Projekt 01763/01

Entwicklung und Erprobung eines Multi-Purpose-Aerosol-Lidars

Projektdurchführung

OHB Umwelttechnologie GmbH
Universitätsallee 27
28359 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung, Fertigung und Test zweier modularer und mobiler Lidarsysteme zur: Untersuchung troposphärischer und stratosphärischer Aerosole (Aerosol Raman Lidar, ARL) unter polaren und tropischen Umweltbedingungen zu Land und zur See; Untersuchung und Analyse troposphärischen Ozons sowie zur Vorhersage von Ozonsmog, einsetzbar an straßenzugänglichen Meßorten (kombiniertes System aus einem Differentellen Absorptions- und Streuungs-(DAS)-Lidar- und einem Sodar-Meßsystem); Aus-führung der Systeme nach Industriestandard bzgl. Planung, Design, Fertigung, Bedienbarkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Qualität; Verfügbarkeit als kommerziell anbietbare Systeme hinsichtlich Nachbauten oder abgewandelter Systeme.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Projektdurchführung erfolgte in vier Projektphasen: Phase A: Vorentwicklung zur Erstellung einer Grobkonfiguration für beide Systeme; Phase B: Entwicklung und Festlegung der detaillierten Designs der Systeme; Phase C/D: Fertigung, Integration und Test, abgeschlossen durch Auslieferung der Systeme an die wissenschaftlichen Partner. Unter Nutzung des modularen Designs beider Systeme konn-ten ARL/DAS- Subsysteme zeitlich parallel an unterschiedlichen Orten auf Subsystemebene gefertigt und getestet werden. Die LIDAR Subsysteme wurden vor Ort bei den wissenschaftlichen Partnern (ARL: GKSS, AWI; DAS: IFU), und die infrastrukturellen Subsysteme von OHB in Bremen hergestellt. Daran anschließend wurden beide LIDAR-Subsysteme nach Bremen zu OHB transportiert, und unter Leitung von OHB auf Systemebene integriert und getestet. Phase E: Erprobung beider Systeme unter realisti-schen Einsatzbedingungen. Die Tauglichkeit des ARL-Systems für den Einsatz in polaren und tropischen Gebieten sowie auf See wurde erfolgreich während zweier Meßkampagnen nachgewiesen: ALBATROS, durchgeführt auf dem Forschungsschiff Polarstern im Oktober/November 96, während der Atlantikfahrt von Bremerhaven, über Island, nach Punta Quilla, Argentinien. STRAIT 97, durchgeführt am JPL Table Mountain Facility, Californien, Februar/März 97. Das DAS-System hat seine Tauglichkeit bzgl. Mobilität und Leistungsfähigkeit während zahlreicher Messungen auf der ILRC in Berlin und in der Umgebung des Fraunhofer Instituts für Atmosphärische Umweltforschung in Garmisch-Partenkirchen nachgewiesen. Es wurde erfolgreich während der EU Kampagne VOLTALP zur Untersuchung des Ozon-Austausches in den Alpen eingesetzt, und übertraf seine technischen Spezifikationen weit.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurden zwei mobile LIDAR-Meßsysteme, ARL und DAS, entwickelt und fertiggestellt, die den hohen wissenschaftlichen und technischen Zielsetzungen moderner und modularer Fernerkundungssysteme entsprechen. Erreicht wurde dies durch eine gelungene Kombination industrieller Projektführung und wissenschaftlicher Kompetenz. Während der ALBATROS Kampagne auf dem Forschungsschiff Polarstern war das ARL auf See Temperaturen von unterhalb des Gefrierpunktes bis zu tropischer Hitze ausgesetzt. Die See war zum teil stürmisch, mit starkem, meterhohen Wellengang. Das System erwies sich als sehr robust und zuverlässig, so daß der wissenschaftliche Operator, neben wenigen Servicearbeiten, im wesentlichen nur Kontrollaufgaben zu erledigen hatte. Im rauhen Seebetrieb erwies sich der eigens entwickelte Akkommodationsrahmen als vorteilhaft, auf dem die gesamte LIDAR-Optik und Elektronik verwindungssteif und gegenüber Schwingungen gedämpft integriert ist. Während der gesamten Kampagne mußte die LIDAR-Optik nicht nachjustiert werden. Nach Beendigung von ALBATROS wurde das ARL als regulärer Transportcontainer per Schiff und LKW von Südamerika nach Kalifornien, an den Standort der Kampagne STRAIT 97, versandt. Innerhalb von 24 h nach Anlieferung konnte das System als vollständig operationell in Betrieb gehen, und wies dadurch seine geforderte Transporttauglichkeit nach. Neben den an der Kampagne beteiligten und international als Referenz geltenden Aerosol-Lidarsystemen der GSFC/NASA (mobil) und des JPL (stationär) konnte sich das ARL als gleichwertig behaupten. Die während beider Kampagnen gewonnenen Meßdaten zeigten hohe Qualität und lassen nach ihrer vollständigen Auswertung interessante Ergebnisse erwarten. Das System zeichnete sich in beiden Kampagnen durch einfache Bedienung, geringen Wartungsaufwand, Zuverlässigkeit und Robustheit aus. Das DAS-System wurde hauptsächlich in der Umgebung des Fraunhofer Instituts für Atmosphärische Umweltforschung in Garmisch-Partenkirchen unter sommerlichen und winterlichen Bedingungen (auch länger anhaltender Frost) eingesetzt. Das System erwies sich als robust, zuverlässig und sehr wartungsarm. Als besonders vorteilhaft erwies sich der von OHB entwickelte und gefertigte Akkommodationsrahmen zur gedämpften Aufnahme der Lidar-Optik und des Lasers. Auch nach längerer und erschütterungsvoller Fahrt mit dem System war keine Verstellung der Lidar-Optik nachzuweisen und somit keine Nachjustierung erforderlich. Im Rahmen dieser Messungen konnte die hohe Leistungsfähigkeit des DAS-System verifiziert werden: Z.B. wird die geforderte Höhenreichweite bei exzellentem Signal- zu Rauschverhältnis und hoher Auflösung weit übertroffen und die geforderte minimale Meßhöhe erheblich unterschritten. Daher sind die aufgenommenen Meßdaten von sehr hoher Qualität und entsprechen sogar optimistischen Lidar-Signalsimulationen. Im Rahmen dieser Tests konnte das DAS-System weiter optimiert werden. Insbesondere wurde das Optik-Design weiter verfeinert und optimiert (z.B. Blendenpositionen im Polychromator, Synchronisation, Steuerung und Ausrichtung des Choppersystems zur Laser-Strahlaussendung, Automatisierung der Lidar-Signaljustierung) sowie die Software verbessert. Das DAS-LIDAR-System hat im April/Mai 1997 an der EU VOLTALP-Kampagne zur Messung des vertikalen Ozon-Austausches in den Alpen teilgenommen. Weitere Vergleichsmessungen zwischen dem DAS-LIDAR-System und Flugzeug-LIDAR-Systemen sind im März bis Mai 1997 während verschiedener Meßkampagnen zur Untersuchung spezifischer Boden-Luft-Ozon-Phänomene im Auftrag des Bayrischen Landesamtes für Umweltschutz durchgeführt worden. Eine Auswertung der gewonnen Ozon-Meßdaten läßt - wie beim ARL-System - auch hier interessante Ergebnisse erwarten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ende Juni 96 wurden beide Systeme auf der 18th International Laser Radar Conference (ILRC), Berlin, einem internationalen Fachpublikum im Original vorgestellt und vorgeführt. Die Präsentation wurde durch wissenschaftliche Konferenzbeiträge und Poster ergänzt. Die umfangreiche und aktuelle Liste der Veröffentlichungen zu diesem Projekt ist im Abschlußbericht enthalten.


Fazit

Die beiden entwickelten LIDAR-Systeme, ARL und DAS, wurden bei Vorführungen und Präsentationen von der interessierten Fachwelt positiv bewertet, und erfüllten während der durchgeführten wissenschaftlichen Kampagnen alle technischen und wissenschaftlichen Anforderungen. Beide Systeme wer-den als kommerzielle Nachbauten kostengünstig angeboten. Die realisierte Modularität der Systeme ermöglicht auch günstige Angebote über Systemkomponenten wie z.Bsp.: Lidar-Subsysteme, SODAR-Subsysteme und Infrastruktur-Subsysteme für mobile Meßeinrichtungen. Mit den Erfahrungen, die während des Projekts gesammelt wurden, können flexibel kundenspezifische Lösungen realisiert werden.