«Когда ураган Харви приблизился к США, охотники за ураганом влетели прямо в шторм и сбросили датчики для измерения скорости ветра», — сказал Сянкан Доу, руководитель исследовательской группы в Университете науки и технологий Китая (USTC). «Наш доплеровский лидар можно использовать с самолета для дистанционного измерения ураганного ветра с высоким пространственным и временным разрешением. В будущем он сможет даже выполнять эти измерения с борта спутников».
Измерения ветра также имеют решающее значение для определения безопасных условий полета, понимания того, как загрязнения перемещаются по воздуху, и эффективного управления ветряными турбинами. Существующие высокоточные технологии измерения ветра могут быть дорогими и сложными в эксплуатации, что приводит к пробелам в применении этих технологий в ситуациях, когда они наиболее полезны.«Мы продемонстрировали доплеровский ветровой лидар с упрощенной оптической схемой, который также существенно повышает стабильность системы», — сказал Доу. «Хотя для эксплуатации и обслуживания сложного доплеровского лидара обычно требуются специалисты, мы уверены, что сможем развить наш подход в системе, которая будет столь же простой в использовании, как и смартфон».
В журнале Optics Letters оптического общества (OSA) исследователи продемонстрировали способность своей доплеровской лидарной системы ветра измерять горизонтальную скорость ветра с высокой точностью и показали, что система оставалась стабильной в течение 10-дневного периода испытаний. Исследователи говорят, что стабильность и точность этой новой системы представляют собой существенное улучшение по сравнению с ранее разработанными доплеровскими лидарами прямого обнаружения ветра.
Одним из важных приложений LIDAR является аэронавтика, где его можно использовать на самолетах или с наземной станции для дистанционного измерения движения воздуха. Благодаря вертикальному пространственному разрешению 10 метров новая система может измерять мелкомасштабные явления ветра, такие как сдвиг ветра и турбулентность в следе, создаваемую самолетом.
Лучшее понимание этих явлений может повысить безопасность полетов, а также увеличить пропускную способность аэропорта за счет оптимизации расстояния между воздушными судами во время взлета и посадки.Использование света для измерения ветраЛИДАР — это метод дистанционного зондирования, который использовался для создания карт с высоким разрешением, сканирования дна океана и управления автомобилями без водителя. Для измерения ветра система LIDAR излучает лазерный импульс, который распространяется через атмосферу, где он взаимодействует с молекулами и аэрозолями.
Небольшое количество света рассеивается обратно к LIDAR-инструменту, где оно улавливается телескопом. Когда ветер заставляет воздух двигаться, это вызывает доплеровский сдвиг, который может быть обнаружен устройством.Исследователи разработали двухчастотный доплеровский лидар с прямым обнаружением ветра, в котором использовался лазер, излучающий 1,5-микронный свет.
Поскольку эта длина волны обычно используется в сетях оптической связи, они смогли построить систему, используя коммерчески доступные оптоволоконные компоненты, каждый из которых объединяет несколько компонентов управления светом в одно устройство. Таким образом, цельноволоконная конструкция системы LiDAR устойчива к вибрациям и грубому обращению.
По сравнению с ранее разработанными системами, новая упрощенная конструкция значительно упрощает настройку и выравнивание каждого компонента, повышает стабильность и снижает количество потерь света в системе. Новая система также не требует калибровки после инициализации и не требует специальной защиты глаз.
«Для систем LIDAR, которые будут эксплуатироваться на постоянной основе в полевых условиях, безопасность глаз является важным фактором», — сказал Хайюнь Ся, главный исследователь лаборатории квантовых лидаров в USTC. «К счастью, 1,5-микронный лазер, который мы использовали, демонстрирует максимально допустимое воздействие для безопасности глаз в диапазоне длин волн от 0,3 до 10 микрон».Длина волны 1,5 микрона также идеальна для зондирования атмосферного ветра со спутников, поскольку по сравнению с длинами волн УФ и видимого диапазона она менее восприимчива к атмосферным возмущениям и оптическому загрязнению от солнца и других источников.
Спутниковые измерения ветра используются для прогнозов погоды и метеорологических исследований. «Космический доплеровский ветровой лидар сейчас рассматривается как наиболее многообещающий способ удовлетворить потребности в глобальных данных о ветре и заполнить пробелы в данных о ветре, предоставляемых другими методами», — сказал Ся.Модернизированные оптические компонентыОптическая установка для нового доплеровского ветрового лидара содержит только один лазерный источник, один детектор и одноканальный интерферометр Фабри-Перо, который преобразует доплеровский сдвиг в вариации числа фотонов сигналов обратного рассеяния.
Использование интерферометра Фабри-Перо, сделанного из оптических волокон, а не из множества отдельных оптических компонентов, сделало систему достаточно надежной и стабильной для использования в суровых условиях, например на борту самолетов или спутников.Новая система также включает один из самых быстрых детекторов для счета одиночных фотонов, сверхпроводящий нанопроволочный детектор одиночных фотонов (SNSPD).
Этот детектор улучшил характеристики лидара по сравнению с лавинными фотодиодами InGaAs, которые обычно используются для обнаружения света размером 1,5 микрона.«Высокая эффективность обнаружения и низкая скорость счета в темноте SNSPD означает, что слабый сигнал от обратно рассеянного света может быть обнаружен с высоким отношением сигнал / шум», — сказал Ся. «Другой привлекательной особенностью SNSPD является его высокая максимальная скорость счета, которая помогает избежать насыщения детектора».
Исследователи протестировали свою систему, сначала проверив ее стабильность после калибровки. В целом, измерения системы менялись менее чем на 0,2 метра в секунду за 10 дней в лаборатории. Затем они испытали систему на открытом воздухе и сравнили измерения горизонтального ветра с измерениями ультразвукового датчика ветра, недистанционной системы для измерения ветра. В среднем измерения LIDAR были в пределах 0,1 метра в секунду и 1 градуса для скорости и направления ветра, соответственно.
В настоящее время исследователи работают над улучшением пространственного разрешения доплеровской системы лидаров ветра и хотят сделать ее еще более практичной для использования в полевых условиях. Они также основали компанию для дальнейшего развития системы и планируют выпустить коммерческую версию в следующем году.