Onderzoekers hebben een nieuw teledetectie-instrument ontwikkeld op basis van lichtdetectie en -bereik (LIDAR) dat een eenvoudige en robuuste manier zou kunnen bieden om de windsnelheid nauwkeurig te meten. De gedetailleerde, realtime windmetingen kunnen wetenschappers helpen om beter te begrijpen hoe orkanen ontstaan ​​en informatie verstrekken die meteorologen kunnen gebruiken om de aanlanding eerder te lokaliseren, zodat mensen meer tijd hebben om zich voor te bereiden en te evacueren.

"Toen orkaan Harvey de VS naderde, orkaanjagers vlogen rechtstreeks de storm in en lieten sensoren vallen om de windsnelheid te meten, " zei Xiankang Dou, leider van het onderzoeksteam van de University of Science and Technology of China (USTC). "Ons Doppler LIDAR-instrument kan vanuit een vliegtuig worden gebruikt om de wind van een orkaan op afstand te meten met hoge ruimtelijke en temporele resoluties. In de toekomst zullen het zou deze metingen zelfs vanaf satellieten kunnen doen."

Windmetingen zijn ook cruciaal voor het bepalen van veilige vliegomstandigheden, begrijpen hoe vervuiling door de lucht beweegt en efficiënt werkende windturbines. Bestaande uiterst nauwkeurige windmeettechnologieën kunnen duur en moeilijk te bedienen zijn, wat leidt tot hiaten in de toepassing van deze technologieën in situaties waar ze het nuttigst zijn.

"We hebben een Doppler-wind LIDAR gedemonstreerd met een vereenvoudigde optische lay-out die ook de systeemstabiliteit aanzienlijk verbetert, "zei Dou. "Hoewel er doorgaans specialisten nodig zijn om een ​​geavanceerde Doppler LIDAR te bedienen en te onderhouden, we zijn ervan overtuigd dat we onze aanpak kunnen ontwikkelen tot een systeem dat net zo gebruiksvriendelijk is als een smartphone."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , de onderzoekers demonstreerden het vermogen van hun Doppler-wind LIDAR-systeem om horizontale windsnelheid met hoge nauwkeurigheid te meten en toonden aan dat het systeem stabiel bleef gedurende een testperiode van 10 dagen. De onderzoekers zeggen dat de stabiliteit en nauwkeurigheid van dit nieuwe systeem een ​​aanzienlijke verbetering betekent in vergelijking met eerder ontwikkelde directe detectie Doppler-wind-LIDAR's.

Een belangrijke toepassing van LIDAR is in de luchtvaart, waar het kan worden gebruikt in vliegtuigen of vanaf een grondstation om de luchtbeweging op afstand te meten. Met een verticale ruimtelijke resolutie van 10 meter, het nieuwe systeem zou kleinschalige windverschijnselen kunnen meten, zoals windschering en de zogturbulentie die door een vliegtuig wordt veroorzaakt. Een beter begrip van deze fenomenen kan de vliegveiligheid verbeteren en ook de luchthavencapaciteit vergroten door de scheiding tussen vliegtuigen tijdens het opstijgen en landen te optimaliseren.

Licht gebruiken om wind te meten

LIDAR is een teledetectiemethode die is gebruikt om kaarten met een hoge resolutie te maken, scan de bodem van de oceaanbodem en stuur auto's zonder bestuurder. Voor het meten van wind, een LIDAR-systeem zendt een laserpuls uit die zich voortplant door de atmosfeer waar het interageert met moleculen en aerosolen. Een kleine hoeveelheid licht verstrooit terug naar het LIDAR-instrument, waar het wordt verzameld door een telescoop. Als de wind ervoor zorgt dat de lucht beweegt, dit veroorzaakt een Dopplerverschuiving die door het apparaat kan worden gedetecteerd.

De onderzoekers ontwierpen een LIDAR met directe detectie van Doppler-wind met dubbele frequentie die een laser gebruikte die licht van 1,5 micron uitstraalde. Omdat deze golflengte vaak wordt gebruikt in optische communicatienetwerken, ze konden het systeem bouwen met in de handel verkrijgbare glasvezelcomponenten, elk combineert verschillende lichtregelende componenten in een enkel apparaat. De volledig vezelconstructie van het LiDAR-systeem is daarom robuust tegen trillingen en ruwe bediening.

In vergelijking met eerder ontwikkelde systemen, het nieuwe vereenvoudigde ontwerp maakt het veel gemakkelijker om elk onderdeel te configureren en uit te lijnen, verhoogt de stabiliteit en vermindert de hoeveelheid licht die verloren gaat in het systeem. Het nieuwe systeem vereist ook geen kalibratie nadat het is geïnitialiseerd en vereist geen speciale oogbescherming.

"Voor LIDAR-systemen die fulltime in het veld zullen worden gebruikt, oogveiligheid is een belangrijke overweging, " zei Haiyun Xia, de hoofdonderzoeker van het Quantum Lidar-laboratorium bij USTC. "Gelukkig, de laser van 1,5 micron die we gebruikten, vertoont de hoogst toelaatbare blootstelling voor oogveiligheid in het golflengtebereik van 0,3 tot 10 micron."

De golflengte van 1,5 micron is ook ideaal voor het waarnemen van atmosferische wind van satellieten, omdat vergeleken met UV en zichtbare golflengten, het vertoont minder gevoeligheid voor atmosferische storingen en optische verontreiniging door de zon en andere bronnen. Satellietgebaseerde windmetingen worden gebruikt voor weersvoorspellingen en meteorologische studies. "De door de ruimte gedragen Doppler-wind LIDAR wordt nu beschouwd als de meest veelbelovende manier om te voldoen aan de behoefte aan wereldwijde windgegevensvereisten en om hiaten in de windgegevens op te vullen die door andere methoden worden geleverd, ' zei Xia.

Opgewaardeerde optische componenten

De optische opstelling voor de nieuwe Doppler-wind LIDAR bevat slechts één laserbron, één detector en een enkelkanaals Fabry-Perot-interferometer die de Doppler-verschuiving omzet in fotongetalvariaties van de terugverstrooiingssignalen. Door gebruik te maken van een Fabry-Perot-interferometer gemaakt van optische vezels in plaats van een bestaande uit vele afzonderlijke optische componenten, was het systeem robuust en stabiel genoeg om te gebruiken in ruwe omgevingen, zoals aan boord van vliegtuigen of satellieten.

Het nieuwe systeem bevat ook een van de snelste detectoren die beschikbaar zijn voor het tellen van enkelvoudige fotonen, een supergeleidende nanodraad-single-fotondetector (SNSPD). Deze detector verbeterde de prestaties van de LIDAR in vergelijking met de InGaAs-lawinefotodiodes die doorgaans worden gebruikt om licht van 1,5 micron te detecteren.

"De hoge detectie-efficiëntie en lage donkertellingssnelheid van de SNSPD betekent dat het zwakke signaal van het terugverstrooide licht kan worden gedetecteerd met een hoge signaal-ruisverhouding, " zei Xia. "Een ander aantrekkelijk kenmerk van de SNSPD is de hoge maximale telsnelheid, wat helpt om verzadiging van de detector te voorkomen."

De onderzoekers testten hun systeem door na kalibratie eerst de stabiliteit te onderzoeken. Algemeen, de metingen van het systeem varieerden met minder dan 0,2 meter per seconde gedurende 10 dagen in het laboratorium. Vervolgens testten ze het systeem buiten en vergeleken de horizontale windmetingen met metingen van een ultrasone windsensor, een niet-afstandsbedieningssysteem voor het meten van wind. Gemiddeld, de LIDAR-metingen waren binnen 0,1 meter per seconde en 1 graad voor windsnelheid en -richting, respectievelijk.

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de ruimtelijke resolutie van het Doppler-wind LIDAR-systeem en willen het nog praktischer maken om in het veld te gebruiken. Ze hebben ook een bedrijf opgericht om het systeem verder te ontwikkelen en zijn van plan om volgend jaar een commerciële versie beschikbaar te hebben.