Forskare har utvecklat ett nytt fjärravkänningsinstrument baserat på ljusdetektion och avståndsintervall (LIDAR) som kan erbjuda ett enkelt och robust sätt att exakt mäta vindhastigheten. Den detaljerade, vindmätningar i realtid kan hjälpa forskare att bättre förstå hur orkaner bildas och ge information som meteorologer kan använda för att lokalisera landfall tidigare, ge människor mer tid att förbereda sig och evakuera.

"När orkanen Harvey närmade sig USA, orkanjägare flög direkt in i stormen och tappade sensorer för att mäta vindhastighet, sa Xiankang Dou, ledare för forskargruppen vid University of Science and Technology of China (USTC). "Vårt Doppler LIDAR-instrument kan användas från ett plan för att fjärrmäta en orkans vind med höga rumsliga och tidsmässiga upplösningar. I framtiden, det kan till och med göra dessa mätningar från satelliter."

Vindmätningar är också avgörande för att bestämma säkra flygförhållanden, förstå hur föroreningar rör sig genom luften och effektivt driva vindkraftverk. Befintliga vindmätningstekniker med hög noggrannhet kan vara dyra och svåra att använda, leder till luckor i tillämpningen av dessa tekniker i situationer där de är mest användbara.

"Vi demonstrerade en Doppler-vind LIDAR med en förenklad optisk layout som också avsevärt förbättrar systemets stabilitet, ", sa Dou. "Även om specialister vanligtvis behövs för att driva och underhålla en sofistikerad Doppler LIDAR, vi är övertygade om att vi kan utveckla vårt tillvägagångssätt till ett system som kommer att vara lika lätt att använda som en smartphone."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , forskarna visade deras Doppler-vind LIDAR-systems förmåga att mäta horisontell vindhastighet med hög noggrannhet och visade att systemet förblev stabilt under en 10-dagars testperiod. Forskarna säger att stabiliteten och noggrannheten hos detta nya system representerar en avsevärd förbättring jämfört med tidigare utvecklade direktdetekterande Doppler-vind LIDAR.

En viktig tillämpning av LIDAR är inom flygteknik, där den kan användas på flygplan eller från en markstation för att fjärrmäta luftrörelser. Med en vertikal rumslig upplösning på 10 meter, det nya systemet skulle kunna mäta småskaliga vindfenomen som vindskjuvning och vågturbulens som skapas av ett flygplan. En bättre förståelse för dessa fenomen skulle kunna förbättra flygsäkerheten och även öka flygplatskapaciteten genom att optimera separationen mellan flygplan under start och landning.

Använd ljus för att mäta vind

LIDAR är en fjärranalysmetod som har använts för att skapa högupplösta kartor, skanna botten av havsbotten och guida förarlösa bilar. För att mäta vind, ett LIDAR-system avger en laserpuls som fortplantar sig genom atmosfären där det interagerar med molekyler och aerosoler. En liten del av ljuset sprids tillbaka mot LIDAR-instrumentet, där det samlas upp av ett teleskop. När vinden får luft att röra sig, detta orsakar ett Dopplerskifte som kan detekteras av enheten.

Forskarna designade en dubbelfrekvens direktdetektering Doppler-vind LIDAR som använde en laser som avgav 1,5 mikron ljus. Eftersom denna våglängd vanligtvis används i optiska kommunikationsnätverk, de kunde bygga systemet med kommersiellt tillgängliga fiberoptiska komponenter, var och en kombinerar flera ljusstyrande komponenter till en enda enhet. LiDAR-systemets helt fiberkonstruktion är därför robust mot vibrationer och tuff hantering.

Jämfört med tidigare utvecklade system, den nya förenklade designen gör det mycket lättare att konfigurera och justera varje komponent, ökar stabiliteten och minskar mängden ljus som går förlorat i systemet. Det nya systemet kräver inte heller någon kalibrering efter att det har initierats och kräver inget speciellt ögonskydd.

"För LIDAR-system som kommer att drivas på heltid i fält, ögonsäkerhet är en viktig faktor, sa Haiyun Xia, huvudutredaren för Quantum Lidar Laboratory vid USTC. "Lyckligtvis, 1,5 mikron lasern vi använde uppvisar den högsta tillåtna exponeringen för ögonsäkerhet i våglängdsområdet från 0,3 till 10 mikron."

Våglängden på 1,5 mikron är också idealisk för atmosfärisk vindavkänning från satelliter eftersom, jämfört med UV och synliga våglängder, det visar mindre känslighet för atmosfäriska störningar och optisk kontaminering från solen och andra källor. Satellitbaserade vindmätningar används för väderprognoser och meteorologiska studier. "Rymdburen Doppler-vind LIDAR anses nu vara det mest lovande sättet att möta behovet av globala vinddatakrav och att fylla luckor i vinddata som tillhandahålls av andra metoder, sa Xia.

Uppgraderade optiska komponenter

Den optiska inställningen för den nya Doppler-vind LIDAR innehåller bara en laserkälla, en detektor och en enkelkanals Fabry-Perot-interferometer som omvandlar dopplerskiftet till fotonnummervariationer av backscatter-signalerna. Att använda en Fabry-Perot-interferometer gjord av optiska fibrer snarare än en som består av många individuella optiska komponenter gjorde systemet robust och stabilt nog att användas i tuffa miljöer som ombord på flygplan eller satelliter.

Det nya systemet inkluderar också en av de snabbaste detektorerna som finns tillgängliga för enstaka fotonräkning, en supraledande nanotrådsdetektor för singelfoton (SNPD). Denna detektor förbättrade LIDAR:s prestanda jämfört med InGaAs lavinfotodioder som vanligtvis används för att detektera 1,5 mikron ljus.

"Den höga detekteringseffektiviteten och låga mörkerräkningshastigheten hos SNSPD gör att den svaga signalen från det bakåtspridda ljuset kan detekteras med ett högt signal-brusförhållande, ", sa Xia. "En annan attraktiv egenskap hos SNSPD är dess höga maximala räknehastighet, vilket hjälper till att undvika detektormättnad."

Forskarna testade sitt system genom att först undersöka dess stabilitet efter kalibrering. Övergripande, systemets mätningar varierade med mindre än 0,2 meter per sekund under 10 dagar i labbet. De testade sedan systemet utomhus och jämförde dess horisontella vindmätningar med mätningar från en ultraljudsvindsensor, ett icke-fjärrstyrt system för att mäta vind. I genomsnitt, LIDAR-mätningarna låg inom 0,1 meter per sekund och 1 grad för vindhastighet och riktning, respektive.

Forskarna arbetar nu med att förbättra den rumsliga upplösningen av Doppler-vind LIDAR-systemet och vill göra det ännu mer praktiskt att använda i fält. De har också grundat ett företag för att vidareutveckla systemet och planerar att ha en kommersiell version tillgänglig nästa år.