Des physiciens de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont mis au point une nouvelle méthode de mesure à distance de la vitesse du vent. Il peut compléter les techniques de détection lidar et radar largement utilisées. L'article est publié en Techniques de mesure atmosphérique .

Les mesures de la vitesse du vent sont essentielles pour de nombreuses applications. Par exemple, l'assimilation de ces données est nécessaire pour affiner les modèles climatologiques et météorologiques, y compris ceux utilisés pour les prévisions météorologiques. Malgré les progrès réalisés en télédétection au cours des dernières décennies, mesurer le mouvement des masses d'air reste un défi. La plupart des données sont collectées au moyen de méthodes de contact traditionnelles :via des capteurs installés sur des stations météorologiques ou des ballons sondes. Les anémomètres lidar ou sonar sont couramment utilisés pour des mesures locales à des distances de plusieurs centaines de mètres ou moins. Les radars météorologiques peuvent aider à des distances allant jusqu'à des dizaines de kilomètres. Cependant, ces derniers sont normalement inefficaces en dehors de la troposphère - la couche atmosphérique la plus proche de la Terre, qui a une épaisseur de 10 à 18 kilomètres. Les mesures directes par satellite du mouvement des masses d'air sont rares, seules des expériences occasionnelles ont été réalisées.

"Les informations sur la dynamique atmosphérique sont encore assez difficiles à obtenir par des observations directes. A ce jour, le moyen le plus fiable de mesurer à distance la vitesse du vent est d'utiliser des radars Doppler. Cette technique consiste à sonder l'environnement avec une source puissante de rayonnement et donc nécessite des moyens considérables, y compris la puissance, masse d'équipement, Taille, et le coût. Notre instrument offre un avantage au niveau de ces paramètres :Il est compact, peu coûteux, et implique des composants commerciaux disponibles sur le marché des télécommunications, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Alexander Rodin, qui dirige le laboratoire de spectroscopie infrarouge appliquée au MIPT.

L'instrument est basé sur le principe de la détection hétérodyne, la base de nombreuses applications d'ingénierie radio. Cependant, il est à noter que l'instrument fonctionne dans l'optique, ou pour être plus précis, la gamme proche infrarouge - à une longueur d'onde de 1,65 micromètre. Le principe de fonctionnement est basé sur la combinaison du signal reçu (dans ce cas, rayonnement solaire ayant traversé l'atmosphère) et une source étalon (oscillateur local), à savoir un laser à diode accordable. Puisque les lois de propagation des ondes électromagnétiques sont les mêmes pour toutes les gammes spectrales, le principe d'hétérodynage est également applicable aux signaux radio et au rayonnement infrarouge.

Cependant, l'hétérodynage se heurte à certaines difficultés s'il est appliqué à la gamme optique. Par exemple, une correspondance très précise des fronts d'onde est requise, car un déplacement même d'une fraction de longueur d'onde est inacceptable. L'équipe MIPT a utilisé une solution simple, application d'une fibre optique monomode.

Un autre défi est la nécessité d'un contrôle de fréquence extrêmement précis de l'oscillateur local, avec une erreur ne dépassant pas 1 MHz, une quantité infime par rapport à la fréquence du rayonnement optique. Pour remédier à ce, l'équipe a dû employer une approche délicate et approfondir les processus d'émission laser à diode. Ces efforts ont abouti à un nouvel instrument, un spectroradiomètre laser hétérodyne expérimental, caractérisé par une résolution spectrale sans précédent dans le proche infrarouge. Il mesure le spectre d'absorption atmosphérique infrarouge avec une résolution spectrale ultra-élevée, permettant de récupérer les vitesses du vent avec une précision de 3 à 5 mètres par seconde.

"Construire un instrument, même avec des caractéristiques record, n'est que la moitié de l'histoire, " a déclaré Rodin. "Pour récupérer la vitesse du vent à différentes altitudes jusqu'à la stratosphère en utilisant les spectres mesurés, vous avez besoin d'un algorithme spécial qui résout le problème inverse."

« Nous avons décidé de ne pas utiliser le machine learning mais de mettre en œuvre une approche classique basée sur la régularisation de Tikhonov. Malgré le fait que cette méthode soit connue depuis plus d'un demi-siècle, il est largement utilisé dans le monde entier, et ses capacités sont loin d'être épuisées, " dit le scientifique.

Les calculs permettront de récupérer le profil vertical du vent depuis la surface jusqu'à environ 50 kilomètres. Basé sur le spectroradiomètre relativement simple et abordable, à l'avenir, on pourra créer de vastes réseaux de surveillance atmosphérique.

Le laboratoire de spectroscopie infrarouge appliquée du MIPT prévoit de mener une campagne d'observation pour mesurer le vortex polaire de la stratosphère ainsi que la concentration de gaz à effet de serre dans l'Arctique russe avec leur nouvel instrument. En plus de ça, en coopération avec l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie, le laboratoire développe un instrument pour les études de l'atmosphère de Vénus basé sur le même principe. L'instrument sera installé à bord de l'orbiteur indien Vénus dans le cadre d'une coopération internationale.