Микроволновый 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 — это очень чувствительные приемники, предназначенные для измерения термически излучаемого электромагнитного излучения . Они обычно оснащены несколькими приемными каналами для получения характерного спектра излучения планетарных 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 частотном диапазоне. [1]
Для мониторинга погоды и климата микроволновые радиометры работают как из космоса, так и с земли. [1] [2] Как приборы дистанционного зондирования , они предназначены для непрерывной и автономной работы, часто в сочетании с другими атмосферными дистанционными датчиками, такими как, например, облачные радары и лидары . Они позволяют выводить 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 океанских и земных поверхностей, чтобы выводить температуру океана и скорость ветра, характеристики льда, а также свойства почвы и растительности. [1] [2]
Первые разработки микроволнового радиометра были посвящены измерению излучения внеземного происхождения в 1930-х и 1940-х годах. Наиболее распространенная форма микроволнового радиометра была введена 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 первым 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 впервые стали использоваться для наблюдения за атмосферой, микроволновые радиометры стали частью их приборов. В 1962 году NASA запустило миссию Mariner-2 для исследования поверхности Венеры , включая радиометр для наблюдений за водяным паром и температурой . В последующие годы на спутниках было испытано большое количество микроволновых радиометров . Запуск сканирующего многоканального микроволнового радиометра в 1978 году стал важной вехой в истории радиометрии. Это был первый случай использования конического сканирующего радиометра 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 излучательная способность поверхности зависит от угла. В начале 1980 года были разработаны новые многочастотные двухполяризационные радиометрические приборы. Было запущено два космических аппарата, которые несли приборы этого типа: Nimbus-7 и Seasat . Результаты миссии Nimbus-7 позволили осуществлять глобальный мониторинг состояния 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 были усовершенствованы с точки зрения снижения шума и возможности автономной круглосуточной работы 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, получаемое микроволновым радиометром, выражается как эквивалентная температура черного тела, также называемая яркостной температурой . В микроволновом диапазоне несколько атмосферных газов демонстрируют вращательные линии. Они обеспечивают определенные характеристики поглощения , показанные на рисунке справа, которые позволяют получить информацию об их распространенности и вертикальной структуре. Примерами таких характеристик поглощения являются комплекс поглощения кислорода (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 за вертикальным профилем влажности . Другие значимые линии поглощения находятся на частотах 118,75 ГГц (поглощение кислорода) и 183,31 ГГц (поглощение водяного пара, используется для профилирования водяного пара в сухих условиях или со спутников). Слабые характеристики поглощения, обусловленные озоном, также используются для определения плотности и температуры стратосферного озона.
Помимо отчетливых особенностей поглощения молекулярных переходных линий, существуют также нерезонансные вклады гидрометеоров (жидких капель и замороженных частиц). Эмиссия жидкой воды увеличивается с частотой, поэтому измерение на двух частотах, обычно одной близкой к линии поглощения воды (22,235 ГГц) и одной в близлежащей области окна (обычно 31 ГГц), где доминирует поглощение жидкости, дает информацию как о столбчатом количестве водяного пара, так и о столбчатом количестве жидкой воды по отдельности (двухканальный радиометр). Так называемый «континуум водяного пара» возникает из-за вклада 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 воды в дожде и облаках, используя поляризованные измерения [10] , а также для ограничения столбчатого количества частиц снега и льда из космоса [11] и с земли. [12]
Микроволновый радиометр состоит из антенной системы, микроволновых радиочастотных компонентов (входного каскада) и выходного каскада для 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 слаб, и его необходимо усилить примерно на 80 дБ. Поэтому для преобразования сигнала на более низкие частоты часто используются гетеродинные методы, которые позволяют использовать коммерческие усилители и обработку сигнала. Усилители с более низким уровнем шума становятся доступными на более высоких частотах, т. е. до 100 ГГц, что делает гетеродинные методы устаревшими. Термостабилизация крайне 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 измеряет через окно, сделанное из пены, которая прозрачна в микроволновом спектре, чтобы сохранить антенну чистой от пыли, жидкой воды и льда. Часто также к радиометру присоединяется система подогреваемого воздуха, которая помогает сохранять окно свободным от капель жидкости или росы (мощные излучатели в микроволновом диапазоне), а также ото льда и снега .
Как видно из рисунка выше, после того, как радиочастотный сигнал принимается антенной, он преобразуется с понижением частоты до промежуточной частоты с помощью стабильного сигнала гетеродина. После усиления с помощью усилителя с низким уровнем шума и полосовой фильтрации сигнал может быть обнаружен в режиме полной мощности, путем разделения или расщепления его на несколько частотных диапазонов с помощью спектрометра. Для высокочастотных калибровок здесь используется переключатель Дике.
Калибровка микроволнового радиометра задает основу для точных измерений яркостных температур и, следовательно, для точных восстановленных параметров атмосферы, таких как температурные профили, интегрированный путь водяного пара и жидкой воды. Простейший вариант калибровки - это так называемая "горячая-холодная" калибровка с использованием двух эталонных черных тел при известных, но разных, "горячих" и "холодных" температурах , т.е. предполагая линейную зависимость между входной мощностью и выходным напряжением детектора. Зная физические температуры эталонов, их яркостные температуры можно рассчитать и напрямую связать с обнаруженными напряжениями радиометра, следовательно, можно получить линейную зависимость между яркостными температурами и напряжениями.
Температуры калибровочных целей должны быть выбраны таким образом, чтобы они охватывали весь диапазон измерений. Наземные радиометры обычно используют цель температуры окружающей среды в качестве «горячего» эталона. В качестве холодной цели можно использовать либо охлаждаемое жидким азотом черное тело (77 К), либо зенитный ТБ ясного неба, который был получен 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 цели, такие как внутренние источники шума или переключатели Дике.
Извлечение физических величин с использованием микроволновой радиометрии (например, профилей температуры или водяного пара ) не является простым, поэтому были разработаны комплексные алгоритмы извлечения (использующие методы инверсии, такие как подход оптимальной оценки ).
Температурные профили получаются путем измерения вдоль комплекса поглощения кислорода на частоте 60 ГГц. Эмиссия на любой высоте пропорциональна температуре и плотности кислорода . Поскольку кислород равномерно распределен в атмосфере и вокруг земного шара, сигналы яркостной температуры могут использоваться для получения температурного профиля. Сигналы в центре комплекса поглощения доминируют в атмосфере, ближайшей к радиометру (при наземном базировании). Двигаясь в область окна, сигнал представляет собой суперпозицию из близких и далеких областей атмосферы. Таким образом, комбинация нескольких каналов содержит информацию о вертикальном распределении температуры. Похожий подход используется для получения вертикальных профилей водяного пара с использованием его линии поглощения на частоте 22,235 ГГц, а также вокруг линии поглощения 183,31 ГГц.
Микроволновые приборы установлены на нескольких полярно-орбитальных спутниках для наблюдения за Землей и оперативной метеорологии , а также являются частью внеземных миссий.
Различают приборы визуализации , которые используются с коническим сканированием для дистанционного зондирования поверхности Земли , например, AMSR , SSMI , WINDSAT , и зондирующие приборы, которые работают в режиме кросс-трека, например, ATMS/ 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. Помимо оптических датчиков наблюдения за Землей, пассивные микроволны могут использоваться для определения эквивалента воды в снеге (содержание жидкой воды в снеге) путем сравнения различных частот. [13] [14] Второй тип используется для измерения вдоль линий поглощения для получения профиля температуры и влажности. Кроме того, лимбовые зонды , например, MLS, используются для получения профилей следов газа в верхней атмосфере .
Другие примеры микроволновых радиометров на метеорологических спутниках включают специальный сенсорный микроволновый/визуализатор , сканирующий многоканальный микроволновый радиометр , WindSat , микроволновый зондирующий блок и микроволновый зонд влажности . Микроволновый визуализирующий радиометр с апертурным синтезом представляет собой интерферометр/визуализирующий радиометр, способный определять влажность и соленость почвы на небольших участках поверхности.
К 2010-м годам четыре микроволновых радиометра были запущены на межпланетных космических аппаратах. [15] Первым был Mariner 2 , который использовал микроволновый прибор для определения того, что высокая температура поверхности Венеры исходила от поверхности, а не выше в атмосфере. [16] [15] Радиометры также есть/были на зонде Juno Jupiter, зонде Rosetta comet и Cassini-Huygens . [15] [17]
Зонд Juno, запущенный в 2011 году, характеризует атмосферу Юпитера с помощью набора микроволновых радиометров. [8] Прибор микроволнового радиометра (MWR) на Juno имеет несколько антенн, ведущих наблюдение в нескольких различных микроволновых длинах волн, чтобы проникать в верхний облачный слой планеты и обнаруживать там особенности, температуру и химическое содержание. [17]
MWRnet — это сеть, созданная в 2009 году учеными, работающими с наземными микроволновыми радиометрами. MWRnet направлена на содействие обмену информацией в сообществе пользователей MWR, способствуя участию в скоординированных международных проектах. В долгосрочной перспективе миссия MWRnet направлена на создание операционного программного обеспечения, процедур контроля качества, форматов данных и т. д., аналогично другим успешным сетям, таким как EARLINET, AERONET , CWINDE.
