Revista >> Noiembrie 2019 [Nr. 219] >> Top Story

INOE 2000, la manșa unui proiect de referință al ESA: MULTIPLY – cel mai evoluat sistem lidar de înaltă rezoluție spectrală pentru cercetarea atmosferei

Dr. fiz. Doina Nicolae - Coordonator departament Teledetectie, INOE 2000

21 Noiembrie 2019

În contextul strategic al lansării și pregătirii celor mai importante misiuni satelitare de cercetare a atomsferei, precum ADM-Aeolus, EarthCARE și Sentinels, dezvoltarea unui sistem lidar de înaltă rezoluție spectrală aeropurtat, dedicat studiului aerosolilor și norilor, a devenit o prioritate pentru Agenția Spațială Europeană (ESA). Lidarul este un instrument care utilizează radiaţia laser pentru a sonda atmosfera şi a extrage informaţii despre constituenţii acesteia, iar șansa și responsabilitatea coordonării proiectului european de referință MULTIPLY, care are ca scop crearea celui mai evoluat sistem de înaltă rezoluție spectrală pentru cercetarea atmosferei – ce va putea fi amplasat, în premieră, pe avioane și sateliți - aparține unui institut românesc: Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică - INOE 2000. MULTIPLY este un proiect de succes nu doar prin uriaşa vizibilitate pe care o aduce țării noastre şi echipelor româneşti implicate, dar şi datorită parteneriatului de prestigiu şi al viitoarelor oportunităţi pe care le deschide pentru cercetarea internațională de excelenţă.

Sistemele lidar de înaltă rezoluție spectrală și saltul tehnologic adus
Ca parte a programului de calibrare și validare a misiunilor satelitare de cercetare a atmosferei, în octombrie 2014 Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică - INOE 2000 a semnat cu Agenţia Spaţială Europeană (ESA) cel mai mare contract românesc de până atunci, în valoare de 2,8 milioane de euro. Contractul prevede dezvoltarea unui sistem lidar de înaltă rezoluție spectrală aeropurtat, care să măsoare proprietăţile fizice şi optice ale particulelor aflate în suspensie în troposferă, precum şi ale norilor.
Lidarul, denumit printr-un termen creat prin alăturarea cuvintelor „light“ („lumină“) și „radar“, este un instrument care utilizează radiaţia laser pentru a sonda atmosfera şi a extrage informaţii despre constituenţii acesteia. Aceste sisteme operează în general de la sol, dar progresele recente ale tehnologiei au permis agenţiilor spaţiale ESA şi NASA să ia în considerare amplasarea unor astfel de sisteme pe sateliţi şi avioane.
Lidarul cu rezoluție înaltă spectrală (HSRL) este un dispozitiv bazat pe un laser cu frecvență foarte precisă și o pereche de etaloane Fabry-Perot de înaltă rezoluție, care separă intensitatea luminii provenită de la împrăștierea pe aerosoli (Mie) de cea provenită de la împrăștierea pe molecule (Rayleigh). Problema separării aerosolilor și moleculelor în semnalele lidar este importantă pentru obținerea unei acurateți ridicate. În mod uzual această separare implică presupuneri privind contribuția moleculelor în totalul semnalului, presupuneri care conduc la o incertitudine semnificativă. HSRL poate oferi simultan, pentru fiecare altitudine, parametrii optici ai aerosolului și ai moleculelor, fără aproximări și presupuneri. Acest lucru se poate face și cu sistemele lidar de tip Raman, însă doar pe timp de noapte, deoarece semnalele Raman sunt de nivel mic, fiind înecate în zgomot pe timpul zilei. Spre deosebire de sistemele lidar de tip Raman, sistemele HSRL detectează radiația împrăștiată elastic, semnalul fiind suficient de puternic pentru a fi măsurat și în timpul zilei, când fondul de radiație solară este puternic. Observațiile pe canalele de polarizare permit, de asemenea, discriminarea între particulele de gheață și norii de apă.
Sistemele lidar de înaltă rezoluție spectrală nu sunt deocamdată foarte utilizate în observarea atmosferei, deoarece sunt instrumente foarte scumpe, care înglobează tehnologie complicată și costisitoare. Chiar și atunci când sunt utilizate în condiții controlate, de exemplu în laboratoare de la sol, sistemele HSRL necesită condiții speciale, precum stabilitate ridicată a temperaturii și alinieri extrem de precise ale componentelor optice și mecanice. De aceea, dificultatea realizării unui sistem HSRL, care să poate fi utilizat pe un avion de cercetare, supus vibrațiilor și doar parțial stabilizat în temperatură, este cu atât mai mare.
Până la acest moment, în Europa doar DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, centrul aerospațial german) operează sisteme lidar de înaltă rezoluție spectrală aeropurtate pentru măsurarea proprietăților aerosolului, dar chiar și acestea funcționează la o singură lungime de undă. Un sistem lidar aeropurtat similar a fost dezvoltat recent în cadrul proiectului FP7-DELICAT, însă acest instrument este optimizat pentru detectarea turbulențelor de aer curat, nu pentru aerosoli.
Necesitatea dezvoltării unui sistem lidar de înaltă rezoluție spectrală aeropurtat dedicat studiului aerosolilor și norilor a devenit stringentă pentru Agenția Spațială Europeană, având în vedere lansarea noilor misiuni satelitare ADM-Aeolus, EarthCARE și Sentinels. Un astfel de sistem este de bază în validarea produselor de date, atâta vreme cât este mobil (deci poate măsura același volum atmosferic ca și instrumentul de pe satelit, în același timp, făcând observațiile comparabile), are o acuratețe mai ridicată decât a instrumentului satelitar (pentru a fi considerat referință) și este suficient de complex pentru a permite determinarea unei suite largi de produse (pentru a acoperi diversitatea produselor de date oferite de toate instrumentele amplasate la bordul sateliților respectivi).

MULTIPLY, un proiect inovator coordonat de INOE 2000
MULTIPLY, sistemul lidar multi-canal de înaltă rezoluție spectrală aeropurtat, este un proiect de mare anvergură, coordonat de INOE 2000 şi derulat într-un consorţiu internaţional din care fac parte: Institutul Max-Planck (Germania), Observatorul Naţional din Atena (Grecia), Universitatea din Varșovia (Polonia), Institutul pentru Cercetări Aerospațiale din Olanda și Institutul de Cercetări Aerospațiale „Elie Carafoli“ (INCAS).
Principalele provocări tehnologice sunt legate de acurateţea pe care trebuie să o aibă datele măsurate de acest sistem, precum şi de limitările datorate utilizării pe un avion mic, de cercetare. Lidarul va fi amplasat într-un avion care aparține Institutului Național de Cercetări Aerospațiale „Elie Carafoli“ (INCAS) din București.

Avionul va fi modificat prin amplasarea unei ferestre de cuarţ în cală, pentru a permite transmiterea radiaţiei laser în atmosferă, precum şi prin rearanjarea spaţiului interior, pentru a putea găzdui diversele module ale aparatului. Atât dimensiunile, cât şi greutatea acestor module este semnificativă, punând presiune asupra micului avion.

În teledetecţia optică, alinierea componentelor din interiorul aparatului şi menţinerea acesteia în timpul funcţionării este critică. În condiţiile vibraţiilor de zbor, în special a decolării şi aterizării, satisfacerea acestei cerinţe devine dificilă, ca şi menţinerea unei temperaturi constante care să asigure stabilitatea calibrării interne a aparatului. Cerinţele speciale privind viteza culegerii datelor, controlul automat al funcţiilor şi preciziei, siguranţa în timpul zborului, etc., aduc elemente de dificultate suplimentare. Echipa proiectului, formată din experţi fizicieni, opticieni, ingineri electronişti şi dezvoltatori de software, a propus soluţii tehnice inovative, care vor permite atingerea unei acurateţi fără precedent. Designul sistemului, care va avea 12 canale spectrale şi 6 de polarizare, îl califică drept cel mai complex sistem lidar aeropurtat din lume.

Contribuția românească la dezvoltarea celui mai complex sistem lidar aeropurtat din lume
Deşi reponsabilitatea principală a construcţiei sistemului revine Institutului Max Planck din Germania, echipele de lucru sunt mixte, cercetătorii români fiind implicaţi în toate etapele acesteia, de la stabilirea cerinţelor tehnice, la identificarea soluţiilor, proiectarea, simularea şi asamblarea lidarului, inclusiv la dezvoltarea algoritmilor şi a software-ului de procesare a datelor.

În acest moment, principalele blocuri ale sistemului sunt realizate, şi se află în faza de testare şi caracterizare în laborator, premergător asamblării. Componentele critice ale lidarului îl constituie sistemul laser (5 mJ, 4 kHz) şi etaloanele Fabry-Perot, a căror simulare, design şi realizare a durat aproape doi ani. Aceste elemente sunt special realizate pentru MULTIPLY, au un design şi o funcţionalitate unice, şi un cost asociat de peste 500.000 euro.

Canalele de polarizare, dezvoltate în întregime de specialiştii români, constitutie o altă premieră europeană, fiind concepute astfel încât să permită o acurateţe mai bună de 0.1%. Parametrii măsuraţi de acest sistem vor permite identificarea şi diferenţierea particulelelor de praf mineral, cenuşă vulcanică, sare marină, fum industrial sau fum provenit de la incendiile de vegetaţie.
Toate acestea vor putea fi obţinute pe direcţia de deplasare a avionului, la o viteză de 270 km/oră, la fiecare 10 secunde, pentru fiecare 7,5 metri, de la sol şi până la 8 km altitudine în atmosferă. Aceasta înseamnă o „cortină de date“ care descrie complet compoziţia şi proprietăţile atmosferei de sub altitudinea de zbor.
După instalarea instrumentului pe aeronavă, acesta va fi operat de partea română, ceea ce implică noi proiecte cu ESA sau cu alți utilizatori în scopuri de cercetare. România va dispune de cel mai avansat sistem lidar aeropurtat din lume, care va participa în anii următori la multe campanii ştiinţifice, nu doar în România, ci pe tot globul. Datorită MULTIPLY, avionul românesc de cercetare ATMOSLAB a fost selectat drept singura platformă exploratorie aeropurtată care va deservi infrastructura de cercetare europeană ACTRIS (Aerosols, Clouds and Trace gases Research InfraStructure).

Misiunile satelitare de cercetare a atmosferei și importanța validării datelor
Modelele climatice actuale sunt insuficient de precise pentru a da o imagine realistă asupra viitorului planetei noastre. O mare parte din incertitudinile acestor modele provine din slaba înțelegere a proceselor de interacție a compușilor atmosferici, cu precădere a aerosolilor și norilor. Pentru a îmbunătăți această situație, Agenția Spațială Europeană a lansat și are în pregătire pentru a fi lansate în anii următori, o serie de misiuni spațiale dedicate observării compușilor atmosferici și a variabilelor climatice esențiale corespunzătoare acestora. Dintre acestea, ADM/Aeolus, EarthCARE și Sentinelele sunt cele mai cunoscute.
ADM-Aeolus va face măsurători globale precise ale profilelor verticale ale vântului în troposferă și în stratosfera inferioară. Produsele geofizice suplimentare care vor fi preluate din măsurătorile Aeolus sunt proprietățile optice ale norilor și aerosolului.
EarthCARE poartă la bord un radar pentru măsurarea profilelor de nori, un lidar cu rezoluție spectrală înaltă, un sistem de imagistică multispectrală cu șapte canale și un radiometru cu bandă largă. Produsele standard includ proprietățile straturilor de aerosoli, și ale particulelor de nor.

EarthCARE, misiunea satelitară comună ESA – JAXA pentru observarea și caracterizarea norilor și aerosolilor, precum și măsurarea radiației solare reflectate și a radiațiilor infraroșii emise de suprafața și atmosfera Pământului.
Sentinelele sunt concepute pentru a oferi observații multidisciplinare de rutină. Șase sateliți sunt implicați, fiecare focalizat pe un aspect diferit al observării Pământului. Serviciile vor include monitorizarea gazelor minore (ozon, dioxid de azot, dioxid de sulf, formaldehidă), monitorizarea climei, imagini cu vegetație, sol și acoperire cu apă. Un interes special pentru monitorizarea calității aerului este misiunea Sentinel-5P.
Toate aceste misiuni satelitare sunt supuse unui riguros program de calibrare şi validare, care implică compararea produselor satelitare cu observații de la sol și aeropurtate. Aceste observații suplimentare folosesc tehnologii complexe ce nu sunt deocamdată proprii utilizării în spațiu, dar care constituie o referință pentru observațiile satelitare, având o mai mare acuratețe și stabilitate. Instrumentele de la bordul sateliților au o serie de constrângeri privind gabaritul, masa, consumul de putere, și, în plus, trebuie să funcționeze fără intervenție umană, ceea ce înseamnă că există permanent riscul ca produsele de date obținute de la aceste echipamente să scadă în acuratețe dacă ceva nu funcționează perfect. Prin programul de calibrare și validare, calitatea produselor de date este continuu monitorizată, astfel încât acestea pot fi utilizate ca input în modelele de prognoză a vremii și climatului.

***
Acest articol este susținut de proiectul PRO INSTITUTIO – finanțat de Ministerul Cercetării și Inovării prin Programul I – Dezvoltarea sistemului național de cercetare-dezvoltare, Subprogram 1.2 - Performanță instituțională – Proiecte de finanțare a excelenței în CDI, Contract nr 19 PFE/17.10.2018.