Nefobasímetro
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El Nefobasímetro es un instrumento de principio electrónico que se utiliza para medir la altura de la base nubosa. Este es muy utilizado en las mediciones meteorológicas.
Sumario
Funcionamiento
Su funcionamiento consiste en el envío de un pulso laser dirigido hacia la parte inferior (techo) de las nubes, una vez que el techo ha sido detectado, el rayo es devuelto nuevamente hacia el instrumento, el equipo calcula el tiempo en que demora en regresar el pulso y mediante el empleo de electrónica avanzada, calcula y determina la altura a la cual se encuentra la base nubosa. Este ciclo de mediciones es repetido continuamente.
Unidad de medida
Este instrumento utiliza como unidad de medida entregada por este moderno instrumento es metros (m) o pies (ft).
Método para medir
Para medir la altura de la base de las nubes se utiliza un instrumento de principio electrónico llamado nefobasímetro laser. Una vez que ha sido detectada, el rayo es devuelto nuevamente hacia el instrumento, el equipo calcula el tiempo que demora en regresar el pulso y mediante el empleo de electrónica avanzada, calcula y determina la altura a la cual se encuentra la base nubosa. Este ciclo de mediciones es repetido continuamente. La unidad de medida entregada por este instrumento es metros.
La cobertura nubosa es reportada por el observador meteorológico en octavos de cielo cubierto por nubes, por un número entre cero y nueve. El 0 indica cielo despejado, esto es sin una sola nube ni aún en el horizonte y el 9 indica que no se tiene información sobre el estado de nubes en el cielo, por ejemplo en la noche o por obstrucción con humo. Cielo parcial nublado se reporta con valores entre uno y cuatro octavos de cielo con nubes, nublado se informa con valores entre cinco y siete octavos de cielo con nubes y cubierto es ocho octavos y es el caso en que no se ve un solo claro de cielo. Esta graduación es realizada por el observador normalmente solo haciendo una inspección visual del estado del cielo y estimando la cantidad de nubes en el momento de la observación.
Nefobasímetros láser
Características técnicas
Los nefobasímetros poseen un láser como fuente de transmisión y un fotodetector como receptor.
Los nefobasímetros láser detectan e informan la altura de las nubes en la atmósfera haciendo uso de radiación láser invisible. Funcionan transmitiendo un impulso de luz láser hacia la atmósfera y detectando la luz que reflejan los objetos que encuentra en la trayectoria. El tiempo que transcurre entre la transmisión y la recepción permite calcular la altura de las partículas (como gotas de agua o cristales de hielo en las nubes) que se encuentran sobre el nefobasímetro, para comunicarla al paquete de recolección de datos.
Los nefobasímetros son dispositivos de detección y localización por ondas luminosas (LIDAR, light detection and ranging). La determinación de la altura de las nubes se basa en la interpretación electrónica de reflejos dispersados hacia la fuente.
Nefobasímetros representativo del Sistema A
El Sistema A está en capacidad de medir la altura de las nubes hasta unos 3 700 m. Se utiliza junto con otros equipos de vigilancia del clima como sensores de visibilidad, de precipitación y de temperatura y punto de condensación, en sistemas para la navegación aérea y la predicción del clima.
El Sistema A determina la altura de las nubes emitiendo hacia la atmósfera un impulso láser y
midiendo el tiempo de retorno de los reflejos dispersados hacia la fuente, en su caso, hasta un
receptor instalado al lado del transmisor. En cada ciclo de medición se emite un impulso láser de una longitud de onda nominal de 904 nm (331,8 THz) y una duración de 150 ns. Las lecturas del receptor se procesan luego cada 100 ns, durante 25,4 µs para obtener así 254 valores que se almacenan por ciclo de medición, lo que supone una resolución de 15 m de altura en 3 850 m.
En cada ciclo se obtiene un perfil de densidad espacial de la columna atmosférica vertical que está justo encima del nefobasímetro, desde 0 a 3 850 m, del que se pueden deducir la altura de las nubes e información acerca de las capas de nubes. Se promedian los resultados de varios ciclos para minimizar los efectos de lecturas equivocadas.
Conjunto de transmisor
Un diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) emite impulsos de longitudes de onda de 904 nm con una frecuencia de repetición de entre 620 Hz y 1 120 Hz. Un procesador controla la frecuencia de repetición exacta para obtener una potencia promedio constante de 5 mW, con un ajuste nominal de fábrica de 770 Hz.
Los impulsos láser se emiten con una abertura de 30º. El rayo incidente se enfoca con una lente que tiene un diámetro efectivo de 11,8 cm y una longitud focal de 36,7 cm. La irradiación máxima medida con una abertura de 7 mm de diámetro es de 50 µW/cm2.
El transmisor tiene un sensor de luz que determina la potencia de salida del láser y la potencia de la luz de la atmósfera. Se utiliza un fotodiodo dirigido hacia abajo para supervisar la potencia del láser de salida. El valor máximo de la corriente interferente provocada por la luz ambiente es mucho menor que la corriente del impulso láser y, por lo tanto, no afecta el cálculo de la potencia del láser.
La potencia de cresta emitida por el láser es de 40 W. La señal de salida del sensor de potencia láser se aplica como entrada del circuito procesador principal y se utiliza para limitar el promedio de potencia emitida a 5 mW. La luz de retorno se mide con un fotodiodo dirigido hacia arriba, que tiene una desviación máxima de la vertical de 5,7°. La señal de este fotodiodo se aplica como entrada del circuito opcional de obturación solar, que se describe más adelante, y del procesador principal con fines de supervisión.
La sensibilidad del sensor de luz celeste es de aproximadamente 0,4 A/W. La luz solar directa de un cielo de atmósfera despejada produce aproximadamente 1 200 W/m2, con una corriente típica de 1,1 mA. Un cielo azul despejado produce habitualmente una corriente de 10 µA en el sensor de luz celeste, mientras que en interiores la corriente es de menos de 1 µA.
Los nefobasímetros del Sistema A que se instalan en regiones tropicales ubicadas entre 30º de
latitud Norte y 30° de latitud Sur se equipan con un obturador solar opcional en el transmisor. El obturador protege el láser de transmisión contra los daños que puede causar la luz solar directa. El obturador se cierra para cubrir la lente de transmisión cuando está expuesta a la luz solar directa. Los nefobasímetros equipados con obturadores solares se equipan también con conjuntos de receptor tropicales, que poseen un filtro y bloque de montaje diferentes a los que se instalan en los conjuntos de receptor estándar.
Conjunto del receptor
Se utiliza una lente con un diámetro efectivo de 11,8 cm y longitud focal de 8,4 cm para concentrar, en un diodo de avalancha de silicio, los reflejos con dispersión hacia la fuente provenientes de partículas en la atmósfera. La sensibilidad del fotodiodo depende de la temperatura, efecto que se contrarresta mediante un mecanismo de control según la temperatura que regula la tensión de polarización en el receptor. Este dispositivo está ajustado en origen para una sensibilidad nominal de 40 A/W a temperatura ambiente.
En la lente del receptor se instala un filtro de interferencia, que tiene un ancho de banda de 50 nm, para bloquear el ruido de fondo de radiación. En las unidades equipadas con el obturador solar opcional se instala un filtro especial.
Nefobasímetro representativo del Sistema B
Los principios de funcionamiento del nefobasímetro del Sistema B son idénticos a los del
Sistema A, salvo por las diferencias que se indican a continuación. Se puede utilizar el Sistema B para determinar la altura de las nubes y las visibilidades verticales hasta 7 300 m, con la posibilidad de detectar de forma simultánea tres capas de nubes. Además de poder detectar las capas de nubes, el nefobasímetro puede detectar la presencia de precipitaciones y de otras obstrucciones visuales.
Conjunto del transmisor
Un diodo láser de arseniuro de galio e indio (InGaAs) emite impulsos de longitud de onda
de 905 ±5 nm (331,5 THz), que tienen una duración de 100 ns y se repiten a una frecuencia
de 5,57 kHz. La potencia máxima emitida es de 16 W, lo que resulta en una potencia media
de 8,9 mW.
Conjunto del receptor
En el lente del receptor del Sistema B se instala un filtro de interferencia con un ancho de banda de 35 nm, centrado en 908 nm, con el fin de bloquear el ruido de radiación de fondo. La
sensibilidad se ajusta en fábrica en 65 A/W a 905 nm.
Características de los nefobasímetros
Parámetro Sistema A Sistema B
- Sistema transmisor láser y óptico
- Potencia de cresta 40 W 10-20 W
- Duración (nivel del 50%) 135 ns (valor característico) 20-100 ns (valor característico)
- Energía (diámetro = 118 mm) 6,6 µWs
- Cadencia de repetición 620-1 120 Hz 5-10 kHz
- Fuente GaAs InGaAs
- Longitud de onda 904 nm 855/905/910 nm a 25°C
- Modo de funcionamiento Por impulsos Por impulsos
- Energía del impulso transmitido 6 µJ ±10% 1-2 µJ ±20%
- Potencia media 5 mW 5-10 mW (medida en toda laescala)
- Radiación máxima 50 µW/cm2 medida con una abertura de 7 mm 170 – 760 µW/cm2 medida con una abertura de 7 mm
Parámetro Sistema A Sistema B
- Longitud focal del sistema óptico 36,7 cm 35-40 cm
- Diámetro efectivo de la lente 11,8 cm 6-15 cm
- Divergencia del haz del transmisor ±2,5 mrad máxima ±0,4-±0,7 mrad
- Transmitancia de la lente 90% (valor característico) 96% (valor característico)
- Transmitancia de la ventana 97% (valor característico, limpia) 98% (valor característico, limpia)
- Sistema óptico receptor
- Detector Fotodiodo de avalancha (APD) de silicio
- Fotodiodo de avalancha (APD) de silicio
- Sensibilidad 40 A/W, a 904 nm 65 A/W, a 905 nm
- Diámetro de la superficie 0,8 mm 0,5 mm
- Filtro de interferencia 940 nm 908 nm (longitud de onda central característica)
- Filtro paso banda a 50% 880-940 nm (valor característico) 35 nm a 880-925 nm (valor característico)
- Transmisibilidad del filtro a 904 nm 85% (valor característico), 60% mínimo80% (valor característico), 70% mínimo.
- Distancia focal 15,0 cm
- Diámetro efectivo de la lente de recepción 11,8 cm.
- Divergencia del campo visual ±2,7 mrad ±0,66 mrad
- Transmitancia de la lente 90% (valor característico) 96% (valor característico)
- Transmitancia de la ventana 97% (valor característico, limpia) 98% (valor característico, limpia).
- Sistema óptico
- Distancia del lente transmisor – receptor 30,1 cm
- Rayo láser que ingresa al campo de visión del receptor 30 m
- Rayo láser en un 90% dentro del campo de visión del receptor 300 m
- Prestaciones del sistema
- Distancia de medición 0 a 3 700 m 0 a 7 300-13 000 m
- Definición 15 m 3-15 m
- Tiempo de adquisición Máximo 30 s (para un alcance de 3 658 m) 2-120 s
- Ancho de banda del sistema (3 dB) 10 MHz a ganancia baja y 3 MHz a ganancia alta 3 MHz
- Tolerancia de precipitación Hasta 7,5 mm por hora (limitación de distancia).
