德国开发出便携式激光雷达系统，能提供高质量气候研究数据

近日，来自德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）和莱布尼茨大气物理研究所（IAP）的团队开发出了一种能够自主移动的便携式激光雷达系统。这类系统可以进行大规模生产并组合成操作网络，从而为气候研究提供温度和风速的实时高质量数据。

如今，无论是进行天气预报、搭建气候模型或者安排火箭发射，都需要关于大气的精确数据作为支撑。科学家们通过使用激光雷达（激光探测和测距）系统向天空发射激光束，就可以获取这些数据。利用背向散射光，可用于计算高达100公里高度的风和温度数据。

激光雷达系统将光束穿过大气层发送到100多公里的高度后，这些光束通常会穿过三个层：对流层（高度约15公里）、平流层（高度约50公里）和中间层（高度约90公里）。这些层的高度主要取决于太阳辐射，同时也会随着季节或地理位置的变化而变化。

在这一过程中，激光雷达发射出的激光束激发了大气中的原子（例如钾或铁），随后粒子将光线反射回来，形成散射效应。接着，地球上的激光雷达系统中的望远镜会捕捉到背向散射光。从光谱中，可以推导出温度和风速等变量。测量高度由激光脉冲的传输时间决定，粒子在高度上的浓度由特殊光子的数量决定。

通过激光雷达和雷达系统，地面团队可以准确测量大气中的运动。固定式激光雷达系统作为测量手段的一大优势是，它几乎可以无限地沿着激光束向上测量电流。

地面激光照射大气中的各种原子或气溶胶，并散射回单个光子。然而，激光工程师面临的最大挑战其实是共振散射。

2022年5月和11月，最新一代激光器安装在Kuhlungsborn的两个激光雷达系统中，并且已经演示了高达100公里高度的测量。这项工作是由“VAHCOLI”（激光雷达垂直和水平覆盖）项目资助的，其重点是在垂直和水平方向上探索大气。

这是通过一个激光定向到四台倾斜30°的望远镜来实现的。在网络中有四个这样的激光雷达系统，可以测量天空中10000平方公里的区域。这是迄今为止世界上最现代化、最强大的中层大气激光雷达系统。研究人员已经在实验室中对翠绿宝石激光器进行了优化，因此它们可以在LIDAR系统中运行数千小时而无需维护或调整。

对于如何进一步开发这项技术，研究团队已经规划了几个大致的方向。该项目共有10个合作伙伴，将于2023年6月启动，作为RUBIN资助计划的一部分。

这项科学工作正随着2023年1月启动的EULIAA（欧洲大气气候监测激光雷达阵列）项目得到了推进。激光物理学家计划安装一个晶体，将激光谐振器中的激光辐射转换为386 nm的波长。它使用了具有低光伏背景的夫琅和费线，可以测量铁原子。到目前为止，这只能通过一个效率低得多的外部频率加倍来实现。初步测试已经很有希望了。

此外，该研究团队将在2023年建立两个新的激光雷达系统，这将确保5个国家的7个合作伙伴能够在目前没有数据的10公里以上地区以前所未有的质量收集气候数据。

他们下一步的目标是将激光雷达数据实时整合到欧洲数据库中。这些数据将用于天气预报和气候模型，因为这种激光雷达系统可以昼夜实时测量10－50多公里高空的风和温度分布。该系统还为火箭发射提供相关数据。从长远来看，基于卫星的激光雷达也是可以想象的。在MERLIN任务等项目中，亚琛合作伙伴已经获得了大量基于卫星的激光技术。

这项工作的重要性体现在对中层大气气候变化的研究上，迄今为止这方面的研究很少。研究人员希望，能够借助新系统在更大范围内持续观察变化，这将对长期气候预测产生重大影响。

2023年6月27日至30日，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）将介绍和展示这一发展和这些技术的突破性应用。