Differential Absorption Lidar

Bild 1: DIAL-Systeme verwenden zwei Laser mit unterschiedlichen Frequenzen, um Absorptionsdifferenzen zu finden und so Luftschadstoffe zu erkennen und zu messen. Spectrum Instrumentation

Die Industrialisierung ist zur Hauptursache der Umweltverschmutzung in der Atmosphäre geworden. Daher ist das Studium der industriellen Verschmutzung und ihrer verschiedenen Komponenten zu einem wichtigen Bereich geworden. Zum Beispiel hat das Ministerium für Umweltschutz in China die Überwachung der atmosphärischen Werte für Schwefeldioxid (SO₂) und Stickoxide (NO_x), die die häufigsten gefährlichen Emissionen in der Nähe von Industriegebieten darstellen, vorgeschrieben. Diese Gase werden als wichtig angesehen, da bekannt ist, dass SO₂ unterschiedliche Grade von Atem- und Augenreizung verursacht. SO₂ ist auch der Hauptverursacher von saurem Regen, der zusammen mit schädlichen Tieren und Pflanzen auch Bodendegradation verursachen und Wasserwege verschmutzen kann.

Aktive Fernerkundungstechnologie

Das chinesische Nanjing Institute of Advanced Laser Technology hat zusammen mit der Universität für Informationswissenschaft und Technologie in Nanjing, China, die neueste aktive Fernerkundungstechnologie zur Erkennung von Luftverschmutzung entwickelt. Ein Instrument, das besonders für die Erkennung von Schadgasen geeignet ist, wird DIAL genannt, die Kurzform für Differential Absorption Lidar (Bild 1). Das Prinzip von DIAL besteht darin, dass zwei verschiedene Laserwellenlängen (üblicherweise als Online- und Offline-Wellenlängen bezeichnet) gewählt werden. Eine der Wellenlängen wird von den zu untersuchenden Gasmolekülen absorbiert, während die andere Wellenlänge unverändert bleibt. Durch Messen des Intensitätsunterschieds der beiden zurückkehrenden Lasersignale (mit der zweiten Wellenlänge als Referenz) ist es dann möglich, die Konzentration der untersuchten Moleküle zu bestimmen. Das Blockdiagramm für ein DIAL-Lidar ist in Bild 2 zu sehen.

Bild 2: Dieses Diagramm zeigt die optische Anordnung des Spektrometers. Spectrum Instrumentation

MI-DIAL-System

Das Forschungsteam entschied sich für die Entwicklung eines DIAL-Systems, das die Absorption im mittleren Infrarotbereich (MI-DIAL) nutzt. Das mittlere Infrarot ist ein atmosphärisches Transmissionsfenster, daher ist es perfekt für viele Absorptions-Peaks von Gasen, einschließlich organischer und anorganischer Moleküle. Darüber hinaus ist seine Absorptionseffizienz um zwei bis drei Größenordnungen höher als die von Ultraviolett, was die Genauigkeit und den Umfang der durchzuführenden Messungen verbessert. MI-DIAL-System Schlüsselelemente sind die VIGO-PVI-4TE-Detektoren mit einer Bandbreite von 5 MHz sowie ein M2i.4960-exp Digitizer (PCIe-Karte) von Spectrum Instrumentation, die die Signale der Detektoren mit 40 MS/s und 16 Bit Auflösung abtastet. Der Laser selbst gibt Impulse mit einer Breite von 20 ns und einer Pulsfrequenz von 500 Hz aus.

Die vom Digitizer gesammelten Daten werden an einen PC übertragen, wo sie analysiert werden. Der verwendete Prozess ist ein zeilenweises Verfahren, welches die Line-Parameter benötigt, die in der Datenbank für hochauflösende Übertragungs-Molekularabsorption (HITRAN = high resolution transmission molecular absorption database) verfügbar sind. Diese Datenbank zeichnet verschiedene Kennwerte auf, wie die Position und Intensität der Spektrallinie, den Druckdriftkoeffizienten sowie weitere Details. Bild 3 zeigt die Linienintensitätsdaten von drei umweltverschmutzenden Gasen und deren Hintergrundgasen.

Bild 3: Hier sind die Linienintensitätsdaten von drei umweltverschmutzenden Gasen und deren Hintergrundgasen gezeigt. Spectrum Instrumentation

White Paper

Das vollständige White Paper über das MI-DIAL-System Spectral Characteristics of Polluted Gases and Their Detection by Mid-infrared Differential Absorption Lidar, veröffentlicht in „Optik – International Journal for Light and Electron Optics“ im September 2017 ist über den Link unter dem Fachartikel mit der InfoDirekt-Nummer 503ei0918 auf der Homepage www.all-electronics.de verfügbar.

(jj)