سه شنبه, ۰۷ بهمن ۱۳۹۹ ۰۸:۳۲ ۱۲۳
طبقه بندی: آزمایشگاه Rs
چچ
اصول فیزیکی عملکرد سنجنده Aladin مستقر بر ماهواره Aeolus و هندسه اندازه‌ گیری

اصول فیزیکی عملکرد سنجنده Aladin مستقر بر ماهواره Aeolus و هندسه اندازه‌ گیری

فناوری سنجش از دور با دریافت امواج مانند نور خورشید، امواج راداری یا مانند آنچه در این نگارش آمده از امواج لیزر برای سنجیدن پدیده مورد مطالعه استفاده می کند. در این نگارش به نحوه عملکرد سنجنده ALADIN از ماهواره Aeolus پرداخته شده است.

ماهواره Aeolus یکی از پیچیده‌ ترین ابزارهای اپتیکی را داراست که تاکنون در مدار زمین قرار گرفته است. سنجنده Aladin شامل دو لیزر قدرتمند، یک تلسکوپ بزرگ و گیرنده‌ های بسیار حساس است. این نخستین بهره‌ برداری بشر از فناوری لیدار در فضا جهت ثبت یکی از مهم‌ترین پدیده‌ های جوی یعنی باد و مشخصات آن می‌ باشد. برای آشنایی با فیزیک عملکرد این سنجنده ابتدا با دو مفهوم مهم باید آشنا شویم؛ فناوری لیزر و مفهوم فیزیکی اثر داپلر.
لیزر (Laser) مخفف (تقویت نور با استفاده از گسیل تابش برانگیخته) می‌باشد و دستگاهی است که با تحریک اتم‌ ها و مولکول‌ ها برای گسیلش نور در طول‌ موج‌ های خاص و تقویت نور گسیل‌ شده، یک پرتوی بسیار باریک از تابش تولید می‌ نماید. لیزر پرتوی از تابش الکترومغناطیسی را منتشر می‌کند که ماهیت آن همیشه تک کاناله یا تک باند، همگرا و منسجم است. لیزرها از سه جز اصلی تشکیل‌ شده‌اند: یک محیط تابش لیزر (جامد، مایع یا گاز)، یک منبع انرژی تحریک‌ کننده (پمپ) و یک تشدید کننده اپتیکی. لیزرها کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع مختلف دارند.


 ساختار عملکرد لیزر
شکل-1 : ساختار عملکرد لیزر


اثر داپلر (Doppler) تغییرات به وجود آمده در طول‌ موج امواج منتشر شده در یک محیط از جنس صوت و نور است که به علت حرکت منبع تولید کننده موج الکترومغناطیسی یا صوتی پس از تولید موج رخ می‌دهد. همچنین این پدیده می‌تواند ناشی از حرکت شاهد یا ناظر فرآیند باشد. با تغییر ناظر یا چشمه نور، فرکانس یا بسامد (عکس طول‌موج) دچار تغییر نسبی می‌شود که با اندازه‌ گیری این تغییرات در کنار سایر مؤلفه‌ها، اطلاعات ارزشمندی به دست می‌ آید. یکی از کاربردهای اثر داپلر در زندگی روزمره ما دوربین‌ های سرعت‌سنج ترافیکی است. در این ابزار با تولید و ارسال یک موج به سمت خودرو و دریافت و ثبت بازتاب موج ارسالی، با استفاده از اندازه‌گیری زمان رفت‌ و برگشت و تغییر فرکانس و سایر محاسبات مربوطه، دستگاه سرعت خودرو را مشخص می‌ نماید.


 مفهوم فیزیکی اثر داپلر در منبع نور
شکل-2 : مفهوم فیزیکی اثر داپلر در منبع نور


در طراحی انجام‌ شده در سنجنده Aladin در یک رویکرد و روش کاملاً جدید برای اندازه‌ گیری باد از فضا، محموله لیزر واقع در ماهواره، موج الکترومغناطیسی در فرکانس ماوراء بنفش تولید می‌ کند که به سمت اتمسفر تابیده می‌شود تا با عبور از این توده و فعل‌ و انفعالات رخ‌ داده، پروفایل بادهای سیال در محیط را تهیه نماید. این برش‌های عمودی از طریق جو، همراه با اطلاعاتی که در مورد آئروسل‌ ها و ابرها جمع‌آوری می‌شود، درک متخصصین را از فعالیت‌های موجود جوی بهبود بخشیده و به تحقیقات اقلیمی کمک می‌ کند.
موج گسیل‌ شده با برخورد به هواویزها یا ذرات ابر (پراکنش مای) یا با برخورد به مولکول‌ های هوا (پراکنش ریلی) به سمت گیرنده بازمی‌ گردد. علیرغم قرارگیری دو محموله لیزر و درنتیجه دو مکانیزم باز پراکنش مختلف که مشخصات طیفی مختلف و طول‌موج‌های مختلف را نشان می‌دهند، تجهیزی که درنهایت ساخته‌ شده است یک نوع سیگنال را ارائه می‌دهد، یا به‌عبارت‌ دیگر هر دو نوع را که در زنجیره‌ های پردازش جداگانه ارزیابی‌ شده‌اند به‌ صورت واحد ارائه می‌دهد.


مفهوم فیزیکی عملکرد Aladin

مفهوم فیزیکی عملکرد Aladin
شکل-3 : مفهوم فیزیکی عملکرد Aladin


ماهواره Aladdin اولین لیدار داپلر فضایی مخصوص آشکارسازی باد در جهان می‌باشد. این ماهواره ضمن حرکت در مدار خود با گسیل پالس‌ های کوتاه و قدرتمند نور ماوراءبنفش از لیزر فعال‌ شده و شیفت دوپلر را از مقدار بسیار کم‌ نور که پس از برخورد با مولکول‌ ها و ذرات موجود در جو به دستگاه بازگردانده می‌شود، اندازه‌گیری می‌ کند تا پروفیل‌ های عمودی را استخراج نموده و سرعت باد های جهان را در 30 کیلومتری پایینی اتمسفر نشان می‌دهد.


 هندسه اندازه‌گیری اسمی و پوشش مأموریت Aeolus
شکل-4 : هندسه اندازه‌ گیری اسمی و پوشش مأموریت Aeolus


در این شکل4، هندسه اندازه‌گیری اسمی و پوشش مأموریت Aeolus مشاهده می‌ شود. میزان اندازه‌ گیری سیگنال بازگشتی از یک موج ارسالی با امتداد جانبی پرتو (قطر چند متر) و مقدار زمان دریافت سیگنال تعیین می‌شود که باقدرت تفکیک مکانی عمودی مورد نظر سازگار است (250 متر تا 2 کیلومتر یا بیشتر). با توجه به اینکه سیگنال حاصل از یک‌ بار ارسال برای ارزیابی بسیار ضعیف است، 700 موج ارسالی در امتداد عرض برداشت 87 کیلومتری باید جمع شده و یکپارچه شود. محموله پردازنده با چرخه کار 25٪ فعالیت می‌کند تا جداسازی مشخصات باد را ممکن سازد. یک چرخه عملیاتی فعال 7 ثانیه (معادل حدود 87 کیلومتر مسیر زمینی) طول می‌کشد و به دنبال آن‌ یک فاصله در مشاهدات 21 ثانیه‌ای (معادل حدوداً 150 کیلومتر مسیر زمینی) وجود دارد. مهم است که بدانیم در این سنجنده بادها را می‌توان فقط در هوای پاک (به‌عنوان‌ مثال، در صورت عدم وجود ابرهای ضخیم یا بالای آن‌ها) و درون‌ ابرهای نازک (مثلاً ابر سیروس) اندازه‌گیری کرد. در بخش بعدی درباره نحوه چیدمان و طراحی اپتیکی این سنجنده صحبت خواهیم نمود.


آدرس کوتاه شده: