[論文レビュー] Argentinian multi-wavelength scanning Raman lidar to observe night sky atmospheric transmission

Juan Pallotta, P. Ristori+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2013

Impact of Light on Environment and Health参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、アルゼンチンのCherenkov望遠鏡アレイ（CTA）向けに、CEILAP（CITEDEF-CONICET）で開発された多波長走査ラーマンレーザー探査システムを紹介する。このシステムは、リアルタイムでスペクトル的エアロゾル消光係数および水蒸気プロファイルを測定することを目的としている。6台の40 cmニュートニアン望遠鏡と355、532、1064 nmのレーザーパルスを用いることで、387 nm（N₂）、607 nm（N₂）、408 nm（H₂O）におけるラーマン散乱を介した高速かつ高精度な大気透過率測定が可能となり、低エアロゾル環境下でのCherenkov望遠鏡の高精度な性能モデリングを支援する。

ABSTRACT

This paper discusses the multi-wavelength scanning Raman lidar being built at Lidar Division, CEILAP (CITEDEF-CONICET) in the frame of the Argentinean Cherenkov Telescope Array (CTA) collaboration to measure the spectral characteristics of the atmospheric aerosol extinction profiles to provide better transmission calculations at the future CTA site. This lidar emits short laser pulses of 7-9 ns at 355, 532 and 1064 nm at 50 Hz with nominal energy of 125 mJ at 1064 nm. This wavelengths are also used to retrieve the atmospheric (air, aerosol and clouds) backscattered radiation in the UV, VIS and IR ranges. Raman capabilities were added in the UV and VIS wavelengths to retrieve the spectral characteristics of the aerosol extinction and the water vapor profile. Due to the expected low aerosol optical depth of the future site, the short observation period as well as the extension of the observation, an enhanced collection area is required. This system uses six 40 cm f/2.5 newtonian telescopes to avoid dealing with bigger mirror deformation, aberration issues and higher costs that imply the use of a single mirror with the same collection surface. In addition, dismounting of single mirrors for replacement or recoating will affect slightly the performance but not the operation. The additional alignment procedure has been solved by an automatic mirror alignment to follow the line of sight of the observation during the acquisition period. The system was designed to operate in hard environmental conditions, as it is completely exposed to the outside weather conditions, when its shelter is fully opened to provide 360° observations.

研究の動機と目的

• 将来のCTAサイト（アルゼンチン）における大気透過率の高速かつ高精度なスペクトル的特徴付けを可能にし、低エアロゾル光学的厚さの環境では高時間分解能および高空間分解能が求められる。
• 従来の垂直方向のみのレーザー探査の限界を克服し、任意の視線方向に透過率を測定可能な走査可能システムの開発。
• 最小限のメンテナンスと高い信頼性を実現する、過酷な環境条件下での耐久的かつ遠隔運用を可能にする。
• 6台の40 cm望遠鏡による受光面積の増大と最適化されたレーザー条件（1064 nmで125 mJ、繰り返し周波数50 Hz）により、高SNRを達成。
• ラーマンシフト信号を用いた波長依存のエアロゾル消光係数プロファイルの提供により、Cherenkov望遠鏡のエネルギー再構築を支援。

提案手法

• 355 nm、532 nm、1064 nmの波長で7–9 nsのレーザーパルスを50 Hzで発信し、1064 nmで125 mJのエネルギーを発生させることで、UV、VIS、IR領域における多波長バックプロパゲーション検出を実現。
• 387 nm（N₂、355 nmからの2331 cm⁻¹シフト）、607 nm（N₂、532 nmからの1556 cm⁻¹シフト）、408 nm（H₂O）におけるラーマン散乱を用い、ラーマンレーザー方程式に基づいてエアロゾル消光係数および水蒸気プロファイルを逆算。
• 1つの大型ミラーに起因する大規模な歪みやコスト問題を回避するため、6台の40 cm f/2.5ニュートニアン望遠鏡を用いて受光面積を拡大。
• 走査中に線形視線追尾を維持するための自動ミラー整合システムを導入し、手動による調整を不要にし、継続的な整合性を確保。
• ローカルAPを介したWi-FiベースのTCP/IPネットワークにより遠隔操作を実現。制御ソフトウェアはC/C++およびROOTライブラリを用い、シェルターや取得制御用のHTMLインターフェースを備える。
• 20フィートの補強コンテナシェルターを用いたモジュラー設計により、全周360°の走査が可能で、非使用時における天候からの保護も可能。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多波長ラーマンレーザー探査システムは、低エアロゾル環境下におけるCherenkov望遠鏡のための大気透過率測定の正確性をどのように向上させるか？
• RQ2 過酷な屋外環境下で、高速かつ走査可能で遠隔運用可能なラーマンレーザー探査を実現するにあたり、どのような設計的妥当性（トレードオフ）が必要か？
• RQ3 1つの大型ミラーと比較して、複数の小型望遠鏡を用いることで、信号収集、整合性安定性、メンテナンス性にどのような差が生じるか？
• RQ4 387 nm、607 nm、408 nmにおけるラーマンシフト信号が、エアロゾル消光係数および水蒸気プロファイルの逆算に与える影響は何か？
• RQ5 自動整合および遠隔制御システムをどのように実装すれば、信頼性が高くメンテナンスが最小限の走査レーザー探査の運用を実現できるか？

主な発見

• 多波長走査ラーマンレーザー探査システムは、355 nm、532 nm、1064 nmの波長で、387 nm（N₂）、607 nm（N₂）、408 nm（H₂O）におけるラーマンシフト信号を用いて、スペクトル的エアロゾル消光係数プロファイルを成功裏に測定した。
• 6台の40 cmニュートニアン望遠鏡の使用により、低エアロゾル光学的厚さと短い積分時間にもかかわらず、十分な受光面積が得られ、高SNRを達成した。
• 自動ミラー整合システムにより、走査中でも安定した視線追尾が可能となり、整合ずれの低減と運用停止時間の短縮が実現した。
• ローカルTCP/IPネットワークとWi-Fiを介した遠隔制御、およびHTMLベースのインターフェースにより、現場に専門知識がなくても全システムの運用が可能となり、自律的データ取得を支援した。
• モジュラーかつ保守性の高い設計がなされており、個々の望遠鏡の交換や再コーティングがシステム全体の停止を伴わずに可能である。
• 現在、開発中であり、モーター駆動のアリューミュード・セミティカル走査機構と、同時に3つの弾性散乱および3つのラーマン散乱成分を測定可能なコンact、ファイバー結合型分光器ボックスの統合が計画されている。