Fysiker från Moskvainstitutet för fysik och teknik har utvecklat en ny metod för fjärrmätning av vindhastigheter. Det kan komplettera de allmänt använda lidar- och radaravkänningsteknikerna. Tidningen publiceras i Atmosfäriska mättekniker .

Vindhastighetsmätningar är viktiga för många applikationer. Till exempel, assimilering av dessa data krävs för att finjustera klimatologiska och meteorologiska modeller, inklusive de som används för väderprognoser. Trots de framsteg som gjorts inom fjärranalys under de senaste decennierna, att mäta luftmassornas rörelser är fortfarande en utmaning. Merparten av data samlas in med hjälp av traditionella kontaktmetoder:via sensorer installerade på väderstationer eller sondballonger. Lidar- eller sonaranemometrar används vanligtvis för lokala mätningar på avstånd på flera hundra meter eller mindre. Väderradar kan hjälpa till på avstånd på upp till tiotals kilometer. Dock, de senare är normalt ineffektiva utanför troposfären - jordens närmaste atmosfäriska lager, som är 10 till 18 kilometer tjock. Satellitbaserade direkta mätningar av luftmassornas rörelser är sällsynta, endast enstaka experiment har utförts.

"Information om atmosfärisk dynamik är fortfarande ganska svår att få genom direkta observationer. Från och med idag, det mest pålitliga sättet att fjärrmäta vindhastigheter är att använda dopplerradar. Denna teknik innebär att man mäter miljön med en kraftfull strålningskälla och kräver därför avsevärda resurser, inklusive kraft, utrustnings massa, storlek, och kostnad. Vårt instrument erbjuder en fördel när det gäller dessa parametrar:Det är kompakt, billig, och involverar kommersiella komponenter tillgängliga på telekommarknaden, " sa studiens huvudförfattare Alexander Rodin, som leder Applied Infrared Spectroscopy Lab vid MIPT.

Instrumentet är baserat på principen om heterodyndetektering, grunden för många radiotekniska tillämpningar. Dock, det bör noteras att instrumentet fungerar i den optiska, eller för att vara mer exakt, det nära infraröda området — vid en våglängd av 1,65 mikrometer. Funktionsprincipen är baserad på att kombinera den mottagna signalen (i detta fall, solstrålning som har passerat genom atmosfären) och en etalonkälla (lokal oscillator), nämligen en avstämbar diodlaser. Eftersom lagarna för elektromagnetisk vågutbredning är desamma för alla spektralområden, principen om heterodyning är lika tillämplig på både radiosignaler och infraröd strålning.

Dock, heterodyning möter vissa svårigheter om det tillämpas på det optiska området. Till exempel, mycket exakt matchning av vågfronter krävs, eftersom förskjutning med ens en bråkdel av en våglängd är oacceptabelt. MIPT-teamet använde en enkel lösning, applicering av en enkelmodig optisk fiber.

En ytterligare utmaning är behovet av extremt exakt frekvensstyrning av lokaloscillatorn, med ett fel på högst 1 MHz, en liten mängd jämfört med den optiska strålningsfrekvensen. För att ta itu med detta, teamet var tvungen att använda ett knepigt tillvägagångssätt och gräva djupt in i processerna för diodlaseremission. Dessa ansträngningar har resulterat i ett nytt instrument - en experimentell laser heterodyne spektroradiometer - som kännetecknas av en aldrig tidigare skådad spektral upplösning i det nära infraröda området. Den mäter det infraröda atmosfäriska absorptionsspektrumet med en ultrahög spektral upplösning, gör det möjligt att hämta vindhastigheter med en noggrannhet på 3 till 5 meter per sekund.

"Att bygga ett instrument, även med rekordegenskaper, är bara hälften av historien, " sa Rodin. "För att hämta vindhastighet på olika höjder upp till stratosfären med hjälp av de uppmätta spektra, du behöver en speciell algoritm som löser det omvända problemet."

"Vi bestämde oss för att inte använda maskininlärning utan att implementera ett klassiskt tillvägagångssätt baserat på Tikhonov-regularisering. Trots det faktum att denna metod är känd i mer än ett halvt sekel, det används flitigt över hela världen, och dess kapacitet är långt ifrån uttömd, " sa forskaren.

Beräkningarna kommer att möjliggöra vertikal vindprofilhämtning från ytan upp till cirka 50 kilometer. Baserat på den relativt enkla och prisvärda spektroradiometern, i framtiden kan man skapa omfattande nätverk för atmosfärisk övervakning.

The Applied Infrared Spectroscopy Lab vid MIPT planerar att genomföra en observationskampanj för att mäta stratosfärens polära virvel samt koncentrationen av växthusgaser i det ryska Arktis med sitt nyutvecklade instrument. Utöver det, i samarbete med Ryska vetenskapsakademins rymdforskningsinstitut, labbet utvecklar ett instrument för studier av Venus atmosfär baserat på samma princip. Instrumentet kommer att installeras ombord på Indiens Venus orbiter inom ramen för internationellt samarbete.