Co to jest laser dla Wind LiDAR?

Jaki jest laser do wiatru LiDAR?

Wind LiDAR, czyli Light Detection and Ranging, to technologia umożliwiająca zdalny pomiar prędkości i kierunku wiatru. Jest to przydatne narzędzie do przeprowadzania ocen środowiskowych, ocen zasobów wiatru i ogólnych prognoz pogody. Jednym z kluczowych elementów technologii LiDAR jest laser.

Co to jest LiDAR?

Zanim zagłębimy się w rolę laserów w wiatrowym LiDAR, ważne jest zrozumienie podstaw technologii LiDAR. LiDAR to technika teledetekcji wykorzystująca światło lasera do pomiaru odległości i generowania precyzyjnych, szczegółowych map 3D otoczenia.

W szczególności w zastosowaniach wiatrowych LiDAR zwykle stosuje się trzy różne typy LiDAR: dopplerowski LiDAR, LiDAR czasu przelotu i LiDAR z modulowaną częstotliwością fali ciągłej (FMCW).

Systemy Doppler LiDAR mierzą prędkość i kierunek wiatru, mierząc przesunięcie częstotliwości w laserze, które jest odbijane z powrotem do systemu przez aerozole w powietrzu. Systemy LiDAR czasu przelotu określają prędkość wiatru, mierząc czas potrzebny na odbicie impulsu światła laserowego z powrotem do systemu. Systemy FMCW LiDAR wykorzystują laser o fali ciągłej do pomiaru prędkości wiatru poprzez analizę przesunięcia częstotliwości lasera.

Niezależnie od rodzaju zastosowanego LiDAR-u, lasery stanowią istotny element umożliwiający tej technologii dokładny i skuteczny pomiar prędkości i kierunku wiatru na długich dystansach.

Co to jest laser?

Laser, czyli wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania, to urządzenie wytwarzające skupioną wiązkę światła. W przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł światła, takich jak żarówki żarowe lub świetlówki, wiązki lasera są silnie kierunkowe i można je precyzyjnie skupić.

Urządzenia laserowe działają poprzez wzmacnianie światła w procesie zwanym emisją wymuszoną. Proces ten polega na wzbudzaniu elektronów w określonych materiałach, zazwyczaj w kryształach lub gazach, co powoduje, że emitują one fotony (cząstki światła). Fotony te następnie stymulują inne wzbudzone elektrony do emisji większej liczby fotonów, tworząc reakcję łańcuchową, która wzmacnia wiązkę światła.

Lasery są powszechnie stosowane w takich dziedzinach jak medycyna, wojsko i telekomunikacja ze względu na ich wysoki stopień precyzji i wszechstronności.

Lasery w wietrze LiDAR

W zastosowaniach wiatrowych LiDAR lasery służą do generowania pulsacyjnej wiązki światła, która jest emitowana do otoczenia. Gdy wiązka światła przemieszcza się w powietrzu, odbija się od aerozoli, kurzu i innych cząstek w atmosferze.

Odbite światło jest następnie wykrywane przez odbiornik systemu LiDAR, który mierzy czas potrzebny na podróż światła do i z tych cząstek. Analizując czas potrzebny na odbicie światła z powrotem do układu, LiDAR jest w stanie obliczyć odległość między układem a cząstkami.

Technologia laserowa ma kluczowe znaczenie dla zdolności LiDAR do pomiaru dokładnej odległości między systemem a docelowymi cząsteczkami. Bez laserów inne źródła światła, takie jak diody LED, nie byłyby w stanie zapewnić skupienia kierunkowego i intensywności wymaganej do dokładnych pomiarów na długich dystansach.

Dodatkowo precyzyjna częstotliwość wiązek laserowych pozwala na pomiar subtelnych przesunięć długości fali odbitego światła, co można wykorzystać do określenia prędkości i kierunku wiatrów. Pomiary te mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach takich jak rozwój energetyki wiatrowej, gdzie dokładne dane dotyczące prędkości i kierunku wiatru są niezbędne do określenia potencjalnej wydajności energetycznej farmy wiatrowej.

Rodzaje laserów stosowanych w wiatrowych LiDARach

W wiatrowym LiDAR zwykle stosuje się dwa typy laserów: półprzewodnikowe pompowane diodami (DPSS) i lasery światłowodowe. Lasery DPSS wykorzystują materiały krystaliczne do wzmacniania światła, podczas gdy lasery światłowodowe wykorzystują światłowody do prowadzenia i wzmacniania światła.

Obydwa typy laserów mają swoje unikalne zalety i wady. Na przykład lasery DPSS są zazwyczaj mocniejsze niż lasery światłowodowe i mogą generować sygnały o wyższej jakości. Są jednak również droższe i wymagają większej konserwacji niż lasery światłowodowe.

Lasery światłowodowe są na ogół bardziej kompaktowe, wydajne i tańsze niż lasery DPSS. Są również bardziej wszechstronne i można je modyfikować w celu generowania zakresu długości fal, co czyni je idealnymi do różnych zastosowań LiDAR. Jednak lasery światłowodowe zazwyczaj nie są tak mocne jak lasery DPSS, co może ograniczyć ich użyteczność podczas pomiarów na duże odległości.

Wniosek

W zastosowaniach wiatrowych LiDAR lasery są istotnymi elementami zapewniającymi zdolność tej technologii do dokładnego zdalnego pomiaru prędkości i kierunku wiatru. Wraz z ewolucją technologii LiDAR będzie się zmieniać rola laserów w jej zastosowaniach. Postępy w technologii laserowej prawdopodobnie doprowadzą do dalszej poprawy dokładności, przenośności i przystępności cenowej wiatrowych systemów LiDAR.