您现在的位置是:首页 > 科学网站首页科学

科学家们提出了一种遥感大气动力学的新方法

  • 科学
  • 2020-06-11 08:37:45
  • 来源:

莫斯科物理技术学院的物理学家开发了一种用于风速远程测量的新方法。它可以补充广泛使用的激光雷达和雷达感应技术。该论文发表在《大气测量技术》上。

风速测量对于许多应用至关重要。例如,对数据进行同化对于微调气候和气象模型(包括用于天气预报的模型)是必需的。尽管近几十年来在遥感方面取得了进步,但是测量气团的运动仍然是一个挑战。大多数数据是通过传统的接触方法收集的:通过安装在气象站上的传感器或发声气球。激光雷达或声纳风速计通常用于几百米或更短距离的局部测量。天气雷达可以在长达数十公里的距离内提供帮助。但是,后者通常在对流层(地球最接近的大气层,厚度为10至18公里)之外无效。

“通过直接观察仍然很难获得有关大气动力学的信息。到目前为止,最可靠的远程测量风速的方法是使用多普勒雷达。该技术涉及利用强大的辐射源对环境进行探测,因此需要大量资源包括功率,设备质量,尺寸和成本。我们的仪器在这些参数方面具有优势:它紧凑,价格便宜,并且涉及电信市场上可用的商业组件,”研究的主要作者亚历山大·罗丹(Alexander Rodin)说道。 MIPT应用红外光谱实验室。

该仪器基于外差检测原理,是许多无线电工程应用的基础。但是,应该注意的是,该仪器在1.65微米波长的光学范围内或更准确地说在近红外范围内运行。工作原理是基于将接收到的信号(在这种情况下,是通过大气的太阳辐射)与标准具光源(本地振荡器)(即可调二极管激光器)进行组合。由于电磁波传播的定律在所有光谱范围内都相同,因此外差原理同样适用于无线电信号和红外辐射。

但是,如果将杂化应用于光学范围,则将面临某些困难。例如,需要高度精确的波阵面匹配,因为位移甚至是波长的一小部分也是不可接受的。MIPT团队采用了一种简单的解决方案,即应用单模光纤。

另一个挑战是需要对本机振荡器进行极其精确的频率控制,其误差不超过1 MHz,与光辐射频率相比,误差很小。为了解决这个问题,团队必须采用棘手的方法,并深入研究二极管激光发射的过程。这些努力导致了一种新仪器-一种实验性激光外差分光辐射计-以近红外范围内前所未有的光谱分辨率为特征。它以超高的光谱分辨率测量红外大气吸收光谱,从而有可能以每秒3至5米的精度检索风速。

罗丹说:“即使具有记录特性,制造一种乐器也只是故事的一半。” “要使用测量到的光谱在平流层不同高度获取风速,您需要一种特殊的算法来解决反问题。”

“我们决定不使用机器学习,而是实施基于Tikhonov正则化的经典方法。尽管该方法已经有半个多世纪的历史了,但它已在世界范围内广泛使用,其功能远非如此精疲力尽。”科学家说。

这些计算将使从地面到大约50公里的垂直风廓线检索成为可能。基于相对简单且负担得起的分光辐射计,将来人们可能会创建广泛的网络来进行大气监测。

MIPT的应用红外光谱实验室正计划开展一项观测活动,以使用其最新开发的仪器测量平流层极涡以及俄罗斯北极地区的温室气体浓度。除此之外,该实验室还与俄罗斯科学院太空研究所合作,正在开发基于同样原理的金星大气研究仪器。该仪器将在国际合作的框架内安装在印度的金星轨道器上。

Top