【虹科案例】虹科数字化仪在激光雷达大气研究中的应用

01 莱布尼茨研究所使用激光雷达进行大气研究

图 1：在 Kühlungsborn 的 IAP 办公室测试各种激光器

大气研究使用脉冲激光束通过测量大气中 100 公里高度的多普勒频移和反向散射光来测量沿光束的温度和风速。返回的光信号非常微弱，会被阳光阻挡，但是莱布尼茨大气物理研究所(IAP)已经解决了这个问题:他们开发了世界上唯一可以在白天使用的便携式仪器，它已经为南极大气的研究环境提供了新的见解。新一代紧凑可靠的系统使用新型二极管泵浦激光器，其核心是一个虹科任意波形发生器 (AWG) 和两个数字化仪，可提供所需的极高速度、灵敏度和实时能力。

02多普勒共振激光雷达DOPPLER

这种测量技术被称为多普勒共振激光雷达，因为通过将激光精确调谐到金属原子的共振跃迁，光会发生反向散射。反向散射信号非常微弱（每个激光脉冲一个光子），白天几乎完全被太阳辐射淹没。夜间和白天测量之间的区别在于，白天来自太阳的背景噪音要多 1 亿倍。

了解海拔 80 到 110 公里之间大气中的温度分布，对于执行地球气候的数值模拟至关重要，又称为 MLT（中间层和低热层）。 提供此类数据的一种有效方法是通过使用脉冲激光的共振激光雷达系统测量金属原子的多普勒加宽谱线宽度，例如在770 nm处的钾共振谱线和在372 nm或386 nm处的铁共振谱线。到目前为止，这些激光器一直使用闪光灯泵，但该项目是第一个开发新型激光系统的项目，该系统使用高效、可调谐、二极管泵浦、紫翠玉激光器，能够更好地应对恶劣的环境条件，如科考船或极地地区。有了这项技术，每立方厘米大约一个原子的浓度就足以测量 100 公里距离的温度和风力，这个高度的大气压力非常低，只有火箭才能到达这个高度。

03 开发移动激光雷达测量系统

领导该项目的Josef博士Höffner解释说:“该项目的目标是创建我们可以在世界各地使用的紧凑型移动测量系统。这样的系统需要在像南极洲这样的极端环境条件下自动运行，而不能长时间使用。因此，我们需要非常坚固可靠的组件，并且能够在这些具有挑战性的条件下提供所需的灵敏度，速度和灵活性。虹科Spectrum的五年保修期让我们放心，这些关键产品值得信赖。”

图 2：移动激光雷达从破冰船“Aurora Australis”卸载到澳大利亚南极戴维斯站（69° S）前的坚冰上

改进该项目中的测量有几个方面。第一个是通过具有极小视野的高分辨率、光学过滤和小视野来抑制背景噪声。这意味着激光必须在视场以及所有滤光片中保持稳定。激光器本身需要一个复杂且快速的具有纳秒计时的实时稳定系统。这是由虹科 M2i.6012-exp 20 MS/s AWG 控制的，每天 24 小时以每秒 500 个脉冲发射。来自反向散射光的信号由虹科M4i.4421-x8 250 MS/s 16 位数字化仪处理。使用 M4i.2221-x8 2.5 GS/s 8 位数字转换器卡测量激光器内的条件。 该系统每天 24 小时处理超过 1 GByte/sec 的数据，实时处理测量数据后的响应时间约为 1 ms，总共有 21 个信号由 IAP 开发的软件包管理。

虹科M4i.4421-x8

“通过将快速、灵活的电子设备与实时功能相结合，我们已经实现了一个紧凑、高度集成的解决方案，与以前大很多倍的大型且难以处理的解决方案相比，这是一个令人印象深刻的改进，”霍夫纳博士说， “我们的旧系统需要一个 10 吨、6 m 的容器，现在使用虹科 Spectrum 卡和新型激光器将系统缩小到 1500 kg 。我们几乎已经完成了进一步缩小，将其缩小到一个只有250公斤的一米立方的盒子里，它将使用相同的电子设备和更紧凑、更先进的激光器。”这种高度紧凑的新型设备的灵敏度和便携性使得能够在偏远地区以前所未有的分辨率和准确性获得新的温度数据。“我们的测量已经对我们对大气的理解产生了重大影响，真正令人兴奋的是，我们已经证明我们可以设计一个可靠、轻便、紧凑和高效的系统，足以满足未来的太空任务，”博士总结道。

发布于 2023-06-05 18:09・IP 属地广东