Lahka metoda izboljša praktičnost in kakovost meritev oddaljenega vetra

Anonim

Raziskovalci so razvili nov instrument daljinskega zaznavanja, ki temelji na detekciji in razponu svetlobe (LIDAR), ki bi lahko ponudil preprost in robusten način natančnega merjenja hitrosti vetra. Podrobne meritve vetra v realnem času bi lahko pomagale znanstvenikom, da bolje razumejo, kako orkani oblikujejo in zagotavljajo informacije, ki jih meteorolozi lahko uporabljajo, da natančno določijo pristanek, kar ljudem daje več časa za pripravo in evakuacijo.

"Kot je orkan Harvey prišel v ZDA, so lovci hurikanov odleteli neposredno v neurje in padli senzorji, da bi izmerili hitrost vetra, " je povedal Xiankang Dou, vodja raziskovalne skupine na Univerzi za znanost in tehnologijo Kitajske (USTC). "Naš instrument Doppler LIDAR lahko uporabljamo z letala, ki na daljavo merimo vetrov s hrupom z visokimi prostorskimi in časovnimi resolucijami. V prihodnosti bi lahko te meritve celo opravili s satelita."

Meritve vetra so ključnega pomena tudi pri določanju varnih letalnih pogojev, razumevanju, kako se onesnaževanje premika po zraku in učinkovito delovanje vetrnih turbin. Obstoječe visoko natančne tehnologije merjenja vetra so lahko drago in težko upravljati, kar vodi v vrzeli pri uporabi teh tehnologij v primerih, ko so najbolj uporabne.

"Demonstrirali smo Dopplerjev veter LIDAR s poenostavljeno optično postavitvijo, ki prav tako bistveno izboljša stabilnost sistema", je dejal Dou. "Čeprav so strokovnjaki običajno potrebni za upravljanje in vzdrževanje prefinjenega Doppler LIDAR, smo prepričani, da bomo lahko razvili svoj pristop v sistem, ki bo tako enostaven za uporabo kot pametni telefon."

V optiki družbe Optical Society (OSA) revija Optics Letters so raziskovalci pokazali, da je sistem Doplerovega vetra LIDAR sposoben natančno meriti horizontalno hitrost vetra in pokazati, da sistem ostaja stabilen skozi celotno desetdnevno testno obdobje. Raziskovalci pravijo, da sta stabilnost in natančnost tega novega sistema znatno izboljšanje v primerjavi z že razvitimi direktnimi detekcijskimi Doppler vetrom LIDAR.

Ena pomembna uporaba LIDAR-a je v aeronavtiki, kjer jo je mogoče uporabiti na letalih ali na zemeljski postaji za daljinsko merjenje gibanja zraka. Z vertikalno prostorsko ločljivostjo 10 metrov, nov sistem lahko meri majhne vetrne pojave, kot so striženje vetra in turbulenca, ki jo povzroči zrakoplov. Boljše razumevanje teh pojavov bi lahko izboljšalo varnost letenja in povečalo zmogljivost letališč z optimizacijo ločevanja med letali med vzletom in pristankom.

Uporaba svetlobe za merjenje vetra

LIDAR je metoda daljinskega zaznavanja, ki je bila uporabljena za izdelavo zemljevidov z visoko ločljivostjo, skeniranje dna oceana in vodenje voznikov brez voznika. Za merjenje vetra sistem LIDAR oddaja laserski impulz, ki se širi skozi atmosfero, kjer deluje z molekulami in aerosoli. Majhna količina svetlobe se razpoči nazaj proti instrumentu LIDAR, kjer ga zbira teleskop. Ko veter povzroči, da se zrak premakne, to povzroči premik Dopplerja, ki ga lahko zazna naprava.

Raziskovalci so zasnovali dvojni frekvencni direktni detektor Doplerja LIDAR, ki je uporabljal laser, ki oddaja 1, 5-mikronsko svetlobo. Ker se ta valovna dolžina običajno uporablja v optičnih komunikacijskih omrežjih, so lahko zgradili sistem z uporabo komercialno dostopnih vlakenskih optičnih komponent, pri čemer je vsaka združila več svetlobnih komponent v eno napravo. Vsa vlaknasta konstrukcija LiDAR sistema je tako robustna proti vibracijam in grobem obratovanju.

V primerjavi s prej razvitimi sistemi je nova poenostavljena zasnova veliko lažje konfigurirati in poravnati vsako komponento, povečati stabilnost in zmanjšati izgubo svetlobe v sistemu. Novi sistem tudi po inicializaciji ne zahteva kalibracije in ne zahteva posebne zaščite oči.

"Za sisteme LIDAR, ki bodo delovali s polnim delovnim časom na terenu, je varnost oči pomembna, " je povedal Haiyun Xia, glavni raziskovalec Laboratorija Quantum Lidar v USTC. "Na srečo, 1, 5-mikronski laser, ki smo ga uporabljali, kaže najvišjo dovoljeno izpostavljenost za varnost oči v valovnih dolžinah od 0, 3 do 10 mikronov."

1, 5-mikronska valovna dolžina je tudi idealna za zaznavanje vetra v atmosferi satelita, ker v primerjavi z UV in vidnimi valovnimi dolžinami kaže manj občutljivosti na atmosferske motnje in optično kontaminacijo pred soncem in drugimi viri. Satelitske meritve vetra se uporabljajo za vremenske napovedi in meteorološke študije. "Vesoljski Doppler veter LIDAR se zdaj obravnava kot najbolj obetaven način za izpolnjevanje potrebe po globalnih podatkih o vetrnih podatkih in zapolnitev vrzeli v podatkih o vetru, ki jih zagotavljajo druge metode, " je dejala Xia.

Nadgrajene optične komponente

Optična nastavitev za novi vetrovi dopplerja LIDAR vsebuje le en laserski vir, en detektor in enokanalni Fabry-Perot interferometer, ki pretvarja Dopplerjev premik v fotonske spremembe števila signalov backscatter. Uporaba interferometra Fabry-Perot iz optičnih vlaken in ne ena, sestavljena iz številnih posameznih optičnih komponent, je sistem dovolj robustna in stabilna, da jo lahko uporabljamo v težkih okoljih, kot so letala ali sateliti.

Novi sistem vključuje tudi enega najhitrejših detektorjev, ki so na voljo za štetje enojnih fotonov, superprevodni enosmerni fotonski detektor (SNSPD). Ta detektor je izboljšal zmogljivost LIDAR v primerjavi z atipičnimi fotodiodami InGaAs, ki se navadno uporabljajo za odkrivanje svetlobe v višini 1, 5 mikrona.

"Visoka učinkovitost zaznavanja in nizka stopnja štetja SNSPD pomeni, da lahko šibek signal iz povratne svetlobe zaznamo z visokim razmerjem med signalom in šumom", je dejala Xia. "Druga atraktivna značilnost SNSPD je njegova visoka stopnja štetja, ki pomaga pri preprečevanju zasičenosti detektorjev."

Raziskovalci so testirali svoj sistem tako, da so po kalibraciji najprej preverili njegovo stabilnost. Na splošno so se meritve sistema v laboratoriju spreminjale za manj kot 0, 2 metra na sekundo. Nato so sistem testirali na prostem in primerjali njene vodoravne meritve vetra z meritvami iz ultrazvočnega senzorja vetra, ne-oddaljenega sistema za merjenje vetra. Meritve LIDAR so bile v povprečju v povprečju 0, 1 metra na sekundo in 1 stopinji za hitrost in smer vetra.

Raziskovalci zdaj poskušajo izboljšati prostorsko ločljivost Dopplerjevega vetrnega sistema LIDAR in si želijo še bolj praktično uporabljati na terenu. Prav tako so ustanovili podjetje za nadaljnji razvoj sistema in načrtujejo, da bo prihodnje leto na voljo komercialna različica.

menu
menu