ALADIN Airborne Demonstrator (A2D)

Zwischen 2018 und 2023 unternahm die europäische Raumfahrtbehörde ESA die Doppler-Wind-Lidar-Mission Aeolus. Als einzige Nutzlast trug der Satellit, der nach dem Gott der Winde aus der griechischen Mythologie benannt war, das Instrument ALADIN (Atmospheric LAser Doppler lidar INstrument). Es war das erste europäische Lidar und das weltweit erste Doppler-Windlidar im Weltraum überhaupt. Bestehend aus einem gepulsten, ultravioletten Laser, einem Spiegelteleskop (1,50 Meter Durchmesser) und einem hochempfindlichen optischen Spektrometer, bestimmte es eine Komponente des Windvektors entlang der Richtung des Laserstrahls vom Boden bis in 30 km Höhe mit einer vertikalen Auflösung von 0.25 km bis 2 km und einer Genauigkeit von etwa 2 m/s. Die ausgesandten Laserpulse wurden in der Atmosphäre an Luftmolekülen, Aerosolen und Wolkenpartikeln gestreut, so dass ein geringer Anteil zum Satelliten zurückkehrte. Wird die Luft bei der Streuung durch den Wind bewegt, verursacht der Dopplereffekt einen Frequenzunterschied zwischen ausgesandten und zurückgestreuten Pulsen. Daraus kann die Windgeschwindigkeit abgeleitet werden, während die Laufzeit der Pulse die Höheninformation in sich trägt. Die von Aeolus gelieferten Winddaten floßen direkt in die numerischen Wettervorhersagen ein, wodurch große Lücken im globalen Beobachtungssystem, vor allem über den Ozeanen und den Tropen geschlossen wurden.

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Schematischer Aufbau des ALADIN airborne demonstrator (A2D). (Grafik: ©DLR)

Bereits einige Jahre vor dem Satellitenstart wurde am DLR ein flugzeuggetragener Prototyp des Direkt-Empfang Doppler-Windlidars, der ALADIN Airborne Demonstrator (A2D), zusammen mit der Raumfahrtindustrie EADS-Astrium (heute: Airbus Defence and Space) entwickelt. Der A2D ermöglicht bei unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen hinsichtlich Bewölkung und Aerosolgehalt stets eine hohe Messabdeckung dank des speziellen Aufbaus des Empfängers, der – wie auch das Satelliteninstrument – über zwei komplementäre Kanäle verfügt. Während die Doppler-Frequenzverschiebung aus den molekularen Rückstreusignalen mit Hilfe des Rayleigh-Kanals bestehend aus zwei Fabry-Pérot-Interferometern bestimmt wird, erfolgt die Analyse der partikulären Rückstreuung von Wolken und Aerosolen mit dem Mie-Kanal basierend auf einem Fizeau-Interferometer. Aufgrund seines repräsentativen Designs diente der A2D im Vorfeld der Mission dem Nachweis der technischen und wissenschaftlichen Funktionsweise des Satelliteninstruments. Zu diesem Zweck wurde der A2D auf mehreren Kampagnen an Bord des Forschungsflugzeuges Falcon eingesetzt, um beispielsweise den nordatlantischen Jetstream genau zu vermessen. Auf diese Weise konnte das Aeolus-Messprinzip bereits vor dessen Start validiert, die Betriebsprozeduren optimiert und die Auswertealgorithmen verbessert werden.

Während der knapp fünfjährigen Aeolus-Mission wurden am IPA vier Flugkampagnen zur Validierung des Satelliteninstruments in unterschiedlichen Phasen der Mission durchgeführt. Dabei kam neben dem A2D auch das 2-µm-Doppler-Windlidar auf der Falcon zum Einsatz. Im Rahmen der vier Kampagnen (WindVal III im November/Dezember 2018 in Oberpfaffenhofen, AVATAR-E im Mai/Juni 2019 in Oberpfaffenhofen, AVATAR-E im September 2019 auf Island und AVATAR-T im September 2021 auf den Kapverdischen Inseln) wurden insgesamt 31 Satellitenunterflüge durchgeführt, wobei Windmessungen über eine Strecke von mehr als 26000 Kilometern entlang des Satellitenmesspfades vorgenommen wurden. Die gewonnenen Vergleichsdaten ermöglichten die Qualitätsbeurteilung der Aeolus-Datenprodukte unter verschiedenen Bedingungen bezüglich Jahreszeit, Geolokation sowie Bodenalbedo, Wolkentypen und atmosphärischer Dynamik. Die Validierungskampagnen leisteten damit einen wesentlichen Beitrag zur Verfeinerung der Datenprozessoren und damit zur Verbesserung der Qualität der Satellitendaten.

Wesentliche Instrumentenparameter von ALADIN an Bord von Aeolus und dem ALADIN Airborne Demonstrator

Parameter

ALADIN

ALADIN Airborne Demonstrator (A2D)

Laserwellenlänge

354.8 nm

354.89 nm

Repetitionsrate

50.5 Hz

50 Hz

Pulsenergie

60 - 100 mJ

60 mJ

Linienbreite

30 MHz (FWHM)

50 MHz (FWHM)

Teleskopdurchmesser

1.5 m

0.2 m

Blickrichtung gegenüber Nadir

35°

20°

Lidarmessprinzip

Direktempfang-Doppler-Windlidar mit Dual-Edge- und Fringe-Imaging-Technologie

Direktempfang-Doppler-Windlidar mit Dual-Edge- und Fringe-Imaging-Technologie

Empfänger

Sequentielle Fabry-Pérot-Interferometer für molekulare Rückstreusignale (Rayleigh-Kanal) und Fizeau-Interferometer für partikuläre Rückstreusignale (Mie-Kanal)

Sequentielle Fabry-Pérot-Interferometer für molekulare Rückstreusignale (Rayleigh-Kanal) und Fizeau-Interferometer für partikuläre Rückstreusignale (Mie-Kanal)

Horizontale Auflösung

86.4 km

3.6 km

Vertikale Auflösung

250 m bis 2000 m (abhängig von der Range Gate - Einstellung)

300 m bis 1200 m (abhängig von der Range Gate - Einstellung)

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