Mikropuls-Lidar (MPL) ist eine weit verbreitete Technologie zur Atmosphärenmessung. Sie nutzt Laserpulse im Nanosekundenbereich mit hoher Wiederholfrequenz, um Aerosole und Wolken bei allen Wetterbedingungen und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen. Die Auflösung und Reaktionsgeschwindigkeit herkömmlicher Atmosphärenmesstechnologien sind vergleichsweise gering, wodurch die Anforderungen an präzise Beobachtungen der bodennahen und oberen Atmosphäre nur schwer erfüllt werden können. Die Mikropuls-Lidar-Technologie kann die Nachteile traditioneller Methoden jedoch effektiv ausgleichen und hat sich in China zu einer Schlüsseltechnologie in der Wettervorhersage, im Umweltschutz und in der wissenschaftlichen Forschung entwickelt. Sie liefert wichtige Daten zur Bewältigung globaler Klima- und Umweltprobleme.

1. Technische Architektur und Funktionsprinzip

Das Mikropuls-Lidar besteht im Wesentlichen aus drei Kerneinheiten, die zusammenarbeiten: Laseremission, optischer Empfang und Signalverarbeitung.

Die Laseremissionseinheit verwendet einen gepulsten Laser mit hoher Wiederholrate, dessen Arbeitswellenlänge hauptsächlich 532 nm beträgt. Einige fortschrittliche Systeme unterstützen auch eine Zweiwellenlängenkonfiguration von 1064 nm/532 nm, die eine präzise Detektion verschiedener atmosphärischer Komponenten in unterschiedlichen Höhen ermöglicht.

Kernstück der optischen Empfangseinheit sind ein Koaxialteleskop und ein Lawinenfotodioden-Detektor (APD). Diese Kombination kann die schwachen, von verschiedenen atmosphärischen Partikeln erzeugten Rückstreulichtsignale effizient erfassen und in nutzbare elektrische Signale umwandeln.

Die Signalverarbeitungseinheit nutzt das Prinzip der Echtzeit-Laufzeit der empfangenen Signale, um deren Parameter zu invertieren. Dadurch kann sie schließlich die vertikale Verteilung der Feinstaubkonzentration in der Atmosphäre, die optischen Eigenschaften von Wolken usw. präzise analysieren.

Das Funktionsprinzip des Mikropuls-Lidars beruht auf der Wechselwirkung zwischen Laser und atmosphärischen Komponenten: Nach der Aussendung des Laserpulses wird dieser elastisch an Aerosolen, Wolkenpartikeln usw. in der Atmosphäre gestreut. Das System misst präzise die Laufzeit (Time of Return, ToF) der gestreuten Photonen und die entsprechenden Intensitätsänderungen. In Kombination mit dem Streutheoriemodell von Mie werden so wichtige atmosphärische Parameter wie die optische Dicke, der Extinktionskoeffizient und der Rückstreukoeffizient bestimmt. Dadurch werden die dynamische Überwachung und die quantitative Analyse des atmosphärischen Zustands ermöglicht.

2. Anwendungspraxis und Kernvorteile

Mikropuls-Lidar hat in zahlreichen Anwendungsbereichen einen herausragenden Nutzen bewiesen:

Im Bereich der Umweltüberwachung bietet das Mikropuls-Lidar, basierend auf der hochpräzisen und hochauflösenden Überwachung der Umwelt, eine wissenschaftliche Grundlage für die Umweltpolitik, trägt zur schrittweisen Beseitigung der Umweltverschmutzung bei und trägt zu einer nachhaltigen Umweltpolitik bei.

Im Bereich der atmosphärischen Chemie ermöglicht die Kombination von Mikropuls-Lidar und Differenzabsorptionsspektroskopie nicht nur die gleichzeitige Bestimmung der Konzentrationen wichtiger Gase wie NO₂ und O₃, sondern auch eine detaillierte Untersuchung der Entstehung und Ausbreitung von Dunst. Dies leistet einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der Ursachen der Luftverschmutzung.

Im Hinblick auf die Gewährleistung der Flugsicherheit werden, basierend auf der vollständigen Anbindung an den Flughafen, die hochpräzisen und weitreichenden Wetterüberwachungsergebnisse des Mikropuls-Lidars in Echtzeit an die Leitstelle des Flughafens zurückgemeldet. Dadurch wird eine zuverlässige meteorologische Frühwarnung für Start und Landung von Flügen ermöglicht und somit eine starke Garantie für den sicheren Flugbetrieb geschaffen.

Das Mikropuls-Lidar-System bietet folgende Vorteile:

• Hochauflösende Detektion: Dank einer vertikalen Auflösung von bis zu 15 Metern kann das Mehrwellenlängen-Design effektiv zwischen Sand, Staub und Schadstoffpartikeln unterscheiden.

• Es kann den ganzen Tag über kontinuierliche Beobachtungen durchführen: Es kann die Veränderungen der vertikalen Struktur von atmosphärischen Aerosolen und Wolken rund um die Uhr ohne Unterbrechung überwachen, was für die Untersuchung der tageszeitlichen Schwankungen der atmosphärischen Grenzschicht, der Entstehung und Auflösung von Verschmutzungsprozessen sowie der tageszeitlichen Entwicklung von Wolken von entscheidender Bedeutung ist.

• Systemintegration: Die miniaturisierte Bauweise der Kernkomponenten ermöglicht einen schnellen Einsatz in verschiedenen Szenarien.

3. Kernlichtquelle – Nd:YAG-Festkörperlaser

Der Mikrochip-Laser der MCA-R-Serie unabhängig entwickelt von RealLight Sie können in Mikropuls-Laserradargeräten eingesetzt werden. Diese Mikrochip-Laserserie nutzt passive Q-Switching-Technologie in Kombination mit einem diodengepumpten Festkörperlaserdesign, wobei das Pumpmodul mit dem Laserkristall integriert ist und zwei Wellenlängen bereitgestellt werden. 1064 nm Und 532 nmDie Pulsdauer des Ausgangslasers beträgt lediglich 2 ns bei einer Wiederholrate von 2,5 kHz. Dieser diodengepumpte Festkörperlaser, ausgestattet mit einer miniaturisierten Ansteuerschaltung, zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise und stabile Leistung aus und erfüllt somit die Anforderungen an miniaturisiertes Design und vielseitige Anwendungsmöglichkeiten von MPL-Systemen.

Mikrochip-Laser, die in Mikropuls-Lidar verwendet werden

Mikrochip-Laser, die in Mikropuls-Lidar verwendet werden

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