Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с радиометра Дике )
Перейти к навигации Перейти к поиску

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

Микроволновый радиометр (Минводхоз) является радиометр , который измеряет энергию , излучаемую в миллиметровом-к-сантиметр длин волн (частот 1-1000 ГГц ) , известных как микроволновые печи . Микроволновые радиометры - очень чувствительные приемники, предназначенные для измерения теплового электромагнитного излучения . Обычно они оснащены несколькими приемными каналами для получения характерного спектра излучения планетных атмосфер, поверхностей или внеземных объектов. Микроволновые радиометры используются в различных экологических и инженерных приложениях, включая дистанционное зондирование , прогнозирование погоды , мониторинг климата, радиоастрономию.и исследования распространения радиоволн .

Использование микроволнового спектрального диапазона от 1 до 300 ГГц обеспечивает дополнительную информацию для видимого и инфракрасного спектрального диапазона. Самое главное, что атмосфера, а также растительность полупрозрачны в микроволновом диапазоне спектра. Это означает, что его компоненты, такие как сухие газы, водяной пар или гидрометеоры, взаимодействуют с микроволновым излучением, но в целом даже облачная атмосфера не является полностью непрозрачной в этом диапазоне частот. [1]

Для мониторинга погоды и климата микроволновые радиометры работают как из космоса, так и с земли. [1] [2] В качестве инструментов дистанционного зондирования 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 профиль температуры и влажности , столбчатый профиль водяного пара или столбчатый путь жидкой воды с высоким временным разрешением от секунд до минут практически при любой погоде.условия. [3] Микроволновые радиометры также используются для дистанционного зондирования поверхности океана и суши Земли, чтобы определить температуру океана и скорость ветра, характеристики льда, а также свойства почвы и растительности. [1] [2]

История [ править ]

Радиометрическое сканирование Венеры на Mariner 2 во время его пролета над этой планетой в декабре 1962 года.

Первые разработки микроволнового радиометра были посвящены измерению излучения внеземного происхождения в 30-40-е годы прошлого века. Самая распространенная форма микроволнового радиометра была представлена Робертом Дике в 1946 году в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института для лучшего 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 того, как спутники были впервые использованы для наблюдения за атмосферой, микроволновые радиометры стали частью их инструментов. В 1962 году НАСА запустило миссию « Маринер-2» для исследования поверхности Венеры, включая радиометр для наблюдений за водяным паром и температурой . В последующие годы большое количество микроволновых радиометров было испытано на спутниках . Запуск в 1978 году сканирующего многоканального микроволнового радиометра стал важной вехой в истории радиометрии. Радиометр с коническим сканированием впервые был использован в космосе; он был запущен в космос на борту спутника NASA Nimbus. [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 « Сисат» . Результаты миссии «Нимбус-7» позволили глобально контролировать состояние поверхности океана, а также поверхности, покрытой снегом и ледниками . Сегодня микроволновые приборы, такие как Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) и Special Sensor Microwave Imager / Sounder (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] Доступны обзорные статьи [7] [8] и подробный онлайн-справочник [9] .

Микроволновый спектр: черные линии показывают смоделированный спектр для наземного приемника; цветные линии - это спектр, полученный с помощью 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 показывают типичные частоты, используемые спутниковыми датчиками, такими как радиометр AMSU.

Принцип работы [ править ]

Твердые вещества, жидкости (например, поверхность Земли, океан, морской лед, снег, растительность), а также газы излучают и поглощают микроволновое излучение. Традиционно количество излучения, получаемого микроволновым радиометром, выражается как эквивалентная температура черного тела, также называемая яркостной температурой . В микроволновом диапазоне некоторые атмосферные газы демонстрируют линии вращения. Они обладают специфическими характеристиками поглощения, показанными на рисунке справа, которые позволяют получить информацию об их численности и вертикальной структуре. Примерами таких абсорбционных свойств являются кислородкомплекс поглощения (вызванный магнитными дипольными переходами) около 60 ГГц, который используется для получения профилей температуры, или линия поглощения водяного пара около 22,235 ГГц (дипольный вращательный переход), которая используется для наблюдения вертикального профиля влажности . 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). Свойства слабого поглощения озона также используются для определения плотности и температуры стратосферного озона.

Помимо отчетливых особенностей поглощения линий молекулярных переходов, существуют также нерезонансные вклады гидрометеоров (жидких капель и замороженных частиц). Эмиссия жидкой воды увеличивается с частотой, следовательно, измерения на двух частотах, обычно одна рядом с линией поглощения воды (22,235 ГГц), а другая - в соседней области окна (обычно 31 ГГц), где преобладает поглощение жидкости, дает информацию как о столбчатом количестве водяного пара и столбчатого количества 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 использованием поляризованных измерений [10], а также для ограничения столбчатого количества частиц снега и льда из космоса [11] и с земли. [12]

Дизайн [ править ]

СВЧ-радиометр состоит из антенной системы, компонентов СВЧ-радиочастоты (входной) и бэк-энда для обработки сигналов на промежуточных частотах. Атмосферный сигнал очень слабый, и его необходимо усилить примерно на 80 дБ. Поэтому для преобразования сигнала с понижением частоты до более низких частот часто используются гетеродинные методы, 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. Температурная стабилизация очень важна для предотвращения дрейфа приемника.

Обычно наземные радиометры также оснащены датчиками окружающей среды ( дождя , температуры , влажности ) и приемниками GPS (привязка 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 росы (сильные источники излучения в МВ), но также и от льда и снега .

Принципиальная схема микроволнового радиометра на гетеродинном принципе.

Как видно из рисунка выше, после того, как радиочастотный сигнал принят антенной, он преобразуется с понижением частоты до промежуточной частоты с помощью стабильного сигнала гетеродина. После усиления с помощью малошумящего усилителя и полосовой фильтрации сигнал может быть обнаружен в режиме полной мощности путем разделения или разделения его на несколько частотных диапазонов с помощью спектрометра. Для высокочастотной калибровки здесь используется переключатель Дике.

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

Калибровка [ править ]

Калибровка микроволнового радиометра закладывает основу для точных измеренных яркостных температур и, следовательно, для получения точных параметров атмосферы, таких как профили температуры , интегрированный водяной пар и путь жидкой воды. Самый простой вариант калибровки - это так называемая калибровка «горячий-холодный» с использованием двух эталонных абсолютно черных тел при известных, но разных «горячих» и «холодных» температурах , то есть при условии линейной зависимости между входной мощностью и выходным напряжением детектора. . Зная физические температурыИз эталонов их яркостные температуры могут быть вычислены и напрямую связаны с обнаруженными напряжениями радиометра, следовательно, может быть получена линейная зависимость между яркостными температурами и напряжениями.

В температурах калибровки мишеней должны быть выбраны таким образом, что они охватывают весь диапазон измерений. Наземные радиометры обычно используют цель температуры окружающей среды в качестве «горячего» эталона. В качестве холодной мишени можно использовать либо черное тело, охлаждаемое жидким азотом (77 K), либо зенитное ясное небо TB, полученное косвенно из теории переноса излучения. [8] Спутники используют нагретую цель в качестве «горячего» эталона, а космическое фоновое излучение - в качестве «холодного» эталона. Чтобы повысить точность и стабильность калибровок МВИ, можно использовать дополнительные цели калибровки, такие как внутренние источники шума или переключатели Дике.

Временные ряды от 14 апреля 2015 года для (а) 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 [ править ]

Восстановление физических величин с использованием микроволновой радиометрии (например, температуры или профилей водяного пара ) не является простым делом, и были разработаны комплексные алгоритмы поиска (с использованием методов инверсии, таких как подход оптимальной оценки ).

Температурные профили получены путем измерения вдоль комплекса поглощения кислорода на частоте 60 ГГц. Эмиссии на любой высоте пропорциональна температуре и плотности от кислорода . Поскольку кислород равномерно распределен в атмосфереи 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 [ править ]

Микроволновые приборы используются на нескольких полярно-орбитальных спутниках для наблюдения Земли и оперативной метеорологии, а также в рамках внеземных миссий. Различают инструменты обработки изображений , которые используются с коническим сканированием для дистанционного зондирования на земной поверхности, например , AMSR , SSMI , Виндсат и звучащих инструментов , которые работают в режиме кросс-трека, например AMSU / MHS . Первый тип использует более низкие частоты (1–100 ГГц) в атмосферных окнах для наблюдения за соленостью морской поверхности , влажностью почвы, морской поверхностью.температура , скорость ветра над океаном, осадки и снег. Второй тип используется для измерения вдоль линий поглощения для получения профиля температуры и влажности . Кроме того, конечные эхолоты , например MLS, используются для получения профилей следовых газов в верхних слоях атмосферы .

Другие примеры микроволновых радиометров на метеорологических спутников включают специальный датчик Микроволновая печь / Imager , Scanning Многоканальный микроволновый радиометр , Виндсат , Микроволновая Звучащая блок и СВЧ влажности сирене . Микроволновая визуализации Радиометр с апертурой синтеза представляет собой радиометр Интерферометр / визуализации способна решить влажности почвы и солености на малых участках поверхности.

Космические приборы [ править ]

К 2010-м годам на межпланетных космических кораблях было установлено четыре микроволновых радиометра. [13] Первым был Mariner 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 зонде « Юнона- Юпитер», кометном зонде « Розетта» и « Кассини-Гюйгенс» . [13] [15]

Зонд Juno, запущенный в 2011 году, характеризует атмосферу Юпитера с помощью набора микроволновых радиометров. [8] СВЧ радиометр (Минводхоз) инструмента на Юноне имеет несколько антенн наблюдения в нескольких различных длинах волн СВЧ проникать в верхних слой облаков планеты, и выявление особенностей, температуры и химические содержаний там. [15]

Наземные сети микроволновых радиометров [ править ]

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 , AERONET , CWINDE .

См. Также [ править ]

  • Атмосферное зондирование

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Дистанционное микроволновое зондирование - активное и пассивное ". Ф. Т. Улаби. Р. К. Мур и А. К. Фунг. (Ридинг, Массачусетс: Эддисон-Уэсли, 1981 и 1982 гг.) Том I: Основы микроволнового дистанционного зондирования и радиометрия.
  2. ^ a b Тепловое микроволновое излучение: приложения для дистанционного зондирования, К. Матцлер, 2006, Институт инженерии и технологий, Лондон, глава 1.
  3. ^ Westwater, Edgeworth Руперт, 1970: Ground-Based Определение профилей температурыпомощью микроволн. КАНДИДАТ НАУК. Диссертация, УНИВЕРСИТЕТ КОЛОРАДО В БУЛДЕРЕ, Источник: Международный тезисы диссертаций, том: 32-02, раздел: B, страница: 1134.
  4. Перейти ↑ Dicke, RH (1946). «Измерение теплового излучения на сверхвысоких частотах» (PDF) . Обзор научных инструментов . AIP. 17 (7): 268–275. Bibcode : 1946RScI ... 17..268D . DOI : 10.1063 / 1.1770483 . PMID  20991753 . Архивировано 3 апреля 2012 года из оригинального (PDF) .
  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, ER, 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. ^ a b c Westwater, ER, S. Crewell, C. Mätzler и D. Cimini, 2006: Принципы наземного микроволнового и миллиметрового радиометрического дистанционного зондирования тропосферы, Quaderni Della Societa Italiana di Elettromagnetismo, 1 (3) , Сентябрь 2005 г., стр. 50–90.
  9. ^ "Радиометр СВЧ - EG-CLIMET" . 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 на 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. Res., DOI: 10.1029 / 2010JD013856
  13. ^ a b c Juno на Юпитере: микроволновый радиометр Juno (MWR) - Публикация конференции IEEE , сентябрь 2014 г., стр. 1–3, doi : 10.1109 / IRMMW-THz.2014.6956004
  14. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинального 30 ноября 2016 года . Дата обращения 3 февраля 2017 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  15. ^ a b «Обзор науки». Лаборатория реактивного движения. Дата обращения: 21 декабря 2016.

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальная научная цифровая библиотека - страница быстрого обзора MWR
  • DOE Измерение атмосферной радиации MWR Описание прибора
  • Радиометр Juno (MWR)