Анализ пылевых потоков с помощью доплеровского лидара низкой когерентности

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4086 (2023) Цитировать эту статью

820 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Визуализация потоков пыли и динамики ветра вблизи поверхности земли необходима для понимания смешивания и взаимодействия между геосферой и атмосферой вблизи поверхности. Знание временного потока пыли полезно для решения проблем загрязнения воздуха и здоровья. Пылевые потоки вблизи поверхности земли трудно отслеживать из-за их небольшого временного и пространственного масштаба. В этом исследовании мы предлагаем низкокогерентный доплеровский лидар (LCDL) для измерения пылевого потока у земли с высоким временным и пространственным разрешением 5 мс и 1 м соответственно. Мы демонстрируем эффективность LCDL в лабораторных экспериментах с использованием частиц муки и карбоната кальция, выпущенных в аэродинамическую трубу. Результаты эксперимента LCDL показывают хорошее согласие с измерениями анемометра при скоростях ветра от 0 до 5 м/с. Метод LCDL может выявить распределение пыли по скорости, на которое влияют масса и размер частиц. В результате для определения типа пыли можно использовать различные профили распределения скорости. Результаты моделирования пылевого потока хорошо совпадают с экспериментальными результатами.

Пылевые потоки активны вблизи поверхности земли, где ветровые потоки сложны. Это важно для понимания смешивания и взаимодействия между геологией и приземной атмосферой. Рассеяние пыли, оседающей на поверхности земли, является серьезной проблемой не только для охраны окружающей среды, но и для здоровья человека, например, респираторных заболеваний, а также загрязнения воздуха антропогенной пылью в городских районах1,2,3. В частности, пылевой поток в нижних слоях атмосферы осложнен топографией и структурой. Поведение рассеивающейся пыли в поле резкое. Визуализируя местные городские ветры среди зданий, называемые уличными каньонами4, можно спрогнозировать распределение потока пыли в определенной местности и понять его влияние на жилые помещения. Вблизи приземной атмосферы определенные препятствия, такие как горы и здания, блокируют и резко изменяют поток пыли. С другой стороны, в верхних слоях атмосферы мало препятствий, и поток пыли происходит несколько постепенно. Ветровой поток в атмосфере зависит от высоты5. Чем выше высота, тем больше масса воздушной ячейки, а вертикальные верхние слои атмосферы имеют больший пространственный и временной масштаб6. Большой спрос на измерения ветрового потока возник в вертикальных верхних слоях атмосферы с точки зрения безопасности взлета и посадки самолетов и эффективного управления ветроэнергетической установкой7,8. Для измерения ветра используются пропеллерные анемометры, радиозонды, доплеровские содары и доплеровские лидары9,10,11,12. Натурные анемометры требуют его установки в пространстве измерений, при этом он может изменять само поле ветра. С другой стороны, доплеровский содар и доплеровский лидар могут удаленно получать информацию о ветре в ходе измерений13,14. Они эффективны для измерения поля ветра на больших расстояниях15. Доплеровский лидар устанавливается в аэропортах и ​​измеряет вертикальные верхние слои атмосферы в широком диапазоне измерений от 200 м до нескольких километров в течение длительного периода времени в несколько минут в соответствии с большим пространственным и временным масштабом атмосферы16,17,18. Установленный на гондоле доплеровский лидар устанавливается на ветряные электростанции и измеряет горизонтальную атмосферу19. Пространственное разрешение измерений по-прежнему составляет несколько десятков метров. Обычные пылеотборники собирают пыль в течение определенного периода времени. Однако этот метод не может предоставить информацию о переносе пыли в режиме реального времени. Дистанционное зондирование является лучшим вариантом для обнаружения пыли у земли, поскольку поле ветра не нарушается во время измерения20,21. Измерения с высоким разрешением и высокой скоростью являются важными критериями для обнаружения пыли и аэрозолей у земли. Текущий традиционный доплеровский лидар не может уловить локализованный и постоянно меняющийся поток пыли вблизи земли, поскольку нижние слои атмосферы имеют небольшой пространственный и временной масштаб, составляющий несколько секунд и метров. Также доступна велосиметрия с отслеживанием частиц с использованием листовых лазеров, но она не дает количественных результатов. Он имеет существенные ограничения, такие как необходимость в темном месте, и неудобен для использования в полевых условиях22,23,24. В этой статье мы разрабатываем горизонтально направленный доплеровский лидар с низкой когерентностью (LCDL) с высоким пространственным и временным разрешением 1 м и 5 мс соответственно для измерения локального потока пыли. LCDL — это разновидность оптического интерферометра с низкой когерентностью. Интерференционный сигнал получается только тогда, когда разница длин оптического пути между опорным и измерительным путями соответствует длине когерентности. Кроме того, для мониторинга внезапных изменений потока пыли время интегрирования сокращается до миллисекунд для высокоскоростных измерений. Целями этой статьи являются: (1) спроектировать и разработать концепцию системы LCDL, (2) проверить производительность системы LDCL и (3) применить этот метод к различным рассеивателям и оценить распределение скоростей рассеивателей.