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基于光学方法提高远程风速测量的质量和实用性

发布:opticsphotonics    |    2017-09-13 10:59    阅读:640
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创新技术有助于飓风预测、提高飞行安全和风力发电。

中国科学技术大学的上官明嘉和夏海云是研究团队的一员,他们开发了一种新型多普勒激光雷达系统,用于精确测量风速。该系统极大简化的光学装置,使得其坚固耐用,足以在诸如飞机或卫星等恶劣的环境中使用。由量子激光雷达实验室供图。

研究人员开发了一种基于激光雷达(LIDAR)的新型遥感仪,可以提供一种简单有效的方法来准确测量风速。详细的实时风速测量可以帮助科学家更好地了解飓风形成的信息,气象学家可以使用这些信息更早更精确地找到飓风登陆的位置,使人们有更多的时间准备和撤离。

中国科学技术大学(USTC)研究团队负责人窦贤康说:“随着哈维飓风走近美国,飓风狩猎者直接飞入风暴当中,投掷传感器来测量风速。而我们的多普勒激光雷达仪可以在飞机上使用,以高空间和时间分辨率远程测量风速,今后它甚至可以在卫星上测量。

测量风对于测定安全飞行条件、了解污染如何在空气中流动和有效地运行风力涡轮机也是至关重要的。现有的高精度风力测量技术价格昂贵且难以操作,导致这些技术不能发挥最大的用处。

“我们展示了一种具有简化光学层的多普勒激光雷达,它大大提高了系统的稳定性。”窦贤康说,“虽然通常需要专家来操作和维护复杂的多普勒激光雷达,但是我们相信,可以将我们的系统开发成与智能手机一样容易使用”。

在光学学会(OSA)光学学报(Optics Letters)杂志中,研究人员展示了其多普勒激光雷达以高精度测量水平风速的能力,并表明该系统在整个10天测试期间保持稳定。研究人员说,与以前开发的直接检测多普勒激光雷达相比,这种新系统的稳定性和准确度得到了实质性的改善。

激光雷达的一个重要应用是航空领域,它可以用于飞机或地面站来远程测量气流运动。该系统具有十米的垂直空间分辨率,可以检测诸如风切变和飞机产生的尾流等小型风现象,更好地了解这些现象可以提高飞行安全,同时可以通过优化起飞和着陆之间的间隔来增加机场容量。

用光来测量风

激光雷达是一种可以用于创建高分辨率地图、扫描海洋底部以及指导无人驾驶汽车的遥感技术。在测量风时,激光雷达系统会发射一种可以在大气中传播的激光脉冲,与分子和气溶胶相互作用。少量的光发生散射回到激光雷达中,被望远镜收集。当风使空气移动时,会产生多普勒频移从而被仪器检测到。

研究人员设计了一种可以发射1.5μm激光的双频直接检测多普勒激光雷达。由于这种波长通常用于光通信网络,所以它们能够使用市售的光纤组件构建系统,将几个光控组件组合成单个设备。因此,激光雷达系统的全光纤结构可以有效避免振动和粗暴操作。

与以前开发的系统相比,新系统的简化设计使安装和调整组件时更加简单,提高了稳定性并减小了系统内的光损失量。新系统在初始化之后不需要校准,使用时也不需要特殊的护目用具。

中国科学技术大学(USTC)量子激光雷达实验室的主要研究人员夏海云表示:“对于在野外全时运作的激光雷达系统而言,人眼安全是一个重要考虑因素。”幸运的是,我们使用的1.5微米激光器在0.3微米至10微米的波长范围内具有最高人眼安全允许的曝光量。

1.5μm波长也是在卫星上对大气风感测的理想选择,因为与紫外和可见波长相比,它对太阳光和其他光源的大气扰动和光学污染的敏感性较低。星载测风系统用于天气预报和气象研究。夏海云说:“星载多普勒测风激光雷达现在被认为是满足全球风力资料需求的最有希望的途径,填补了其他方法提供的风力资料的空白。”

升级的光学元件

新型多普勒测风激光雷达的光学装置仅包含一个激光源、一个检测器和单通道法布里-珀罗干涉仪。干涉仪将多普勒频移转换为反向散射信号的光子数变化。使用由光纤而不是许多单独的光学元件制成的法布里-珀罗干涉仪,可以使该系统坚固稳定,足以在诸如飞机或卫星等恶劣环境中使用。

新系统还包括可用于单光子计数的快速探测器以及超导纳米线单光子探测器(SNSPD)。与通常用于检测1.5μm激光的InGaAs雪崩光电二极管相比,该探测器提高了激光雷达的性能。

“超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的高检测效率和低暗计数率意味着可以以较高的信噪比检测来自反向散射光的弱信号,” 夏海云说。“超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的另一具有吸引力的特点是其很高的最大计数率,这有助于避免探测器饱和。”

研究人员在校准后首先通过检查其稳定性来检测系统。总的来说,该系统的实验室测量值10天内变化不超过0.2m/s。随后,他们在室外对系统进行了测试,并将其水平风速测量与来自超声波风速传感器(用于测量风速的非远程系统)的测量值进行了比较。平均来说,激光雷达测量值的风速在0.1m/s以内,方向为1度。

研究人员正在努力提高多普勒测风激光雷达系统的空间分辨率,并希望其更加适用于野外。他们还成立了一家公司,进一步研发这一系统,并计划明年推出商业版本。

来源:http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/light-based_method_improves_practicality_and_quali/

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