Il lidar a micropulsazioni (MPL) è una tecnologia di rilevamento atmosferico ampiamente utilizzata. Si avvale di impulsi laser di durata nanosecondi con elevata frequenza di ripetizione per ottenere un rilevamento di aerosol e nuvole in qualsiasi condizione meteorologica e con un'elevata risoluzione spazio-temporale. La risoluzione e la velocità di risposta delle tecnologie di rilevamento atmosferico tradizionali sono relativamente basse, il che rende difficile soddisfare appieno le esigenze di osservazione precisa dell'atmosfera a livello del suolo e in quota. Tuttavia, la tecnologia lidar a micropulsazioni può compensare efficacemente le carenze dei metodi tradizionali ed è diventata una strumentazione chiave nei settori delle previsioni meteorologiche, della protezione ambientale e della ricerca scientifica in Cina. Fornisce un importante supporto di dati per affrontare le sfide climatiche e ambientali globali.

1. Architettura tecnica e principio di funzionamento

Il lidar a micropulsazioni è composto principalmente da tre unità fondamentali che lavorano insieme: emissione laser, ricezione ottica ed elaborazione del segnale.

L'unità di emissione laser utilizza un laser pulsato ad alta frequenza di ripetizione, la cui lunghezza d'onda di lavoro è principalmente di 532 nm. Alcuni sistemi avanzati supportano anche una configurazione a doppia lunghezza d'onda di 1064 nm/532 nm, consentendo il rilevamento preciso di diverse componenti atmosferiche a varie altitudini.

Il cuore dell'unità di ricezione ottica è costituito da un telescopio coassiale e da un fotodiodo a valanga (APD). Questa combinazione permette di catturare e convertire in modo efficiente i deboli segnali di luce retrodiffusa prodotti da varie particelle atmosferiche in segnali elettrici utilizzabili.

L'unità di elaborazione del segnale si basa sul principio del tempo di volo in tempo reale dei segnali ricevuti per invertirne i parametri. In questo modo, è in grado di analizzare con precisione la distribuzione verticale della concentrazione di particolato nell'atmosfera, le proprietà ottiche delle nuvole e così via.

Il principio di funzionamento del lidar a micropulsi si basa sul meccanismo di interazione tra il laser e i componenti atmosferici: dopo l'emissione, l'impulso laser subisce una diffusione elastica con aerosol, particelle di nuvole, ecc. presenti nell'atmosfera. Il sistema misura con precisione il tempo di ritorno (ToF) dei fotoni diffusi e le corrispondenti variazioni di intensità. Combinando questi dati con il modello teorico di diffusione di Mie, è possibile ricavare parametri fondamentali come lo spessore ottico, il coefficiente di estinzione e il coefficiente di retrodiffusione dell'atmosfera. In questo modo, si ottiene un monitoraggio dinamico e un'analisi quantitativa dello stato dell'atmosfera.

2. Applicazione pratica e vantaggi principali

Il lidar a micropulsazioni ha dimostrato un eccezionale valore applicativo in molteplici settori:

Nel campo del monitoraggio ambientale, basato su un monitoraggio dell'ambiente ad alta precisione e alta risoluzione, il lidar a micropulsazioni fornisce una base scientifica per la gestione ambientale, contribuisce all'eliminazione graduale dell'inquinamento e permette di realizzare una gestione ambientale sostenibile.

Nel campo della ricerca sulla chimica atmosferica, combinando organicamente il lidar a micropulsazioni con la spettroscopia di assorbimento differenziale, è possibile ottenere simultaneamente non solo i dati di concentrazione dei principali gas inquinanti come NO₂ e O₃, ma anche comprendere in modo relativamente approfondito la formazione e la propagazione della foschia. Ciò rappresenta un significativo passo avanti nella ricerca sulle cause dell'inquinamento atmosferico.

In termini di garanzia della sicurezza aerea, grazie alla completa connessione con l'aeroporto, i risultati del monitoraggio meteorologico ad alta precisione e a lunga distanza del lidar a micropulsazioni vengono trasmessi in tempo reale al centro di controllo e gestione dell'aeroporto, fornendo così un sistema di allerta meteorologica tempestiva e affidabile per il decollo e l'atterraggio dei voli, e garantendo di fatto la sicurezza delle operazioni aeree.

Il sistema lidar a micropulsazioni presenta i seguenti vantaggi:

• Rilevamento ad alta risoluzione: grazie a una risoluzione verticale fino a 15 metri, il design multi-lunghezza d'onda è in grado di distinguere efficacemente tra sabbia, polvere e particelle inquinanti.

• Può condurre osservazioni continue durante tutto il giorno: può monitorare le variazioni della struttura verticale degli aerosol atmosferici e delle nuvole 24 ore su 24, 7 giorni su 7, senza interruzioni, il che è fondamentale per studiare le variazioni diurne dello strato limite atmosferico, la formazione e la dissipazione dei processi di inquinamento e l'evoluzione diurna delle nuvole.

• Integrazione di sistema: la progettazione miniaturizzata dei componenti principali consente una rapida implementazione in molteplici scenari.

3. Sorgente luminosa principale: laser a stato solido Nd:YAG

IL Laser a microchip della serie MCA-R sviluppato indipendentemente da Luce reale può essere utilizzato nei radar laser a micropulsazioni. Questa serie di laser a microchip adotta la tecnologia di Q-switching passivo combinata con il design laser a stato solido pompato a diodi, integrando il modulo di pompaggio con il cristallo laser, fornendo due lunghezze d'onda di 1064 nm E 532 nme la larghezza dell'impulso laser in uscita è di soli 2 ns con una frequenza di ripetizione di 2,5 kHz. Questo laser a stato solido pompato a diodi, dotato di un circuito di pilotaggio miniaturizzato, raggiunge una struttura compatta e prestazioni stabili, soddisfacendo i requisiti di progettazione miniaturizzata e di applicazione multi-scenario dei sistemi MPL.

Laser a microchip utilizzati nei lidar a micropulsazioni

Laser a microchip utilizzati nei lidar a micropulsazioni

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