近日，來自德國弗勞恩霍夫雷射技術研究所（Fraunhofer ILT）和萊布尼茨大氣物理研究所（IAP）的團隊開發出了一種能夠自主移動的可攜式雷射雷達系統。這類系統可以進行大規模生產並組合成操作網絡，從而為氣候研究提供溫度和風速的實時高質量數據。
如今，無論是進行天氣預報、搭建氣候模型或者安排火箭發射，都需要關於大氣的精確數據作為支撐。科學家們通過使用雷射雷達（雷射探測和測距）系統向天空發射雷射束，就可以獲取這些數據。利用背向散射光，可用於計算高達100公里高度的風和溫度數據。
（圖片來源：Fraunhofer ILT）
在100多公里高空進行數據監測
雷射雷達系統將光束穿過大氣層發送到100多公里的高度後，這些光束通常會穿過三個層：對流層（高度約15公里）、平流層（高度約50公里）和中間層（高度約90公里）。這些層的高度主要取決於太陽輻射，同時也會隨著季節或地理位置的變化而變化。
（圖片來源：Fraunhofer ILT）
在這一過程中，雷射雷達發射出的雷射束激發了大氣中的原子（例如鉀或鐵），隨後粒子將光線反射回來，形成散射效應。接著，地球上的雷射雷達系統中的望遠鏡會捕捉到背向散射光。從光譜中，可以推導出溫度和風速等變量。測量高度由雷射脈衝的傳輸時間決定，粒子在高度上的濃度由特殊光子的數量決定。
通過雷射雷達和雷達系統，地麵團隊可以準確測量大氣中的運動。固定式雷射雷達系統作為測量手段的一大優勢是，它幾乎可以無限地沿著雷射束向上測量電流。
地面雷射照射大氣中的各種原子或氣溶膠，並散射回單個光子。然而，雷射工程師面臨的最大挑戰其實是共振散射。
目前項目工程進展
2022年5月和11月，最新一代雷射器安裝在Kuhlungsborn的兩個雷射雷達系統中，並且已經演示了高達100公里高度的測量。這項工作是由「VAHCOLI」（雷射雷達垂直和水平覆蓋）項目資助的，其重點是在垂直和水平方向上探索大氣。
這是通過一個雷射定向到四台傾斜30°的望遠鏡來實現的。在網絡中有四個這樣的雷射雷達系統，可以測量天空中10000平方公里的區域。這是迄今為止世界上最現代化、最強大的中層大氣雷射雷達系統。研究人員已經在實驗室中對翠綠寶石雷射器進行了優化，因此它們可以在LIDAR系統中運行數千小時而無需維護或調整。
未來規劃
對於如何進一步開發這項技術，研究團隊已經規劃了幾個大致的方向。該項目共有10個合作夥伴，將於2023年6月啟動，作為RUBIN資助計劃的一部分。
這項科學工作正隨著2023年1月啟動的EULIAA（歐洲大氣氣候監測雷射雷達陣列）項目得到了推進。雷射物理學家計劃安裝一個晶體，將雷射諧振器中的雷射輻射轉換為386 nm的波長。它使用了具有低光伏背景的夫琅和費線，可以測量鐵原子。到目前為止，這只能通過一個效率低得多的外部頻率加倍來實現。初步測試已經很有希望了。
（圖片來源：Fraunhofer ILT）
此外，該研究團隊將在2023年建立兩個新的雷射雷達系統，這將確保5個國家的7個合作夥伴能夠在目前沒有數據的10公里以上地區以前所未有的質量收集氣候數據。
他們下一步的目標是將雷射雷達數據實時整合到歐洲資料庫中。這些數據將用於天氣預報和氣候模型，因為這種雷射雷達系統可以晝夜實時測量10－50多公里高空的風和溫度分布。該系統還為火箭發射提供相關數據。從長遠來看，基於衛星的雷射雷達也是可以想像的。在MERLIN任務等項目中，亞琛合作夥伴已經獲得了大量基於衛星的雷射技術。
這項工作的重要性體現在對中層大氣氣候變化的研究上，迄今為止這方面的研究很少。研究人員希望，能夠藉助新系統在更大範圍內持續觀察變化，這將對長期氣候預測產生重大影響。
2023年6月27日至30日，德國弗勞恩霍夫雷射技術研究所（Fraunhofer ILT）將介紹和展示這一發展和這些技術的突破性應用。
來自：ofweek
長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載