränderungen des Spektrumanalysators 5 erkennen zu können, kann die Referenzfrequenz Fr beispielsweise zwischen zwei Laserpulsen P mit dem Spektrumanalysator 5 bestimmt werden. Bevorzugt wird die Referenzfrequenz Fr zwischen allen Laserpulsen P gemessen.
Alternativ zur Auskopplung des zweiten Teils P" aus dem Laserpuls P mit Hilfe des Strahlteilers 4 kann der Spektrumanalysator 5 auch direkt mit dem Pulslaser 2 verbunden sein. Ein Teil der Laserpulse P kann vom Pulslaser 2 direkt in den Spektrumanalysator 5 eintreten, so dass dort die Frequenz F bzw. das Qualitätsmerkmal Q der Laserpulse P bestimmt werden kann. Ein solcher Spektrumanalysator ist im Ausführungsbeispiel der Figur 5 gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 5' versehen. Das Gasvolumen V ist beispielsweise ein Volumen von Gas in der oberen Atmosphäre und insbesondere in der Mesosphäre. Damit auch Eigenschaften eines Gases mit einem geringen Druck bestimmt werden können, ist das Gas mit vielen Laserpulsen P zu bestrahlen. Insbesondere wenn das Gasvolumen V in der oberen Atmosphäre und beispielsweise in der Mesosphäre angeordnet ist, erreichen bestenfalls nur wenige Photonen an Streustrahlung S je Laserpuls P den Strahlungssensor 3. Aufgrund der vielen verwendeten Laserpulse P kann dennoch das Streustrahlungsspektrum ermittelt werden. Zur Ermittlung der Gaseigenschaft ist es notwendig, das Gas mit Laserpulsen P unterschiedlicher Frequenzen F zu bestrahlen und folglich Laserpulse P unterschiedlicher Frequenz F zu streuen.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des Ausführungsbeispiels der Figur 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Das Verfahren 20 zum Bestimmen eines Spektrums von Streustrahlung ist in Figur 2 schematisch als ein Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 21 wird ein Laserpuls P abgegeben. Im Folgenden Verfahrensschritt 22 wird die Frequenz F des Laserpulses P bestimmt.
Der Laserpuls P oder zumindest der erste Teil P' des Laserpulses P wird im Verfahrensschritt 23 gestreut und die Menge M an erzeugter und durch den Strahlungssensor 3 empfangender Streustrahlung S wird im Verfahrensschritt 24 ermittelt. In einem nun folgenden Verfahrenschritt 25 werden die im Verfahrensschritt 22 ermittelte Frequenz F und die im Verfahrensschritt 25 gemessene Menge M an Streustrahlung S miteinander verknüpft. Hierzu werden beispielsweise das Frequenzsignal Fs und das Mengensignal Ms verwendet. Die mit der Menge M verknüpfte Frequenz F wird als ein Datenpaket FM im Verfahrensschritt 26 gespeichert. Vor oder nach dem Verfahrensschritt 21 und insbesondere zwischen den Verfahrensschritten 22 und 23 kann in optionalen Verfahrensschritten 27, 28 eine Referenzfrequenz Fr vermessen werden, um Änderungen bei der Frequenzmessung erkennen zu können.
Wie durch den Pfeil 29 angedeutet, kann das Verfahren 20 wiederholt und beispielsweise bis zu 1000, bis zu 10000 oder gar bis zu 100000 mal pro Sekunde oder häufiger durchgeführt werden. Dabei kann je Durchlauf des Verfahrens 20 die Frequenz F des Laserpulses P geändert werden, um das Streustrahlungsspektrum mit möglichst vielen und/oder weit auseinander liegenden Frequenzen F bestimmen zu können.
Im Verfahrensschritt 22 kann ferner das Qualitätsmerkmal Q des Laserpulses P bestimmt und das das Qualitätsmerkmal Q repräsentierende Signal Qs ausgegeben und im Verfahrensschritt 25 verwendet werden. Entspricht das Qualitätsmerkmal Q des Laserpulses P nicht einem Qualitätskriterium, so wird weder die Frequenz F des Laserpulses P noch die Menge M an empfangener Streustrahlung S im Verfahrensschritt 26 gespeichert.
Das Verfahren 20 des Ausführungsbeispiels der Figur 2 erzeugt pro Messtag eine große Datenmenge von beispielsweise einem Terabyte. Selbst mit modernen Datenspeichern können solche pro Messtag anfallenden Datenmengen nicht ohne weiteres gehandhabt werden, wenn die Messungen täglich durchgeführt werden. Gängige bekannte Kompressionsverfahren für Daten sind jedoch nicht in der Lage, die mit dem Verfahren 20 erzeugten Daten zu komprimieren, da diese Daten strukturarm oder strukturlos sind, deren Struktur also einem weißen Rauschen entspricht.
Insbesondere bei der Bestimmung von Eigenschaften von Gasen in der oberen Atmosphäre werden Mengendaten, also Zähldaten, erzeugt, die der Anzahl von zurückgestreuten Photonen je Laserpuls P entsprechen. Die zu erwartende Verteilung der Menge M bzw. der Anzahl an zurückgestreuten Photonen ist bekannt. Beispielsweise wird bei vielen oder sogar den meisten Laserpulsen P kein Photon vom Strahlungssensor 3 empfangen. Am zweithäufigsten wird eingestreutes Photon empfangen. Am dritthäufigsten werden zwei gestreute Photonen empfangen. Drei oder mehr gestreute Photonen werden nur in Ausnahmefällen empfangen.
Diese Mengen- oder Zähldaten lassen sich wegen der fehlenden Datenstrukturen nur schlecht oder gar nicht mit bekannten Verfahren komprimieren, da bekannte Kompressionsverfahren Daten anhand von sich wiederholenden Strukturen komprimieren, die jedoch in den Messdaten fehlen. Insbesondere sind bekannte Kompressionsverfahren oftmals nicht in der Lage, die gewonnenen Messdaten verlustfrei nennenswert zu komprimieren. Bei einer verlustbehafteten Komprimierung könnte das Streustrahlungsspektrum jedoch so stark verfälscht werden, dass es nicht bestimmt werden kann.
Figur 3 zeigt schematisch ein Kompressionsverfahren 40, mit dem strukturlose Zähldaten, deren Struktur also z. B. einem weißen Rauschen entspricht, deren Verteilung jedoch bekannt ist, verlustfrei komprimiert werden können. Das Kompressionsverfahren 40 ist in der Figur 3 stark schematisiert und als ein Flussdiagramm dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt 41 werden Zähldaten generiert und beispielsweise die Anzahl oder die Menge M an in einem Kanal, also einem Gasvolumen mit einer vorgegebenen Dicke, zurückgestreuten Photonen eines Laserpulses P gezählt. Werden die Laserpulse P an einem Gasvolumen V in der oberen Atmosphäre und beispielsweise in der Mesospähre gestreut, so werden meistens null Photonen, weniger häufig ein Photon, noch seltener zwei Photonen und nur in Ausnahmefällen drei oder mehr Photonen pro Laserpuls P und Höhenkanal empfangen und gezählt. Im auf den Verfahrensschritt 41 folgenden Verfahrensschritt 42 wird geprüft, ob kein Photon gezählt wurde. Wird kein Photon vom Strahlungssensor 3 empfangen und geschieht dies am häufigsten, so wird im Verfahrensschritt 42 entschieden, zumindest die gemessene Anzahl null Photonen und womöglich auch Daten zum Höhenkanal nicht als Daten zu speichern, sondern zu verwerfen.
Im Verfahrensschritt 43 wird geprüft, ob als zweithäufigstes Ergebnis z. B. genau ein gestreutes Photon vom Strahlungssensor 3 empfangen wurde. Wurde beispielsweise für einen der Kanäle genau ein Photon empfangen, so werden diese Messung repräsentierende Daten, z. B. die Anzahl der Höhenkanäle, im Verfahrensschritt 44 gespeichert. Insbesondere wird der Abstand zu dem Höhenkanal, bei dem zuvor dieselbe Anzahl an Photonen empfangen wurde, gespeichert. Wurden genau zwei Photonen empfangen, wird im Verfahrensschritt 45 entschieden, Daten zu dieser Messung zu speichern. Es ist jedoch nicht notwendig, den Wert zwei zu speichern. Um Speicherplatz zu sparen, reicht es aus, den Abstand null zu speichern.
Da in der Regel größere Datensätze mit Zähldaten zu komprimieren sind, wird das Kom- pressionsverfahren 40, wie durch den Pfeil 46 angedeutet, wiederholt durchgeführt.
Figur 4 zeigt schematisch unkomprimierte Daten 60 und komprimierte Daten 61 . Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die unkomprimierten Daten 60 sowie die komprimierten Daten 61 umfassen wenigstens ein Quelldatenfeld S1 und beispielsweise drei Quelldatenfelder S1 , S2, S3, in denen Quelldaten ablegbar sind. Quelldaten sind beispielsweise Daten eines ersten Laserpulses P und insbesondere dessen bestimmte Frequenz F1 , dessen Intensität 11 und womöglich dessen Qualität Q1 . Dem wenigstens einen Quelldatenfeld S1 sind mehrere Adressdatenfelder K zugeordnet. Die Anzahl der Adressdatenfelder K kann der Anzahl der Höhenkanäle entsprechen und jedem der Höhenkanäle kann dabei eine Adresse im Adressdatenfeld zugewiesen sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die unkomprimierten Daten 60 zu einem der Laserpulse P 8000 Adressdatenfelder K1 bis K8000. Zur digitalen Darstellung von 8000 unterschiedlichen Adressdatenwerten haben diese eine Mindestlänge von 13 bit.
Jedem der Adressdatenfelder K ist ein Zieldatenfeld Z zugeordnet, in dem die Menge M an gestreuter Streustrahlung S zum zugehörigen Höhenkanal für den einen der gestreuten Laserpulse P eingetragen ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der am häufigsten vorkommende Zieldatenwert null. Dies bedeutet, dass von dem gestreuten Laserpuls P für den jeweiligen Kanal null Photonen empfangen wurden. Zu den Adressdaten K4 und K5 wurden nicht null Photonen, sondern ein Photon bzw. zwei Photonen empfangen. Die unkomprimierten Daten 60 weisen ferner Daten für weitere gestreute Laserpulse P auf. Beispielsweise weisen die unkomprimierten Daten 60 Daten für 50000 Laserpulse P auf.
Die komprimierten Daten 61 weisen anstelle der Adressdaten K1 bis K8000 und der Zieldaten lediglich Abstandsdaten D zu einem ersten Datenfeld oder einem vorherigen Datenfeld, in dem nicht der am häufigsten vorkommenden Zieldatenwert null enthalten ist, auf. Beispielsweise ist der Zieldatenwert ein Photon zum die Adressdaten K4 enthaltenden Adressdatenfeld K durch den Abstandsdatenwert drei repräsentiert, der angibt, dass erst im zum Adressdatenfeld K1 mit einem Abstand von drei Adressdaten ein Zieldatenwert vorhanden ist, der dem am zweithäufigsten vorkommenden Zieldatenwert und beispielsweise dem Wert ein Photon entspricht. Der auf den Wert drei im nächsten Feld folgende Wert eins repräsentiert, dass bereits im dem nächsten Adressdatenfeld K zugeordneten Zieldatenfeld ein vom häufigsten Zieldatenwert abweichender Zieldatenwert enthalten ist. Der codierte Zieldatenwert entspricht jedoch nicht dem Wert ein Photon, sondern dem Wert zwei Photonen. Um den Zieldatenwert zwei Photonen codieren zu können, folgt auf den Abstandsdatenwert eins der kleinstmögliche Abstandsdatenwert null. Der kleinstmögliche Abstandsdatenwert gibt an, dass dem Zieldatenwert ein Inkrement und z. B. der Wert eins hinzuzufügen ist. Die komprimierten Daten 61 zu den restlichen Laserpulsen zwei bis 50000 sind vergleichbar codiert und hierdurch komprimiert.
Figur 5 zeigt schematisch ein Verfahren 70 zum Bestimmen des Streustrahlungsspektrums schematisch als ein Flussdiagramm. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der bisherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
Das Verfahren 70 verwendet die mit der Vorrichtung 1 bzw. mit dem Verfahren 20 erzeugten Daten zur Bestimmung des Streustrahlungsspektrums. Die Daten repräsentieren diskrete Stützpunkte, die jedoch nicht ohne weiteres zum Streustrahlungsspektrum zusammengesetzt werden können. In einem ersten Verfahrensschritt 71 startet das Verfahren 70. Im Verfahrensschritt 71 wird beispielsweise das Verfahren 20 mehrfach durchgeführt, um Frequenzen F von zu streuenden Laserpulsen P sowie Mengen M an zurückgestreuter Streustrahlung S zu bestimmen. Eine Vielzahl von Frequenzen F und Mengen M wird den auf den ersten Verfahrensschritt 71 folgenden Verfahrensschritten 72 und 73 zugeführt. Innerhalb eines Frequenzintervalls liegende Frequenzen F werden im Verfahrensschritt 72 zu einem zusammengefassten Frequenzwert F' zusammengefasst. Im Verfahrensschritt 73 werden den Frequenzen F des Frequenzintervalls zugeordnete Mengen M an Streustrahlung S zu einem zusammengefassten Mengenwert M' zusammengefasst.
Die Werte der zusammengefassten Frequenz F' und der zusammengefassten Menge M' werden so bestimmt bzw. berechnet, dass diese zu erwartenden Werte eines theoretischen Spektrums möglichst nahe kommen. Beispielsweise können der zusammengefasste Frequenzwert F' und der zusammengefasste Mengenwert M' durch eine lineare Näherung oder eine Näherung höherer Ordnung an das zu erwartende theoretische Spektrum angepasst berechnet werden. Auch können andere Berechnungsmethoden verwendet werden. Zum Beispiel können die Frequenzen F und die Mengen M anhand der Anzahl der Frequenzen F im Frequenzintervall oder die Intensität der Laserpulse P mit den Frequenzen F im Frequenzintervall gewichtet werden. Außer der Frequenz F kann es also auch notwendig sein, die Intensität des Laserpulses P zumindest relativ zu ermitteln und zu speichern.
Lassen sich die Frequenzen F und Mengen M nicht so zusammenfassen, dass deren zusammengefasste Werte F', M' Werten des zu erwartenden theoretischen Spektrums nahe genug kommen, kann dies ein Hinweis auf eine Fehlfunktion der Vorrichtung 1 oder auf einen Fehler im theoretischen Modell sein. Figur 6 zeigt schematisch ein mit der Vorrichtung 1 und/oder dem Verfahren 20 bestimmtes sowie mit dem Verfahren 70 berechnetes Streustrahlungsspektrum X. Das Streustrahlungsspektrum X ist stark vereinfacht dargestellt.
Auf einer Abszissenachse 80 sind Werte der Frequenzen F der Laserpulse P aufgetragen. Auf der Ordinatenachse 81 sind Werte der Menge M bzw. die Anzahl an gestreuten und vom Strahlungssensor 3 gemessenen Photonen abgetragen. Das Streustrahlungsspek-trum X der Figur 6 zeigt lediglich für zwanzig zusammengefasste Frequenzwerte F der Laserpulse P zusammengefasste Mengenwerte M'. Zur Ermittlung von Eigenschaften der die Photonen streuende Materie sind jedoch oftmals viele tausend zusammengefasste Frequenzwerte F' und zugehörige Mengenwerte M' notwendig.
Die Abstände und/oder Breiten der Frequenzintervalle können sich von den gezeigten Abständen unterscheiden. Ein realistisches Streustrahlungsspektrum X, das alle möglichen Varianten umfasst, lässt sich zeichnerisch jedoch nicht ohne weiteres darstellen, weshalb im gezeigten Ausführungsbeispiel der Einfachheit halber lediglich die zwanzig Frequenzwerte F' mit den zugehörigen Mengenwerten M' gezeigt sind.
Das Streustrahlungsspektrum X hat bei einer Frequenz fO ein Maximum. Bei dieser Frequenz fO wurden beispielsweise viele tausend oder gar mehrere Millionen Photonen über einen Zeitraum von beispielsweise 24 Stunden gezählt. Laserpulse P mit der Frequenz fO oder einer zumindest ähnlichen Frequenz F wurden vielfach gestreut, um derartig viele gestreute Photonen zu empfangen. Laserpulse P mit von der Frequenz fO abweichenden Frequenzen F wurden womöglich gleich häufig ausgesandt. Jedoch wurden weniger Photonen zurückgestreut, was durch geringere und auf der Achse 81 abgetragene Mengenwerte M' oder Zählrate für Frequenzwerte F' derartiger Laserpulse P ersichtlich ist.
Basierend auf theoretischen Modellen lässt sich der gemessenen Frequenz fO ein absoluter Frequenzwert zuweisen. Ferner kann aus dem Streustrahlungsspektrum X eine Breite B abgelesen werden. Auch die Form des Streustrahlungsspektrums X kann anhand der Messung ermittelt werden. Der absolute Wert der Frequenz fO, die Breite B des Streustrahlungsspektrums X und die Form des Streustrahlungsspektrums X erlauben Rückschlüsse auf Eigenschaften der die Laserpulse P streuenden Materie. Beispielsweise kann die Temperatur des die Laserpulse P streuenden Gases in der Mesosphäre bestimmt werden. Auch Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen in der Mesosphäre können bis auf 1 m/s oder sogar auf bis zu 0, 1 m/s genau bestimmt werden. Bei Vorhandensein entsprechender Modelle können auch andere Eigenschaften der die Laserpulse P streuenden Materie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 20 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 hoch genau bestimmt werden. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Pulslaser
3 Strahlungssensor
4 Strahlteiler
5, 5' Spektrumanalysator
6 Recheneinheit
8, 8' Speichereinrichtung
9 Seeder-Laser
10 Referenzlaser
20 Verfahren
21 , 22, 23, 24, Verfahrensschritt
25, 26, 27, 28 Verfahrensschritt
29 Pfeil
40 Kompressionsverfahren
41 , 42 Verfahrensschritt
43, 44, 45 Verfahrensschritt
46 Pfeil
60 unkomprimierte Daten
61 komprimierte Daten
70 Bewertungsverfahren
71 Start
72, 73 Zusammenfassen
80 Abszissenachse
81 Ordinatenachse
Anregungsstrahlung
Breite
Abstandsdaten Frequenz
zusammengefasster Frequenzwert
Datenpaket
Referenzfrequenz
Frequenzsignal
Frequenz
Quelldaten
Adressdatenfeld
Adressdaten
Menge
zusammengefasster Mengenwert Ms Mengensignal
02 optische Achse
04 optische Achse des Strahlteilers P Laserpuls
P' erster Teil des Laserpulses
P" zweiter Teil des Laserpulses
Q Qualitätsmerkmal
Qs Qualitätssignal
R Referenzstrahlung
5 Streustrahlung
S1 , S2, S3 Quelldatenfeld
V Gasvolumen
X Streustrahlungsspektrum
Z Zieldatenfelder

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (20) zum Bestimmen eines Spektrums (X) von Streustrahlung (S), bei dem mehrere Laserpulse (P) nacheinander gestreut (23) und die gestreuten Streustrahlungen (S) vermessen werden (24), wobei zumindest eine Eigenschaft der Laserpulse (P) bestimmt (22) und zum Bestimmen des Spektrums (X) mit der Streustrahlung (S) verknüpft wird (25), dadurch gekennzeichnet, dass als Eigenschaft die Frequenz (F) der Laserpulse (P) bestimmt wird (22).
2. Verfahren (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass je Laserpuls (P) ein Teil der Streustrahlung (S) erfasst (24) und die Menge (M) an erfasster Streustrahlung (S) mit der bestimmten Eigenschaft des gestreuten Laserpulses (P) verknüpft wird (25).
3. Verfahren (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von den Laserpulsen (P) ein Qualitätsmerkmal (Q) ermittelt wird und nur Laserpulse (P) und die diesen zugeordnete Streustrahlung (S) zur Bestimmung des Spektrums (X) verwendet werden, deren Qualitätsmerkmal (Q) einem Qualitätskriterium genügt.
4. Verfahren (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln (22) des Qualitätsmerkmals (Q) das Spektrum der Laserpulse (P) bestimmt wird.
5. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach wenigstens einem der Laserpulse (P) eine Frequenz (Fr) eines Referenzlaserstrahls (R) bestimmt wird (27, 28).
6. Verfahren (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mehreren der Laserpulse (P) die Frequenz (Fr) des Referenzlaserstrahls (R) bestimmt wird (27, 28).
7. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander Laserpulse (P) unterschiedlicher Frequenz (F) gestreut werden (23).
8. Verfahren (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (F) der Laserpulse (P) anhand der Menge (M) der erfassten Streustrahlung (S) eingestellt wird.
9. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass absolute Frequenzen des Spektrums (X) der Streustrahlung (S) aus deren Mengenverteilung in Bezug auf die wenigstens eine bestimmte Eigenschaft der Laserpulse (P) ermittelt wird.
10. Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung eines Spektrums (X) von Streustrahlung (S), mit einem Pulslaser (2), dessen im Betrieb der Vorrichtung (1 ) abgegebenen Laserpulse (P) zur
Erzeugung der Streustrahlung (S) gestreut werden, und mit einem Strahlungssensor (3), der ausgebildet ist, die Streustrahlung (S) zumindest teilweise zu empfangen, gekennzeichnet durch einen Spektrumanalysator (5), der Laserstrahlung empfangend mit dem Pulslaser (2) verbunden und ausgebildet ist, eine Eigenschaft der Laserpulse (P) zu bestimmen.
1 1. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor (3) ausgebildet ist, ein von der Menge (M) der empfangen Streustrahlung (S) abhängendes Mengensignal (Ms) zu erzeugen.
12. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Spektrumanalysator (5) ein einfallendes Laserlicht mit sich selbst überlagerndes Interferometer, einen Messsignalwandler und eine Linse aufweist, wobei die Linse zwischen dem Interferometer und dem Messsignalwandler in einem Strahlengang von aus dem Interferometer austretenden und zum Messsignalwandler geleiteten Laserlicht angeordnet ist.
13. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch einen Referenzlaser (10), wobei der Spektrumanalysator (5) im Strahlengang des Referenzlasers (10 angeordnet ist.
14. Verfahren (70) zum Berechnen eines Streustrahlungsspektrums (X), bei dem Frequenzen (F) von zu streuender Laserstrahlung (P) mit der Menge (M) einer zurückgestreuten Streustrahlung (S) verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, dass zu Frequenzintervallen gehörende Frequenzen (F) der zu streuenden Laserstrahlung (P) gemessen und den gemessenen Frequenzen (F) zugeordnete Mengen (M) an Streustrahlung (S) jeweils zu Frequenzwerten (F1) und Mengenwerten (Μ') zusammengefasst werden, wobei die Frequenz- und Mengenwerte (F1, M') so bestimmt werden, dass sie Werten eines zu erwartenden theoretischen Spektrums möglichst nahe kommen.
15. Verfahren (40) zum Komprimieren von strukturlosen Daten (60), deren Verteilung bekannt ist, bei dem ein Datensatz der Daten (60) zumindest ein Quelldatenfeld (F1 ), mehrere Adressdatenfelder (K) und je Adressdatenfeld (K) ein mit dem Adressdatenfeld (K) verknüpftes Zieldatenfeld (Z) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zum Komprimieren der Daten (60) am häufigsten vorkommende Zieldatenwerte und die mit ihnen verknüpften Adressdatenwerte nicht gespeichert werden.
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