Cod proiect: PN-III-P1-1.1-TE-2021-0714

Nr contractului: TE 103

Perioada contractului: 15/05/2022- 14/05/2024

Bugetul proiectului: 450.000,00 RON

Titlul proiectului: Dezvoltarea capacitatilor de calibrare lidar la Centrul ACTRIS pentru Teledetectia Aerosolilor LiCARS

Director de proiect: Dr. Fiz. Livio Belegante

Scurta descriere

Infrastructura de cercetare a aerosolilor, norilor si gazelor minore (ACTRIS) este o infrastructura pan-europeana distribuita, avand misiunea de a oferi informatii privind constituentii atmosferici cu timp de viata scurt, care au impact direct asupra climatului si calitatii aerului. Misiunea specifica a Unitatii Lidar din ACTRIS (la INOE) este de a oferi suport Facilitatilor Nationale care folosesc sisteme lidar de mare putere. Scopul proiectului este de a implementa capacitatile necesare si serviciile Unitatii Lidar prin: a) elaborarea Procedurilor Standard de Operare pentru sistemele lidar de mare putere, ca baza a programului de asigurare/control al calitatii datelor; b) stabilirea procedurilor standard pentru compararea directă cu instrumentele de referință in vederea evaluarii performanțelor generale; c) elaborarea procedurilor de laborator și a ansamblurilor experimentale pentru cuantificarea surselor majore de incertitudine; d) dezvoltarea de instrumente software pentru a facilita controlul calității măsurătorilor.
Echipa LiCARS  va prelua responsabilitatile pe termen lung ale Unitatii Lidar. Contributia liderului de proiect la contractele dificile din punct de vedere tehnic derulate in H2020 și cu ESA a fost recunoscuta de comunitatea ACTRIS, care l-a numit director al Unitatii Lidar.

Obiectivul proiectului
Obiectivul proiectului LiCARS consta in implementarea unor noi metode experimentale si dezvoltarea de noi module de detectie pentru cercetari atmosferice si studii operationale orientate pe schimbari climatice

 

Rezultatele estimate

R1. Tehnici și proceduri pentru caracterizarea modulelor și subcomponentelor instrumentelor lidar de mare putere.
R2. Canale experimentale pentru a extinde capacitățile de zi ale instrumentelor lidar de mare putere.
R3. Tehnici și proceduri de calibrare pentru determinarea incertitudinilor sistematice pentru instrumentele lidar de mare putere.
R4. Brevete elaborate ce au la baza noi tehnici de detecție pentru canale de rezoluție spectrală înaltă și pentru evaluarea surselor de incertitudine in detectarea lidar.
R5. Diseminare (pe site-ul proiectului, in reviste științifice de specialitate, pe platforme online precum Twitter)

Raportare Decembrie 2022

Rezumat: Aceasta etapa contribuie la realizare obiectivelor specifice: » dezvoltarea modulelor experimentale pentru caracterizarea lantului optic si electroinc pentru determinarea principalelor surse de incertitudine in detectia lidar; » dezvoltarea de tehnici si unelte pentru analiza testelor de asigurarea calitatii in vederea estimarii incertitudinilor asociate semnalelor lidar pentru intregul domeniu de detectie si  » dezvoltarea unor tehnologii mature de monitorizare a atmosferei cum ar fi tehnologiile de inalta rezolutie spectrala si tehnicile de detectie Raman. Prima etapa a proiectului aduce contributii la atingerea rezultatelor R1. Tehnici și proceduri pentru caracterizarea modulelor și subcomponentelor instrumentelor lidar de mare putere. R2. Canale experimentale pentru a extinde capacitățile de zi ale instrumentelor lidar de mare putere. R3. Tehnici și proceduri de calibrare pentru determinarea incertitudinilor sistematice pentru instrumentele lidar de mare putere.

In cadrul etapei a fost implementat si optimizat un canal de inalta rezolutie spectrala si au fost testate canalele Raman Rotational pentru obtinerea profilelor de extinctie pe timp de zi. A fost observata o dependenta puternica intre calitatea produselor optice si corectia de trigger pentru semnalele Raman analizate.  Au fost dezvoltate mai multe metode experimentale pentru caracterizarea radiatiei laser si a lantului optic in sistemul lidar: » Metoda experimentala pentru determinarea planului de polarizare al radiatiei emise de catre radiatia laser raportat la planul de polarizare al blocului de receptie; » Metoda pentru determinarea puritatii de polarizare a luminii laser emisa; » Metoda pentru determinarea sincronizarii canalelor de emisie raportat la modulul de detectie; si au fost analizate rezultatele obtinute prin implementarea diferitelor metode. Aceasta etapa a cuprins activitatiile desfasurate in timpul campaniei de intercomparare lidar desfasurata la Bucuresti in perioada 1-30 Septembrie 2022 si a vizat dezvoltarea procedurilor folosite in cadrul activitatiilor de intercomparare cu sisteme lidar de referinta din CARS.

In cadrul acestei etape a proiectului au fost desfasurate toate activitatile propuse (Activitatea 1.1-1.5) pentru atingerea rezultatelor estimate: R1. Dezvoltarea de tehnici și proceduri pentru caracterizarea modulelor și subcomponentelor instrumentelor lidar de mare putere; R2: Integrarea unor canale experimentale pentru a extinde capacitățile de zi ale instrumentelor lidar de mare putere si R3. Dezvoltarea si elaborarea unor tehnici și proceduri de calibrare pentru determinarea incertitudinilor sistematice pentru instrumentele lidar de mare putere.

 

Raportare Decembrie 2023

In cadrul etapei au fost dezvoltate si testate unelte software pentru controlul instrumentelor si facilitarea transferului automat de date pentru date de QA (Quality Assurance) si seturi de masuratori in cazul a doua sisteme lidar: Sistemul lidar Alpha (Raman multicanal de zi cu depolarizare si HSRL), RALI (Raman multicanal cu depolarizare). Totodata au fost vizate activitatiile de testarea tehnicilor de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala (HSRL – High Spectral Resolution Lidar) si testarea tehnicilor de detectie Raman pe timp de zi. Au fost elaborate si testate metode pentru testarea si optimizarea metodelor experimentale pentru caracterizarea radiatiei laser pentru sistemul lidar si totodata au fost dezvoltate unelte software pentru controlul instrumentelor.

S-a inceput lucrul la elaborarea a doua brevete: a) include tehnici de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala; b) ce include metode experimentale pentru determinarea surselor de incertitudine in detectia lidar.

In cadrul acestei etape a proiectului au fost desfasurate toate activitatile propuse (Activitatea 2.1-2.7) pentru atingerea rezultatelor estimate:

Rapoarte de testare

R1. Testarea tehnicilor de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala;

R2. Testarea tehnicilor de detectie Raman pe timp de zi;

Raport testare a sistemelor lidar Alpha si RALI in urma dezvoltarilor efectuate in cadrul etapei – Anexa 2 si 3 – Teste realizate in cadrul Facilitatii Nationale RADO-Bucuresti ACTRIS.

Unelte software pentru controlul instrumentelor si facilitarea transferului automat de date

R6. Dezvoltarea de unelte software pentru controlul instrumentelor;

R7. Dezvoltarea de unelte software pentru pentru facilitarea transferului automat de date;

Activitati conexe

R3. Lucru la elaborarea unui brevet ce include tehnici de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala;

R4. Testarea si optimizarea metodelor experimentale pentru caracterizarea radiatiei laser si a lantului optic in sistemul lidar;

R5. Lucru la elaborarea unui brevet ce include metode experimentale pentru determinarea surselor de incertitudine in detectia lidar;

 

 

Acesta etapa a proiectului a avut drept obiectiv „Optimizarea si testarea noilor tehnici implementate pentru validarea functionalitatii noilor module”. In cadrul etapei au fost desfasurate toate activitatile propuse pentru atingerea rezultatelor estimate. Prin lucrarile efectuate in cadrul acestei etape s-a atins stadiul planificat de realizare a proiectului, ceea ce va permite in continuare atingerea obiectivelor specifice acestuia, conform planului de realizare propus:

Rapoarte de testare

R1. Testarea tehnicilor de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala;

Activitatea 2.1: Testarea tehnicilor de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala.    

Anexa 2 si 3: Raport testare a sistemelor lidar Alpha si RALI in urma dezvoltarilor efectuate in cadrul etapei

R2. Testarea tehnicilor de detectie Raman pe timp de zi

Activitatea 2.2: Testarea tehnicilor de detectie Raman pe timp de zi      

Anexa 2 si 3: Raport testare a sistemelor lidar Alpha si RALI in urma dezvoltarilor efectuate in cadrul etapei

Unelte software pentru controlul instrumentelor si facilitarea transferului automat de date

R6. Dezvoltare de unelte software pentru controlul instrumentelor;

Activitatea 2.6: Dezvoltare de unelte software pentru controlul instrumentelor 

link1 si link2

R7: Dezvoltarea de unelte software pentru pentru facilitarea transferului automat de date;

Activitatea 2.7: Dezvoltarea de unelte software pentru pentru facilitarea transferului automat de date

Atmospheric lidar : https://bitbucket.org/iannis_b/atmospheric-lidar/src/default/

SCC-Access : https://bitbucket.org/iannis_b/scc-access/src/default/

Lidar archive : https://bitbucket.org/ihlades/lidarchive/src/default/

SCC-transfer : https://bitbucket.org/ihlades/obiwan/src/default/

Activitati conexe

R3. Lucru la elaborarea unui brevet ce include tehnici de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala;

Activitatea 2.3 si 2.5: Lucru la elaborarea unui brevet ce include tehnici de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala si lucru la elaborarea unui brevet ce include metode experimentale pentru determinarea surselor de incertitudine in detectia lidar           

R4. Testarea si optimizarea metodelor experimentale pentru caracterizarea radiatiei laser si a lantului optic in sistemul lidar;

Activitatea 2.4: Testarea si optimizarea metodelor experimentale pentru caracterizarea radiatiei laser si a lantului optic in sistemul lidar   

R5. Lucru la elaborarea unui brevet ce include metode experimentale pentru determinarea surselor de incertitudine in detectia lidar;

Activitatea 2.3 si 2.5: Lucru la elaborarea unui brevet ce include tehnici de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala si lucru la elaborarea unui brevet ce include metode experimentale pentru determinarea surselor de incertitudine in detectia lidar

 

Raportare Finala 2024

Studiile realizate în cadrul acestei etepe (finala) implică contributii la atingerea R1. Tehnici și proceduri pentru caracterizarea modulelor și subcomponentelor instrumentelor lidar de mare putere. R3. Tehnici și proceduri de calibrare pentru determinarea incertitudinilor sistematice pentru instrumentele lidar de mare putere si R4. Brevete elaborate ce au la baza noi tehnici de detecție pentru canale de rezoluție spectrală înaltă și pentru evaluarea surselor de incertitudine in detectarea lidar.

In cadrul etapei au fost realizate activitatiile: A3.1 Lucru la elaborarea unui brevet ce include tehnici de detectie pe canalul de inalta rezolutie spectrala. A3.2 Lucru la elaborarea unui brevet ce include metode experimentale pentru determinarea surselor de incertitudine in detectia lidar. A3.3 Activitati de diseminare.

Această etapă a proiectului a fost dedicată elaborării brevetelor și desfășurării activităților de diseminare. Toate acțiunile propuse pentru atingerea rezultatelor estimate au fost implementate în cadrul acestei etape. Prin eforturile depuse în acest sens, s-au realizat toate activitățile planificate în proiectul LiCARS conform calendarului de realizare. După încheierea proiectului, atât activitățile de dezvoltare cât și cele legate de promovarea proiectului vor continua. Printre activitățile viitoare (prevăzute să continue după finalizarea proiectului) enumerăm următoarele:

  1. Depunerea celor două brevete.
  2. Furnizarea brevetelor către agenții economici.
  3. Publicarea brevetelor acordate pe site-ul dedicat proiectului și pe site-ul departamentului.
  4. Realizarea unei lucrări științifice care să includă rezultatele proiectului.
  5. Prezentarea rezultatelor la următoarea conferință ELC (European Lidar Conference).
  6. Desfășurarea de discuții și sesiuni de lucru cu partenerii economici (Raymetrics din Grecia și Licel din Germania) pentru continuarea activităților de optimizare și îmbunătățire a performanțelor sistemului LiDAR (intercomparare cu sistemul LiDAR de referință RALI și cu sistemul LiDAR UV Raymetrics – iunie-iulie 2024)      .

 

 

Detalii despre proiect:

Canale HSRL:

Pentru colectarea profilelor lidar HSRL a fost folosita o unitate pentru separarea radiatiei (WSU – Wavelength Separation Unit) compusa dintr-un cub reflector (in care a fost instalata o oglinda R100 @532nm), un cub separator (50:50), o celula de iod, un sistem de corectie a radiatiei (Eye-piece) si doua elemente fotosensibile (foto-multiplicatori). Ansamblul folosit este proiectat pentru aplicatii in regim numarare de fotoni.

Unitatea de receptie HSRL

 

Celula de iod pentru canalul molecular

Masuratori HSRL de referinta pe timp de zi. Sus: canalul 532 nm elastic; Jos: canalul 532 nm molecular

 

Canale Raman pe timp de zi:

Pachet software analiza date lidar RR – interfata de vizualizare a seriei temporale lidar si interfata pentru determinarea profilelor de extinctie pe timp de zi

 

Unelte software pentru controlul instrumentelor:

Uneltele software pentru controlul instrumentelor au avut in vedere controlul modulelor laser pentru doua sisteme lidar (RALI si Alpha). Acest software este capabil sa monitorizeze atat temperatura agentului de racire cat si temperatura cristalului generator de armonici. Pentru sistemele laser instalate pe sistemul Alpha lidar, modulul software este capabil sa monitorizeze codurile de operare si eroare ale sistemelor laser, iar in cazul in care modulele raporteaza coduri de eroare, interfata este capabila sa reseteze si sa reporneasca emisia laser. Totodata, interfata va inregistra codul de eroare si momentul de time pentru analiza ulterioara. Pachetul software poate fi descarcat folosind link1 si link2. 

Interfata si codul LabView pentru software de control module laser CFR – Lumibird

 

Rezumat Brevete Licars 2024:

1. Modul pentru determinarea sincronizarii canalelor de emisie raportat la modulul de detectie

Brevetul propune un modul compact pentru determinarea sincronizării canalelor de emisie în sistemele LiDAR (Light Detection and Ranging), care sunt esențiale pentru monitorizarea atmosferică contemporană. Sincronizarea precisă între emisia laser și recepția semnalului reflectat este crucială pentru obținerea datelor precise și fiabile. Problema tehnică rezidă în sincronizarea între emisia laser și sistemul de achiziție, având un impact semnificativ asupra incertitudinii datelor. Brevetul propune o soluție constând într-un modul compact ce poate fi montat pe blocul de emisie/recepție al sistemului LiDAR, folosind o fibră optică cu lungime cunoscută pentru determinarea sincronizării. Avantajele includ ușurința de instalare și utilizare, fără a afecta alinierea optică a sistemului. Modulul este construit din materiale ușoare și conceput pentru a limita radiația nedorită. Revendicările brevetului includ soluția compactă, construită din carton rigidizat de culoare negru mat, ce nu influențează alinierea optică, și permit instalarea unei lentile colectoare pentru o colectare îmbunătățită a semnalului.

2. Tecnica de stabilizare a emisiei laser pentru detectia lidar pe canalul de inalta rezolutie spectrala

Inventia se refera la sistemele lidar de inalta rezolutie spectrala ce folosesc un filtru optic specializat pentru a distinge intre semnalul provenit de la imprastierea moleculara si cel provenit de la imprastierea pe aerosoli. Monitorizarea si fixarea emisiei sistemului laser este obiectul inventiei si este realizata prin ajustarea termica a incintei optice sau prin modificarea cavitatii sistemului. Ajustarea termica este posibila deoarece latimea relativ mare a benzii 1109 (1GHz) permite ajustari de ordinul a catorva secunde (rezultat obtinut empiric). Metoda este inovativa prin simplitatea, usurinta implementarii si costurile reduse. Elementul de noutate este dat de folosirea unui AOM pentru generarea a unei frecvente suplimentare (+1) apropiata frecventei initiale (dar si separata spatial) ce va intra in linia de transmisie a celulei de iod. Prin monitorizarea intensitatii celor doua frecvente (cea initiala generata de catre laser (0) si cea generata de catre AOM (+1)), se poate estima si corecta variatia lungimii de unda a emisiei laser.  

Concluzii si activitati ulterioare 2024-2025:

Prin activitățile desfășurate în cadrul proiectului Licars, grupul INOE a reușit să dezvolte singurul sistem lidar de înaltă rezoluție spectrala (HSRL) din sud-estul Europei. Acest tip de sistem este dezvoltat doar în cadrul grupurilor de cercetare avansata cum ar fi DLR-Munich, MPI-M Hamburg și grupul lui ED Eloranta din SUA. Tehnica folosirii unui Modulator Acusto-Optic (AOM) pentru controlul stabilității emisiei laser a fost dezvoltată împreună cu partenerii din Grecia și implementată pentru prima dată la INOE. Proiectul Licars a contribuit la un avans tehnologic spectaculos, ce se va materializa prin depunerea a două brevete pe aceasta tema (primul național, iar al doilea internațional) care vor pune în valoare realizările proiectului. Primele rezultate vor fi publicate după obținerea brevetului național și vor avea rolul de a promova metodele dezvoltate în Licars.