Os pesquisadores desenvolveram um novo instrumento de sensoriamento remoto baseado na detecção e alcance da luz (LIDAR) que pode oferecer uma maneira simples e robusta de medir com precisão a velocidade do vento. O detalhado, medições de vento em tempo real podem ajudar os cientistas a entender melhor como os furacões se formam e fornecer informações que os meteorologistas podem usar para localizar a terra mais cedo, dando às pessoas mais tempo para se preparar e evacuar.

"À medida que o furacão Harvey se aproximava dos EUA, caçadores de furacões voaram diretamente para a tempestade e soltaram sensores para medir a velocidade do vento, "disse Xiankang Dou, líder da equipe de pesquisa da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC). "Nosso instrumento Doppler LIDAR pode ser usado em um avião para medir remotamente o vento de um furacão com alta resolução espacial e temporal. No futuro, ele poderia até mesmo fazer essas medições a partir de satélites. "

As medições do vento também são cruciais para determinar as condições de vôo seguras, compreender como a poluição se move através do ar e operar turbinas eólicas de forma eficiente. As tecnologias existentes de medição de vento de alta precisão podem ser caras e difíceis de operar, levando a lacunas na aplicação dessas tecnologias nas situações em que são mais úteis.

"Demonstramos um Doppler wind LIDAR com um layout óptico simplificado que também melhora substancialmente a estabilidade do sistema, "disse Dou." Embora especialistas sejam normalmente necessários para operar e manter um Doppler LIDAR sofisticado, estamos confiantes de que podemos desenvolver nossa abordagem em um sistema que será tão fácil de usar quanto um smartphone. "

No jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , os pesquisadores demonstraram a capacidade do sistema Doppler Wind LIDAR de medir a velocidade do vento horizontal com alta precisão e mostraram que o sistema permaneceu estável durante um período de teste de 10 dias. Os pesquisadores dizem que a estabilidade e a precisão deste novo sistema representam uma melhoria substancial em comparação com os LIDARs de detecção direta de vento Doppler desenvolvidos anteriormente.

Uma aplicação importante do LIDAR é na aeronáutica, onde pode ser usado em aeronaves ou de uma estação terrestre para medir remotamente o movimento do ar. Com uma resolução espacial vertical de 10 metros, o novo sistema pode medir fenômenos de vento em pequena escala, como cisalhamento do vento e turbulência criada por uma aeronave. Uma melhor compreensão desses fenômenos poderia melhorar a segurança do vôo e também aumentar a capacidade do aeroporto, otimizando a separação entre as aeronaves durante a decolagem e o pouso.

Usando luz para medir o vento

LIDAR é um método de sensoriamento remoto que tem sido usado para criar mapas de alta resolução, escaneie o fundo do oceano e guie carros sem motorista. Para medir o vento, um sistema LIDAR emite um pulso de laser que se propaga pela atmosfera, onde interage com moléculas e aerossóis. Uma pequena quantidade de luz se espalha de volta para o instrumento LIDAR, onde é coletado por um telescópio. Quando o vento faz com que o ar se mova, isso causa um desvio Doppler que pode ser detectado pelo dispositivo.

Os pesquisadores projetaram um LIDAR de vento Doppler de dupla frequência de detecção direta que usava um laser que emite luz de 1,5 mícron. Como esse comprimento de onda é comumente usado em redes de comunicações ópticas, eles foram capazes de construir o sistema usando componentes de fibra óptica disponíveis comercialmente, cada um combinando vários componentes de controle de luz em um único dispositivo. A construção toda em fibra do sistema LiDAR é, portanto, robusta contra vibrações e manuseio de operação brusca.

Em comparação com sistemas desenvolvidos anteriormente, o novo design simplificado torna muito mais fácil configurar e alinhar cada componente, aumenta a estabilidade e diminui a quantidade de luz perdida no sistema. O novo sistema também não requer calibração depois de inicializado e não requer proteção especial para os olhos.

"Para sistemas LIDAR que serão operados em tempo integral no campo, a segurança dos olhos é uma consideração importante, "disse Haiyun Xia, o investigador principal do Laboratório Quantum Lidar da USTC. "Felizmente, o laser de 1,5 mícron que usamos exibe a exposição mais alta permitida para a segurança dos olhos na faixa de comprimento de onda de 0,3 a 10 mícrons. "

O comprimento de onda de 1,5 mícron também é ideal para detecção de vento atmosférico de satélites porque, em comparação com os comprimentos de onda UV e visível, mostra menos suscetibilidade a distúrbios atmosféricos e contaminação óptica do sol e outras fontes. Medições de vento baseadas em satélite são usadas para previsões do tempo e estudos meteorológicos. "O vento Doppler espacial LIDAR é agora considerado a forma mais promissora de atender à necessidade de requisitos globais de dados sobre o vento e preencher lacunas nos dados de vento fornecidos por outros métodos, "disse Xia.

Componentes óticos atualizados

A configuração óptica para o novo Doppler wind LIDAR contém apenas uma fonte de laser, um detector e um interferômetro Fabry-Perot de canal único que converte o deslocamento Doppler em variações do número de fótons dos sinais de retroespalhamento. O uso de um interferômetro Fabry-Perot feito de fibras ópticas em vez de um composto de muitos componentes ópticos individuais tornou o sistema robusto e estável o suficiente para uso em ambientes adversos, como a bordo de aeronaves ou satélites.

O novo sistema também inclui um dos detectores mais rápidos disponíveis para contagem de fóton único, um detector de fóton único supercondutor de nanofio (SNSPD). Este detector melhorou o desempenho do LIDAR em comparação com os fotodiodos de avalanche de InGaAs normalmente usados ​​para detectar luz de 1,5 mícron.

"A alta eficiência de detecção e baixa taxa de contagem de escuridão do SNSPD significa que o sinal fraco da luz retroespalhada pode ser detectado com uma alta relação sinal-ruído, "disse Xia." Outra característica atraente do SNSPD é sua alta taxa de contagem máxima, o que ajuda a evitar a saturação do detector. "

Os pesquisadores testaram seu sistema examinando primeiro sua estabilidade após a calibração. Geral, as medições do sistema variaram em menos de 0,2 metros por segundo ao longo de 10 dias no laboratório. Eles então testaram o sistema ao ar livre e compararam suas medições de vento horizontal com as medições de um sensor de vento ultrassônico, um sistema não remoto para medir o vento. Na média, as medições LIDAR estavam dentro de 0,1 metros por segundo e 1 grau para a velocidade e direção do vento, respectivamente.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar a resolução espacial do sistema Doppler wind LIDAR e querem torná-lo ainda mais prático para uso em campo. Eles também fundaram uma empresa para desenvolver ainda mais o sistema e planejam ter uma versão comercial disponível no próximo ano.