stringtranslate.com

Скаттерометр

Рассеиватель или диффузиометр — это научный прибор для измерения отражения луча света или радиолокационных волн, рассеянных диффузией в среде, такой как воздух. Диффузиометры, использующие видимый свет, можно найти в аэропортах или вдоль дорог для измерения горизонтальной видимости . Радарные скаттерометры используют радиоволны или микроволны для определения нормализованной эффективной площади рассеяния (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.

Оптический

Аэропортовый скаттерометр (или диффузометр).

Оптические диффузиометры — это устройства, используемые в метеорологии для определения оптического диапазона или горизонтальной видимости. Они состоят из источника света, обычно лазера , и приемника. Оба располагаются под углом 35° вниз, направленными на общую область. Боковое рассеяние воздухом вдоль светового луча количественно определяется как коэффициент затухания . Любое отклонение от коэффициента затухания при ясном воздухе (например, в тумане) измеряется и обратно пропорционально видимости (чем больше потеря, тем ниже видимость).

Эти устройства находятся на автоматических метеостанциях для общей видимости, вдоль взлетно-посадочных полос аэропортов для дальности видимости на взлетно-посадочной полосе или вдоль дорог для визуальных условий. Их главный недостаток заключается в том, что измерение выполняется в очень небольшом объеме воздуха между передатчиком и приемником. Поэтому сообщаемая видимость является репрезентативной только для общих условий вокруг прибора в обобщенных условиях ( например, синоптический туман). Это не всегда так (например, пятнистый туман).

Радар

Радарный скаттерометр

Радиолокационный скаттерометр работает, передавая импульс микроволновой энергии к поверхности Земли и измеряя отраженную энергию. Отдельное измерение мощности только шума выполняется и вычитается из измерения сигнала + шума для определения мощности сигнала обратного рассеяния . Сигма-0 (σ⁰) вычисляется из измерения мощности сигнала с использованием уравнения распределенной целевой РЛС. Приборы скаттерометра очень точно калибруются для выполнения точных измерений обратного рассеяния.

Основным применением космической скаттерометрии были измерения приповерхностного ветра над океаном . [1] Такие приборы известны как ветровые скаттерометры. Объединяя измерения сигма-0 с разных азимутальных углов, вектор приповерхностного ветра над поверхностью океана можно определить с помощью геофизической модельной функции (GMF), которая связывает ветер и обратное рассеяние. Над океаном обратное рассеяние радара является результатом рассеяния от капиллярно-гравитационных волн, генерируемых ветром, которые, как правило, находятся в равновесии с приповерхностным 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. При наблюдении с разных азимутальных углов наблюдаемое обратное рассеяние от этих волн меняется. Эти изменения можно использовать для оценки ветра на поверхности моря, т. е. его скорости и направления. Этот процесс оценки иногда называют « восстановлением ветра» или « инверсией функции модели» . Это нелинейная процедура инверсии, основанная на точном знании ГМП (в эмпирической или полуэмпирической форме), которая связывает обратное рассеяние скаттерометра и вектор ветра. Для восстановления требуются измерения скаттерометра с угловым разнесением с ГМП, которое обеспечивается скаттерометром, делающим несколько измерений обратного рассеяния одного и того же места на поверхности океана с разных азимутальных углов.

Снимок тайфуна «Соулик» 4-й категории интенсивности, сделанный прибором ASCAT (Advanced Scatterometer) спутника Eumetsat на борту спутника Metop -A.

Измерения ветра с помощью скаттерометра используются для исследования взаимодействия воздуха и моря, изучения климата и особенно полезны для мониторинга ураганов . [2] Данные обратного рассеяния с помощью скаттерометра применяются для изучения растительности , влажности почвы , полярного льда , отслеживания антарктических айсбергов [3] и глобальных изменений . [4] Измерения скаттерометра использовались для измерения ветра над песчаными и снежными дюнами из космоса. Неземные приложения включают изучение лун Солнечной системы с помощью космических зондов. Это особенно касается миссии NASA/ESA Cassini к Сатурну и его лунам.

Несколько поколений ветровых скаттерометров были запущены в космос NASA , ESA и NASDA . Первый рабочий ветровый скаттерометр был известен как Seasat Scatterometer (SASS) и был запущен в 1978 году. [5] Это была веерная система, работающая в Ku-диапазоне (14 ГГц). В 1991 году ESA запустило европейский спутник дистанционного зондирования ERS-1 Advanced Microwave Instrument (AMI) скаттерометр, [6] за которым в 1995 году последовал скаттерометр ERS-2 AMI. Обе системы AMI с веерным лучом работали в C-диапазоне (5,6 ГГц). В 1996 году NASA запустило NASA Scatterometer (NSCAT) на борту спутника NASDA ADEOS I , [1] веерную систему Ku-диапазона. [7] NASA запустило первый сканирующий скаттерометр, известный как SeaWinds , на QuikSCAT в 1999 году. Он работал в Ku-диапазоне. Второй прибор SeaWinds был запущен на спутнике NASDA ADEOS-2 в 2002 году. Индийская организация космических исследований запустила скаттерометр Ku-диапазона на своей платформе Oceansat-2 в 2009 году. ЕКА и EUMETSAT запустили первый ASCAT-диапазон C в 2006 году на борту Metop -A. [8] Глобальная навигационная спутниковая система Cyclone ( CYGNSS), запущенная в 2016 году, представляет собой созвездие из восьми небольших спутников, использующих бистатический подход путем анализа отражения от поверхности Земли сигналов глобальной системы позиционирования (GPS) вместо использования бортового радиолокационного передатчика.

Вклад в ботанику

Скаттерометры помогли доказать гипотезу, выдвинутую в середине XIX века, об анизотропном (зависящем от направления) распространении ветра на большие расстояния, что позволило объяснить сильное флористическое родство между участками 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, проведенные скаттерометром SeaWinds с 1999 по 2003 год. Они обнаружили более сильную корреляцию флористического сходства с ветровой связанностью, чем с географической близостью, что подтверждает идею о том, что ветер является средством распространения для многих организмов в Южном полушарии.

Полупроводниковое и прецизионное производство

Рефлектометры широко используются в метрологии для измерения шероховатости полированных и шлифованных поверхностей в полупроводниковой и прецизионной обрабатывающей промышленности. [9] Они обеспечивают быструю и бесконтактную альтернативу традиционным методам щупа для оценки топографии. [10] [11] Рефлектометры совместимы с вакуумными средами, нечувствительны к вибрации и могут быть легко интегрированы с обработкой поверхности и другими метрологическими инструментами. [12] [13]

Использует

Иллюстрация расположения ISS-RapidScat на Международной космической станции

Примеры использования на спутниках наблюдения Земли или установленных приборах, а также даты эксплуатации: [14]

Ссылки

  1. ^ ab F. Naderi; MH Freilich & DG Long (июнь 1991 г.). «Космическое радиолокационное измерение скорости ветра над океаном — обзор системы скаттерометра NSCAT». Труды IEEE . 79 (6): 850–866. doi :10.1109/5.90163.
  2. ^ PS Chang, Z. Jelenak, JM Sienkiewicz, R. Knabb, MJ Brennan, DG Long и M. Freeberg. Operational Use and Impact of Satellite Remotely Sensed Ocean Surface Vector Winds in the Marine Warning and Forecasting Environment, Oceanography , Vol. 22, No. 2, pp. 194–207, 2009.
  3. ^ KM Stuart и DG Long, Отслеживание больших столовых айсбергов с использованием микроволнового скаттерометра SeaWinds Ku-диапазона, Deep-Sea Research Часть II , doi :10.1016/j.dsr2.2010.11.004, том 58, стр. 1285–1300, 2011.
  4. ^ DG Long, MR Drinkwater, B. Holt, S. Saatchi и C. Bertoia. Глобальные исследования льда и климата суши с использованием данных скаттерометра, EOS, Труды Американского геофизического союза , т. 82, № 43, стр. 503, 23 октября 2001 г.
  5. ^ WL Grantham и др., Спутниковый скаттерометр SeaSat-A, Журнал IEEE по океанической инженерии , т. OE-2, стр. 200–206, 1977.
  6. ^ Э. Аттема, Активный микроволновый прибор на борту спутника ERS-1, Труды IEEE , 79, 6, стр. 791–799, 1991.
  7. ^ WY Tsai, JE Graf, C. Winn, JN Huddleston, S. Dunbar, MH Freilich, FJ Wentz, DG Long и WL Jones. Проверка и калибровка датчиков после запуска скаттерометра NASA, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , том 37, № 3, стр. 1517–1542, 1999.
  8. ^ J. Figa-Saldaña, JJW Wilson, E. Attema, R. Gelsthorpe, MR Drinkwater и A. Stoffelen. Усовершенствованный скаттерометр (ASCAT) на метеорологической операционной платформе (MetOp): продолжение европейских скаттерометров ветра, Canadian Journal of Remote Sensing , том 28, № 3, июнь 2002 г.
  9. ^ Джон К. Стовер. SPIE Optical Engineering Press, 1995 – Наука – 321 страница.
  10. ^ Майер, Г. и др. (1988) «Новый оптический подход к атомно-силовой микроскопии», Applied Physics Letters, 53, 1045–1047
  11. ^ Баумейстер, Теодор и др. (1967) Стандартный справочник для инженеров-механиков. McGraw-Hill, LCCN 16-12915
  12. ^ Джон М. Герра. «Практический интегральный скаттерометр», Proc. SPIE 1009, Измерение и характеристика поверхности, 146 (21 марта 1989 г.)
  13. ^ "Шероховатость через скаттерометрию". ZebraOptical . Получено 30 декабря 2016 г.
  14. ^ "Scatterometry & Ocean Vector Winds: Satellite Studies". Университет штата Флорида . Получено 30 декабря 2016 г.

Внешние ссылки