Fisikawan dari MIPT, bersama dengan rekan-rekannya, telah mengembangkan metode baru untuk penginderaan jarak jauh kecepatan angin, sebuah alternatif untuk penginderaan lidar dan radar yang banyak digunakan.
Karya yang diterbitkan dalam Atmospheric Measurement Techniques (AMT). Kebutuhan akan pengukuran kecepatan angin sangat besar - misalnya, tanpa data ini, tidak mungkin untuk menyempurnakan model meteorologi dan iklim, termasuk model prakiraan cuaca. Meskipun kemajuan luar biasa dalam penginderaan jauh dalam beberapa dekade terakhir, mengukur pergerakan massa udara masih merupakan tantangan. Sebagian besar data dikumpulkan dengan metode kontak tradisional - menggunakan sensor yang dipasang di stasiun meteorologi atau balon aerologi.
Untuk pengukuran lokal pada jarak yang tidak melebihi beberapa puluh atau ratusan meter, biasanya digunakan anemometer laser atau akustik. Pada jarak hingga puluhan kilometer, radar meteorologi datang untuk menyelamatkan, tetapi mereka, sebagai suatu peraturan, tidak efektif di luar troposfer, lapisan atmosfer setebal 10-18 kilometer yang paling dekat dengan Bumi. Pengukuran seperti itu praktis tidak dilakukan dari satelit, hanya ada eksperimen yang terisolasi.
“Informasi tentang dinamika atmosfer masih sulit diperoleh melalui pengukuran langsung. Saat ini alat yang paling dapat diandalkan untuk pengukuran jarak jauh dari medan kecepatan angin adalah radar Doppler. Dalam hal ini, ada penginderaan aktif terhadap lingkungan dengan sumber yang kuat, yang membutuhkan sumber daya yang signifikan: berat, ukuran, konsumsi energi, dan, tentu saja, biaya peralatan.
Perangkat yang kami kembangkan mendapat manfaat signifikan dari parameter ini - perangkat ini ringkas, murah, dan menggunakan basis elemen serial yang banyak diwakili di pasar peralatan telekomunikasi,”komentar Alexander Rodin, kepala laboratorium spektroskopi inframerah terapan di MIPT.
Perangkat ini didasarkan pada prinsip pendaftaran sinyal heterodyne, yang banyak digunakan dalam teknik radio, tetapi bekerja di optik, lebih tepatnya, dekat kisaran inframerah, pada panjang gelombang sekitar 1,65 mikron. Prinsipnya didasarkan pada gagasan pencampuran sinyal yang diterima (dalam hal ini, radiasi dari Matahari yang telah melewati atmosfer) dan sumber referensi (heterodyne), yang digunakan sebagai laser semikonduktor yang dapat disetel.
Karena sinyal radio dan radiasi infra merah mematuhi hukum perambatan gelombang elektromagnetik yang sama, tidak mengherankan bahwa prinsip heterodyning dapat diterapkan secara merata untuk semua rentang spektrum. Namun, dalam kasus heterodyning radiasi optik, kesulitannya sendiri muncul - misalnya, pencocokan muka gelombang dengan akurasi yang sangat tinggi diperlukan, dan perpindahan berkas radiasi dengan jarak sepersekian panjang gelombang tidak dapat diterima.
Tim MIPT memecahkan masalah ini dengan sangat sederhana dengan menggunakan serat optik mode tunggal. Ini juga membutuhkan kontrol yang sangat tepat dari frekuensi osilator lokal dengan kesalahan tidak lebih dari 1 MHz, yang dapat diabaikan dibandingkan dengan frekuensi radiasi optik. Di sini perlu untuk menerapkan trik tertentu, dan yang paling penting - untuk mempelajari secara mendalam proses pembangkitan radiasi oleh laser semikonduktor.
Akibatnya, perangkat dibuat yang tidak memiliki analog di dunia dalam hal resolusi spektral dalam kisaran inframerah dekat - spektroradiometer laser heterodyne. Ini mengukur spektrum penyerapan inframerah di atmosfer dengan resolusi spektral rekor untuk kisaran ini, yang memungkinkan untuk menentukan kecepatan angin dengan akurasi 3-5 m / s.
"Untuk membuat perangkat, bahkan dengan karakteristik pemecah rekor, hanya setengah dari pertempuran," komentar Alexander Rodin. - Untuk menentukan kecepatan angin pada ketinggian yang berbeda hingga stratosfer dan lebih tinggi dari spektrum yang diukur, diperlukan algoritma khusus untuk memecahkan masalah invers. Saat menyelesaikannya, kami tidak mengikuti pembelajaran mesin, tetapi menerapkan pendekatan klasik berdasarkan regularisasi Tikhonov.
Terlepas dari kenyataan bahwa metode ini sudah berusia lebih dari setengah abad, mereka digunakan oleh seluruh dunia, dan potensi mereka jauh dari habis,”spesifikasi ilmuwan. Perhitungan memungkinkan kita untuk mengetahui distribusi vertikal angin dari permukaan hingga ketinggian sekitar 50 kilometer. Kesederhanaan relatif dan biaya rendah dari spektroradiometer ini akan memungkinkan di masa depan untuk membuat jaringan yang luas untuk memantau keadaan atmosfer.
Dalam waktu dekat, spesialis Laboratorium Spektroskopi Inframerah Terapan dari Institut Fisika dan Teknologi Moskow berencana untuk mengukur pusaran kutub stratosfer, serta konsentrasi gas rumah kaca di Kutub Utara Rusia, menggunakan peralatan yang mereka buat.. Selain itu, bersama dengan rekan-rekan dari Institut Penelitian Luar Angkasa dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, berdasarkan prinsip yang sama, mereka sedang mengembangkan instrumen untuk mempelajari atmosfer Venus, yang, dalam kerangka kerja sama internasional, akan dipasang. di atas satelit buatan India dari planet Shukrayan.
Rekan-rekan mereka dari Institut Penelitian Luar Angkasa dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, Institut Fisika Umum AM Prokhorov dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia dan Pusat Penelitian Rusia Samsung bekerja pada pembuatan perangkat bersama dengan karyawan Institut Fisika Moskow. dan Teknologi. Pekerjaan ini didukung oleh Yayasan Rusia untuk Riset Dasar.