Detecting clear-air turbulence via beam broadening in a Rayleigh-scattering lidar system
本文提出并验证了一种新型瑞利散射激光雷达系统，该系统利用束流展宽测量技术来探测超过30公里的中度晴空湍流，从而显著改进了以往的方法，使商业飞机能够在遭遇湍流前确保客舱安全。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，天空是一片巨大的、无形的海洋。大多数时候，在我们的眼中，它看起来完美地平滑且平静，但在那片晴朗的蓝色广袤之中，隐藏着看不见的波浪和洋流，它们会突然颠簸飞机，导致咖啡洒出并让乘客感到惊恐。这被称为“晴空湍流”（CAT）。与可以通过雷达看到并避开的雷暴云不同，晴空湍流是一个幽灵；由于没有雨滴或尘埃颗粒来将无线电波反射回来，它在标准飞机雷达上不留任何痕迹。几十年来，预知即将遭遇颠簸的唯一方法是等待前方的飞机报告情况，这使得其他所有飞行中的人都如同在危险区内盲飞。
为了捕捉这些隐形的幽灵，科学家们正转向一种叫做“激光雷达”（Lidar）的工具，它就像一个使用激光束而非无线电波的高科技手电筒。虽然雷达可以从雨水等大型物体上反弹，但激光雷达可以从那些微小的、肉眼看不见的空气分子本身进行反弹。然而，以往尝试利用激光雷达寻找这些隐形颠簸的方法，就像是在嘈杂的房间里试图听清一声耳语；它们只能探测到非常近距离内的湍流，通常在15公里以内。这个距离还不足以让飞行员有足够的时间警告乘客并系好安全带，以应对即将到来的颠簸。科学家们提出的重大问题是：我们能否制造出一种足够灵敏的激光雷达系统，能够从远处“看见”这些隐形的空气流动，特别是通过观察激光束本身在穿过湍流时是如何发生畸变的？
本论文提出了一种巧妙的新方法来回答这个问题。作者们建议，与其试图直接测量难以探测的微小空气密度变化，不如观察激光束在穿过湍流时是如何“扩散”或变得模糊的，就像手电筒光束穿过雾气时看起来变得模糊一样。他们将此称为“光束展宽”。通过使用一种特殊的探测器，将返回的光分成内圈和外环，该系统可以精确测量光束增宽了多少。如果外环接收到的光比内圈多得多，就意味着光束受到了湍流的剧烈摇晃。
作者进行了详细的计算机模拟，以观察这种方法是否能应用于足够小且轻便、足以安装在商用飞机上的系统。他们的结果表明，在合理的假设下，这种方法可以探测到30多公里外的中度湍流。这个距离换算成典型巡航速度下的飞行时间大约为两分钟，这将是一个游戏规则的改变者，因为它能给机组人员足够的时间在湍流袭来之前确保舱内安全。为了证明他们的数学推导是可靠的，团队还搭建了一个小规模的实验室实验。他们在实验室的空气中发射激光脉冲并测量返回了多少光，发现其实际测量结果与他们的理论预测几乎完全吻合。虽然目前30公里的探测范围是基于模拟而非完整的飞行测试，但成功的实验室实验为他们的光学模型提供了强有力的证据。这种方法与旧方法不同，因为它不依赖于尘埃或水滴（气溶胶）来工作，因此即使在飞机飞行的洁净高空也同样有效。论文总结道，这种“光束展宽”技术是为飞机提供一双看透隐形天空的“X射线之眼”的一条充满前景且可行的路径。
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