Kurzfassung ................................................... vii
Einleitung ...................................................... 1
1 Theoretische Grimdlagen ....................................... 5
1.1 Das Messprinzip von Lidar, DIAL und IPDA .................. 5
1.2 Liclitabsorption von Molekülen ............................ 7
1.2.1 CO2-Übergänge im nahen Infrarot ..................... 7
1.2.2 Struktur des Absorptionsquerschnittes ............... 8
1.3 Grundgleichungen für IPDA ................................ 10
1.3.1 IPDA-Prinzip ....................................... 10
1.3.2 Berechnung der Teilchendichte ...................... 12
1.3.3 Berechnung des Mischungsverhältnisses .............. 14
1.3.4 Temperaturabhängigkeit ............................. 15
1.3.5 Nutzung eines Linienmaximums oder
einer Linienflanke ................................. 17
1.4 Grundlagen der Frequenzkonversion ........................ 18
1.4.1 Nichtlineare Prozesso .............................. 18
1.4.2 Phasenanpassung .................................... 20
1.5 Optisch parametrischer Oszillator (OPO) .................. 23
1.5.1 Prinzip ............................................ 24
1.5.2 Wesentliehe Parameter .............................. 25
1.5.3 Injection Seeding .................................. 26
2 Numerische Simulation ........................................ 28
2.1 Beschreibung des Simulators .............................. 28
2.1.1 Prinzip ............................................ 29
2.1.2 Berechnung des statistischen Fehlers ............... 29
2.1.3 Berechnung der systematischen Fehler ............... 32
2.2 Ermittlung geeigneter CO2-Absorptionslinien .............. 33
2.2.1 Optimaler Absorptionsquerschnitt ................... 33
2.2.2 Querempfindliehkeit zn anderen Gasen ............... 34
2.2.3 Untersuchung der Temperaturabhängigkeit ............ 37
2.2.4 Untersuchung der Druckabhägigkeit .................. 40
2.3 Weitere Ursachen für Messungenauigkeiten ................. 40
2.3.1 Ungenanigkeiten resnltierend aus der Messmethode ... 40
2.3.2 Erforderliche Eigenschaften des Messsystems ........ 42
2.4 Ergebnisse und Schlussfolgerungen ........................ 53
2.4.1 Optimierte Messwellenlängen mid resultierende
Empfindlichkeiten .................................. 53
2.4.2 Optimierter statistischer Messfehler ............... 56
2.4.3 Definition von Anforderungen an das Messsystem ..... 58
3 Experimenteller Aufbau ....................................... 60
3.1 Anslegung des Systems .................................... 60
3.1.1 Wahl der Strahlquelle .............................. 60
3.1.2 Konzept des Messaufbaus ............................ 62
3.2 Beschreibung der Systemkomponenten ....................... 63
3.2.1 Pumplaser .......................................... 63
3.2.2 Optisch parametrischer Oszillator .................. 64
3.2.3 Laserdioden für das Injection Seeding .............. 65
3.2.4 Online-Stabilisierung .............................. 69
3.2.5 Offline-Stabilisierung ............................. 71
3.2.6 Nachweis der spektralen Eigenschaften .............. 71
3.2.7 Detektionsoptik .................................... 75
3.2.8 Datenerfassung ..................................... 77
3.3 Ergebnisse ............................................... 78
3.3.1 Eigenschaften des Systems .......................... 78
3.3.2 Abschätzung der zu erwartenden Messgenauigkeit ..... 89
4 Validierung .................................................. 90
4.1 Nullmessungen ............................................ 90
4.1.1 Messung über kurze Distanz ......................... 91
4.1.2 Messung über lange Distanz ......................... 91
4.2 In-situ-IPDA-Vergleichsmessnngen ......................... 92
4.2.1 Der natürliche CO2-Tagesgang ....................... 92
4.2.2 Beschreibung des In-situ-Messaufbaus ............... 94
4.2.3 Durchführung
der In-situ-IPDA-Vergleichsmessungen ............... 95
4.2.4 Auswertung ......................................... 95
4.2.5 Abschätzung der zn erwartenden Messunsicherheit .... 90
4.3 Ergebnisse ............................................... 99
4.3.1 Nullmessungen ...................................... 99
4.3.2 Vergleichsmessungen ............................... 101
5 Diskussion .................................................. 103
5.1 Analyse der Validierungsmessungen ....................... 103
5.1.1 Betrachtung der Vergleichsmessungen ............... 104
5.1.2 Betrachtung der Nullmessungen ..................... 106
5.1.3 Schlussfolgerungen ................................ 106
5.2 Bewertung des Messaufbaus ............................... 107
5.3 Vorschläge für die Weiterentwicklumg .................... 109
6 Zusammenfassung ............................................. 110
Anhang ........................................................ 113
A. Übersicht, über den aktuellen Stand der Entwicklung
aktiver Messsysteme ...................................... 113
B. Spektren von CO2 und Wasserdampf im nahen Infrarot ....... 114
C. Optimierte systematische Fehler ausgewählter
Messwellenlängen ......................................... 110
D. Weitere Ergebnisse der Simulation des statistischen
Fehlers .................................................. 118
E. Bilder: Messstrecke und Strahlquelle ..................... 122
Literaturverzeichnis .......................................... 126
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