Lysbaseret metode forbedrer praktiske og kvalitet af fjernvindmålinger

Forskere har udviklet et nyt fjernmålingsinstrument baseret på lysdetektion og rækkevidde (LIDAR), som kan tilbyde en enkel og robust måde at måle vindhastigheden nøjagtigt på. De detaljerede, vindmålinger i realtid kunne hjælpe forskere til bedre at forstå, hvordan orkaner dannes og give information, som meteorologer kan bruge til at lokalisere landfald tidligere, give folk mere tid til at forberede sig og evakuere.

"Da orkanen Harvey nærmede sig USA, orkanjægere fløj direkte ind i stormen og tabte sensorer for at måle vindhastigheden, " sagde Xiankang Dou, leder af forskerholdet ved University of Science and Technology of China (USTC). "Vores Doppler LIDAR-instrument kan bruges fra et fly til at fjernmåle en orkans vind med høje rumlige og tidsmæssige opløsninger. I fremtiden, den kunne endda foretage disse målinger fra satellitter."

Vindmålinger er også afgørende for at bestemme sikre flyveforhold, forstå, hvordan forurening bevæger sig gennem luften og effektivt drive vindmøller. Eksisterende vindmålingsteknologier med høj nøjagtighed kan være dyre og vanskelige at betjene, fører til huller i anvendelsen af ​​disse teknologier i situationer, hvor de er mest nyttige.

"Vi demonstrerede en Doppler-vind LIDAR med et forenklet optisk layout, der også væsentligt forbedrer systemets stabilitet, " sagde Dou. "Selvom der typisk er brug for specialister til at betjene og vedligeholde en sofistikeret Doppler LIDAR, vi er sikre på, at vi kan udvikle vores tilgang til et system, der vil være lige så nemt at bruge som en smartphone."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskerne demonstrerede deres Doppler-vind LIDAR-systems evne til at måle vandret vindhastighed med høj nøjagtighed og viste, at systemet forblev stabilt gennem en 10-dages testperiode. Forskerne siger, at stabiliteten og nøjagtigheden af ​​dette nye system repræsenterer en væsentlig forbedring sammenlignet med tidligere udviklede direkte detekterende Doppler-vind LIDAR'er.

En vigtig anvendelse af LIDAR er inden for luftfart, hvor den kan bruges på fly eller fra en jordstation til fjernmåling af luftbevægelse. Med en lodret rumlig opløsning på 10 meter, det nye system kunne måle småskala vindfænomener som vindforskydning og vågenturbulensen skabt af et fly. En bedre forståelse af disse fænomener kunne forbedre flysikkerheden og også øge lufthavnskapaciteten ved at optimere adskillelsen mellem fly under start og landing.

Brug af lys til at måle vind

LIDAR er en fjernmålingsmetode, der er blevet brugt til at skabe kort i høj opløsning, scanne bunden af ​​havbunden og guide førerløse biler. Til måling af vind, et LIDAR-system udsender en laserimpuls, der forplanter sig gennem atmosfæren, hvor det interagerer med molekyler og aerosoler. En lille mængde af lyset spredes tilbage mod LIDAR-instrumentet, hvor det samles af et teleskop. Når vinden får luft til at bevæge sig, dette forårsager et Doppler-skift, som kan detekteres af enheden.

Forskerne designet en dobbeltfrekvens direkte detektions Doppler-vind LIDAR, der brugte en laser, der udsender 1,5 mikron lys. Fordi denne bølgelængde er almindeligt anvendt i optiske kommunikationsnetværk, de var i stand til at bygge systemet ved hjælp af kommercielt tilgængelige fiberoptiske komponenter, hver kombinerer flere lysstyrende komponenter i en enkelt enhed. LiDAR-systemets fiberkonstruktion er derfor robust mod vibrationer og hårdhændet håndtering.

Sammenlignet med tidligere udviklede systemer, det nye forenklede design gør det meget nemmere at konfigurere og justere hver komponent, øger stabiliteten og sænker mængden af ​​lys tabt i systemet. Det nye system kræver heller ingen kalibrering efter initialisering og kræver ingen særlig øjenbeskyttelse.

"For LIDAR-systemer, der vil blive betjent på fuld tid i felten, øjensikkerhed er en vigtig overvejelse, " sagde Haiyun Xia, hovedefterforskeren af ​​Quantum Lidar Laboratory ved USTC. "Heldigvis, den 1,5 mikron laser, vi brugte, udviser den højest tilladte eksponering for øjensikkerhed i bølgelængdeområdet fra 0,3 til 10 mikron."

Bølgelængden på 1,5 mikron er også ideel til atmosfærisk vindføling fra satellitter, fordi sammenlignet med UV og synlige bølgelængder, det viser mindre modtagelighed for atmosfæriske forstyrrelser og optisk forurening fra solen og andre kilder. Satellitbaserede vindmålinger bruges til vejrudsigter og meteorologiske undersøgelser. "Rumbåren Doppler-vind LIDAR betragtes nu som den mest lovende måde at imødekomme behovet for globale vinddatakrav og til at udfylde huller i vinddataene fra andre metoder, " sagde Xia.

Opgraderede optiske komponenter

Den optiske opsætning til den nye Doppler vind LIDAR indeholder kun én laserkilde, en detektor og et enkeltkanals Fabry-Perot interferometer, der konverterer Doppler-skiftet til fotontalsvariationer af backscatter-signalerne. Brug af et Fabry-Perot-interferometer lavet af optiske fibre frem for et bestående af mange individuelle optiske komponenter gjorde systemet robust og stabilt nok til at kunne bruges i barske miljøer såsom ombord på fly eller satellitter.

Det nye system inkluderer også en af ​​de hurtigste detektorer, der er tilgængelige til enkeltfotontælling, en superledende nanowire single photon detector (SNPD). Denne detektor forbedrede LIDAR's ydeevne sammenlignet med InGaAs lavinefotodioder, der typisk bruges til at detektere 1,5 mikron lys.

"Den høje detektionseffektivitet og lave mørketællerhastighed af SNSPD betyder, at det svage signal fra det tilbagespredte lys kan detekteres med et højt signal-til-støj-forhold, " sagde Xia. "En anden attraktiv egenskab ved SNSPD er dens høje maksimale tællehastighed, som hjælper med at undgå detektormætning."

Forskerne testede deres system ved først at undersøge dets stabilitet efter kalibrering. Samlet set, systemets målinger varierede med mindre end 0,2 meter i sekundet over 10 dage i laboratoriet. De testede derefter systemet udendørs og sammenlignede dets vandrette vindmålinger med målinger fra en ultralydsvindsensor, et ikke-fjernsystem til måling af vind. Gennemsnitlig, LIDAR-målingerne var inden for 0,1 meter pr. sekund og 1 grad for vindhastighed og retning, henholdsvis.

Forskerne arbejder nu på at forbedre den rumlige opløsning af Doppler-vind LIDAR-systemet og ønsker at gøre det endnu mere praktisk at bruge i felten. De har også stiftet et firma for at videreudvikle systemet og planlægger at have en kommerciel version tilgængelig næste år.