Rohdatenerfassung und -aufbereitung

Im ersten Schritt der Auswertung müsse die Rohdaten in einer geeigneten Höhen und Zeitauflösun eingelesen und wegen Untergrund, Nichtlinearitäte der Photo- detektoren und evt. Überspreche korrigiert werden. Außerde ist dafü Sorge zu tragen, da - soweit programmgesteuert möglic - fehlerhafte bzw. zu schwache Profile ausgesondert werden.

Einlesen

Die Rohdaten eines Kalendertages bestehen aus mehreren hundert Einzeldateien pro Meflstunde, je einer pro Kanal und eingestellter Integrationszeit des Datenauf- nahmesystems (typischerweise Ca. 1 min). Diese Einzeldateien liegen nach der Da- tenfernübertragun zunächs gepackt und komprimiert (unix-Dienstprogramme t a r und gzip) vor. Die einzelnen Schritte beim Einlesen in das Matlab-Programmpaket ,lidarl' sind nun bei Vorgabe des Datumsstrings ,,YYMMDDX:

1. Rohdatengesamtfile zu Tag ,,YYMMDDN entkomprimieren und auspacken (unix-Dienstprogramme tar und gzip).

2. Einzeldateien zusammenfassen zu gröfiere zeitlichen Integrationsblöcken Die Standardzeitauflösun ist 1 h; weitere Standardzeitmittel sind 10,20,30 min, bei Bedarf könne die Mittelungszeiten vom Benutzer frei definiert werden.

3. Einlesen aller Einzeldateien im laufenden Mittelungsintervall en bloc mit dem externen (C-)Programm ,,mcstoasc". Dieses Programm ist auf das spezielle binär Datenformat [Ruhe, 19961 der Rohdaten zugeschnitten und besorgt im wesentlichen eine Datenreduktion (Ausgabe nur im Höheninterval 0 . . .50 km bzw. 0. . . 100 km), die Bestimmung der Untergrundzählrat in einem frei wähl baren Höhenbereic (typisch 100.. .I48 km) und die ,,kritischeo Addition der Einzelprofile zu einem Gesamtprofil. ,,Kritischx bedeutet hier, da offenbar zu schwache Profile nicht aufaddiert werden, d a dies nur eine Vergröfierun des Rauschens ergeben würde Solche Profile könne im Dauermeßbetrie leicht durch den (zuweilen unbemerkten) Durchzug von kleineren Wolkenfeldern ent- stehen. Es werden nur diejenigen Einzelprofile berücksichtigt deren Maxima mindestens 30% (einstellbar) des Maximums des zählratenstärkst Profils er- reichen. Standardmässi wird das resultierende Profil zum Schlufi noch auf das ,,AWI-Standardhöhenraster interpoliert13, nämlic z = (100 : 200 : 49900) m. Diese ,,Interpolationsoption" kann jedoch abgeschaltet werden, man erhäl dann die volle Höhenauflösu der Vielkanalzähler Das Ausgabeformat von ,,mcstoascK ist das bekannte NASA-Ames ASCII-Format, das z.B. in [Gaines 13Eigentlich ist dies eine interpolierende Integration; es wird das Akima-Verfahren [Hilberg, 19891

verwendet.

3. Instrument und Methode

und Hipskind, 19901 beschrieben ist. Diese Datei enthäl neben den Zählraten profilen im Datenblock auch alle fü die Weiterverarbeitung benötigt Informa- tionen wie Wellenlänge emittierte Polarisation, Empfangspolarisation, Start- und Endzeit des Mittelungszeitraums, Höhenauflösu (im Zeitmafi), Anzahl der Höhenbins Hintergrundzählrate Anzahl emittierte Laserpulse, Anzahl ad- dierter Laserpulse.

4. Einlesen des (intermediären NASA-Ams-Files mit dem externen C- Programm ,,asci2mat1', welches die Umsetzung der ASCII-Datei in Matlab- Variablen besorgt.

5. Abspeichern der Matlab-Variablen in einer binäre Matlab-Datei (eine Datei fü jeden Mefitag).

Datenkorrekturen

95 1 222 1 600 raw

counts

Abbildung 3.8.: Rohdaten fü die Kanäl 35313, 532s und 532p am 22.12.95, 1600-1700 Uhr. Die Höhenauflösu beträg 200 m . Es sind PSCs auf bin 110 (ca. 22 km Höhe zu erkennen.

3. Instrument und Methode

1 1.05 1.1 1.15 1.2 Correction factor

Abbildung 3.9.: Linker Graph: Signal unkorrigiert und wegen Nichtlineraritä korrigiert.

Rechter Graph: Korrekturfaktor mit Fehlerschranken (die Fehler sind fü die Korrekturen 1996/97 wesentlich kleiner). Als Beispiel ist das 532s-Profil aus Abb. 3.8 gewählt

Hier bezeichnet ~d den Totzeitparameter, r d = (10 & 5) n s e c und T wieder die Zähleradditionszeit Bei einer Höhenauflösu von l\z = 200 m beträg T = 1,33 psec. In Abb. 3.9 ist der Totzeitkorrekturfaktor 2'^(z;)/2(zi) als Funktion der Höh fü das Rohdatenprofil fü den Kanal 532 nm (s-pol) dar- gestellt.

Im Winter 1996/97 sind die Nichtlinearitäte der Detektoren gemessen und parametrisiert worden; die Korrektur der Zählrate erfolgt ebenfalls mit Glei- chung 3.2, allerdings sind hier die r d fü jeden Kanal individuell einzusetzen.

Die Ableitung der Totzeitpa,rameter aus Testmessungen und Zahlenwerte fü die Ergebnisse der Parametrisierung werden auf Seite 66 diskutiert.

Die Fehlerfortpflanzung der Unsicherheit von rd ergibt eine systematische Un- sicherheit

&'YB

^fü jedes Profil.

5. Untergrundkorrektur. Die Untergrundzählrat setzt sich zusammen aus der Detektordunkelzählrat und dem Hintergrundsignal, das durch die Himmels- resthelligkeit verursacht wird. Überspreche aus anderen Kanäle ist zum einen durch das abwechselnde Feuern der Laser, zum anderen durch die wirk- samen dichroitischen Filter und die hohe blocking-effizienz der Interferenzfilter als auch durch sorgfältig Abschirmung der Strahlengäng gegen Streulicht ge- genübe frühere Aufbauten (vgl. [Beyerle, 19941) praktisch völli vermieden worden (auf den Spezialfall der Separation der s- und p-Kanäl fü 532 nm werde ich gesondert eingehen, s. Abschnitt 3.3.2). Die Hintergrundzählrat

Zu

wird aus einem einstellbaren Höhenbereic (zuOn. . . ^bis) durch Bildung des arithmetischen Mittels bestimmt. Der verwendete Höhenbereic ergibt sich aus der Forderung nach Vernachlässigbarkei des Signals und daraus, da %s

kleiner sein mu als die Höh (ca. 156. . ,172 km), wo der Chopper beginnt das Himmelsrestlicht wieder abzuschatten. Typische Werte sind zão = 100 km und zbis = 148 km. Die untergrundkorrigierte Zählrat ist nun

2'1"

^{= 2 l i n - Z u .}

Es ist empirisch verifiziert worden, da bei den verwendeten maximalen Photomultiplier-Zählrate das sogenannte SIN (Signalinduziertes Rauschen, szgnal induced nozse) keine Rolle spielt, der zur Hintergrundmittelung verwen- dete Abschnitt des Profils mithin im Rahmen der Meogenauigkeit konstant ist.

Es zeigte sich, da bei den verwendeten Photomultipliern in der Tat der SIN- Effekt der die möglich Maximalintensitat limitierende Faktor ist und nicht die Nichtlinearitat!

6. Berechnung des Gesamtfehlers

&(2p)

^{Es gilt:}

~ ( 2 s " ) ^{^} J ( & S t a t ( ~ ) p

+

( & " ~ ( + ) ) 2 + & W ( 2 )

7. Korrektur des Übersprechen zwischen den beiden polarisationsempfindlichen Kanäle und Normierung des -L-Kanals auf den 11-Kanal anhand des Atmo- sphärensignal in gro§e Höhen Hierauf wird in Abschnitt 3.3.2 naher einge- gangen.

8. Herstellung eines quasi-unpolarisierten Signals fü aus den 532s- und 532p- Signalen: Üblicherweis wird bei 532 nm auch ein ,,Gesamt-RLL berechnet.

Das geschieht einfach dadurch, da die Intensitaten In und I L (nach der Nor- mierung im vorigen Schritt) addiert werden und dieses quasi-unpolarisierte Signal in die Klettinversion eingeht.

9. Bestimmung des auswertbaren Höhenbereichs Die Rohdatenbearbeitung wird abgeschlossen mit der Bestimmung des Höhenbereich

\ZM, 4,

in dem eine Auswertung möglic ist. ist diejenige Höhenstufe auf der das Signal un- ter die Untergrundzahlrate gesunken ist bzw. das Signal-zu-Rausch-Verhältni kleiner eins wird; sie ergibt sich zwanglos als diejenige Höhe a b der das un- tergrundkorrigierte Signal zum erstenmal

<

0 wird. ZM wird definiert als die minimale Höh oberhalb der Chopperkante, in der keine Beeinflussung der Signalintensitä durch den Chopper vorliegt. Die Bestimmung dieser Höh er- folgt durch die (numerische) Ableitung des Profils nach der Höhe empirisch ergibt sich, da die Chopperkante ZM sehr gut a n dem scharfen Minimum dieser Ableitung erkannt werden kann. Vgl. Bild 3.10, wo links das 353 nm- Signal aus Abb. 3.8 noch einmal aufgetragen ist und rechts die Ableitung. ZQ

bezeichnet die Einsatzhöh des Choppers; ZM - zg ist der gesamte vom Chop- per beeinflu§t Höhenbereic und kann von Messung zu Messung schwanken infolge Variationen in der Laserdivergenz und der Abbildungsqualitä in der Blendenebene. Weil das gemessene Signal verrauscht ist, könne ZQ und ZM

64

3 . Instrument und M e t h o d e

Abbildung 3.10.: Bestimmung der Chopperkante durch Analyse der Ableitung des Signals.

nicht beliebig genau ermittelt werden. Zur Abschätzun des Fehlers wurde ei- ne Monte Carlo - Simulation durchgeführt ein synthetisches, verschieden stark verrauschtes Lidarprofil wurde analysiert und die Standardabweichung von zo und ZM in Abhängigkei des Signal-zu-Rausch-Verhältnisse in 20 km Höh (SN20) bestimmt. Sie lassen sich wie folgt parametrisieren:

-1050

*

loglo(SN20)

+

635 m falls SN20

<

3 , 6

f(z0) = sonst

-1060

*

loglo(SN20)

+

2920 rn falls SN20

<

150 sonst

Zum Schlu werden alle Signalstück unterhalb Z M und oberhalb ZN auf Null gesetzt (= ,,NoValueii).

10. Speichern als binäre Matlab-File.

Die korrigierten Signale sind beispielhaft in Abb. 3.11 dargestellt.

951 2221 600 corr.

Abbildung 3.11.: Aufbereitete Profile fü dieselben Daten wie in Abb. 3.8. Die Signale sind mit dicken, absolute Unsicherheiten mit dünne Linien gezeichnet.

Testmessungen zur Nichtlinearitä der Detektoren und zum SIN

Bei hohen Pulsraten tritt in Photonenzählsysteme durch das überlappe von Pul- sen und die endliche Totzeit der Zähle Nichtlinearitä auf. Weil alle Komponenten des Nachweissystems - Photomultiplier, Kabel, Diskriminator- und Zählelektroni

- beitragen, kann die Korrekturfunktion nur am Gesamtsystem, so wie es auch bei der realen Lidarmessung benutzt wird, ermittelt werden [Donovan et al., 19931. Im einzelnen tragen drei Effekte zur Nichtlinearitä bei (vgl. Fig. 3.12):

A: Zählratenreduktio durch ,,pulse pileup"

B: Zählratenerhöhu durch ,,pulse pileup"

C: Zählratenreduktio durch mehr als einen Puls innerhalb der Totzeit der Zählelektronik

Offenbar häng der Nettoeffekt stark von der Pulshöhenverteilun und der Höh der Diskriminatorschwelle ab. Die Diskriminatorschwelle des vorliegenden Lidarsy-

3. Instrument und Methode

time

Abbildung 3.12.: Pulsratenreduktion und -erhöhun durch Diskriminator- und Totzeit- effekte. Die dünnen gestrichelten Linien sollen Einzelpulse repräsentieren die dicke Linie ist jeweils die Summe der Einzelamplituden.

stems ist auf ein optimales Signal/Rausch-Verhältni eingestellt und wurde nicht verändert Nach [Donovan et al., 1993; Steinbrecht, 19941 kann der Zusammenhang zwischen gemessener Zählrat Po und der linearisierten, der Intensitä streng propor- tionalen Zählrat P; in realistischen Detektionsaufbauten wie folgt genäher werden:

woraus bei Vernachlässigun des kubischen Gliedes

folgt, also Gl. 3.2.

T und k sind die gesuchten Konstanten, die das Verhalten des Systems beschrei- ben; sie könne auf einfache Weise durch Messung zweier Lidarprofile bestimmt werden, von denen das eine mit vorgeschalteten Neutraldichte- (ND) -filter aufge- nommen wird. Stellt man sicher, da die Zählrate P r D des abgeschwächte Profils im linearen Bereich liegen und mi§ kurz darauf (die atmosphärisch Variation mu vernachlässigba sein) ein nichtabgeschwächte Profil mit den Zählrate P T N D , so gilt

9702030458 vs. 9702030449,308~

601

Abbildung 3.13.: Beispiel fü die Bestimmung der Detektor-Nichtlinearität Das obere Bild zeigt die beiden Rückstreuprofil mit und ohne Neutraldichtefilter; das untere Bild stellt den Quotienten nach GI. 3.5 dar.

also eine lineare Gleichung

(T

ist die Transmission des ND-Filters).

Als Beispiel zeigt Abb. 3.13 die Analyse des 308 nm-Kanals; ein gewichteter linearer Fit der Megpunkte des unteren Figur an Gl. 3.5 ergibt = 24,07 und T = 8,2693 X

10-9 sec.

Aus einer Reihe solcher Testmessungen ergaben sich die Mittelwerte der Tabel- le 3.7 (hier sind auch schon die SIN-Konstanten eingetragen; der Fehler (in Klam- mern) wurde aus der Streuung der Fitkonstanten bei verschiedenen Profilkombi- nationen bestimmt). Bemerkung zum 532p-Kanal: dies war der einzige, bei dem die Mitnahme des kubischen Gliedes in Gl. 3.3 signifikant war. Bei einer maxi- malen Zählrat bis 10 MHz im Me§betrie lohnt sich jedoch die Auflösun der kubischen Gleichung nach

8

nicht und es wurde mit einer linearen Näherung r = 12.4 X 1 0 ' (1 & 3,5%) sec gerechnet. Fü die Ramankanäl wurde die Kor- rektur weiterhin mit T^. = (10  5) nsec durchgeführt

Signal-induziertes Rauschen, SIN: Es ist bekannt, da die meisten Photomul- tiplier nach einer kurzzeitigen Exposition an hohe Lichtintensitäte ein erhöhte Rauschsignal zeigen, das in etwa exponentiell nach der Exposition abklingt. Diese ,,SIN-Zählrate addiert sich auf das normale Hintergrundsignal; weil der SIN zeit- und damit höhenabhäng ist, wird dadurch der Hintergrundabzug verfälscht Hier möchte wir den SIN-Effekt möglichs vermeiden, d.h. es war experimentell zu er- mitteln, welche maximale Zählrat noch einen vernachlässigbare SIN-Effekt ergibt.

Dazu wurden wieder Testmessungen an der Atmosphär durchgeführt es wurden Profilpaare mit hohem und niedrigem Chopperdelay unter sonst gleichen Bedingun- gen gemessen. Man erwartet dann, da das Profil mit hoher Chopperkante von SIN

6 8

3. Instrument und Methode

SIN measurernent 9702030245 vs. 9702030230,308~

Abbildung 3.14.: Beispiel fü die Bestimmung des Signalinduzierten Rauschens. Es sind zwei Rückstreuprofil (dünn Linien) m i t hoher und mit niedriger Chopperkante fü gro§

Höhe dargestellt; die dicke Linie ist die Differenz beider Signalprofile. Gestrichelt einge- zeichnet ist ein Fit an diese Differenz nach Gl. 3.6.

unbeeinfluflt ist, so da die Differenz die SIN-Zählrat PSIhr wird. Ein Beispiel fü

Tabelle 3.7.: Totzeit- und SIN-Konstanten i m Winter l996/97 fü die elastischen Kanäle Unsicherheiten i n Klammern. Die Ramankanäl konnten wegen der geringen Intensitäte nicht getestet werden. geglätte und etwas oberhalb der Chopperkante aufeinander normalisiert worden, um Schwankungen der Laserleistung bzw. der Transmission der Atmosphare auszu- schalten. Der in der logarithmischen Auftragung näherungsweis lineare Verlauf der Differenz (der unterste Teil ist stark fehlerbehaftet und kann au§e Betracht blei- ben) kann an eine exponentielle Funktion angepaflt werden, wobei die beobachtete Proportionalitä zwischen PSIN und der maximalen Zählrat beachtet wurde:

1

wo zmax die Höh des Signalmaximums PLmax und S I N sowie s die zu ermittelnden Konstanten bedeuten. Als Mittelwert von s ergab sich s = (50 & 10) km entspre- chend einer Abklingzeit von 250 psec; die Vorfaktoren SIN sind in Tabelle 3.7 ein- getragen. Es ergibt sich, da fü eine maximale Auslastung der Photomultiplier von 2 , s MHz (UV) bzw. 7,5 MHz (VIS) des signalinduzierte Rauschen fü Aerosol- und Ozondialmessungen bis 50 km Höh vernachlässigba ist.

Die Grenzfrequenz, a b der die gemessene Zählrat nicht mehr eindeutig ist (Auflösun der Gl. 3.3 nach Gl. 3.2 nicht eindeutig bzw. Diskriminante negativ) liegt bei 1/(4 X T ) oder, je nach Kanal, zwischen 19,6 und 30,2 MHz. Es liegt nur an den störende SIN-Effekten, da die Detektoren nicht höhe belastet werden könne und deshalb der brauchbar auswertbare Höhenbereic (Chopperkantenhöh bis Höh wo S / N w 10) der Dektektoren auf etwa 15 bis 25 km begrenzt ist.

Im Dokument Meinen Eltern (Seite 72-82)