Entwicklung eines UV-Lasertransmitters und Aufbau eines flugzeuggetragenen DIAL für Ozonmessungen in der Troposphäre

Titelangaben

Meister, Alexander:
Entwicklung eines UV-Lasertransmitters und Aufbau eines flugzeuggetragenen DIAL für Ozonmessungen in der Troposphäre.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein flugzeuggetragenes DIAL-System mit einem optisch parametrischen Oszillator (OPO) als Lasertransmitter entwickelt, mit dem es möglich ist, die räumliche Ozonverteilung in der unteren Troposphäre zu bestimmen. Die räumliche Auflösung beträgt dabei bis zu 220 m vertikal und 600 m horizontal. Das System ist mit einem Stromverbrauch von typischerweise 1100 W und einer Gesamtmasse von 270 kg sehr kompakt, was für die Integration in ein einmotoriges Flugzeug wie die DLR Cessna 208 Grand Caravan notwendig ist. Es wurde speziell für dieses System eine neue, über den Bereich von 281 bis 300 nm kontinuierlich durchstimmbare “all solid state” Laserlichtquelle auf Basis eines KTP OPO mit intracavity Summenfrequenzmischung (SFM) entwickelt. Die spektrale Breite im UV ist kleiner als und die Divergenz kleiner als 0,8 mrad. Die Pumpquelle für den OPO ist ein blitzlampengepumpter Nd:YAG Laser mit Injection Seeding und einer Repetitionsrate von 10 Hz. Die durchschnittliche Pulsenergie beträgt 11 mJ wobei das gemessene Maximum bei etwa 14 mJ liegt. Die Vorteile gegenüber anderen Laseremittern liegen in seiner geringen Abmessung (20x17x10 cm³), der Stabilität und der vergleichsweise hohen optischen Effizienz von 3,5 %. Es wurden erste Bodenmessungen am DLR in Oberpfaffenhofen und zwei sehr erfolgreiche Flugzeugkampagnen im süddeutschen Raum und Österreich durchgeführt. Detektiert wurden dabei die elastische Rückstreuung bei 355 nm zur Aerosolüberwachung, sowie das zurückgestreute UV-Signal bei 287 und 296 nm für die Ozonmessung. Bei diesen Sondierungen hat das System sehr eindrucksvoll seine Zuverlässigkeit in Bezug auf Ausgangsleistung und Wellenlängenstabilität des OPO unter Beweis gestellt. Es hat ebenso demonstriert, dass damit großräumige zweidimensionale Schnitte der O3-Konzentration durch die Atmosphäre mit einem Gesamtfehler von deutlich unter 10 % gemessen werden können. Der statistische Fehler der Messungen beträgt dabei in einer Entfernung von 1,5 km unterhalb der Flughöhe etwa 4 % wobei der systematische Fehler mit kleiner 5,5 % berechnet wurde. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, dass die während des Fluges gemessenen Ozonkonzentrationen mit den Werten von Bodenmessstationen sehr gut übereinstimmen. Somit steht ein neues, im Vergleich zu den bisher existierenden Instrumenten erheblich kompakteres Messsystem mit deutlich verbesserter räumlicher Auflösung zur Verfügung. Dadurch wird es zu einer sehr guten Ergänzung für andere Messinstrumente, um aktuelle Fragen bezüglich der Troposphäre beantworten zu können.

Abstract in weiterer Sprache

An airborne differential absorption lidar (DIAL) system, based on a tuneable optical parametric oscillator (OPO) as the lidar transmitter was developed to measure the 2-dimensional ozone distribution in the lower troposphere. Its typical resolution is up to 220 m in the vertical and 600 m in the horizontal direction, respectively. The power consumption is about 1 kW and the overall weight 270 kg. An all solid state laser light source was developed using a KTP OPO with intra cavity sum frequency mixing (SFM). Its continuous tuneable spectral width reaches from 281 up to 300 nm and is well adapted to the requirements for ozone DIAL. The pump source for this system is an injection-seeded flashlamp pumped Nd:YAG laser operating at a repetition rate of 10 Hz. The spectral bandwidth in the UV is less than and the divergence smaller than 0.8 mrad. The average pulse power is about 11 mJ whereas the maximum peak power is about 14 mJ. The system is very small in size (20x17x10 cm³), comprises high mechanical stability, and has a high optical conversion efficiency of 3.5 %. Based on this light source the DIAL system named TropOLEX was developed. At first test measurements from the ground were carried out. Subsequently, the system was deployed on DLR’s Cessna 208 Grand Caravan. Two field campaigns over the South of Germany and Austria were accomplished. During these flights the performance and reliability were successfully demonstrated. The elastic backscatter on 355 nm was monitored due to possible aerosol gradients while for the ozone measurement the backscatter on 287 and 296 nm was recorded. Furthermore, it could be demonstrated that the two dimensional ozone cross sections throughout the lower troposphere was recorded with an overall error of less than 10 %. In a distance of about 1.5 km the statistical error of the ozone concentration was determined to be less than 4 % and in a worst case estimation the systematic error was calculated to be less than 5.5 %. Comparison between in-situ measured ozone near the ground and the aircraft data showed a very good agreement. With this instrument a new lidar system is now at disposal for atmospheric research, being much smaller in size and showing better range resolution than most comparable airborne ozone DIAL systems for tropospheric measurements. Therefore this remote sensing system shows great promise for complementing existing airborne instruments to tackle topical scientific problems in tropospheric research.