Les chercheurs ont développé un nouvel instrument de télédétection basé sur la détection et la télémétrie de la lumière (LIDAR) qui pourrait offrir un moyen simple et robuste de mesurer avec précision la vitesse du vent. Le détaillé, les mesures du vent en temps réel pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre comment se forment les ouragans et fournir des informations que les météorologues peuvent utiliser pour localiser plus tôt l'atterrissage, donner aux gens plus de temps pour se préparer et évacuer.

"Alors que l'ouragan Harvey approchait des États-Unis, les chasseurs d'ouragans ont volé directement dans la tempête et ont laissé tomber des capteurs pour mesurer la vitesse du vent, " dit Xiankang Dou, chef de l'équipe de recherche à l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC). « Notre instrument Doppler LIDAR peut être utilisé depuis un avion pour mesurer à distance le vent d'un ouragan avec des résolutions spatiales et temporelles élevées. À l'avenir, il pourrait même faire ces mesures depuis des satellites."

Les mesures du vent sont également cruciales pour déterminer des conditions de vol sûres, comprendre comment la pollution se déplace dans l'air et faire fonctionner efficacement les éoliennes. Les technologies de mesure du vent de haute précision existantes peuvent être coûteuses et difficiles à exploiter, conduisant à des lacunes dans l'application de ces technologies dans les situations où elles sont les plus utiles.

« Nous avons fait la démonstration d'un LIDAR éolien Doppler avec une disposition optique simplifiée qui améliore également considérablement la stabilité du système, " a déclaré Dou. " Bien que des spécialistes soient généralement nécessaires pour exploiter et entretenir un LIDAR Doppler sophistiqué, nous sommes convaincus que nous pouvons développer notre approche en un système qui sera aussi facile à utiliser qu'un smartphone."

Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , les chercheurs ont démontré la capacité de leur système LIDAR éolien Doppler à mesurer la vitesse du vent horizontal avec une grande précision et ont montré que le système est resté stable tout au long d'une période de test de 10 jours. Les chercheurs affirment que la stabilité et la précision de ce nouveau système représentent une amélioration substantielle par rapport aux LIDAR éoliens Doppler à détection directe développés précédemment.

Une application importante du LIDAR est dans l'aéronautique, où il peut être utilisé sur des avions ou depuis une station au sol pour mesurer à distance le mouvement de l'air. Avec une résolution spatiale verticale de 10 mètres, le nouveau système pourrait mesurer des phénomènes éoliens à petite échelle tels que le cisaillement du vent et la turbulence de sillage créée par un avion. Une meilleure compréhension de ces phénomènes pourrait améliorer la sécurité des vols et également augmenter la capacité aéroportuaire en optimisant la séparation entre les avions lors du décollage et de l'atterrissage.

Utiliser la lumière pour mesurer le vent

Le LIDAR est une méthode de télédétection qui a été utilisée pour créer des cartes à haute résolution, scanner le fond des océans et guider les voitures sans conducteur. Pour mesurer le vent, un système LIDAR émet une impulsion laser qui se propage dans l'atmosphère où elle interagit avec les molécules et les aérosols. Une petite quantité de lumière est renvoyée vers l'instrument LIDAR, où il est collecté par un télescope. Quand le vent fait bouger l'air, cela provoque un décalage Doppler qui peut être détecté par l'appareil.

Les chercheurs ont conçu un LIDAR éolien Doppler à détection directe à double fréquence utilisant un laser émettant une lumière de 1,5 micron. Étant donné que cette longueur d'onde est couramment utilisée dans les réseaux de communication optiques, ils ont pu construire le système en utilisant des composants à fibre optique disponibles dans le commerce, chacun combinant plusieurs composants de contrôle de la lumière en un seul appareil. La construction entièrement en fibre du système LiDAR est donc robuste contre les vibrations et les manipulations brutales.

Par rapport aux systèmes développés précédemment, la nouvelle conception simplifiée facilite grandement la configuration et l'alignement de chaque composant, augmente la stabilité et réduit la quantité de lumière perdue dans le système. Le nouveau système ne nécessite également aucun étalonnage après son initialisation et ne nécessite aucune protection oculaire particulière.

"Pour les systèmes LIDAR qui seront exploités à plein temps sur le terrain, la sécurité des yeux est une considération importante, " a déclaré Haiyun Xia, le chercheur principal du Quantum Lidar Laboratory de l'USTC. "Heureusement, le laser de 1,5 micron que nous avons utilisé présente l'exposition admissible la plus élevée pour la sécurité des yeux dans la plage de longueurs d'onde de 0,3 à 10 microns."

La longueur d'onde de 1,5 micron est également idéale pour la détection du vent atmosphérique à partir de satellites car, par rapport aux longueurs d'onde UV et visible, il montre moins de susceptibilité aux perturbations atmosphériques et à la contamination optique du soleil et d'autres sources. Les mesures du vent par satellite sont utilisées pour les prévisions météorologiques et les études météorologiques. « Le LIDAR éolien Doppler spatial est désormais considéré comme le moyen le plus prometteur de répondre aux besoins en données mondiales sur le vent et de combler les lacunes dans les données sur le vent fournies par d'autres méthodes, " dit Xia.

Composants optiques améliorés

La configuration optique du nouveau LIDAR éolien Doppler contient une seule source laser, un détecteur et un interféromètre Fabry-Pérot monocanal qui convertit le décalage Doppler en variations du nombre de photons des signaux de rétrodiffusion. L'utilisation d'un interféromètre Fabry-Pérot composé de fibres optiques plutôt que d'un interféromètre composé de nombreux composants optiques individuels a rendu le système suffisamment robuste et stable pour être utilisé dans des environnements difficiles tels qu'à bord d'avions ou de satellites.

Le nouveau système comprend également l'un des détecteurs les plus rapides disponibles pour le comptage de photons uniques, un détecteur de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD). Ce détecteur a amélioré les performances du LIDAR par rapport aux photodiodes à avalanche InGaAs généralement utilisées pour détecter la lumière de 1,5 micron.

"L'efficacité de détection élevée et le faible taux de comptage d'obscurité du SNSPD signifient que le signal faible de la lumière rétrodiffusée peut être détecté avec un rapport signal/bruit élevé, " a déclaré Xia. " Une autre caractéristique intéressante du SNSPD est son taux de comptage maximal élevé, ce qui permet d'éviter la saturation du détecteur."

Les chercheurs ont testé leur système en examinant d'abord sa stabilité après étalonnage. Globalement, les mesures du système ont varié de moins de 0,2 mètre par seconde pendant 10 jours en laboratoire. Ils ont ensuite testé le système à l'extérieur et comparé ses mesures de vent horizontal avec les mesures d'un capteur de vent à ultrasons, un système non distant pour mesurer le vent. En moyenne, les mesures LIDAR étaient à moins de 0,1 mètre par seconde et à 1 degré pour la vitesse et la direction du vent, respectivement.

Les chercheurs travaillent désormais à l'amélioration de la résolution spatiale du système LIDAR éolien Doppler et souhaitent le rendre encore plus pratique à utiliser sur le terrain. Ils ont également fondé une société pour développer davantage le système et prévoient d'avoir une version commerciale disponible l'année prochaine.