از میان روش های مختلف پیش بینی وضع هوا بر پایه هواپیما، تکنولوژی طیف سنجی جذبی لیزر دیود کوک پذیر (TDLAS[1])، سهم بسزایی در پیشرفت سنجش جو دارد. در تکنولوژی TDLAS برای جمع آوری اطلاعات از هواپیمای تجاری استفاده می شود. با استفاده از فن آوری TDLAS در سیستم سنجش بخار آب (WVSS-II[2])، داده های مربوط به بخار آب موجود در جو با هماهنگی سازمان جهانی هواشناسی (WMO[3]) برای برنامه بین المللی مشاهدات بر پایه هواپیما (ABOP[4]) فراهم می شود [۱ و ۲].
از آنجایی که در حمل و نقل هوایی تغییرات چشمگیر در شرایط عملیاتی رایج است، بنابراین استفاده از فن آوری TDLAS در این محیط چالش برانگیز است. این چالش ها باید به درستی مدیریت شوند تا داده ها کیفیت لازم را برای کاربردهای هواشناسی و پایداری طولانی مدت به منظور استفاده در برنامه های هوانوردی داشته باشند.
بررسی اجمالی TDLAS
در فاز اجرایی TDLAS از لیزری با طول موج متناظر با خط جذبی گاز مورد نظر استفاده می شود. با عبور لیزر از میان گاز، توان خروجی آن حاوی اطلاعاتی درباره چگالی گاز است. طبق قانون بیر-لامبرت[۵]، میزان جذب مرتبط با چگالی گاز است.
با این حال طیف سنجی با اندازه گیری مستقیم، به شدت تحت تأثیر نویزهایی است که اغلب در سیستم های عملیاتی وجود دارد. یکی از راهکارها برای حل این مشکل، استفاده TDLAS از طیف سنجی مدولاسیون طول موج (WMS[6]) با تشخیص هارمونیک دوم است. این روش نویزهای با فرکانس پایین را از بین می برد و بنابراین نسبت سیگنال به نویز را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد.
در این روش زمانی که لیزر بر روی خط یا خطوط جذبی تنظیم شده است، جریان اعمالی لیزر مدوله می شود. از دستگاه Lock-in amplifier برای آشکارسازی مؤلفه هارمونیک سیگنال در فرکانس دو برابر فرکانس مدولاسیون استفاده می شود (شکل ۱). خروجی مرحله پردازش سیگنال ۲f به طور مستقیم با غلظت گاز متناسب است. روش اندازه گیری جذب نسبی، نسبت به نویزهای پس زمینه حساس نیست و می تواند تا حد بیشتری نسبت به سیگنال جذب مستقیم تقویت شود و در نتیجه حساسیت بسیار بیشتری دارد. از خطی بودن سیگنال ۲f نسبت به غلظت گاز در یک محدوده مشخص، برای آشکارسازی گاز در کاربردهای مختلف استفاده می شود.
[۱] Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy
[۲] Water Vapor Sensing System II
[۳] World Meteorological Organization
[۴] Aircraft Based Observations Program
[۵] Beer-Lambert’s Law
[۶] Wavelength Modulation Spectroscopy
شکل ۱- ارتفاع پیک تا دره سیگنال ۲f، سبب بهبود پایداری و حساسیت می شود.
از آنجا که ممکن است شدت سیگنال به دلایل دیگری به جز غلظت گاز تغییر کند، از نسبت سیگنال ۲f به سیگنال DC که ثابت است، استفاده می شود. با این رویکرد حساسیت سیستم نسبت به متغیرهای غیرقابل کنترل در شرایط کاری سخت، کم شده و تأثیرات ناشی از عوامل دیگر به حداقل می رسد.
اصول ۲f TDLAS با استفاده از سنسورهای اندازه گیری با ثبات و با کیفیت بالا که سنگ بنای بسیاری از کاربردها به ویژه سنجش جو در هوانوردی تجاری هستند، چندین دهه است که به خوبی مستند سازی شده است [۳-۵].
چالش های هوانوردی تجاری در فن آوری TDLAS
اندازه گیری بخار آب برای ABOP، نیازمند عمل کردن در شرایطی است که هواپیماهای تجاری به طور معمول تجربه می کنند. در یک پرواز معمولی حین صعود تقریباً ۲۰ دقیقه ای، تغییرات شرایط جوی سبب می شود که غلظت بخار آب از بیشتر از ppmv 40000 در سطح زمین، به کمتر از ppmv 50 در ارتفاع سطح پرواز برسد. سنسور حین صعود، تغییر در فشار هوا از بیشتر از ۱۰۰۰ میلی بار تا کمتر از ۲۰۰ میلی بار و تغییر در دمای هوا از تقریباً °C 20+ تا °C56- را تجربه می کند. قبل از آنکه هواپیما به سرعت در جو فرود بیاید تا دوباره به شرایط سطح در مقصد برسد، سنسور یک یا چند ساعت را در دما و فشار بسیار پایین در ارتفاعات زیاد (غلظت بخار آب کم) سپری می کند.
این تغییرات بسیار سریع در فشار، دما و همچنین غلظت بخار آب، معمولاً روزانه در پنج یا تعداد بیشتری پرواز تجربه می شود. به دلیل وابستگی ۲f TDLAS به فشار و دما، محیط حمل و نقل هوایی به محیطی پر چالش تبدیل شده است. با این حال باید بتوان اندازه گیری های جوی با کیفیت بالا را در طیف گسترده ای از شرایط انجام داد.
از طرف دیگر این تکنولوژی هوایی باید کاملاً خودکار و بدون خدمه عمل کند. از دیگر مشخصات مورد نیاز برای مورد قبول بودن یک تکنولوژی در هوانوردی می توان به اندازه کوچک، وزن کم، کم مصرف بودن، کشش آئرودینامیکی کم، ریسک یخ زدگی پایین، محافظت در برابر لرزش زیاد و صاعقه های مستقیم و استفاده از پروتکل های استاندارد هوانوردی برای جمع آوری داده ها اشاره کرد.
سنسور باید در برابر دود، سوخت ها، روغن ها، مواد شوینده، ضدیخ ها و سایر آلاینده هایی که معمولاً در هوانوردی استفاده می شوند، مقاوم باشد و در شرایط نگهداری بسیار ضعیف، عملکردی با قابلیت اطمینان بالا را حفظ کند. همچنین سنسور نباید برای کالیبراسیون یا هر دلیل دیگر به طور مداوم نیاز به سرویس داشته باشد (تقریباً هر دو سال یکبار و ترجیحاً کمتر). طراحی، تولید و نصب نیز باید برای استفاده در هوانوردی تجاری و برای هر نوع هواپیمایی که قرار است این دستگاه در آن نصب شود و توسط هر مرجع هواپیمایی کشوری یا منطقه ای که در آن کار خواهد کرد، تأیید شود. در واقع، محدودیت های عملیاتی برنامه های هوانوردی، سختی های قابل توجهی را برای TDLAS ایجاد می کند که باید در فرآیند تولید مورد توجه قرار گیرد.
برای دستیابی به عملکرد و پایداری لازم در شرایط دشوار هوانوردی، WVSS-II از یک لیزر با طول موج ۱٫۳۷ میکرومتر متناظر با خط جذب بخار آب، طول مسیر اپتیکی ۲۲٫۷ سانتی متر و سرعت اسکن ۴ هرتز استفاده می کند. اجرای مدیریت حرارتی و پردازش تطبیقی در طراحی سنسور، تحت آزمایش و تأیید صلاحیت حمل و نقل هوایی قرار گرفته است تا اطمینان حاصل شود که در شرایط به سرعت در حال تغییر هواپیماهای جت تجاری، سنسور عملکرد خود را حفظ می کند و اندازه گیری های مورد نیاز هواشناسی را در محدوده بیش از ppmv 40000 تا کمتر از ppmv 50 ثبت می کند.
نمونه گیری به وسیله یک فناوری انحصاری بدون کشش آئرودینامیکی، ریسک یخ زدگی و سایر آثار منفی انجام می شود [۶]. در حال حاضر، WVSS-II برای استفاده در هوانوردی تجاری در هفت نوع هواپیما تأیید شده است و به طور معمول بازه زمانی بین انواع سرویس ها هشت سال و یا بیشتر است.
در ارزیابی عملیاتی WVSS-II و مقایسه آن با تکنیک های هواشناسی موجود، با توجه به اینکه WVSS-II ویژگی هایی نظیر اندازه، وزن، مصرف و نیاز به رسیدگی کم دارد و برای مقیاس بزرگی در ناوگان هواپیماهای تجاری مناسب است، تشخیص بخار آب موجود در جو را در سطح پرواز معمولی امکانپذیر می سازد [۷].
مشارکت های جهانی هواشناسی
بیشتر خدمات ملی هواشناسی و هیدرولوژیکی (NMHS[1]) که کشورهای عضو WMO یا انجمن های منطقه ای NMHS ارائه می دهند، بر مبنای شبکه های ABOP است. این شبکه ها دما و فشار هوا، سرعت و جهت باد را به روش های سنتی و با استفاده از ابزارهای استاندارد هواپیمایی اندازه گیری می کنند. داده های ترکیبی تقریباً در همان زمان از طریق پروتکل های استاندارد داده های هوانوردی برای استفاده در کاربردهای هواشناسی به زمین منتقل می شوند.
با گزارش بیش از ۵۰۰۰ هواپیما به شبکه جهانی ABOP، داده های زیادی برای عملیات هواشناسی در دسترس خواهد بود. با این حال، داده ای درباره بخار آب موجود در جو که جزء مهمی در ترمودینامیک جو است، وجود ندارد. با افزودن سنسور WVSS-II به هواپیما، می توان اطلاعات مربوط به بخار آب را نیز به اندازه گیری ها اضافه کرد تا پروفایل کاملی از جو برای کاربردهای هوانوردی ایجاد شود. داده های حاصل قابل مقایسه با اطلاعات ارائه شده به وسیله سنسورهای مصرفی معمولی است که توسط بالن های هواشناسی جمع آوری می شوند. با توجه به عملکرد طولانی مدت و هزینه کم تکرار عملیات، ABOP با استفاده از فن آوری WVSS-II، سنجش بخار آب موجود در جو را ارائه می دهد و سبب بهبود پیش بینی وضعیت آب و هوا منطقه ای و جهانی می شود.
در حال حاضر، ۱۳۹ هواپیمای شبکه عملیاتی هوانوردی آمریکا، با همکاری مرکز خدمات ملی هواشناسی (NWS[2]) U.S. NOAA و Rockwell Collins برای اندازه گیری بخار آب مجهز به WVSS-II شده اند.
برای هواپیماهای مجهز به WVSS-II در شبکه ABOP، داده ها تقریباً در همان زمان، جمع آوری و در سیستم های پایگاه داده هواشناسی ذخیره می شوند. در طول یک دوره ۲۴ ساعته، نتایج بیش از ۶۰۰۰۰ مشاهده جوی مربوط به ایالت متحده وجود دارد ( شکل ۲). هر نقطه ترسیم شده در شکل ۲، یک نمونه اندازه گیری جوی منحصر به فرد است که رنگ آن نشان دهنده ارتفاع محل اندازه گیری است. در اروپا، خطوط هوایی لوفت هانزا با همکاری سرویس هواشناسی آلمان Deutscher Wetterdienst (DWD)، کنسرسیوم E-AMDAR و Lufthansa Technik، با ۹ هواپیمای مجهز به WVSS-II و با برنامه هایی برای گسترش بیشتر در حال فعالیت هستند.
[۱] National Meteorological and Hydrological Services
[۲] National Weather Service
شکل ۲- هواپیمای مجهز به WVSS-II در یک دوره ۲۴ ساعته، میزان اندازه گیری های بخار آب موجود در جو را به طور چشمگیری افزایش داده اند که می تواند سبب بهبود پیش بینی وضع هوا شود. مقیاس رنگی در سمت راست تصویر، نشان دهنده ارتفاع است.
این برنامه ها حاصل همکاری بین WMO و آژانس های NMHS، خطوط هوایی و ارائه دهندگان خدمات مانند راکول کالینز (Rockwell Collins) است. نمونه ای از چنین مشارکت هایی را می توان با فیلم WVSS-II که به وسیله خطوط هوایی Southwest تولید شده، مشاهده کرد. در این فیلم، نصب معمولی سنسور نشان داده شده و درباره مزایای سنسور بخار آب بحث شده است (شکل ۳) [۸].
شکل ۳- یک B737-700 مجهز شده به WVSS-II که از ۲f TDLAS برای اندازه گیری های پیوسته بخار آب جو و کاربردهای هواشناسی استفاده می کند.
گسترش جهانی اندازه گیری بخار آب ABOP، بخشی از توافق جدید بین WMO و انجمن بین المللی هوانوردی (IATA[1]) است. استفاده از فن آوری های TDLAS به کمک WVSS-II، سبب بهبود پیش بینی وضع هوا شده و نشان دهنده چگونگی تأثیر فن آوری پیشرفته لیزر بر بهبود زندگی روزمره است.
REFERENCES
- See https://goo.gl/xeuxGp.
- See www.wmo.int.
- J. Reid and D. Labrie, Appl. Phys. B, 26, 203–۲۱۰ (۱۹۸۱); https://goo.gl/g7EFot.
- X. Liu, X. Zhou, and G. Sanger, “Wavelength-modulation absorption spectroscopy based trace moisture analyzer for natural gases,” The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 52nd Analysis Division Symposium, 97 (Apr. 2007).
- X. Liu et al., Appl. Phys. B, 82, 469 (2006).
- Through license agreement with the University Corporation for Atmospheric Research Foundation.
- R. A. Petersen et al., “On the Impact and Future Benefits of AMDAR Observations in Operational Forecasting: Part II: Water Vapor Observations,” Bulletin of the American Meteorological Society, 2117 (Nov. 2016).
- See https://youtu.be/8alU5PMMXmo.
[۱] International Air Transport Association