Remote Sensing        INOE

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2021-2088

Nr contractului: 674PED

PNCDI III - Programul 2, Subprogramul 2.1 – Competitivitate prin cercetare, dezvoltare şi inovare – Proiect experimental demonstrativ (PED) - PN-III-P2-2.1-PED-2021-2088

Perioada contractului: 30/06/2022- 20/06/2024

Bugetul proiectului: 598.795,00 RON

Titlul proiectului: Dezvoltarea unui modul dual telescop pentru detectia turbulentelor in aer clar - DETECT

Director de proiect: Dr. Fiz. Livio Belegante

Scurta descriere

Una dintre nevoile tehnologice de interes pentru companiile aeriene este dezvoltarea unor sisteme fiablie ce pot detecta fenomenele de turbulenta ia aer clar ce apar la altitudini inalte in timpul curselor avioanelor comerciale – in special trans-atlantice. Prezentul proiect este axat pe dezvoltarea a doua module experimentale pentru detectia turbulentelor in aer clar intalnite in cadrul curselor de linie ale avioanelor comerciale. Principiul aflat la baza detectiei turbulentelor este efectul amplificarii rediatiei retro-imprastiate iar tehnologia dezvoltata va fi de un interes real atat pentru companiile aeriene cat si pentru agentii economici ce doresc comercializarea solutiilor de acest tip.

Obiectivul proiectului
Dezvoltarea unui prototip functional capabil sa detecteze evenimente turbulente in atmosfera libera atat de la sol cat si in timpul zborului.

 

Prezentare succinta a proiectului:

Proiectul „Dezvoltarea unui modul dual telescop pentru detecția turbulențelor în aer clar - DETECT” a avut ca obiectiv principal dezvoltarea unui prototip funcțional capabil să detecteze evenimente turbulente în atmosfera liberă, atât de la sol cât și în timpul zborului, prin folosirea efectului de retroamplificare în aer clar. În prima fază a proiectului, s-a concentrat pe dezvoltarea și testarea sistemului la nivelul solului. Primele sesiuni extinse de măsurători au indicat o stabilitate crescută a alinierii, demonstrând astfel eficiența și fiabilitatea sistemului în detectarea turbulențelor atmosferice.

 

Configurația inițială a prototipului DETECT se baza pe un design Cassegrain Dall-Kirkham, dar a fost simplificată ulterior pentru a include lentile acromatice principale și secundare, îmbunătățind astfel performanța și reducând complexitatea. Noul design al prototipului include două module de recepție și un modul de emisie, optimizate pentru a reduce altitudinea de overlap la 150 mm. Campania extinsă de măsurători a evaluat parametri critici, precum raportul semnal-zgomot și stabilitatea alinierii, asigurând o funcționare optimă în diverse condiții de mediu.

 

Rezultatele obținute în cadrul proiectului DETECT sunt impresionante, demonstrând capacitatea sistemului de a furniza date precise și de înaltă calitate esențiale pentru detectarea turbulențelor atmosferice. În iulie 2024, este planificată o campanie de intercomparare cu un sistem LIDAR de la Raymetrics, Grecia, pentru a verifica compatibilitatea și consistența datelor obținute. Aceste realizări vor fi diseminate de Autoritatea Contractantă prin diverse materiale de promovare, evidențiind impactul pozitiv al tehnologiei dezvoltate asupra monitorizării calității aerului și protecției mediului. Proiectul DETECT nu doar că a avansat cunoașterea tehnologică în domeniul lidar, dar a și creat un cadru solid pentru utilizarea pe scară largă a acestei tehnologii inovatoare.

 

 

 

 

Rezultatele estimate

1. Documentatie referitoare la efectul de retroamplificare
2. Proiect elemente optice, elemente optomecanice si electronica detectie folosit in constructia prototipului.
3. Raport asupra constructiei si asamblarii prototipului folosit la detectia CAT
4. Raport asupra alinierii prototipului folosit la detectia CAT
5. Raport asupra dezvoltarii modulelor de achizitie
6. Raport asupra implementarii modulelor de procesare si teste pentru validarea operarii
7. Prototip functional pentru detectia evenimentelor CAT
8. Raport asupra transferului de know-how in sectorul privat

Raportare Decembrie 2022

Rezumat: Aceasta etapa contribuie la realizare obiectivului proiectului prin contributii la atingerea rezultatelor R1. Documentatie referitoare la efectul de retroamplificare. R2. Proiect elemente optice, elemente optomecanice si electronica detectie folosit in constructia prototipului. R3. Raport asupra constructiei si asamblarii prototipului folosit la detectia CAT.

In cadrul etapei a fost dezvoltat proiectul general al sistemului DETECT. Acesta include evaluari teoretice cu privire la radiatia de fond si simulari radiometrice, studiul turbulentelor troposferice si documentare cu privire la efectul de retroimprastiere folosit la detectia fenomenelor turbulente in troposfera libera. Au fost realizate simulari pentru optimizarea configuratiei optice prin calculul campului de vedere necesar pentru detectia in zona de jos a troposferei. Au fost realizate simulari ale factorului de suprapunere geometric (in continuare numit overlap) si au fost realizate simulari optice ale intregului modul de receptie. Proiectarea prototipului a cuprins dezvoltarea conceptului pentru sistemul DETECT, a fost realizata proiectarea unitatii de separare a radiatiei inpreuna cu proiectarea telescopului si au fost realizate teste cu privire la modul de operare al instrumentului  in conditii de laborator si conditii exterioare extreme.

In cadrul acestei etape a proiectului au fost desfasurate toate activitatile propuse (Activitatea 1.1 Documentatie referitoare la efectul de retroamplificare; 1.2 Simulari pentru optimizarea configuratiei optice; 1.3 Simulari radiometrice (raport semnal-zgomot, dimensionari); 1.4 Proiectarea prototipului) si au fost atinse toate rezultate estimate: R1. Documentatie referitoare la efectul de retroamplificare. R2. Proiect elemente optice, elemente optomecanice si electronica detectie folosit in constructia prototipului. R3. Raport asupra constructiei si asamblarii prototipului folosit la detectia CAT.

Prototip DETECT 2022

Raportare Decembrie 2023

In cadrul acestei etapei au fost testate si realizate elementele optomecanice necesare constructiei prototipului DETECT. Acesta etapa include evaluarea solutiilor tehnice existente si alegerea solutiei optime atat din punct de vedere functional cat si din punctul de vedere al costurilor asociate. Totodata, etapa a inclus optimizarea configuratiei optice si testarea noilor solutii atat din punct de vedere optic cat si din punct de vedere opto-mecanic. Conform prospectiilor pietei, a fost necesara modificarea blocului de detectie prin inlocuirea telescoapelor bazate pe doua oglinzi (Cassegrain) cu telescoape tip obiectiv (refractor). Au fost realizate simulari suplimentare pentru optimizarea noilor configuratii optice prin calculul campului de vedere necesar pentru detectia in zona de jos a troposferei. Au fost realizate o serie de noi simulari ale factorului de suprapunere geometric (in continuare numit overlap) si au fost realizate simulari optice ale intregului modul de receptie. Pe baza noilor configutatii si simulari, au fost realizate primele elemente optomecanice de test si au fost achizitionate elementele necesare constructiei prototipului.

In cadrul acestei etape a proiectului au fost desfasurate toate activitatile propuse:

2.1.1. Constructia si asamblarea elementelor optomecanice si electronice.

2.1.2. Alegerea celor mai bune elemente pentru constructie si asamblare.

2.2.1. Achizitia elementelor optomecanice si a laserului.

2.4.1. Alinierea optica a modulelor.

2.3.1. Asamblarea celor doua module.

Activitatile realizate în cadrul acestei faze includ testarea si realizarea elementele optomecanice necesare constructiei prototipului DETECT. Acesta etapa a inclus evaluarea solutiilor tehnice existente si alegerea solutiei optime atat din punct de vedere functional cat si din punctul de vedere al costurilor asociate. Au fost realizate trei studii in urma carora au fost elaborate rapoarte legate de constructia optomecanica a prototipului, alinierea si alegerea/testarea modulelor de achizitie:

R1. Raport asupra constructiei si asamblarii prototipului folosit la detectia CAT.

R2. Raport asupra alinierii prototipului folosit la detectia CAT.

R3. Raport asupra dezvoltarii modulelor de achizitie

In forma finala, telescopul folosit pentru colectarea radiatiei este echipat cu o lentila de 50 mm si un camp de vedere intre 1.5 mrad si 3 mrad. In prima configuratie detectia sistemului va include un modul cu doua telescoape.

 

Despre Prototip

Modul de detectie: Telescop - Configuratia curenta:

Configuratia curenta folosita pentru prototipul DETECT este bazata pe un design simplificat ce include o lentila acromatica principala (50mm Dia. x 150mm EFL, UV-VIS Coated, Near UV Achromatic Lens) si o lentila acromatica secundara (12.5mm Dia. x 30mm EFL, UV-VIS Coated, Near UV Achromatic Lens). Pentru corectarea unghiului de incidenta (in cazul aplicatiilor ce includ radiatie colectata din camp apropiat: 200-1500 m) a fost folosit un modul corector (Eye piece) alcatuit din doua lentile colectoare (LA4236-UV - f = 125.0 mm, Ø1" UV Fused Silica Plano-Convex Lens, AR Coating: 245-400 nm) si doua lentile colimatoare (LA4130-UV - f = 40.0 mm, Ø1/2" UV Fused Silica Plano-Convex Lens, AR Coating: 245-400 nm)

 

Configuratie finala telescop DETECT 2023

 

In noua configuratie, prototipul asamblat al proiectului DETECT are in componenta doua module de receptie (cu telescop de 1.5 mrad si respectiv 3 mrad) si un singur modul de emisie pozitionat simetric intre cele doua telescoape. Diferenta fata de varianta precedenta este data de tipul modulului de colectare a radiatiei – in configuratia curenta modulul fiind compus din doua telescoape pe baza de lentile de diametru 50 mm.

Distanta intre axele modulelor de receptie a fost redusa la 150 mm pentru a putea reduce cat mai mult altitudinea de overlap a prototipului. Axa de emisie este pozitionata la 75 mm fata de axele de receptie. Modulele de receptie sunt pozitionate pe o platforma rigida, putand fi aliniate independent fata de axa de emisie. Totodata, axa de emisie are posibilitatea alinierii independente.

Modul Emisie/Receptie prototip Detect 2023

Unitatea de separare a radiatiei: Cubul principal 2023

Modul de detectie Detect 2023

 

Raportare Finala. Rezultate. (Iunie 2024)

Obiectivul principal al proiectului este dezvoltarea unui sistem capabil să detecteze cu precizie turbulențele atmosferice. În cadrul acestei faze a proiectului, eforturile s-au concentrat pe:

A 3.1. Dezvoltarea modulelor software de achizitie si procesare in timp real: Crearea și implementarea unor module software capabile să capteze și să proceseze datele în timp real, asigurând o detecție rapidă și precisă a turbulentelor.

A 3.2 Teste pentru validarea operarii: Realizarea unor teste extinse pentru a valida funcționarea sistemului, asigurându-se că prototipul îndeplinește cerințele tehnice și operaționale.

A 3.3 Optimizarea in vederea transferului tehnologic: Optimizarea sistemului astfel încât acesta să fie pregătit pentru transferul tehnologic și implementarea la scară largă.

       a 3.3.1 Optimizarea in vederea transferului tehnologic. Participare si organizare workshop demonstrativ

       a 3.3.2 Participare workshop demonstrativ

În etapa a treia a proiectului „Dezvoltarea unui modul dual telescop pentru detectia turbulentelor in aer clar - DETECT”, s-au realizat progrese semnificative în direcția validării și optimizării sistemului LIDAR. Sistemul LIDAR a fost finalizat și au fost efectuate teste extinse la sol pentru validarea operării și a datelor colectate. În cadrul acestei etape, au fost organizate sesiuni de prezentare a sistemului pentru partenerii de la InoEsy, demonstrând funcționalitatea și eficiența acestuia. În luna iulie 2024, au fost invitați parteneri internaționali din Grecia (Raymetrics) și Germania (LMU-Munich) pentru a participa la prezentarea instrumentului și pentru a discuta posibile colaborări și activități ulterioare. De asemenea, a fost dezvoltat software-ul necesar pentru achiziția datelor și controlul elementelor fotosensibile (PMT), iar sistemul de analiză a datelor este în curs de optimizare, asigurând astfel performanțe superioare și precizie în detecția turbulentelor atmosferice.

 

Sistemul lidar Detect – prezentare generala

Sistemul lidar Detect

 

Sistemul laser Quantel folosit de catre instrumentul Detect

Telescoapele sistemului Detect

Analiza semnalelor corectate cu distanța pentru măsurătorile realizate pe timpul nopții și al zilei a relevat aspecte semnificative ale structurii atmosferice și comportamentului turbulent al aerului.

Rezultatele Măsurătorilor de Noapte

Rezultatele obținute în perioada de noapte au demonstrat un semnal util până la o altitudine de 13 km, începând de la 150 m. În această perioadă, atmosfera este mai stabilă și lipsită de interferențele radiației solare, ceea ce a permis detectarea unor detalii mai fine ale structurilor atmosferice. În intervalul de altitudine între 12 și 13 km, s-au observat formațiuni de nori cirrus, caracterizate prin semnale distincte datorită particulelor de gheață. La altitudinea de aproximativ 4 km, graficul semnalelor a evidențiat prezența unor structuri atmosferice complexe și o stratificare bine definită până la 1 km, sugerând existența unor variații semnificative în compoziția și densitatea aerosolilor atmosferici.

 

Masuratori de noapte cu sistemul lidar Detect.

Detectia Avansată a Turbulențelor prin Compararea Diferențială a Semnalelor

Un aspect esențial al proiectului a fost detectarea avansată a turbulentelor atmosferice prin compararea diferențială a celor două semnale LIDAR obținute în timpul măsurătorilor. Această metodă a permis o analiză detaliată a distribuției și intensității turbulentelor în funcție de condițiile diurne și nocturne.

Măsurătorile de noapte au relevat un tipar constant de turbulențe între 1 și 3.5 km, cu o atmosferă stabilă sub 1 km pe întreaga perioadă măsurată. Această stabilitate nocturnă sugerează o reducere a activității convective și o stratificare mai clară a aerului în absența încălzirii solare. Compararea diferențială a semnalelor a fost esențială pentru identificarea acestor tipare, evidențiind variațiile în intensitatea turbulentelor și modul în care acestea sunt influențate de ciclul zi-noapte.

Analiza fenomenelor turbulente pe timp de noiapte: stanga: semnal corectat cu distanta; dreapta: diferenta semnalelor corectate cu distanta pentru 1.5 si 3 mrad. 

Rezultatele obținute contribuie la validarea și optimizarea sistemului LIDAR Detect, demonstrându-i utilitatea în identificarea turbulentelor și a structurilor atmosferice complexe, aspecte esențiale pentru siguranța aeronautică și prognoza meteorologică avansată. Rezultatele obținute până în prezent demonstrează viabilitatea tehnologică a prototipului. Stabilitatea alinierii și performanțele modulelor software de achiziție și procesare în timp real sunt aspecte esențiale care au fost validate în prima și a doua etapă a proiectului.

Perspectiva Transferului Tehnologic

Accentul a fost pus pe optimizarea sistemului în vederea transferului tehnologic. Aceasta include dezvoltarea completă a software-ului, teste de validare și pregătirea pentru implementarea tehnologiei la scară largă. Organizarea și participarea la un workshop demonstrativ vor facilita transferul de know-how către sectorul privat, asigurând astfel adoptarea și utilizarea pe scară largă a soluțiilor dezvoltate.

Transfer tehnologic

În cadrul proiectului DETECT, vă invităm să explorați oportunitățile de transfer tehnologic. Instituțiile și companiile interesate pot accesa documentația tehnică dezvoltată și pot contacta direct coordonatorul nostru, Belegatnte Livio (belegantelivio@inoe.ro), pentru colaborări și dezvoltări ulterioare.

Deschidem noi orizonturi pentru aplicarea rezultatelor științifice în mediul industrial și comercial, facilitând transferul tehnologic prin soluții inovatoare și personalizate. Prin intermediul colaborărilor strategice, ne propunem să impulsionăm dezvoltarea de produse și servicii de înaltă performanță. Vă invităm să ne contactați pentru a explora cum tehnologiile DETECT pot aduce valoare adăugată proiectelor dumneavoastră.

Poze instrument si elemente constructive:

https://cloud.inoe.ro/s/7GiXwUuFA6ve4F1?path=%2F

Brevet telescop: acces controlat - va rog contactati belegantelivio@inoe.ro

https://cloud.inoe.ro/s/ltkXrdTACEKfTQA

Detalii constructive: CAD si design optic:

https://cloud.inoe.ro/s/mFGZbb67f9RceJQ

 

 

Concluzii si propuneri pentru continuarea studiilor

În concluzie, sistemul LIDAR Detect a demonstrat capacitatea de a identifica și analiza structuri atmosferice complexe și zone de turbulență, atât pe timp de zi, cât și de noapte. Rezultatele obținute în această etapă subliniază importanța continuării studiilor și optimizării instrumentului pentru a îmbunătăți performanța și aplicabilitatea sa.

Pentru următoarea fază a proiectului, propunem organizarea unei campanii extinse de intercomparare, incluzând sistemele LIDAR de la partenerii internaționali, precum Raymetrics din Germania. Această campanie va permite o evaluare comparativă detaliată a performanțelor instrumentului Detect în raport cu alte sisteme similare, contribuind la validarea și calibrarea acestuia.

Transferul know-how-ului către industrie este un alt obiectiv major, vizând colaborarea cu companii aeronautice și meteorologice pentru a integra tehnologiile dezvoltate în aplicații comerciale. Testarea instrumentului în condiții de exterior și realizarea de măsurători extinse vor furniza date suplimentare pentru optimizarea semnalului, în special pe timp de zi, prin creșterea energiei laserului și ajustarea poziției filtrelor interferențiale.

În vederea protejării și valorificării inovării tehnologice, se va elabora un brevet internațional pentru instrumentul Detect. Validarea instrumentului și a software-ului de analiză prin comparații cu sistemele LIDAR de vânt și Sodar va fi esențială pentru asigurarea acurateței și fiabilității datelor colectate, facilitând astfel extinderea aplicabilităților sistemului în diverse domenii.

Aceste propuneri vizează nu doar îmbunătățirea performanței instrumentului Detect, ci și crearea unui cadru solid pentru utilizarea acestuia în aplicații reale, contribuind la avansarea cunoașterii și tehnologiei în domeniul detecției turbulentelor atmosferice.