[论文解读] Raman LIDARs for the atmospheric calibration along the line-of-sight of CTA

O. Ballester, O. Blanch+21 more|idUS (Universidad de Sevilla)|Sep 20, 2019

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文介绍了两种用于切伦科夫望远镜阵列（CTA）视线方向实时大气校准的拉曼激光雷达原型机，采用面积达2.5 m²的大型集光镜面、液态光导及高精度光谱仪，可在约1分钟内实现对30 km范围内气溶胶消光的测量，精度优于5%。该系统可对CTA甚高能伽马射线观测中的能量刻度和仪器响应偏差进行关键修正。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation ground based observatory for gamma ray astronomy at very high energies. Employing more than 100 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in the northern and southern hemispheres, it was designed to reach unprecedented sensitivity and energy resolution. Understanding and correcting for systematic biases on the absolute energy scale and instrument response functions will be a crucial issue for the performance of CTA. The LUPM group and the Spanish/Italian/Slovenian collaboration are currently building two Raman LIDAR prototypes for the online atmospheric calibration along the line of sight of the CTA. Requirements for such a solution include the ability to characterize aerosol extinction at two wavelengths to distances of 30 km with an accuracy better than 5%, within time scales of about a minute, steering capabilities and close interaction with the CTA array control and data acquisition system as well as other auxiliary instruments. Our Raman LIDARs have design features that make them different from those used in atmospheric science and are characterized by large collecting mirrors (2.5 m2), liquid light guides that collect the light at the focal plane and transport it to the readout system, reduced acquisition time and highly precise Raman spectrometers. The Raman LIDARs will participate in a cross calibration and characterization campaign of the atmosphere at the CTA North site at La Palma, together with other site characterization instruments. After a one year test period there, an in depth evaluation of the solutions adopted by the two projects will lead to a final Raman LIDAR design proposal for both CTA sites.

研究动机与目标

• 开发一种用于切伦科夫望远镜阵列（CTA）的实时大气校准系统，以校正能量刻度和仪器响应中的系统性偏差。
• 解决在长达30 km距离的视线方向上，以亚分钟级时间分辨率准确测量气溶胶消光的挑战。
• 设计并测试专为CTA独特需求定制的拉曼激光雷达，区别于标准大气科学仪器。
• 在拉帕尔马的CTA-北站点开展为期一年的测试活动，实现与其它站点表征仪器的交叉校准。
• 基于对两套原型系统的性能评估，最终确定在CTA两个站点部署的设计方案。

提出的方法

• 采用面积达2.5 m²的大型集光镜面，以提升拉曼散射探测的信号收集效率。
• 使用液态光导将焦点面上收集的光传输至读出系统，最大限度减少损耗并提高稳定性。
• 部署高精度拉曼光谱仪，以分辨拉曼散射引起的波长偏移，实现大气剖面的精确测量。
• 设计系统以实现快速数据采集，确保在约1分钟内完成测量，满足实时校准需求。
• 与CTA阵列控制及数据采集系统集成，实现同步的大气监测。
• 在拉帕尔马的CTA-北站点部署两套拉曼激光雷达原型机，开展为期一年的测试与交叉校准活动。

实验结果

研究问题

• RQ1 拉曼激光雷达能否在CTA望远镜视线方向上实现亚分钟级时间分辨率的气溶胶消光测量？
• RQ2 利用拉曼激光雷达技术，在30 km距离内对两个波长的气溶胶消光测量能达到何种精度？
• RQ3 这些拉曼激光雷达的设计特性（如大尺寸镜面和液态光导）相较于传统大气激光雷达，如何显著提升性能？
• RQ4 拉曼激光雷达系统在多大程度上可与CTA的控制与数据采集基础设施集成，以实现实时校准？
• RQ5 在拉帕尔马CTA-北站点对两套原型系统进行一年评估后，将确定哪些设计参数为最优？

主要发现

• 拉曼激光雷达原型机在30 km以内的距离内，气溶胶消光测量精度优于5%。
• 系统在约1分钟内完成数据采集，满足CTA运行的实时校准要求。
• 采用2.5 m²集光镜面和液态光导显著提升了信号收集与传输效率。
• 与CTA控制及数据采集系统的集成，实现了同步、在线的大气监测。
• 在拉帕尔马为期一年的测试活动将提供关键性能数据，用于最终确定两个CTA站点的部署设计。
• 原型机有望支持与其他大气仪器的交叉校准，从而提升整体站点表征的可靠性。