Опасности безоблачного неба. Томские оптики разработали лидар для обнаружения турбулентности

26 мая 2024 3 мин.

«С вами говорит командир корабля. Наш полет будет проходить на высоте 10 тысяч метров.
В пути нас ожидает небольшая болтанка» — такое предупреждение наверняка слышали все наши читатели, кому приходилось бывать на борту воздушного судна.
Причиной болтанки во многих случаях становится так называемая «турбулентность в ясном небе» (ТЯН). Метеорологи прогнозируют ТЯН, но точность оставляет желать лучшего.
Между тем Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) проводило опрос пилотов и выяснило, что достаточно получить предупреждение о ТЯН за 40 секунд, чтобы успеть включить табло «Пристегните ремни» и перейти с автопилота на ручное управление.
Явление увеличения обратного рассеяния (УОР) волн в случайных средах, в том числе в турбулентной атмосфере, было открыто сотрудниками московского Института физики атмосферы еще в 1972 году, но технических возможностей для его практического применения тогда не было. Первым использовать эффект увеличения обратного рассеяния для дистанционного зондирования турбулентности предложил один из соавторов открытия Александр Гурвич и запатентовал схему лидара на основе лазера с ламповой накачкой.
Почти сразу же в эту работу включились сотрудники томского Института оптики атмосферы (ИОА СО РАН). Но сделать «турбулентный» лидар по предложенной схеме не получилось.
В 2011 году в лабораторию распространения волн ИОА СО РАН после 10-летней работы в США вернулся Игорь Разенков. По приглашению известного специалиста по лазерному зондированию Эдвина Элоранты (Edwin Eloranta) он участвовал в создании серии микроимпульсных лидаров высокого спектрального разрешения для исследования аэрозолей в Университете Висконсин-Мэдисон.
— Я даже не собирался создавать турбулентный лидар, а хотел «слепить» простенький макет из того, что нашел в лаборатории. Чтобы убедиться, возможно ли зарегистрировать эффект УОР в реальности, предложил попробовать другой подход, — вспоминает старший научный сотрудник ИОА СО РАН кандидат физико-математических наук Игорь Разенков.
— Турбулентный лидар на основе микроимпульсного лазера работает в режиме счета фотонов, поскольку слабые зондирующие импульсы дают слабые эхосигналы. Число зондирующих импульсов, как правило, десятки тысяч.
Лидар в течение заданного временного промежутка накапливает эхосигнал, и при этом автоматически происходит усреднение случайного процесса рассеяния, которое позволяет зарегистрировать эффект УОР и судить об интенсивности турбулентности в атмосфере.
Впервые значительное усиление сигнала Игорю Разенкову и его коллегам удалось зафиксировать в октябре 2013 года. За 10 лет было сделано шесть модификаций прибора, на турбулентный лидар и способы его применения получено свыше 10 патентов. В 2022 году турбулентный лидар УОР-5 был установлен на борту самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик», чтобы изучить возможность дистанционного обнаружения ТЯН.
— Полученные результаты показали, что на высоте 9000 метров лидар позволяет за 10 секунд производить зондирование турбулентности на дистанцию в 8-10 километров, — подчеркивает Игорь Разенков.
— При скорости 850 километров в час расстояние в 10 километров самолет пролетит за 42 секунды. Минус 10 секунд на измерение, следовательно, прибор способен предупредить экипаж примерно за полминуты до вхождения в турбулентную зону. Достаточно, чтобы отставить в сторону кофе, перейти на ручное управление, сбавить скорость и далее все по инструкции.
Турбулентный лидар УОР-6 был создан в рамках проекта-«стомиллионника» Министерства науки и высшего образования РФ, финансирование которого, к сожалению, прекратилось. Однако прибор настолько заинтересовал коллег, что Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А.Чаплыгина за счет собственных ресурсов изготовил специальный обтекатель, который позволит производить зондирование в направлении полета с борта Ту-134 «Оптик». В ближайшие дни самолет с новым оборудованием на борту поднимется в небо.
— Наш УОР — отечественная разработка, простая и эффективная альтернатива европейскому лидару высокого спектрального разрешения или японскому доплеровскому. Есть интерес индустриальных партнеров и, соответственно, надежда, что прибор, созданный в ИОА СО РАН, станет частью штатного оборудования, предназначенного для обеспечения безопасности полетов воздушных судов, — резюмирует Игорь Разенков.