Микроволновой радиометр (MWR) — это радиометр , который измеряет энергию, излучаемую на длинах волн от одного миллиметра до метра (частоты 0,3–300 ГГц ), известных как микроволны . Микроволновые радиометры представляют собой очень чувствительные приемники, предназначенные для измерения теплового электромагнитного излучения . Они обычно 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 спектральном диапазоне. Это означает, что такие компоненты, 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 используются как из космоса, так и с земли. [1] [2] Являясь инструментами дистанционного зондирования , они предназначены для непрерывной и автономной работы, часто в сочетании с другими дистанционными атмосферными датчиками, такими как, например, облачные радары и лидары . Они позволяют получать важные метеорологические величины, такие как вертикальные профили температуры и влажности , столбчатое количество водяного пара и столбчатый путь жидкой воды с высоким временным разрешением, порядка минут или секунд, практически при любых погодных условиях. [3] Микроволновые радиометры также используются для дистанционного зондирования поверхности океана и суши, для определения температуры океана и скорости ветра, характеристик льда, а также свойств почвы и растительности. [1] [2]
Первые разработки микроволнового радиометра были посвящены измерению излучения внеземного происхождения в 1930-х и 1940-х годах. 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. Дикке также впервые обнаружил слабое поглощение микроволнового излучения в атмосфере с помощью трех разных 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, в их состав вошли микроволновые радиометры. В 1962 году НАСА запустило миссию «Маринер-2» для исследования поверхности Венеры , включая радиометр для измерения водяного пара и температуры . В последующие годы на спутниках были испытаны самые разнообразные микроволновые радиометры . Запуск в 1978 году сканирующего многоканального микроволнового радиометра стал важной вехой в истории радиометрии. Это был первый случай использования в космосе радиометра с коническим сканированием; он был запущен в космос на борту спутника НАСА «Нимбус» . [5] Запуск этой миссии дал возможность получить изображение Земли под постоянным углом падения, что важно, поскольку излучательная способность поверхности зависит от угла. В начале 1980-х годов были разработаны новые многочастотные двухполяризационные радиометрические приборы. Были запущены два космических корабля с приборами этого типа: «Нимбус-7» и «Сисат» . Результаты миссии «Нимбус-7» позволили глобально отслеживать состояние поверхности океана , а также поверхности, покрытой снегом и ледниками . Сегодня на различных спутниках широко используются микроволновые приборы, такие как усовершенствованный микроволновый зондирующий блок (AMSU) и специальный сенсорный микроволновый формирователь изображений/зондировщик (SSMIS).
Наземные радиометры для определения профилей температуры были впервые исследованы в 1960-х годах и с тех пор усовершенствовались с точки зрения снижения шума и способности работать без присмотра 24 часа в сутки, 7 дней в неделю в рамках всемирных сетей наблюдений. [6] Доступны обзорные статьи, [7] [8] и подробное онлайн-руководство [9] .
Твердые тела, жидкости (например, поверхность Земли, океан, морской лед, снег, растительность), а также газы излучают и поглощают микроволновое излучение. Традиционно количество излучения, которое получает микроволновый радиометр, выражается как эквивалентная температура черного тела , также называемая яркостной температурой . В микроволновом диапазоне некоторые атмосферные газы демонстрируют линии вращения. Они обеспечивают особые характеристики поглощения , показанные на рисунке справа, которые позволяют получить информацию об их численности и вертикальной структуре. Примерами таких особенностей поглощения являются комплекс поглощения кислорода (вызванный магнитно-дипольными переходами) около 60 ГГц, который используется для получения температурных профилей, или линия поглощения водяного пара 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, используется для определения профилей водяного пара в сухих условиях или со спутников). Характеристики слабого поглощения озона также используются для определения плотности стратосферного озона и температуры.
Помимо явных особенностей поглощения линий молекулярного перехода, существуют также нерезонансные вклады гидрометеоров (жидких капель и замороженных частиц). Выбросы жидкой воды увеличиваются с частотой, следовательно, измерения на двух частотах, обычно одной вблизи линии поглощения воды (22,235 ГГц) и одной в близлежащей области окна (обычно 31 ГГц), где преобладает поглощение жидкости, дают информацию как о столбчатом количестве водяной пар и столбчатое количество жидкой воды отдельно (двухканальный радиометр). Так называемый «континуум водяного пара» возникает из-за влияния далеких линий водяного пара.
Более крупные капли дождя, а также более крупные замороженные гидрометеоры (снег, крупа, град) также рассеивают микроволновое излучение, особенно на более высоких частотах (> 90 ГГц). Эти эффекты рассеяния можно использовать для различения содержания воды 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]
Радиометр СВЧ состоит из антенной системы, радиочастотных компонентов СВЧ (фронтальной части) и базовой части обработки сигналов на промежуточных частотах.
Ключевым элементом является переключатель Дике, который попеременно переключается между антенной и криогенной нагрузкой при известной температуре. Расчет по изменению уровня шума дает температуру неба.
Атмосферный сигнал очень слабый, и его необходимо усилить примерно на 80 дБ. Поэтому для преобразования сигнала в более низкие частоты часто используются гетеродинные методы, что позволяет использовать коммерческие усилители и средства обработки сигналов. Все более малошумящие усилители становятся доступными для более высоких частот, т.е. до 100 ГГц, что делает гетеродинные методы устаревшими. Термическая стабилизация очень важна для предотвращения дрейфа приемника.
Обычно наземные радиометры также оснащены датчиками окружающей среды ( дождь , температура , влажность ) и GPS- приемниками (привязка времени и местоположения). Сама антенна часто производит измерения через окно из пенопласта, прозрачного в микроволновом спектре, чтобы защитить антенну от пыли, жидкой воды и льда. Часто к радиометру присоединяется также система нагнетания воздуха с подогревом, которая помогает защитить окно от капель жидкости или росы (сильные излучатели в MW), а также от льда и снега .
Как видно из рисунка выше, после приема радиочастотного сигнала на антенну он преобразуется с понижением частоты до промежуточной частоты с помощью стабильного сигнала гетеродина. После усиления с помощью малошумящего усилителя и полосовой фильтрации сигнал можно обнаружить в режиме полной мощности, разделив его на несколько частотных диапазонов с помощью спектрометра. Для высокочастотной калибровки здесь используется переключатель Дике.
Калибровка микроволнового радиометра закладывает основу для точного измерения яркостных температур и, следовательно, для точного определения параметров атмосферы, таких как температурные профили, интегрированный водяной пар и путь жидкой воды. Самый простой вариант калибровки — это так называемая «горячая-холодная» калибровка с использованием двух эталонных черных тел при известных, но разных «горячих» и «холодных» температурах , т.е. при условии линейной зависимости между входной мощностью и выходным напряжением детектора. . Зная физические температуры эталонов, можно рассчитать их яркостные температуры и напрямую связать их с обнаруженными напряжениями радиометра, следовательно, можно получить линейную зависимость между яркостными температурами и напряжениями.
Температуры калибровочных целей следует выбирать так, чтобы они охватывали весь диапазон измерений . Наземные радиометры обычно используют эталонную температуру окружающей среды в качестве «горячего» эталона. В качестве холодной мишени можно использовать либо черное тело, охлаждаемое жидким азотом (77 К), либо зенитное чистое 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. Для повышения точности и стабильности калибровок MWR можно использовать дополнительные калибровочные объекты, такие как источники внутреннего шума или переключатели Дикке.
Получение физических величин с использованием микроволновой радиометрии (например, профилей температуры или водяного пара ) не является простым, и были разработаны комплексные алгоритмы поиска (с использованием методов инверсии, таких как подход оптимальной оценки ).
Профили температуры получены путем измерения вдоль комплекса поглощения кислорода на частоте 60 ГГц. Выбросы на любой высоте пропорциональны температуре и плотности кислорода . Поскольку кислород равномерно распределен в атмосфере и по всему земному шару, сигналы яркостной температуры можно использовать для определения профиля температуры. В сигналах в центре комплекса поглощения преобладает атмосфера, ближайшая к радиометру (когда он находится на земле). Двигаясь 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 линии поглощения на частоте 22,235 ГГц.
Микроволновые приборы используются на нескольких спутниках на полярной орбите для наблюдения Земли и оперативной метеорологии , а также в рамках внеземных миссий.
Различают инструменты формирования изображений , которые используются с коническим сканированием для дистанционного зондирования поверхности Земли , например AMSR , SSMI , WINDSAT , и зондирующие инструменты, работающие в поперечном режиме, например AMSU / MHS . Первый тип использует более низкие частоты (1–100 ГГц) в атмосферных окнах для наблюдения за соленостью поверхности моря, влажностью почвы, температурой поверхности моря , скоростью ветра над океаном, осадками и снегом. Второй тип используется для измерения вдоль линий поглощения для получения профиля температуры и влажности. Кроме того, лимбовые зонды , например, MLS, используются для определения профилей газовых примесей в верхних слоях атмосферы .
Другие примеры микроволновых радиометров на метеорологических спутниках включают специальный микроволновый датчик/сканер , сканирующий многоканальный микроволновый радиометр , WindSat , микроволновый зондирующий блок и микроволновый зонд для определения влажности . Радиометр микроволновой визуализации с апертурным синтезом представляет собой интерферометр/радиометр визуализации, способный определять влажность и засоленность почвы на небольших участках поверхности.
К 2010-м годам на межпланетных космических кораблях было запущено четыре микроволновых радиометра. [13] Первым был «Маринер-2» , который использовал микроволновый прибор для определения того, что высокая температура поверхности Венеры исходит от поверхности, а не выше в атмосфере. [14] [13] Также имеются/были радиометры на зонде «Юнона- Юпитер», кометном зонде «Розетта » и «Кассини-Гюйгенс» . [13] [15]
Зонд «Юнона», запущенный в 2011 году, характеризует атмосферу Юпитера с помощью набора микроволновых радиометров. [8] Прибор Микроволнового Радиометра (MWR) на Юноне имеет несколько антенн, ведущих наблюдение в нескольких микроволновых диапазонах, чтобы проникнуть в верхний слой облаков планеты и обнаружить там особенности, температуру и содержание химических веществ. [15]
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 настройку оперативного программного обеспечения, процедур контроля качества, форматов данных и т. д. аналогично другим успешным сетям, таким как EARLINET, AERONET , CWINDE.
