Modulierte durchstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie zur Druckbestimmung an Sauerstoffmolekülen

Kurzfassung

Die Motivation dieser Arbeit ist die optische Fluginstrumentierung bezüglich der Druckmessung in der Umgebungsluft eines Luftfahrzeuges um die Höhe zu ermitteln. Für die Luftfahrt ist dabei eine Genauigkeit von mindestens 0,25 hPa interessant, die mit einer Höhenauflösung von ca. 3 m einhergeht. Die Idee eines optischen Sensors basiert auf der Absorptionsspektroskopie von Sauerstoffmolekülen mit Licht im Nahinfrarotbereich. Die Linienform des Absorptionsspektrums ist abhängig von den Umgebungsbedingungen der Luft, dazu gehört der Druck, die relative Luftfeuchtigkeit oder die Temperatur. Bisherige am Institut für Technische Physik des DLR in Stuttgart getestete Spektroskopieverfahren erreichen derzeit Druckgenauigkeiten um die 1 hPa bei Messfrequenzen um die 3 Hz, was ungefähr eine Größenordnung von den benötigten Spezifikationen der Luftfahrt entfernt liegt. Der Grund dafür sind Störungen optischer, elektrischer und digitaler Natur. In dieser Masterarbeit wird daher ein alternatives Konzept der - Amplitudenmodulierten durchstimmbaren Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (AM-TDLAS) zur Druckbestimmung an Sauerstoffmolekülen - erarbeitet, dass zumindest prinzipiell einige der beobachteten Störungen zu eliminieren vermag und näher an die Spezifikation der Druckgenauigkeiten der Luftfahrt gelangen könnte. Weitergehend wurde die notwendige Hardware in Betrieb genommen, die Steuerungs- und Auswertesoftware entwickelt und das Verfahren anschließend im Labor charakterisiert. Das Ergebnis sind erstmalig Druckstabilitäten im Bereich von bestenfalls 0,2 hPa, bei deutlichen höheren Messraten des Sensors und Absolutgenauigkeiten die mit den bisherigen Verfahren vergleichbar sind.