01 萊布尼茨研究所使用激光雷達(dá)進(jìn)行大氣研究

圖 1：在 Kühlungsborn 的 IAP 辦公室測試各種激光器

大氣研究使用脈沖激光束通過測量大氣中 100 公里高度的多普勒頻移和反向散射光來測量沿光束的溫度和風(fēng)速。返回的光信號(hào)非常微弱，會(huì)被陽光阻擋，但是萊布尼茨大氣物理研究所(IAP)已經(jīng)解決了這個(gè)問題:他們開發(fā)了世界上唯一可以在白天使用的便攜式儀器，它已經(jīng)為南極大氣的研究環(huán)境提供了新的見解。新一代緊湊可靠的系統(tǒng)使用新型二極管泵浦激光器，其核心是一個(gè)虹科任意波形發(fā)生器 (AWG) 和兩個(gè)數(shù)字化儀，可提供所需的極高速度、靈敏度和實(shí)時(shí)能力。

02、多普勒共振激光雷達(dá)

這種測量技術(shù)被稱為多普勒共振激光雷達(dá)，因?yàn)橥ㄟ^將激光精確調(diào)諧到金屬原子的共振躍遷，光會(huì)發(fā)生反向散射。反向散射信號(hào)非常微弱（每個(gè)激光脈沖一個(gè)光子），白天幾乎完全被太陽輻射淹沒。夜間和白天測量之間的區(qū)別在于，白天來自太陽的背景噪音要多 1 億倍。

了解海拔 80 到 110 公里之間大氣中的溫度分布，對(duì)于執(zhí)行地球氣候的數(shù)值模擬至關(guān)重要，又稱為 MLT（中間層和低熱層）。 提供此類數(shù)據(jù)的一種有效方法是通過使用脈沖激光的共振激光雷達(dá)系統(tǒng)測量金屬原子的多普勒加寬譜線寬度，例如在770 nm處的鉀共振譜線和在372 nm或386 nm處的鐵共振譜線。到目前為止，這些激光器一直使用閃光燈泵，但該項(xiàng)目是第一個(gè)開發(fā)新型激光系統(tǒng)的項(xiàng)目，該系統(tǒng)使用高效、可調(diào)諧、二極管泵浦、紫翠玉激光器，能夠更好地應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境條件，如科考船或極地地區(qū)。有了這項(xiàng)技術(shù)，每立方厘米大約一個(gè)原子的濃度就足以測量 100 公里距離的溫度和風(fēng)力，這個(gè)高度的大氣壓力非常低，只有火箭才能到達(dá)這個(gè)高度。

03 開發(fā)移動(dòng)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的Josef博士H?ffner解釋說:“該項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)建我們可以在世界各地使用的緊湊型移動(dòng)測量系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)需要在像南極洲這樣的極端環(huán)境條件下自動(dòng)運(yùn)行，而不能長時(shí)間使用。因此，我們需要非常堅(jiān)固可靠的組件，并且能夠在這些具有挑戰(zhàn)性的條件下提供所需的靈敏度，速度和靈活性。虹科Spectrum的五年保修期讓我們放心，這些關(guān)鍵產(chǎn)品值得信賴?！?

圖 2：移動(dòng)激光雷達(dá)從破冰船“Aurora Australis”卸載到澳大利亞南極戴維斯站（69° S）前的堅(jiān)冰上

改進(jìn)該項(xiàng)目中的測量有幾個(gè)方面。第一個(gè)是通過具有極小視野的高分辨率、光學(xué)過濾和小視野來抑制背景噪聲。這意味著激光必須在視場以及所有濾光片中保持穩(wěn)定。激光器本身需要一個(gè)復(fù)雜且快速的具有納秒計(jì)時(shí)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定系統(tǒng)。這是由虹科 M2i.6012-exp 20 MS/s AWG 控制的，每天 24 小時(shí)以每秒 500 個(gè)脈沖發(fā)射。來自反向散射光的信號(hào)由虹科M4i.4421-x8 250 MS/s 16 位數(shù)字化儀處理。使用 M4i.2221-x8 2.5 GS/s 8 位數(shù)字轉(zhuǎn)換器卡測量激光器內(nèi)的條件。 該系統(tǒng)每天 24 小時(shí)處理超過 1 GByte/sec 的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)處理測量數(shù)據(jù)后的響應(yīng)時(shí)間約為 1 ms，總共有 21 個(gè)信號(hào)由 IAP 開發(fā)的軟件包管理。

虹科M4i.4421-x8

“通過將快速、靈活的電子設(shè)備與實(shí)時(shí)功能相結(jié)合，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)緊湊、高度集成的解決方案，與以前大很多倍的大型且難以處理的解決方案相比，這是一個(gè)令人印象深刻的改進(jìn)，”霍夫納博士說，  “我們的舊系統(tǒng)需要一個(gè) 10 噸、6 m 的容器，現(xiàn)在使用虹科 Spectrum 卡和新型激光器將系統(tǒng)縮小到 1500 kg 。我們幾乎已經(jīng)完成了進(jìn)一步縮小，將其縮小到一個(gè)只有250公斤的一米立方的盒子里，它將使用相同的電子設(shè)備和更緊湊、更先進(jìn)的激光器?！边@種高度緊湊的新型設(shè)備的靈敏度和便攜性使得能夠在偏遠(yuǎn)地區(qū)以前所未有的分辨率和準(zhǔn)確性獲得新的溫度數(shù)據(jù)?！拔覀兊臏y量已經(jīng)對(duì)我們對(duì)大氣的理解產(chǎn)生了重大影響，真正令人興奮的是，我們已經(jīng)證明我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)可靠、輕便、緊湊和高效的系統(tǒng)，足以滿足未來的太空任務(wù)，”博士總結(jié)道。