Los investigadores han desarrollado un nuevo instrumento de teledetección basado en detección y alcance de luz LIDAR que podría ofrecer una forma simple y robusta de medir con precisión la velocidad del viento. Las mediciones detalladas del viento en tiempo real podrían ayudar a los científicos a comprender mejor cómo se forman los huracanesy brindan información que los meteorólogos pueden usar para identificar tierra antes, lo que les da a las personas más tiempo para prepararse y evacuar.
"A medida que el huracán Harvey se acercaba a los Estados Unidos, los cazadores de huracanes volaron directamente a la tormenta y arrojaron sensores para medir la velocidad del viento", dijo Xiankang Dou, líder del equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China USTC.El instrumento Doppler LIDAR puede usarse desde un avión para medir de forma remota el viento de un huracán con altas resoluciones espaciales y temporales. En el futuro, incluso podría realizar estas mediciones desde satélites ".
Las mediciones de viento también son cruciales para determinar condiciones de vuelo seguras, comprender cómo se mueve la contaminación a través del aire y operar eficientemente las turbinas eólicas. Las tecnologías de medición de viento de alta precisión existentes pueden ser costosas y difíciles de operar, lo que genera lagunas en la aplicación de estas tecnologíasen situaciones donde son más útiles.
"Demostramos un LIDAR de viento Doppler con un diseño óptico simplificado que también mejora sustancialmente la estabilidad del sistema", dijo Dou. "Aunque normalmente se necesitan especialistas para operar y mantener un LIDAR Doppler sofisticado, estamos seguros de que podemos desarrollar nuestro enfoque enun sistema que será tan fácil de usar como un teléfono inteligente "
En la revista The Optical Society OSA Cartas ópticas , los investigadores demostraron la capacidad de su sistema Doppler wind LIDAR de medir la velocidad del viento horizontal con alta precisión y demostraron que el sistema permaneció estable durante un período de prueba de 10 días. Los investigadores dicen que la estabilidad y precisión de este nuevo sistema representa un importantemejora en comparación con los LIDAR de viento Doppler de detección directa previamente desarrollados.
Una aplicación importante de LIDAR es en aeronáutica, donde puede usarse en aeronaves o desde una estación terrestre para medir de forma remota el movimiento del aire. Con una resolución espacial vertical de 10 metros, el nuevo sistema podría medir fenómenos de viento a pequeña escala comocizalladura del viento y la turbulencia de estela creada por un avión. Una mejor comprensión de estos fenómenos podría mejorar la seguridad del vuelo y también aumentar la capacidad del aeropuerto al optimizar la separación entre los aviones durante el despegue y el aterrizaje.
Usando la luz para medir el viento
LIDAR es un método de detección remota que se ha utilizado para crear mapas de alta resolución, escanear el fondo del océano y guiar a los automóviles sin conductor. Para medir el viento, un sistema LIDAR emite un pulso láser que se propaga a través de la atmósfera dondeinteractúa con moléculas y aerosoles. Una pequeña cantidad de la luz se dispersa hacia el instrumento LIDAR, donde es recogida por un telescopio. Cuando el viento hace que el aire se mueva, esto provoca un cambio Doppler que puede ser detectado por el dispositivo.
Los investigadores diseñaron un LIDAR de viento Doppler de detección directa de doble frecuencia que usaba un láser que emitía luz de 1.5 micras. Debido a que esta longitud de onda se usa comúnmente en redes de comunicaciones ópticas, pudieron construir el sistema utilizando componentes de fibra óptica disponibles comercialmente, cada unocombina varios componentes de control de la luz en un solo dispositivo. Por lo tanto, la construcción de fibra del sistema LiDAR es robusta contra las vibraciones y el manejo rudo.
En comparación con los sistemas desarrollados anteriormente, el nuevo diseño simplificado hace que sea mucho más fácil configurar y alinear cada componente, aumenta la estabilidad y reduce la cantidad de luz perdida dentro del sistema. El nuevo sistema tampoco requiere calibración después de que se inicializa y no requiereprotección especial para los ojos.
"Para los sistemas LIDAR que se operarán a tiempo completo en el campo, la seguridad ocular es una consideración importante", dijo Haiyun Xia, investigador principal del Laboratorio Quantum Lidar en la USTC. "Afortunadamente, el láser de 1.5 micras que utilizamosexhibe la exposición más alta permitida para la seguridad ocular en el rango de longitud de onda de 0.3 a 10 micras ".
La longitud de onda de 1,5 micras también es ideal para la detección del viento atmosférico de los satélites porque, en comparación con las longitudes de onda UV y visible, muestra menos susceptibilidad a las perturbaciones atmosféricas y la contaminación óptica del sol y otras fuentes. Las mediciones de viento por satélite se utilizan parapronósticos meteorológicos y estudios meteorológicos. "El viento Doppler espacial LIDAR se considera ahora como la forma más prometedora para satisfacer la necesidad de requisitos de datos de viento globales y para llenar los vacíos en los datos de viento proporcionados por otros métodos", dijo Xia.
componentes ópticos actualizados
La configuración óptica para el nuevo Doppler wind LIDAR contiene solo una fuente de láser, un detector y un interferómetro Fabry-Perot de un solo canal que convierte el cambio Doppler en variaciones del número de fotones de las señales de retrodispersión. Usando un interferómetro Fabry-Perot hecho deLas fibras ópticas en lugar de una que consta de muchos componentes ópticos individuales hicieron que el sistema fuera lo suficientemente robusto y estable como para usarlo en entornos hostiles, como a bordo de aviones o satélites.
El nuevo sistema también incluye uno de los detectores más rápidos disponibles para el recuento de fotones individuales, un detector de fotones únicos de nanocables superconductor SNSPD. Este detector mejoró el rendimiento del LIDAR en comparación con los fotodiodos de avalancha InGaAs que se usan típicamente para detectar luz de 1.5 micras.
"La alta eficiencia de detección y la baja tasa de recuento oscuro del SNSPD significa que la señal débil de la luz retrodispersada se puede detectar con una alta relación señal / ruido", dijo Xia. "Otra característica atractiva del SNSPD es sualta tasa de conteo máxima, que ayuda a evitar la saturación del detector "
Los investigadores probaron su sistema examinando primero su estabilidad después de la calibración. En general, las mediciones del sistema variaron en menos de 0.2 metros por segundo durante 10 días en el laboratorio. Luego probaron el sistema al aire libre y compararon sus mediciones de viento horizontal con mediciones deun sensor de viento ultrasónico, un sistema no remoto para medir el viento. En promedio, las mediciones LIDAR estuvieron dentro de 0.1 metros por segundo y 1 grados para la velocidad y dirección del viento, respectivamente.
Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la resolución espacial del sistema Doppler wind LIDAR y quieren que sea aún más práctico de usar en el campo. También han fundado una compañía para desarrollar aún más el sistema y planean tener una versión comercialdisponible el año que viene.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :