СВЧ радиометр - Microwave radiometer

Профиль влажности и температуры (HATPRO-SUNHAT) в Обсерватории Барбадоса.

А микроволновый радиометр (MWR) это радиометр который измеряет излучаемую энергию на длинах волн от миллиметра до сантиметра (частоты 1–1000 ГГц ) известный как микроволны. Микроволновые радиометры - очень чувствительные приемники, предназначенные для измерения тепловых электромагнитное излучение испускается атмосферными газами. Обычно они оснащены несколькими приемными каналами для получения характеристического спектра излучения атмосферы или внеземных объектов. Микроволновые радиометры используются в различных экологических и технических приложениях, в том числе прогноз погоды, мониторинг климата, радиоастрономия и распространение радио исследования.

Использование микроволновой печи спектральный диапазон между 1 и 300 ГГц обеспечивает дополнительную информацию в видимом и инфракрасном спектральном диапазоне. Самое главное, что атмосфера, а также растительность полупрозрачны в микроволновом диапазоне спектра. Это означает, что его компоненты, такие как сухие газы, водяной пар, или же гидрометеоры взаимодействуют с микроволновым излучением, но в целом даже облачный атмосфера не является полностью непрозрачным в этом диапазоне частот.[1]

За Погода и климат Для мониторинга микроволновые радиометры работают как из космоса, так и с земли.[1][2] В качестве дистанционное зондирование инструменты, они предназначены для непрерывной и автономной работы, часто в сочетании с другими удаленными датчиками атмосферы, такими как, например, облачные радары и лидары. Они позволяют получать важные метеорологические величины, такие как вертикальный температура и влажность профиль, столбчатый водяной пар количество или столбчатый путь жидкой воды с высоким временным разрешением от секунд до минут почти во всех Погода условия.[3]

История

Радиометрическое сканирование Венеры Маринер 2 во время его пролета над этой планетой в декабре 1962 г.

Первые разработки микроволнового радиометра были посвящены измерению излучения внеземного происхождения в 1930-х и 1940-х годах. Наиболее распространенная форма микроволнового радиометра была представлена Роберт Дике в 1946 году в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института для более точного определения температуры микроволнового фонового излучения. Этот первый радиометр работал на длине волны 1,25 см и эксплуатировался в Массачусетском технологическом институте. Дике также впервые обнаружил слабое атмосферное микроволновое поглощение с помощью трех различных радиометров (на длинах волн 1,0, 1,25 и 1,5 см).[4]

Вскоре после спутники были впервые использованы для наблюдений за атмосферой, микроволновые радиометры вошли в их состав. В 1962 г. Маринер-2 миссия была запущена НАСА для исследования поверхности Венера включая радиометр для водяной пар и температура наблюдения. В последующие годы большое количество микроволновых радиометров было испытано на спутники. Запуск в 1978 году сканирующего многоканального микроволнового радиометра стал важной вехой в истории радиометрии. Радиометр с коническим сканированием был впервые использован в космосе; он был запущен в космос на борту НАСА Спутник Нимбус.[5] Запуск этой миссии дал возможность получить изображение Земли под постоянным углом падения, что важно, поскольку коэффициент излучения поверхности зависит от угла. В начале 1980 г. были разработаны новые многочастотные радиометрические приборы с двойной поляризацией. Были запущены два космических корабля с приборами этого типа: Нимбус-7 и Seasat. Результаты миссии «Нимбус-7» позволили глобально контролировать состояние океан поверхность, а также поверхность, покрытая снегом и ледники. Сегодня микроволновые приборы, такие как Усовершенствованный прибор для микроволнового зондирования (AMSU) и специальный датчик микроволнового тепловизора / эхолота (SSMIS) широко используются на различных спутниках.

Наземные радиометры для определения температурных профилей были впервые исследованы в 1960-х годах и с тех пор улучшились с точки зрения снижения уровня шума и возможности автономной работы в режиме 24/7 в рамках всемирных сетей наблюдений.[6] Обзорные статьи,[7][8] и подробный онлайн-справочник [9] доступны.

Микроволновый спектр: черные линии показывают смоделированный спектр для наземного приемника; цветные линии - это спектр, полученный от спутникового прибора над океаном при горизонтальной (синий) и вертикальной (красный) линейной поляризации. Сплошные линии указывают на моделирование условий ясного неба (без облаков), пунктирные линии показывают случай ясного неба с однослойным жидким облаком. Вертикальные линии указывают типичные частоты, используемые спутниковыми датчиками, такими как радиометр AMSU.

Принцип действия

Твердые вещества, жидкости (например, поверхность Земли, океан, морской лед, снег, растительность), а также газы выделяют и поглощают микроволновая печь радиация. Традиционно количество излучения, получаемого микроволновым радиометром, выражается в эквиваленте черного тела температура также называемый яркостная температура. В микроволновом диапазоне некоторые атмосферные газы демонстрируют линии вращения. Они предоставляют конкретные поглощение особенности, показанные на рисунке справа, которые позволяют получить информацию об их численности и вертикальном строении. Примеры таких поглощение особенности кислород комплекс поглощения (вызванный магнитными дипольными переходами) около 60 ГГц, который используется для получения профилей температуры или водяной пар линия поглощения около 22,235 ГГц (дипольный вращательный переход), которая используется для наблюдения вертикального профиля влажность. Другие важные линии поглощения находятся на частоте 118,75 ГГц (поглощение кислорода) и 183,31 ГГц (поглощение водяного пара, используемое для профилирования водяного пара в сухих условиях или со спутников). Слабые абсорбционные свойства из-за озон также используются для профилей плотности и температуры стратосферного озона.

Помимо отчетливых характеристик поглощения линий молекулярных переходов, существуют также нерезонансные вклады гидрометеоров (жидкие капли и замороженные частицы). Жидкость воды излучение увеличивается с частотой, следовательно, измерения на двух частотах, обычно одна рядом с линией поглощения воды (22,235 ГГц), а другая в области близлежащего окна (обычно 31 ГГц), где преобладает поглощение жидкости, дает информацию как о столбчатом количестве водяного пара и столбчатое количество жидкой воды отдельно (двухканальный радиометр). Так называемый «континуум водяного пара» возникает из-за участия далеких линий водяного пара.

Более крупные капли дождя, а также более крупные замерзшие гидрометеоры (снег, крупа, град) также рассеивают микроволновое излучение, особенно на более высоких частотах (> 90 ГГц). Эти эффекты рассеяния можно использовать для различения содержания влаги в дожде и облаках с помощью поляризованных измерений. [10] но также для ограничения столбчатого количества частиц снега и льда из космоса [11] и с земли.[12]

Дизайн

СВЧ-радиометр состоит из антенной системы, компонентов СВЧ-радиочастоты (входной) и бэкенда для обработки сигналов на промежуточных частотах. Атмосферный сигнал очень слабый, и его необходимо усилить примерно на 80 дБ. Следовательно, гетеродин часто используются методы преобразования сигнала в более низкие частоты, что позволяет использовать коммерческие усилители и обработку сигналов. Усилители со все более низким уровнем шума становятся доступными на более высоких частотах, то есть до 100 ГГц, что делает гетеродинные методы устаревшими. Термостабилизация очень важна для предотвращения дрейфа приемника.

Обычно наземные радиометры также оснащены датчиками окружающей среды (дождь, температура, влажность ) и GPS приемники (указание времени и местоположения). Сама антенна часто измеряет через окно из пенопласта, прозрачного в микроволновом диапазоне, чтобы антенна была чистой от пыли, жидкой воды и льда. Часто к радиометру присоединяется также нагретая система нагнетания, которая помогает защитить окно от капель жидкости или роса (сильные излучатели в МВ), но также без лед и снег.

Принципиальная схема микроволнового радиометра с использованием гетеродин принцип.

Как видно из рисунка выше, после радиочастота сигнал принимается антенной и преобразуется с понижением частоты до промежуточной частоты с помощью стабильного сигнала гетеродина. После усиления с малошумящим усилителем и полосовой фильтрации сигнал может быть обнаружен в режиме полной мощности путем разделения или разделения его на несколько частей. частота полосы со спектрометром. Для высокочастотной калибровки здесь используется переключатель Дике.

Калибровка микроволнового радиометра выполнена сотрудниками Исследовательского центра исследований и разработок в оптоэлектронике, Магуреле (Румыния).

Калибровка

Калибровка микроволнового радиометра закладывает основу для точных измеренных яркостных температур и, следовательно, для точных восстановленных параметров атмосферы в виде температура профили, интегрированные водяной пар и путь жидкой воды. Самый простой вариант калибровки - это так называемая калибровка «горячий-холодный» с использованием двух эталонных черные тела при известных, но разных, «горячих» и «холодных» температуры, т.е. предполагая линейную зависимость между входной мощностью и выходной Напряжение детектора. Зная физическое температуры Из эталонов можно рассчитать их яркостные температуры и напрямую связать их с измеренными напряжениями радиометра, следовательно, можно получить линейную зависимость между яркостными температурами и напряжениями.

В температуры калибровочных мишеней следует выбирать так, чтобы они охватывали весь диапазон измерения. Радиометры наземного базирования обычно используют температура цель как "горячая" ссылка. В качестве холодной мишени можно использовать либо черное тело, охлаждаемое жидким азотом (77 К), либо зенит чистое небо TB, полученное косвенно из теории переноса излучения.[8] Спутники используют нагретую цель в качестве «горячей» точки отсчета, а космическое фоновое излучение - как «холодную» точку отсчета. Для повышения точности и стабильности калибровок МВИ могут использоваться дополнительные калибровочные объекты, такие как внутренние источники шума или переключатели Дике.

Временные ряды от 14 апреля 2015 года для (a) яркостных температур, измеренных на 7 различных частотах в полосах K (справа) и V (слева), (b) восстановленных вертикально интегрированного водяного пара (IWV) и облачного пути жидкой воды (LWP), (в) профили температуры от 0 до 5 км, (г) профили абсолютной влажности от 0 до 5 км.

Получение профилей температуры и водяного пара

Восстановление физических величин с помощью микроволновой радиометрии (например, температура или же водяной пар профилей) не являются простыми и всеобъемлющими алгоритмами поиска (с использованием методов инверсии, таких как оптимальная оценка подход).

Температурные профили получают путем измерения вдоль кислородного поглощение комплекс на 60 ГГц. В выброс на любой высоте пропорционально температуре и плотность из кислород. Поскольку кислород равномерно распределен внутри атмосфера и во всем мире сигналы яркостной температуры могут использоваться для получения профиля температуры. В сигналах в центре абсорбционного комплекса преобладает атмосфера, ближайшая к радиометру (при наземном базировании). При переходе в область окна сигнал представляет собой суперпозицию из близких и дальних областей атмосферы. Таким образом, комбинация нескольких каналов содержит информацию о вертикальном распределении температуры. Аналогичный подход используется для получения вертикальных профилей водяного пара с использованием его линии поглощения на частоте 22,235 ГГц.

Спутниковая аппаратура

Микроволновые приборы размещены на нескольких спутниках на полярной орбите для Наблюдение Земли и оперативный метеорология а также в рамках внеземных миссий. Различают инструменты для визуализации которые используются с коническое сканирование за дистанционное зондирование из земной шар поверхность, например AMSR, SSMI, WINDSAT, и звучащие инструменты, которые работают в кросс-трековом режиме, например АМСУ /MHS. Первый тип использует более низкие частоты (1–100 ГГц) в окнах атмосферы для наблюдения за морской поверхностью. соленость, влажность почвы, поверхность моря температура, скорость ветра над океаном, осадки и снег. Второй тип используется для измерения вдоль поглощение линии для извлечения температура и профиль влажности.Более того, эхолоты, например, MLS, используются для получения след газа профили в верхних атмосфера.

Другие примеры микроволновых радиометров на метеорологических спутниках включают: Микроволновая печь со специальным датчиком / тепловизор, Сканирующий многоканальный микроволновый радиометр, WindSat, Устройство для микроволнового зондирования и СВЧ-датчик влажности. В Радиометр микроволнового изображения с синтезом апертуры представляет собой интерферометр / радиометр для получения изображений, способный определять влажность и засоленность почвы на небольших участках поверхности.

Космические инструменты

К 2010-м годам на межпланетных космических кораблях было установлено четыре микроволновых радиометра.[13] Первый был Маринер 2, который использовал микроволновый прибор для определения высокой температуры поверхности Венеры, исходящей от поверхности не выше в атмосфере.[14][13] Есть / были также радиометры на Юнона Зонд Юпитер, Розетта кометный зонд, и Кассини-Гюйгенс.[13][15]

Зонд Juno, запущенный в 2011 году, характеризует атмосферу Юпитер с помощью комплекта микроволновых радиометров.[8] В Прибор для микроволнового радиометра (MWR) на Juno есть несколько антенн, которые проводят наблюдения в нескольких различных длинах волн микроволнового излучения, чтобы проникнуть в верхний слой облаков планеты и обнаружить там особенности, температуры и химическое содержание.[15]

Наземные сети микроволнового радиометра

MWRnet - это сеть, созданная в 2009 году учеными, работающими с наземными микроволновыми радиометрами. MWRnet стремится облегчить обмен информацией в сообществе пользователей MWR, способствуя участию в скоординированных международных проектах. В долгосрочной перспективе миссия MWRnet направлена ​​на создание рабочего программного обеспечения, процедур контроля качества, форматов данных и т. Д., Аналогичных другим успешным сетям, таким как EARLINET, АЭРОНЕТ, CWINDE.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Дистанционное микроволновое зондирование - активное и пассивное ". Ф. Т. Улаби. Р. К. Мур и А. К. Фунг. (Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли, 1981 и 1982 гг.) Том I: Основы микроволнового дистанционного зондирования и радиометрия.
  2. ^ Тепловое микроволновое излучение: приложения для дистанционного зондирования, К. Матцлер, 2006, Институт инженерии и технологий, Лондон, Глава 1.
  3. ^ Вестуотер, Эджворт Руперт, 1970: Определение температурных профилей на земле с помощью микроволн. КАНДИДАТ НАУК. Диссертация, УНИВЕРСИТЕТ КОЛОРАДО В БУЛДЕРЕ, Источник: Международный тезисы диссертаций, том: 32-02, раздел: B, страница: 1134.
  4. ^ Дике, Р. Х. (1946). «Измерение теплового излучения на сверхвысоких частотах» (PDF). Обзор научных инструментов. AIP. 17 (7): 268–275. Bibcode:1946RScI ... 17..268D. Дои:10.1063/1.1770483. PMID  20991753. Архивировано из оригинал (PDF) 3 апреля 2012 г.
  5. ^ Пассивное микроволновое дистанционное зондирование Земли, физические основы, Евгений А. Шарков, Springer-Praxis Books in Geophysical Sciences, Глава 14: Пассивные микроволновые космические миссии
  6. ^ «MWRnet - Международная сеть наземных микроволновых радиометров». cetemps.aquila.infn.it. 31 июля 2014 г.
  7. ^ Westwater, E.R., C. Mätzler, S. Crewell (2004) Обзор наземного микроволнового и миллиметрового радиометрического дистанционного зондирования тропосферы. Вестник Radio Science Bulletin, № 3010, сентябрь 2004 г., стр. 59–80
  8. ^ а б c Westwater, ER, S. Crewell, C. Mätzler, and D. Cimini, 2006: Принципы наземного микроволнового и миллиметрового радиометрического дистанционного зондирования тропосферы, Quaderni Della Societa Italiana di Elettromagnetismo, 1 (3), сентябрь 2005 г., 50–90.
  9. ^ «Радиометр СВЧ - ЭГ-КЛИМЕТ». cfa.aquila.infn.it.
  10. ^ Czekala et al. (2001), Различение пути облака и дождевой жидкой воды с помощью наземной поляризованной микроволновой радиометрии, Geophy. Res. Lett., DOI: 10.1029 / 2000GL012247
  11. ^ Беннарц Р. и П. Бауэр (2003), Чувствительность микроволнового излучения в диапазоне 85–183 ГГц к выпадающим частицам льда, Radio Sci., 38 (4), 8075, DOI: 10.1029 / 2002RS002626.
  12. ^ Kneifel et al. (2010), Сигналы рассеяния на снегу в измерениях наземных пассивных микроволновых радиометров, J. Geophys. Рез., DOI: 10.1029 / 2010JD013856
  13. ^ а б c «Juno на Юпитере: микроволновый радиометр Juno (MWR) - публикация конференции IEEE». Сентябрь 2014: 1–3. Дои:10.1109 / IRMMW-THz.2014.6956004. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал 30 ноября 2016 г.. Получено 3 февраля 2017.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  15. ^ а б «Обзор науки». Лаборатория реактивного движения. Дата обращения: 21 декабря 2016.

внешняя ссылка