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ALADIN laser frequency stability and its impact on the Aeolus wind error

Lux, Oliver und Lemmerz, Christian und Weiler, Fabian und Kanitz, Thomas und Wernham, Denny und Rodriguez, Gonçalo und Hyslop, Andrew und Lecrenier, Olivier und McGoldrick, Phil und Fabre, Frederic und Bravetti, Paolo und Parrinello, Tommaso und Reitebuch, Oliver (2021) ALADIN laser frequency stability and its impact on the Aeolus wind error. Atmospheric Measurement Techniques (AMT), 14, Seiten 6305-6333. Copernicus Publications. doi: 10.5194/amt-14-6305-2021. ISSN 1867-1381.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
24MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.5194/amt-14-6305-2021

Kurzfassung

The acquisition of atmospheric wind profiles on a global scale was realized by the launch of the Aeolus satellite, carrying the unique Atmospheric LAser Doppler INstrument (ALADIN), the first Doppler wind lidar in space. One major component of ALADIN is its high-power, ultraviolet (UV) laser transmitter, which is based on an injection-seeded, frequency-tripled Nd:YAG laser and fulfills a set of demanding requirements in terms of pulse energy, pulse length, repetition rate, and spatial and spectral beam properties. In particular, the frequency stability of the laser emission is an essential parameter which determines the performance of the lidar instrument as the Doppler frequency shifts to be detected are on the order of 10^8 smaller than the frequency of the emitted UV light. This article reports the assessment of the ALADIN laser frequency stability and its influence on the quality of the Aeolus wind data. Excellent frequency stability with pulse-to-pulse variations of about 10 MHz (root mean square) is evident for over more than 2 years of operations in space despite the permanent occurrence of short periods with significantly enhanced frequency noise (> 30 MHz). The latter were found to coincide with specific rotation speeds of the satellite's reaction wheels, suggesting that the root cause are micro-vibrations that deteriorate the laser stability on timescales of a few tens of seconds. Analysis of the Aeolus wind error with respect to European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) model winds shows that the temporally degraded frequency stability of the ALADIN laser transmitter has only a minor influence on the wind data quality on a global scale, which is primarily due to the small percentage of wind measurements for which the frequency fluctuations are considerably enhanced. Hence, although the Mie wind bias is increased by 0.3 m/s at times when the frequency stability is worse than 20 MHz, the small contribution of 4 % from all Mie wind results renders this effect insignificant (< 0.1 m/s) when all winds are considered. The impact on the Rayleigh wind bias is negligible even at high frequency noise. Similar results are demonstrated for the apparent speed of the ground returns that are measured with the Mie and Rayleigh channel of the ALADIN receiver. Here, the application of a frequency stability threshold that filters out wind observations with variations larger than 20 or 10 MHz improves the accuracy of the Mie and Rayleigh ground velocities by only 0.05 and 0.10 m/s, respectively, however at the expense of useful ground data.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/144530/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:ALADIN laser frequency stability and its impact on the Aeolus wind error
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Lux, OliverDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-1491-0323NICHT SPEZIFIZIERT
Lemmerz, ChristianDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Weiler, FabianDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kanitz, ThomasESA, ESTECNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wernham, DennyESA, ESTECNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rodriguez, GonçaloESA, ESTECNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hyslop, AndrewVitrocisetNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lecrenier, OlivierAirbus Defense and SpaceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
McGoldrick, PhilAirbus Defence and SpaceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fabre, FredericLes MyriadesNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bravetti, PaoloAirbus ItaliaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Parrinello, TommasoESA, ESRINhttps://orcid.org/0000-0002-6558-3839NICHT SPEZIFIZIERT
Reitebuch, OliverDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-8503-0094NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:28 September 2021
Erschienen in:Atmospheric Measurement Techniques (AMT)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:14
DOI:10.5194/amt-14-6305-2021
Seitenbereich:Seiten 6305-6333
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1867-1381
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Aeolus, space lasers, frequency stability, wind data quality
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Projekt ADM III Forts.
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Lidar
Hinterlegt von: Lux, Dr. Oliver
Hinterlegt am:14 Okt 2021 08:01
Letzte Änderung:14 Okt 2021 08:01

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