Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6048

Millimeterwellen-Radiometrie stratosphärischer Spurengase unter Anwendung balancierter Kalibrierung

Kurzfassung

Aus den thermischen Emissionsspektren zahlreicher atmosphärischer Spurengase lassen sich die Höhenprofile der Volumenmischungsverhältnisse dieser Gase ermitteln. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß die detektierten Spektren mit einer ausreichenden Spektral- und Intensitätsauflösung in einer Mindestbandbreite vorliegen. Die heute verfügbaren Echtzeitspektrometer bieten bereits eine ausreichende Frequenzauflösung und die geforderte Bandbreite. Das Hauptproblem für die Millimeterwellen-Radiometrie stellt daher das Erzielen einer ausreichenden Auflösung für die zu messenden Intensitäten. Während das Rauschen durch den Einsatz besonders rauscharmer Empfänger und entsprechend langer Integrationszeiten reduziert werden kann, muß der Einfluß systembedingter Störungen durch die Anwendung geeigneter Kalibriermethoden in möglichst hohem Maße eliminiert werden.

Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den unterschiedlichen Kalibriermethoden zur Unterdrückung des Einflusses der Gewinnschwankungen bei Radiometermessungen auseinander, mit dem Schwerpunkt auf den Auswirkungen der Nichtlinearitäten. Einer Einführung in die Thematik folgt eine Untersuchung der Ursachen und der Mechanismen, die bei zweipunkt-kalibrierten Messungen zu typischen auf Nichtlinearitäten beruhenden spektralen Artefakten führen. Zur Vermeidung derartiger Störungen wurde eine neue balancierte Kalibriermethode entwickelt, die gegenüber der bisher häufig eingesetzten Referenzstrahlmethode zahlreiche Vorteile aufweist. Diese werden in einem direkten Vergleich beider Kalibrierverfahren erörtert. Die neuentwickelte Methode beruht auf einer internen, einstellbaren Referenzlast, die ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Ihr Funktionsprinzip wird erläutert und einige Beispielmessungen werden gezeigt, welche die Leistungsfähigkeit und weitere Einsatzmöglichkeiten dieser Referenzquelle belegen. Im Anschluß wird ein Meßsystem für 270-280~GHz vorgestellt, das insbesondere zur Erfassung der Chlormonoxidspektren entwickelt wurde und die neue Kalibriermethode nutzt. Abschließend werden Emissionsspektren und die daraus gewonnen Höhenprofile atmosphärischer Gase wie Chlormonoxid, Ozon, Distickstoffoxid und Salpetersäure vorgestellt, die mit diesem System während zweier arktischer Meßkampagnen aufgenommen wurden.

Millimeter-wave radiometry of stratospheric trace gases applying balanced calibration technique

Abstract

From the thermal emission spectra of numerous trace gases it is possible to determine the vertical profiles of the volume mixing ratio of these gases. An important condition for this however is, that the detected spectra are available with sufficiently high spectral and intensity resolutions in the large bandwidth required. The realtime spectrometers available today already possess the required high spectral resolution and bandwidth. Thus the main problem for millimeterwave radiometry is to achieve the required resolution for the intensities measured. While the noise could be reduced by the use of low noise receivers and a long enough integration time, the influence of errors caused by the system has to be eliminated to the highest possible degree by the use of proper calibration methods.

The present paper deals with different calibration methods used to suppress the influence of the gain fluctuations on radiometric measurements with a focal point on the effects caused by nonlinearities.

A short introduction is followed by an investigation of the reasons and mechanisms leading to typical artifacts in the two point calibrated spectra, which are due to nonlinearities in the system gain. To avoid this kind of disturbance a new balanced calibration method was developed, which has several advantages in comparison with the frequently used reference beam method, as will be shown in a discussion. The new method is based on an internal adjustable reference load, which was also developed within the frame of the work presented. The principle of this load will be explained and some examples of measurements will be presented, which show its effectiveness and refer to its additional applications. A measurement system for the 270-280 GHz frequency range developed using the new calibration scheme will then be described. This system was mainly developed to detect chlorine monoxide spectra. In the conclusion, several emission spectra and the corresponding retrieved vertical mixing ratio profiles of atmospheric gases such as chlorine monoxide, ozone, nitric acid and nitrous oxide are presented, which have been taken with this system during two recent arctic measurement campaigns.