——在強烈日光下能檢測到100km外單原子的激光光束反射

德國漢斯多爾夫，2018年12月13日訊-大氣研究通過脈衝(chong) 激光來測量100km高空多普勒(Doppler)頻移後向散射光，從(cong) 而測量沿光束的溫度和風速。這種方式返回的信號非常弱，有時甚至受到陽光的阻擋。然而萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)解決(jue) 了這一問題。萊布尼茨大氣物理研究所獨創了全球首款可在白天使用的便攜式設備，為(wei) 南極大氣條件的研究提供了新的見解。新一代小巧且可靠的係統采用新型二極管泵浦固體(ti) 激光器，其核心使用了Spectrum儀(yi) 器提供的任意波形發生器(AWG)以及兩(liang) 款數字化儀(yi) ，以確保研究所需的高速、高靈敏度以及實時性能。

萊布尼茨大氣物理研究所測試的不同激光

該測量技術被稱為(wei) 多普勒共振激光雷達。這是由於(yu) 將激光精確地調節至金屬原子的共振躍遷而形成的反向散射光。反向散射信號非常弱(每個(ge) 激光脈衝(chong) 產(chan) 生單個(ge) 光子)，白天幾乎完全被太陽輻射淹沒。夜間與(yu) 白天測量最大的區別在於(yu) ，白天的背景噪音是夜間的108倍。

研究80km到110km之間的大氣溫度分布被稱為(wei) MLT(中間層和低熱層)，這對進行地球氣候的數值模擬至關(guan) 重要。進行這項研究的一種成熟方式是測量金屬原子的多普勒展寬線寬，例如在770nm處的鉀共振線和在372nm或386nm處的鐵共振線使用脈衝(chong) 激光的共振激光雷達係統。到目前為(wei) 止，這些激光器都使用了閃光燈泵浦。但是，這是首個(ge) 使用高效、可調節、二極管泵浦和紫翠綠寶石激光所研發的新型激光係統項目。該激光器能夠更好地應對惡劣的環境條件，例如研究船舶或極地地區。憑借這項技術，大約1個(ge) 原子/ cm3的濃度足以在100km的距離進行溫度和風速測量，這種大氣壓力低於(yu) 隻有火箭可以進入的高度。

該項目的負責人Josef Höffner博士解釋說：“該項目旨在創造適用於(yu) 全球的小型移動測量係統。這樣的係統適用於(yu) 南極洲等環境惡劣的地區，在無需對設備頻繁訪問的情況下進行自動操作。因此，我們(men) 需要非常堅固且耐用的組件。除此之外，設備對靈敏度、速度以及靈活度也具有極高的要求。Spectrum儀(yi) 器的設備性能卓越，產(chan) 品所提供的五年質保期也加深了我們(men) 對其產(chan) 品的信賴。”

將移動式激光雷達從(cong) 破冰船“Aurora Australis”卸載到澳大利亞(ya) 南極站Davis(69°S)的冰麵上

這個(ge) 項目有幾個(ge) 方麵可以提升測量的結果。第一種方法是通過使用高分辨率的小視場以及光學濾波來抑製背景噪音。這意味著激光必須在視場以及所有濾光器中穩定。激光器本身需要具有納秒定時功能的多功能且穩定的係統。這是由Spectrum M2i.6012 20 MS / s AWG控製，每天24小時以500個(ge) 脈衝(chong) 每秒的速度發射。來自反向散射光的信號由Spectrum M4i.4421 250 MS / s 16位數字化儀(yi) 處理。使用M4i.2221 2.5 GS / s 8位數字化儀(yi) 卡測量激光器內(nei) 的條件。在實時處理測量數據後，係統每天24小時處理超過1 GByte / sec，響應時間約為(wei) 1 ms。 IAP開發的軟件包一共管理21個(ge) 信號。

Höffner博士表示：“我們(men) 通過將快速且靈活的電子設備與(yu) 實時功能相結合，實現了小巧、高度集成的解決(jue) 方案。與(yu) 此前大型且難以處理的解決(jue) 方案相比，此次改進可謂意義(yi) 非凡。我們(men) 的舊係統需要一個(ge) 10噸，體(ti) 積為(wei) 6米的容器。使用Spectrum儀(yi) 器的數字化儀(yi) 卡和一種新型激光器使我們(men) 的係統縮小到1500kg。我們(men) 甚至還能夠使其再度縮小以適應一個(ge) 隻有250kg的1米方箱。最重要的是，它將使用相同的電子設備和更小巧的先進激光器。

這種新型設備小巧且具有超強的靈敏度和便攜性，使研究人員能夠在偏遠地區以前所未有的分辨率和精度獲得新的溫度數據。Höffner博士表示：“測量結果已經為(wei) 我們(men) 對大氣的認知產(chan) 生了重大影響，真正令人興(xing) 奮的是，我們(men) 已經向世界證明我們(men) 可以設計一個(ge) 可靠、輕便、小巧且高效的係統，足以完成未來的太空任務。”