VAHCOLI
Lidarnetzwerk
VAHCOLI (Vertical And Horizontal COverage by LIdar) ist ein neues Konzept am IAP zur mehrdimensionalen Untersuchung der mittleren Atmosphäre. Zukünftig wird hierzu ein Verbund aus mehreren verteilten, kompakten Lidars mit mehreren Sichtfeldern aufgebaut, um detaillierte Untersuchungen von klein- bis großskaligen Prozessen der Atmosphäre zu ermöglichen. Mehrere Systeme befinden sich momentan im Aufbau und werden zu einem besseren Verständnis der Atmosphäre insbesondere der dynamischen und thermischen Strukturen sowie der Kopplung der Schichten führen. Eine ausführliche Beschreibung des Konzeptes, dessen Bedeutung für verschiedene geophysikalische Fragestellungen und die neuartigen Komponenten sind öffentlich zugänglich (Siehe Veröffentlichungen unten).
Universelle Lidarplattform
Im Rahmen von VAHCOLI wurde am Institut eine universelle transportable Doppler-Lidarplattform (~1 m3; 250 kg; 500 W) mit Tageslichtfähigkeit entwickelt. Bereits dieser erste Prototyp beinhaltet weitestgehend alle für einen automatischen Betrieb notwendigen Komponenten. Ein Großteil des Gehäuses und des optischen Systems (Patent angemeldet) sind im 3D-Druckverfahren realisiert.
(a) Erster Prototyp während einer Testmessung am Institut. (b) 3D-gedrucktes optisches System, (c) 3D-CAD Model der optischen Komponenten eines VAHCOLI Systems.
Das System ist in der Lage, die Mie-Streuung (Aerosole), Rayleigh-Streuung (Luftmoleküle) und Resonanzfluoreszenz an freien Kalium-Atomen in der mittleren Atmosphäre zu untersuchen. Einzigartige spektrale Methoden erlauben genaue Wind-, Temperatur- und Aerosolmessungen.
Bei den Untersuchungen werden mittels Laserspektroskopie die Doppler-Verschiebung und -Verbreiterung der gestreuten Signale ermittelt. Die geringe spektrale Breite des optischen Systems ermöglicht hochwertige Messungen, auch bei Tageslicht. Verschiedene Komponenten wurden speziell für die universelle Lidarplattform entwickelt und getestet: (1) ein neuartiger diodengepumpter Alexandrit-Laser (in Kooperation mit dem ILT), (2) eine Doppler-freie Spektroskopie an Kalium als Wellenlängenreferenz und (3) schnelle Frequenzstabilisierungstechniken. Die Spektren von vielen optischen Komponenten und die atmosphärischen Doppler Spektren werden alle 100 ms erfasst. Die umfangreichen spektralen Informationen werden kontinuierlichen zur Frequenzstabilisierung der Laser und Filter sowie für die Atmosphärenmessungen verwendet.
(a) First-Light-Signale empfangen mit dem VAHCOLI Prototypen, (b) ermittelte Atmosphärische Doppler Mie-Spektren, (c) Line-Of-Sight-Wind im Vergleich zu angepassten Daten vom European Center for Medium Range Weather Forecast.
Das IAP baut momentan mehrere weiterentwickelte Systeme für VAHCOLI auf. Durch den weiten erreichbaren Wellenlängenbereich von Alexandrit-Lasern (etwa 700 - 800 nm) kann die Lidarplattform zukünftig auch für andere Anwendungen in der Atmosphärenforschung eingesetzt werden. Verschiedene Projekte beinhalten den Bereich Technologietransfer um mit Industriepartnern die Entwicklungen des IAPs zu fördern, anzuwenden und auszuweiten. Im Projekt Alise wurde gezeigt, dass Komponenten der universellen Lidarplattform für zukünftige Weltraumeinsätze geeignet sind. Zukünftig werden mit VAHCOLI erstmals verteilte Lidarmessungen von groß- und kleinräumigen Phänomenen der mittleren Atmosphäre mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung möglich werden.
Veröffentlichungen (Auswahl)
- J. Froh, J. Höffner, A. Mauer, T. H. Mense, R. Eixmann, F.-J. Lübken, A. Munk, M. Strotkamp und B. Jungbluth, Aerosol measurements in the tropo- and stratosphere by spectral splitting of Rayleigh and Mie signals within a compact lidar of 1m3, SPIE, 12265, doi:10.1117/12.2636289, 2022.
- F.-J. Lübken und J. Höffner, VAHCOLI, a new concept for lidars: Technical setup, science applications, and first measurements, Atmos. Meas. Tech., 14(5), 3815-3836, doi:10.5194/amt-14-3815-2021, 2021.
- J. Froh, Dissertation, Entwicklung spektraler Messmethoden für Doppler-Lidar, Universität Rostock, doi:10.18453/rosdok_id00003422, 2021
- J. Höffner, J. Froh, T. Mense, A. Mauer, M. Strotkamp, A. Munk, B. Jungbluth and H.-D. Hoffmann, Ground-based general-purpose Doppler lidar: A technology for Doppler aerosol measurements and beyond, International Conference on Space Optics, 11852, doi:10.1117/12.2599364, 2021.
- A. Munk, M. Strotkamp, B. Jungbluth, J. Froh, T. Mense, A. Mauer and J. Höffner, Rugged diode-pumped Alexandrite laser as an emitter in a compact mobile lidar system for atmospheric measurements, Appl. Optics, 60(16), 4668-4679, OSA, doi:10.1364/AO.422634, 2021.
