Forschungsgruppe
"Optische Fernmessung - Untersuchung atmosphärischer Prozesse mit optischen Methoden"

Temperatur-Feuchte-Aerosol-Ramanlidar

Motivation

Dauerhafte Beobachtung von Aerosoleigenschaften und meteorologischen Bedingungen über der urbanen Lidarstation Leipzig

Instrument

Ein frequenzstabilisierter Nd:YAG-Laser emittiert Licht bei den Wellenlängen 1064, 532 und 355 nm mit einer Gesamtenergie von 1,6 J und einer Wiederholungsrate von 30 Hz. Ein 15-facher Strahlaufweiter reduziert die Strahldivergenz auf weniger als 0,1 mrad. Das gestreute Licht wird abwechselnd mit einem langreichweitigen Teleskop (Cassegrain-Teleskop mit 1 m Durchmesser) und einem kurzreichweitigen Teleskop (Newton-Teleskop mit 10 cm Durchmesser) gesammelt. Ein 10-Kanal-Empfänger separiert die elastisch gestreuten Signale bei den drei Emissionswellenlängen und die Ramansignale von Stickstoff bei 387 und 607 nm bzw. von Wasserdampf bei 407 nm mit dichroitischen Strahlteilern und Interferenzfiltern. Ein Polarisator unterscheidet die parallel und senkrecht polarisierten Komponenten des 532-nm-Signals. Zwei reine Rotations-Ramansignale von Stickstoff werden durch einen Doppelgitter-Monochromator separiert. Ein Fabry-Perot-Interferometer erlaubt die Unterdrückung der Tageslicht-Hintergrundstrahlung zwischen den Rotationslinien. Alle Signale werden durch Photomultiplier detektiert, wobei die ankommenden Photonen einzeln gezählt werden.
Aus den gemessenen Signalen können Profile des Rückstreukoeffizienten bei den drei Ausgangswellenlängen, des Depolarisationsverhältnisses bei 532 nm sowie des Extinktionskoeffizienten und des Lidarverhältnissses bei 355 und 532 nm bestimmt werden. Weiterhin werden Profile des Wasserdampf-Mischungsverhältnis und der Temperatur abgeleitet. Aus diesen beiden Größen kann dann die relative Feuchte im gleichen Streuvolumen wie die Aerosoleigenschaften bestimmt werden (Raman-Lidar-Prinzip).

Aufbau

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Temperatur-Feuchte-Aerosol-Ramanlidar (stationäres System)
Separation des rückgestreuten Lichts: elastische Signale bei 355, 532, 1064 nm Vibrations-Rotations-Ramansignale von Stickstoff bei 387 und 607 nm Vibrations-Rotations-Ramansignal von Wasserdampf bei 407 nm parallel und senkrecht polarisierte Komponenten des 532-nm-Signals
Separation von zwei Rotations-Ramansignalen mit einem Fabry-Perot-Interferometer und einem Doppelgitter-Monochromator zur Temperaturmessung
Anordung der optischen Fasern in den beiden Faserblöcken des Doppelgitter-Monochromators
Abgeleitete Parameter: Extinktionskoeffizient bei 355 und 532 nm Depolarisationsverhältnis bei 532 nm Rückstreukoeffizient bei 355, 532 und 1064 nm Lidarverhältnis bei 355 und 532 nm Temperatur Wasserdampfmischungsverhältnis Relative Feuchte

Kooperation

Einbau der Temperaturmesskanäle (FPI + Monochromator) durch Yuri F. Arshinov, Sergej M. Bobrovnikov und Ilya B. Serikov vom Institut für Atmosphärische Optik, Sibirischer Zweig der Russischen Akademie der Wissenschaften, Tomsk, Russland

Anwendungen

• Langzeitbeobachtung des Aerosolzustands über Mitteleuropa
• Luftmassenmodifizierungsprozesse über Europa
• Beobachtung von interkontinenalen Transportprozessen (Saharastaub, Waldbrandaerosole)
  
• optische Dunsteigenschaften über Leipzig; Gegenüberstellung 1990 - 1994 zu 2000 - 2003
• Vertikale Aerosol-Flussmessungen in Kombination mit dem Doppler-Windlidar
• Temperaturmessungen
  

• Teil des deutschen Lidarnetzes (1997 - 2000)
• Teil von EARLINET (seit 2000)

Publikationen

Mattis, I., Ansmann, A., Althausen, D., Jänisch, V., Wandinger, U., Müller, D., Arshinov, Y. F., Bobrovnikov, S. M. and Serikov, I. B. 2002. Relative humidity profiling in the troposphere with a Raman lidar. Appl. Optics, 41, 6451-6462.

Arshinov, Y. F., Bobrovnikov, S. M., Serikov, I. B., Ansmann, A., Wandinger, U., Althausen, D. and Mattis, I. 2005. Realization of daytime operation of a pure rotational Raman lidar by use of a Fabry-Perot interferometer, Appl. Optics, 44, 3593-3603.