Los investigadores han desarrollado un nuevo instrumento de teledetección basado en detección de luz y rango (LIDAR) que podría ofrecer una forma simple y robusta de medir con precisión la velocidad del viento. El detallado, Las mediciones del viento en tiempo real podrían ayudar a los científicos a comprender mejor cómo se forman los huracanes y proporcionar información que los meteorólogos pueden utilizar para localizar antes la llegada a tierra. dando a las personas más tiempo para prepararse y evacuar.

"A medida que el huracán Harvey se acercaba a EE. UU., los cazadores de huracanes volaron directamente hacia la tormenta y dejaron caer 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). "Nuestro instrumento Doppler LIDAR se puede utilizar 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 a bordo ".

Las mediciones del viento también son cruciales para determinar condiciones de vuelo seguras. comprender cómo se mueve la contaminación a través del aire y operar de manera eficiente las turbinas eólicas. Las tecnologías de medición del viento de alta precisión existentes pueden ser costosas y difíciles de operar, dando lugar a lagunas en la aplicación de estas tecnologías en situaciones en las que 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 sofisticado LIDAR Doppler, estamos seguros de que podemos desarrollar nuestro enfoque en un sistema que será tan fácil de usar como un teléfono inteligente ".

En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , Los investigadores demostraron la capacidad de su sistema LIDAR de viento Doppler para medir la velocidad del viento horizontal con alta precisión y demostraron que el sistema se mantuvo estable durante un período de prueba de 10 días. Los investigadores dicen que la estabilidad y precisión de este nuevo sistema representa una mejora sustancial en comparación con los LIDAR de viento Doppler de detección directa desarrollados anteriormente.

Una aplicación importante de LIDAR es en aeronáutica, donde se puede utilizar 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 los fenómenos del viento a pequeña escala, como la cizalladura del viento y la estela turbulenta creada por una aeronave. Una mejor comprensión de estos fenómenos podría mejorar la seguridad de los vuelos y también aumentar la capacidad del aeropuerto al optimizar la separación entre las aeronaves 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 fondo del océano y guiar a los coches sin conductor. Para medir el viento, un sistema LIDAR emite un pulso láser que se propaga a través de la atmósfera donde interactúa con moléculas y aerosoles. Una pequeña cantidad de luz se dispersa hacia el instrumento LIDAR, donde es recolectado por un telescopio. Cuando el viento hace que el aire se mueva, esto provoca un desplazamiento Doppler que puede ser detectado por el dispositivo.

Los investigadores diseñaron un LIDAR de viento Doppler de detección directa de doble frecuencia que utilizaba un láser que emite luz de 1,5 micrones. 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 uno combina varios componentes de control de la luz en un solo dispositivo. La construcción íntegramente de fibra del sistema LiDAR es, por tanto, resistente a las vibraciones y al manejo brusco.

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 requiere protección 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, el investigador principal del Laboratorio Quantum Lidar de la USTC. "Afortunadamente, el láser de 1.5 micrones que usamos exhibe la exposición más alta permitida para la seguridad de los ojos en el rango de longitud de onda de 0.3 a 10 micrones ".

La longitud de onda de 1,5 micrones también es ideal para la detección de viento atmosférico desde satélites porque, en comparación con las longitudes de onda visibles y UV, muestra menos susceptibilidad a las perturbaciones atmosféricas y la contaminación óptica del sol y otras fuentes. Las mediciones del viento basadas en satélites se utilizan para pronósticos meteorológicos y estudios meteorológicos. "El LIDAR de viento Doppler transmitido desde el espacio se considera ahora como la forma más prometedora de satisfacer la necesidad de los requisitos de datos de viento globales y de llenar los vacíos en los datos de viento proporcionados por otros métodos, "dijo Xia.

Componentes ópticos mejorados

La configuración óptica del nuevo LIDAR de viento Doppler contiene solo una fuente láser, un detector y un interferómetro Fabry-Perot de un solo canal que convierte el desplazamiento Doppler en variaciones del número de fotones de las señales de retrodispersión. El uso de un interferómetro Fabry-Perot hecho de fibras ópticas en lugar de uno que consta de muchos componentes ópticos individuales hizo que el sistema fuera lo suficientemente robusto y estable 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 conteo de fotones individuales, un detector de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD). Este detector mejoró el rendimiento del LIDAR en comparación con los fotodiodos de avalancha InGaAs que se utilizan normalmente para detectar luz de 1,5 micrones.

"La alta eficiencia de detección y la baja tasa de recuento de oscuridad 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 su alta tasa de recuento máximo, lo 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 las mediciones de un sensor de viento ultrasónico. un sistema no remoto para medir el viento. De media, las mediciones LIDAR estaban dentro de 0,1 metros por segundo y 1 grado para la velocidad y dirección del viento, respectivamente.

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la resolución espacial del sistema LIDAR de viento Doppler y quieren hacerlo aún más práctico de usar en el campo. También han fundado una empresa para desarrollar aún más el sistema y planean tener una versión comercial disponible el próximo año.