Скаттерометр или диффузометр — это научный инструмент для измерения отражения луча света или радиолокационных волн, рассеянных в результате диффузии в такой среде , как воздух. Диффузионометры, использующие видимый свет, используются в аэропортах или вдоль дорог для измерения горизонтальной видимости . Радарные скаттерометры используют радио или микроволны для определения нормализованного радиолокационного сечения (σ 0 , «сигма ноль» или «сигма ноль») поверхности. Их часто устанавливают на метеорологических спутниках для определения скорости и направления ветра, а также используют в промышленности для анализа шероховатости поверхностей.
Оптические диффузометры — это устройства, используемые в метеорологии для определения оптического диапазона или горизонтальной видимости. Они состоят из источника света, обычно лазера , и приемника. Оба расположены под углом 35° вниз и направлены на общую зону. Боковое рассеяние воздухом вдоль светового луча количественно выражается как коэффициент ослабления . Любое отклонение от коэффициента ослабления в ясном воздухе (например, в тумане) измеряется и обратно пропорционально видимости (чем больше потери, тем ниже видимость).
Эти устройства можно найти на автоматических метеостанциях для обеспечения общей видимости, вдоль взлетно-посадочных полос аэропортов для определения дальности видимости на взлетно-посадочной полосе или вдоль дорог для определения условий видимости. Их главный недостаток заключается в том, что измерения проводятся в очень небольшом объеме воздуха между передатчиком и приемником. Таким образом, сообщаемая видимость является репрезентативной только для общих условий вокруг прибора в обобщенных условиях ( например, синоптический туман). Это не всегда так (например, неоднородный туман).
Радарный скаттерометр работает , передавая импульс микроволновой энергии к поверхности Земли и измеряя отраженную энергию. Выполняется отдельное измерение мощности только шума, которое вычитается из измерения сигнал+шум для определения мощности сигнала обратного рассеяния . Сигма-0 (σ⁰) рассчитывается на основе измерения мощности сигнала с использованием уравнения радара с распределенной целью. Приборы скаттерометра очень точно откалиброваны для обеспечения точных измерений обратного рассеяния.
Основным применением космической скаттерометрии были измерения приземных ветров над океаном . [1] Такие приборы известны как рассеиватели ветра. Объединив измерения сигма-0 под разными азимутальными углами, вектор приземного ветра над поверхностью океана можно определить с помощью функции геофизической модели (GMF), которая связывает ветер и обратное рассеяние. Над океаном обратное рассеяние радара возникает в результате рассеяния на капиллярно-гравитационных волнах, генерируемых ветром, которые обычно находятся в равновесии с приземным ветром над океаном. Механизм рассеяния известен как брэгговское рассеяние , которое происходит от волн, находящихся в резонансе с микроволнами.
Мощность обратного рассеяния зависит от скорости и направления ветра. Если смотреть под разными азимутальными углами, наблюдаемое обратное рассеяние от этих волн различается. Эти изменения можно использовать для оценки ветра у поверхности моря, т.е. его скорости и направления. Этот процесс оценки иногда называют « восстановлением ветра» или « инверсией функции модели» . Это процедура нелинейной инверсии, основанная на точном знании ГМП (в эмпирической или полуэмпирической форме), которая связывает обратное рассеяние скаттерометра и векторный ветер. Для восстановления требуются измерения скаттерометра с угловым разнесением с использованием ГМП, которое обеспечивается тем, что скаттерометр выполняет несколько измерений обратного рассеяния одного и того же пятна на поверхности океана под разными азимутальными углами.
Измерения ветра скаттерометром используются для взаимодействия воздуха и моря, изучения климата и особенно полезны для мониторинга ураганов . [2] Данные обратного рассеяния скаттерометра применяются для изучения растительности , влажности почвы , полярных льдов , отслеживания антарктических айсбергов [3] и глобальных изменений . [4] Измерения скаттерометра использовались для измерения ветра над песчаными и снежными дюнами из космоса. Внеземные применения включают изучение спутников Солнечной системы с помощью космических зондов. Особенно это касается миссии НАСА/ЕКА «Кассини» к Сатурну и его спутникам.
Несколько поколений рефлектометров ветра были запущены в космос НАСА , ЕКА и НАСДА . Первый действующий рефлектометр ветра был известен как скаттерометр Seasat (SASS) и был запущен в эксплуатацию в 1978 году. [5] Это была веерная система, работающая в Ku-диапазоне (14 ГГц). В 1991 году ЕКА запустило скаттерометр усовершенствованного микроволнового прибора (AMI) на европейском спутнике дистанционного зондирования ERS-1 [6] , а в 1995 году последовал скаттерометр ERS-2 AMI. Обе системы веерного луча AMI работали в C-диапазоне (5,6 ГГц). . В 1996 году НАСА запустило скаттерометр НАСА (NSCAT) на борту спутника NASDA ADEOS I , [1] систему веерного луча Ku-диапазона. [7] НАСА запустило первый сканирующий скаттерометр, известный как SeaWinds , на QuikSCAT в 1999 году. Он работал в Ku-диапазоне. Второй прибор SeaWinds был запущен на борту NASDA ADEOS-2 в 2002 году. Индийская организация космических исследований запустила скаттерометр Ku-диапазона на своей платформе Oceansat-2 в 2009 году. ЕКА и ЕВМЕТСАТ запустили первый ASCAT C-диапазона в 2006 году на борту Metop - А. [8] Глобальная навигационная спутниковая система «Циклон» ( CYGNSS), запущенная в 2016 году, представляет собой группировку из восьми небольших спутников, использующих бистатический подход путем анализа отражения от поверхности Земли сигналов Глобальной системы позиционирования (GPS) вместо использования бортового радарный передатчик.
Скаттерометры помогли доказать гипотезу середины XIX века об анизотропном (зависящем от направления) рассеянии ветром на большие расстояния, чтобы объяснить сильное флористическое сходство между массивами суши.
В работе, опубликованной в журнале Science в мае 2004 года под названием «Ветер как средство распространения на большие расстояния в южном полушарии», использовались ежедневные измерения азимута и скорости ветра, полученные скаттерометром SeaWinds с 1999 по 2003 год. Они обнаружили более сильная корреляция флористического сходства с ветровой связью, чем с географической близостью, что подтверждает идею о том, что ветер является средством распространения многих организмов в Южном полушарии.
Скаттерометры широко используются в метрологии для измерения шероховатости полированных и притертых поверхностей в полупроводниковой и прецизионной обрабатывающей промышленности. [9] Они обеспечивают быструю и бесконтактную альтернативу традиционным методам оценки топографии с помощью стилуса. [10] [11] Скаттерометры совместимы с вакуумной средой, не чувствительны к вибрации и могут быть легко интегрированы с инструментами для обработки поверхности и другими метрологическими инструментами. [12] [13]
Примеры использования на спутниках наблюдения Земли или установленных приборах, а также даты эксплуатации: [14]