Projekt 12629/01

Entwicklung eines operationellen Wasserdampf-Lidars

Projektdurchführung

Max-Planck-Institut für Meteorologie
Bundesstr. 55
20146 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wasserdampf ist eines der wichtigsten Spurengase in der Atmosphäre, das an einer Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen entscheidend beteiligt ist. Die für Untersuchungen dieser Prozesse bisher zur Verfügung stehende Messtechnik ist nicht ausreichend in Bezug auf Genauigkeit Auflösung, und zeitliche Abdeckung. Ziel des Vorhabens ist deshalb, ein für Forschungszwecke am MPI für Meteorologie zur Verfügung stehendes Laser-Fernerkundungsverfahren, ein Differential Absorption Lidar, so weiter zu entwickeln dass es für einen allgemeinen operationellen Einsatz geeignet ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAn den Laser eines Wasserdampf-DIAL werden besonders hohe Anforderungen gestellt. Für den operationellen Einsatz wird hier ein Diodengepumpter Nd:YAG-Laser in master-slave Konfiguration verwendet, der in dem Wellenlängenbereich um 1123 nm auf geeignete Wasserdampf-Absorptionslinien abgestimmt werden kann. Die Entwicklung einer Laborversion hierfür am MPI wurde abgeschlossen, diese Version wird von dem Kooperationpartner Elight Laser Systems zu einem robusten Industrieprodukt ausgebaut. Das gesamte Lidar-System wird modular unter Verwendung von Komponenten aus bestehenden kommerziellen Systemen aufgebaut, speziell für dieses System entwickelte Komponenten stehen auch für andere Anlagen zur Verfügung. Zur Festlegung der Spezifikationen für die Komponenten dient hierbei die am MPI entstandene Laborversion. Für die Gesamtsteuerung des Systems wird eine Rechner-Steuerung entworfen, um Fehlbedienung des komplexen Einstellungs- und Messablaufes weitgehend auszuschließen. Zum Abschluss des Projektes soll ein Prototyp aufgebaut werden (Elight), der als Demonstrationsgerät zum Nachweis der erreichten Eigenschaften dient und damit die Vermarktung erst ermöglicht.


Ergebnisse und Diskussion

Die Entwicklung eines geeigneten Lasersystems als Labormuster konnte trotz erheblicher unvorhergesehener Schwierigkeiten erfolgreich abgeschlossen werden. Das Konzept für den Aufbau des Lasersystems als master-oscillator-power-oscillator (MOPO) System, in dem sowohl der master-laser als auch der Hochleistungslaser Dioden-gepumpt sind, erwies sich als erfolgreich. Hierbei erzeugt der master-laser, der als Dauerstrichlaser betrieben wird, einen Strahl mit den erforderlichen spektralen Eigenschaften, an die höchste Ansprüche gestellt werden. Mit dem Prototypen wurde der Einmodenbetrieb si-cher erreicht, und zwar in drei Wellenlängenbereichen von jeweils etwa 1 nm Breite, in dem geeignete Wasserdampfabsorptionslinien liegen. Damit stehen 5 verschiedene Absorptionslinien für sehr unterschiedliche Messbedingungen zur Verfügung. Die Abstimmung auf die gewünschte Wellenlänge erfolgt rechnergesteuert, ebenso wie der stabilisierte Betrieb. Bezüglich der besonders wichtigen Wellenlängenstabilität wurde im Dauerversuch über 2 Tage eine Standardabweichung von 2x10-4 cm-1 erreicht und damit die Anforderung deutlich unterschritten. Die Ausgangsleistung beträgt etwa 200 mW, die Bandbreite ist kleiner als die Schwankungsbreite und konnte mit den vorhandenen Messgeräten nicht bestimmt werden. Damit hat dieser Laser hervorragende Eigenschaften, die ihn auch als Einzelprodukt sehr gut einsetzbar machen.
Die Kopplung zwischen Master- und Hochleistungslaser erfolgt über Faseroptik, die Umschaltung zwischen den 2 erforderlichen master-lasern über einen faseroptischen Schalter. Damit ist das Lasersystem vollständig modular aufgebaut, was die Wartung und ggf. Reparatur sowie die Justierung erheblich vereinfacht. Der Hochleistungslaser wurde in einem hermetisch verschließbaren Block aufgebaut. Trotz erheblicher Schwierigkeiten bei der Entwicklung, die im wesentlichen auf thermische Probleme aufgrund der hohen erforderlichen Pumpleistung zurückzuführen waren, konnte der Prototyp erfolgreich in Betrieb genommen werden. Eine Pulsenergie von 1 mJ bei einer Repetitionsrate von 1 kHz wurde dauerhaft erreicht, und zwar im injection-seeded single mode Betrieb. Damit steht eine hervorragende Laserquelle im Spektralbereich des nahen IR zur Verfügung.
Für die Erfassung der Lidarsignale mit dieser hohen Repetitionsrate wurde eine geeignete Datenerfassung bereitgestellt, die außer den Lidarsignalen bei den beiden Signalwellenlängen auch die Überprüfung auf Übersteuerung in einzelnen Höhenbereichen übernimmt sowie die Berechnung der Mittelwerte und der Standardabweichung der Signale über eine wählbare Anzahl von Laserpulsen. Damit wird die erforderliche Signalverarbeitung mit Hilfe spezieller Signalprozessoren im Echtzeitbetrieb realisiert. Die hiermit erzeugten Produkte können in herkömmlicher Weise gespeichert und weiterverarbeitet werden.
Durch erste Testmessungen mit einem aus diesen Komponenten zusammengestellten System konnte nachgewiesen werden, dass die Integration des komplexen Lidarsystems erfolgreich war und alle Module ihre Funktion im gemeinsamen Betrieb erfüllten. Diese ersten Messungen zeigten auch, dass die Signalqualität für Messungen im Bereich der planetaren Grenzschicht ausreichend ist und der Vorausberechnung entspricht. Die gemessenen Wasserdampfprofile sind plausibel, eine rigorose Überprüfung der erzielten Messgenauigkeit war jedoch noch nicht möglich. Dies soll in Kürze mit einer verbesserten Systemversion erfolgen, die einen stabileren Langzeitbetrieb ermöglicht. Dann werden auch besser geeignete Vergleichssysteme zur Verfügung stehen.
Ein kommerzielles Demonstrationsgerät wird zur Zeit bei der Firma Elight Laser Systems auf der Grundlage des am MPI entwickelten Labormusters aufgebaut.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Lasersystem sowie vorläufige Ergebnisse mit Testversionen des Gesamtsystems wurden auf internationalen Fachtagungen, insbesondere der Internationalen Laser Radar Conference in Vichy 2000 vorgestellt und fanden starke Beachtung. Teilergebnisse wurden im Rahmen einer Dissertation bereits veröffentlicht, weitere Publikationen in anerkannten Fachzeitschriften sind geplant. Der ausführliche Abschlußbericht ist zur Veröffentlichung in dem Sonderband der ESPR eingereicht, der die Ergebnisse des Großverbundes Atmosphärische Diagnostik zusammenfassen wird. Eine gezielte Werbung für dieses System kann jedoch erst erfolgen, wenn Messgenauigkeit und Systemverfügbarkeit nachgewiesen sind und ein Demonstrationsgerät fertiggestellt ist. Dies wird in naher Zukunft trotz formaler Beendigung des Projektes erfolgen.


Fazit

Die Entwicklung eines sehr komplexen Fernerkundungssystems für Messungen des Wasserdampf-Vertikalprofils in der unteren Atmosphäre war zwar schwieriger als erwartet, die aufgetretenen Probleme konnten jedoch bewältigt werden. Der Aufbau eines Prototypen der Industrieversion hat sich durch diese Schwierigkeiten verzögert, erfolgt aber zur Zeit durch den industriellen Kooperationspartner. Nach Abschluss dieser Entwicklung wird dies voraussichtlich das erste vollautomatische DIAL-System für die Messung von Vertikalprofilen de Wasserdampfes in der Atmosphäre sein.