Aeolus

P_E_T_E_R

Mitglied
Aeolus ist ein Satellit der ESA, der gestern von Kourou in Französisch-Guayana gestartet ist.

Aeolus

Wie der Name suggeriert, soll der Satellit Windgeschwindigkeiten in der Stratosphäre bis zu einer Höhe von 30 km erfassen.

Dazu dient ein LIDAR (also ein optisches Analog zum RADAR) mit dem Akronym ALADIN (Atmospheric LAser Doppler INstrument), welches mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser ausgestattet ist. Die Grundfrequenz des Lasers wird verdreifacht auf eine Wellenlänge von 355 nm, also nahes UV.

Das in der Atmosphäre rückgestreute Signal wird mit einem großen Spiegelteleskop mit 1,5 m Öffnung erfasst. Aus der Laufzeit des gepulsten Signals und der Dopplerverschiebung wird die Entfernung und die Geschwindigkeit der Luftströmung bestimmt. Bei wolkenlosem Himmel kann man bis zum Boden messen, andernfalls bis zur Wolkendecke.

European wind survey satellite launched from French Guyana

Credit: ESA/ATG medialab
 

Anhänge

ThN

Mitglied
Erstmal: :super: dass alles geklappt hat - diese Vega ging ja ab wie ne Rakete! ;) :augenrubbel: Man konnte inzwischen alle Signale empfangen, auch das Entfalten der Solarmodule wurde bestätigt.

Die nächsten Monate sind erstmal für das "Commissioning", d.h. das Austesten und Kalibrieren der Komponenten, vorgesehen. Spannend wird dann zu sehen sein, wie gut diese neue Technik funktioniert und ob sie in neuen Wettersatelliten eingesetzt werden kann.

Was mich wundert: Wenn ich das richtig in dem Spiegel-Artikel gelesen habe können mithilfe der Dopplereffekts nur radiale Geschwindigkeitskomponenten gemessen werden (klingt plausibel). Außerdem anhand der Laufzeitunterschiede auch die Entfernung der Messungen, d.h. die Höhe der betr. Luftschichten (klingt auch sehr plausibel). Allerdings schreiben sie in dem verlinkten phys.org-Artikel:

"The delay between the outgoing pulse and the so-called "backscattered" signal reveals the wind's direction, speed and distance travelled." (Unterstreichung von mir)

Wär interessant, da mal nachzuhaken. :gutefrage: Spannend auf jeden Fall der globale Ansatz und dass man jetzt auch viele Messungen an abgelegenen Stellen machen kann.

Vllt. sollten wir hier im Forum (und überhaupt) diesen Erdbeobachtungssatelliten mehr Aufmerksamkeit schenken. Wenn ein Satellit zum Jupiter oder Mars zur Vermessung der Atmosphäre geschickt wird hört sich das erstmal "sexyer" und spannender an. Aber unsere Erde ist ja auch "nur" ein Planet, der global noch gar nicht so toll erforscht ist (man denke nur an die Meere - vllt. ist da mit Satellitentechnik auch noch ne Menge zu machen). Wir ersparen uns bei ihr aber die lange Transferzeit und die Satelliten werden mit unscheinbareren Raketen in den Orbit geschossen...

Thomas

 
Zuletzt von einem Moderator bearbeitet:

ThN

Mitglied
> Wär interessant, da mal nachzuhaken.

Hab' ich gleich mal getan. ;) In einem Blog zweier Meteorologen steht:

A limitation of Aeolus observations relative to in situ wind observations is that they only provide the component of the wind vector along the line-of-sight, hence we rely on variational data assimilation to determine the wind vector in the analysis.
Quelle
"Variational data assimilation", aha. ?) Hier hab' ich was gefunden: Variational data assimilation and the ensemble Kalman filter.

Thomas (der sich das mal durchlesen wird)
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Zitat von ThN:
"The delay between the outgoing pulse and the so-called "backscattered" signal reveals the wind's direction, speed and distance travelled." (Unterstreichung von mir)
Aus der Laufzeit des Signals folgt natürlich nur die Entfernung, und aus der Frequenzverschiebung ergibt sich die radiale Geschwindigkeit der Luftschicht (Dopplereffekt).

Warum man dafür allerdings die Grundfrequenz des Nd:YAG-Lasers verdreifacht, so dass man dann mit einer Wellenlänge im nahen UV (355 nm) arbeitet, das erschließt sich mir nicht. Dabei verliert man erst mal einen erheblichen Teil der Ausgangsleistung. Noch gravierender ist aber, dass die optischen Bauteile bei solch kurzen Wellenlängen im Pulsbetrieb schnell beschädigt werden, Stichwort "laser damage threshold".

Genau das ist ja bei der Entwicklung des Projekts auch passiert und hat dann zu erheblichen Verzögerungen und einer Kostenexplosion geführt. Man muss bei der Auswahl der optischen Materialien extrem kritisch sein und die Oberflächen viel besser als gewöhnlich polieren, sonst geht die Chose bei geringsten Defekten in Rauch auf. Kennt man eigentlich schon lange aus der Chip-Herstellung, insofern ist das etwas seltsam.

Ob sich das Konzept von Aeolus bewährt, bleibt abzuwarten. Für eine wirklich globale, lückenlose und dauerhafte Erfassung wäre ein ganzes Netzwerk von solchen Satelliten erforderlich.
 

ThN

Mitglied
> Warum man dafür allerdings die Grundfrequenz des
> Nd:YAG-Lasers verdreifacht, so dass man dann mit einer
> Wellenlänge im nahen UV (355 nm) arbeitet, das erschließt
> sich mir nicht.

Ich habe hier auf die Schnelle nur diese Aussage gefunden:

The laser system generates a series of short light pulses in the ultraviolet spectrum at 355 nm, which is invisible to the naked eye. The ultraviolet region is used because the backscatter from atmospheric molecules at this short wavelength is particularly strong.
Quelle (ESA): Aeolus & Lasers in space.

Thomas
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Thomas, danke für den Link - das erklärt jedenfalls das Rational für die kurze Wellenlänge. Ob sich das angesichts der damit verbundenen technischen Probleme auszahlt, ist eine andere Frage.

 

ThN

Mitglied
Hier ist noch ein Link:

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/a/aeolus

Wenn ich das richtig lese, dann operiert der nach den anfänglichen Problemen neu entwickelte Laser nicht mehr im "burst mode" sondern im "continuous mode":

Baseline change in the autumn of 2010: Change from burst mode to "continuous mode" operation.
An in-depth review of the ALADIN laser, involving independent laser experts, identified the need to make some substantial modifications to the current design in order to regain adequate performance margins for the three years of in-orbit operation. The most significant modification is a change of the operational principle, from ‘burst' to ‘continuous' mode. A requirement review was completed to define the associated requirements mode.


Hoffentlich haben sie's gut getestet. Aber "the proof of the pudding is in the eating". ;)

Thomas

P.S Bin jetzt aber verwirrt, da sich einige Texte anscheinend widersprechen: Was stimmt jetzt: "Continuous" oder "burst"? Hab' grad keine Zeit das zu prüfen.
 
Zuletzt von einem Moderator bearbeitet:

P_E_T_E_R

Mitglied
Zitat von ThN:
Hier ist noch ein Link:

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/a/aeolus

Wenn ich das richtig lese, dann operiert der nach den anfänglichen Problemen neu entwickelte Laser nicht mehr im "burst mode" sondern im "continuous mode":
In dem verlinkten Papier gibt es eine Tabelle, wo immer noch vom "burst mode" Betrieb die Rede ist:

PLH (Power Laser Head)

- Diode-pumped Nd-YAG laser

- Emits 60 mJ pulses @355 nm

- Pulse repetition frequency of 100 Hz

- 12 s "bursts" every 28 s


Und im Text darunter heißt es:

The transmitter assembly will be operated in burst mode with 100 Hz PRF during 7 seconds (plus a 5 second warm-up time), in intervals of 28 seconds.

Was bedeutet, dass der Laser alle 28 Sekunden für 12 Sekunden eine Pulsfolge mit einer Pulsfolgefrequenz (PRF) von 100 Hz abgibt. Alle 10 Millisekunden gibt es einen kurzen Laserpuls von etwa 15 ns Dauer und das für 12 Sekunden, wovon die ersten 5 Sekunden beim warm-up noch keine volle Leistung bringen, danach gibt es eine Pause von 16 Sekunden, bevor es weitergeht. So einen Betrieb nennt man "Burst mode". Wenn man die Pulsfolge stattdessen ohne Pause mit 100 Hz durchzieht, dann wäre das in diesem Zusammenhang "continuous".

Natürlich wären die Anforderungen an das Powermanagement, die Laserkühlung und die gesamte Peripherie mit dem Seed-Laser je nach Betriebsmodus verschieden, was auch Auswirkungen auf die projektierte Lebensdauer der Komponenten hat. Aber das sind Aspekte, die für einen Außenstehenden schwierig zu beurteilen sind.

Die Zahlenangaben in dem verlinkten Dokument variieren teilweise und reflektieren wohl verschiedene Entwicklungstadien. Eine eben in den Fernsehnachrichten gezeigte Animation nannte eine Pulsfolgefrequenz von nur noch 50 Hz.

Wesentlich für die LIDAR-Funktion ist jedenfalls ein gepulster Laserbetrieb. Ein kontinuierlicher Laser wie ein Laserpointer wäre dafür auch mit sehr viel höherer Leistung völlig ungeeignet.
 

ThN

Mitglied
Danke, Peter!

Ja, ich habe "puls" und "burst" durcheinander gebracht. Hab' mich grad etwas eingelesen. Langsam übersteigt es aber meinen Horizont...

Hier ist noch ein Artikel von 2016, in dem beschrieben wird, wie man die Probleme mit laser-induced contamination (LIC) unter Vakuumbedingungen und auch eine Menge weiterer Probleme in den Griff bekommen hat: UV lidar satellite Aeolus finally nearing readiness.

Thomas



 

ThN

Mitglied
Die ersten Daten (für die Kalibrierung) liegen vor!

Link zur Grafik: http://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2018/09/first_light_from_aeolus/17674059-2-eng-GB/First_light_from_Aeolus_node_full_image_2.png
Copyright ESA/ECMWF

Nach dem Start von Aeolus am 22. August strahlt dieser außergewöhnliche Satellit nicht nur ultraviolette Lichtstrahlen aus seinem Laser aus, sondern misst auch Licht, das von Luftmolekülen und Wolkenobergrenzen zurückgestreut wird. Die Messungen zeigen eine vollständige Umlaufbahn um die Erde, von der Arktis bis zur Antarktis und zurück. Zur Kalibrierung wird das von der Erdoberfläche zurückgestreute Signal verwendet, was auch in diesen Ergebnissen zu sehen ist.
(automatische Übersetzung)

Quelle: First light from Aeolus

Thomas
 

ThN

Mitglied
Update: Winds imaged by Aeolus

Link zur Grafik: http://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2018/09/winds_imaged_by_aeolus/17681462-3-eng-GB/Winds_imaged_by_Aeolus_node_full_image_2.png
Copyright: ESA/ECMWF

Erste Winddaten vom ESA-Satelliten Aeolus. Diese Daten stammen aus drei Vierteln einer Umlaufbahn um die Erde. Das Bild zeigt großräumige Ost- und Westwinde zwischen der Erdoberfläche und der unteren Stratosphäre einschließlich Jet-Streams. Wenn der Satellit von der Arktis in Richtung Antarktis kreist, spürt er zum Beispiel starke westliche Winde, die auf jeder Seite des Äquators als subtropische Jets (blau dargestellt) bezeichnet werden. Auf der Bahn weiter in Richtung Antarktis, spürt Aeolus die starken Westwinde (blau links der Antarktis und rot rechts der Antarktis), die den antarktischen Kontinent in der Troposphäre und Stratosphäre umkreisen (stratosphärischer Polarwirbel). Die Hauptrichtung des Windes ist entlang des Polarwirbels gleich, aber da das Aeolus-Windprodukt mit der Beobachtungsrichtung des Satelliten in Beziehung steht, ändert sich die Farbe von Blau zu Rot, wenn der Satellit den antarktischen Kontinent passiert.
(automatische Übersetzung mit kleinen Eingriffen)

In mehr Detail: Aeolus wows with first wind data

Thomas
 
Zuletzt bearbeitet:

ThN

Mitglied
Die Daten sind OK, aber der Laser scheint kontinuierlich an Leistung zu verlieren. Jetzt soll auf ein Backup-System umgestellt werden:


Thomas
 

ThN

Mitglied
Jetzt hat man auf den 2. Laser umgestellt und der arbeitet anscheinend einwandfrei:

Switching to the second laser appears to have done the trick so we’re back in business. And, we are confident that the instrument will remain in good shape for years to come.

Siehe:

Thomas
 

ThN

Mitglied
Gleich im Anschluss steht:

Denny Wernham, ESA’s Aeolus instrument manager, added, “The great news is that the second laser’s energy is, so far, very stable, which is what we expected since this laser is actually better than the first. This is because we have more scope to adjust it in orbit to retain the performance needed. [Unterstreichung von mir]

"we have more scope to adjust it in orbit". "Scope" heißt soviel wie Spielraum, nehme ich mal an. Warum sollte das bei dem ersten Laser nicht möglich gewesen sein? Älteres Design? Warum dann nicht den zweiten Laser als Hauptgerät auswählen? :unsure:

Thomas
 
Oben