Кіріспе
0,3–300 ГГц жиілігінде ЭМ сәулеленуін өлшейтін құрал. Микротолқынды радиометр (МТР) – микротолқынды деп аталатын бір миллиметрден метрге дейінгі толқын ұзындықтарында (жиілігі 0,3–300 ГГц) сәулелену энергиясын өлшейтін радиометр. Микротолқындық радиометрлер – жылулық сәулеленуді өлшеуге арналған өте сезімтал қабылдағыштар. Олар әдетте планеталық атмосфералардың, жер бетінің немесе ғарыш объектілерінің сипаттамалық эмиссиялық спектрін алу үшін бірнеше қабылдау арналарымен жабдықталған. Микротолқындық радиометрлер қоршаған ортаны қорғау және инженерлік салаларда, соның ішінде қашықтан зондтау, ауа райын болжау, климатты бақылау, радиоастрономия және радио таралу зерттеулерінде қолданылады. 1 мен 300 ГГц арасындағы микротолқындық спектрлік диапазонды пайдалану көру және инфрақызыл спектрлік диапазонға қосымша ақпарат береді. Ең бастысы, атмосфера және өсімдіктер микротолқындық спектр диапазонында жартылай мөлдір. Бұл құрғақ газдар, су буы немесе гидрометеорлар сияқты компоненттер микротолқынды сәулеленумен өзара әрекеттеседі дегенді білдіреді, бірақ жалпы алғанда бұлтты атмосфера да осы жиілік диапазонында толығымен мөлдір емес. Ауа райы мен климатты бақылау үшін микротолқындық радиометрлер ғарыштан және жерден жұмыс істейді. Қашықтан зондтау құралдары ретінде олар үздіксіз және автономды жұмыс істеуге арналған, көбінесе басқа атмосфералық қашықтан зондтаулармен, мысалы, бұлт радары мен лидарлармен бірге. Олар маңызды метеорологиялық шамаларды, мысалы, вертикальді температура мен ылғалдылық профильдерін, бағаналы су буының мөлшерін және бағаналы сұйық су жолын барлық ауа райы жағдайында минуттан секундқа дейінгі уақыт ретімен жоғары уақыттай ажыратуға мүмкіндік береді. Микротолқындық радиометрлер сондай-ақ Жердің мұхиты мен құрлық бетін қашықтан зондтау үшін, мұхит температурасы мен желдің жылдамдығын, мұздың сипаттамаларын, топырақ пен өсімдіктердің қасиеттерін алу үшін қолданылады. Атмосфераны бақылау үшін спутниктер алғаш рет пайдаланғаннан кейін, микротолқындық радиометрлер олардың аспаптарының бір бөлігіне айналды. 1962 жылы NASA-ның «Маринер-2» миссиясы Венераның бетін зерттеу үшін, су буын және температураны бақылау үшін радиометрді қоса алғанда, іске қосылды. Келесі жылдары спутниктерде микротолқындық радиометрлердің кең спектрі сыналды. 1978 жылы Сканерлі көп арналы микротолқындық радиометрдің іске қосылуы радиометрия тарихында маңызды кезең болды. Бұл ғарышқа алғаш рет конустық сканерлеу радиометрі қолданылды; ол NASA Nimbus спутнигімен ғарышқа ұшырылды. Бұл миссияның іске қосылуы Жерді тұрақты қимамен түсіруге мүмкіндік берді, бұл маңызды, өйткені жер бетінің сәуле шығаруы бұрыштық тәуелді. 1980 жылдың басында жаңа радиометрлік аспаптар жасалды. Осы типтегі аспаптарды тасымалдайтын екі ғарыш кемесі іске қосылды: Nimbus 7 және Seasat. Nimbus 7 миссиясының нәтижелері мұхит бетінің, сондай-ақ қар мен мұздықтармен жабылған жердің жағдайын жаһандық бақылауға мүмкіндік берді. Бүгінде микроволғалы құралдар, мысалы, АМСУ (Advanced Microwave Sounding Unit) және арнайы сенсорлы микроволғалы суретші/саундер (SSMIS) түрлі спутниктерде кеңінен қолданылады. Температуралық профильдерді анықтау үшін жердегі радиометрлер алғаш рет 1960 жылдары зерттелді және содан бері шудың төмендеуі және бүкіл әлемдегі бақылау желілерінде тәулік бойы 24/7 бақылаусыз жұмыс істеу мүмкіндігі жақсарды. Қарап шығу мақалалары мен егжей-тегжейлі онлайн нұсқаулық бар.
A microwave radiometer (MWR) is a radiometer that measures energy emitted at one millimeter to metre wavelengths (frequencies of 0.3–300 GHz) known as microwaves. Microwave radiometers are very sensitive receivers designed to measure thermally emitted electromagnetic radiation. They are usually equipped with multiple receiving channels to derive the characteristic emission spectrum of planetary atmospheres, surfaces or extraterrestrial objects. Microwave radiometers are utilized in a variety of environmental and engineering applications, including remote sensing, weather forecasting, climate monitoring, radio astronomy and radio propagation studies. Using the microwave spectral range between 1 and 300 GHz provides complementary information to the visible and infrared spectral range. Most importantly, the atmosphere and also vegetation is semi transparent in the microwave spectral range. This means components like dry gases, water vapor, or hydrometeors interact with microwave radiation but overall even the cloudy atmosphere is not completely opaque in this frequency range. For weather and climate monitoring, microwave radiometers are operated from space as well as from the ground. As remote sensing instruments, they are designed to operate continuously and autonomously often in combination with other atmospheric remote sensors like for example cloud radars and lidars. They allow the derivation of important meteorological quantities such as vertical temperature and humidity profiles, columnar water vapor quantity, and columnar liquid water path with a high temporal resolution on the order of minutes to seconds under nearly all weather conditions. Microwave radiometers are also used for remote sensing of Earth's ocean and land surfaces, to derive ocean temperature and wind speed, ice characteristics, and soil and vegetation properties. Soon after satellites were first used for observing the atmosphere, microwave radiometers became part of their instrumentation. In 1962 the Mariner 2 mission was launched by NASA in to investigate the surface of Venus including a radiometer for water vapor and temperature observations. In following years a wide variety of microwave radiometers were tested on satellites. The launch of the Scanning Multichannel Microwave Radiometer in 1978 became an important milestone in the history of radiometry. It was the first time a conically scanning radiometer was used in space; it was launched into space on board the NASA Nimbus satellite. The launch of this mission gave the opportunity to image the Earth at a constant angle of incidence that is important as surface emissivity is angle dependent. In the beginning of 1980, new multi frequency, dual polarization radiometric instruments were developed. Two spacecraft were launched which carried instruments of this type: Nimbus 7 and Seasat. The Nimbus 7 mission results allowed to globally monitor the state of ocean surface as well as surface covered by snow and glaciers. Today, microwave instruments like the Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) and the Special Sensor Microwave Imager / Sounder (SSMIS) are widely used on different satellites. Ground based radiometers for the determination of temperature profiles were first explored in the 1960s and have since improved in terms of reduced noise and the ability to run unattended 24/7 within worldwide observational networks. Review articles, and a detailed online handbook are available.
Жұмыс істеу принципі
Қатты денелер, сұйықтықтар (мысалы, Жердің беткі қабаты, мұхит, теңіз мұзы, қар, өсімдіктер), сонымен қатар газдар микротолқынды сәулеленуді шығарады және сіңіреді. Дәстүрлі түрде микротолқындық радиометр қабылдайтын сәулелену мөлшері қара дене температурасы, сондай-ақ жарқырау температурасы деп аталады. Микротолқынды диапазонда бірнеше атмосфералық газдар айналу сызықтарын көрсетеді. Олар оң жақтағы суретте көрсетілген ерекше сіңіру белгілерін қамтамасыз етеді, бұл олардың мөлшері мен тік құрылымы туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді. Мұндай сіңіру белгілерінің мысалы ретінде температура профильдерін алу үшін 60 ГГц шамасындағы оттегі сіңіру кешенін (магниттік дипольдық өтулерден туындайды) немесе ылғалдылықтың тік профилін бақылау үшін 22,235 ГГц шамасындағы су буы сіңіру сызығын (дипольдық айналу өтуі) қарастыруға болады. Басқа маңызды сіңіру сызықтары 118,75 ГГц-те (оттегі сіңіру) және 183,31 ГГц-те (су буы сіңіру, құрғақ жағдайда немесе спутниктерден су буы профилін құру үшін қолданылады) кездеседі. Озонға байланысты әлсіз сіңіру белгілері стратосфералық озон тығыздығы мен температура профилін құру үшін де қолданылады. Молекулалық өту сызықтарының ерекше сіңіру белгілерімен қатар, гидрометеорлардың (сұйық тамшылар мен мұздатылған бөлшектер) резонанссыз үлесі де бар. Сұйық судың шығарылуы жиілікпен артады, сондықтан екі жиілікте өлшеу, әдетте су сіңіру сызығына жақын (22,235 ГГц) және сұйық сіңіру басым болатын жақын терезе аймағында (әдетте 31 ГГц) су буының және сұйық судың бағаналық мөлшері туралы ақпаратты бөлек береді (екі каналды радиометр). "Су буы континуумы" деп аталатын нәрсе алыс су буы сызықтарының үлесінен туындайды. Ірі жаңбыр тамшылары, сондай-ақ ірі мұздатылған гидрометеорлар (қар, граупель, ақ жаңбыр) микротолқынды сәулеленуді, әсіресе жоғары жиіліктерде (>90 ГГц) шашыратады. Бұл шашырату эффектілерін полярланған өлшеулерді пайдалана отырып, жаңбыр мен бұлт суының мөлшерін ажырату үшін, сондай-ақ ғарыштан және жерден қар мен мұз бөлшектерінің бағаналық мөлшерін шектеу үшін пайдалануға болады.
Дизайн
Микротолқындық радиометр антенна жүйесінен, микротолқындық радиожиілік компоненттерінен (алдыңғы бөлігі) және сигналды орташа жиіліктерде өңдеуге арналған артқы бөлігінен тұрады. Басты элемент – Дикке коммутаторы, ол белгілі температурадағы антенна мен криогендік жүктеме арасында кезектесіп ауысады. Шу деңгейінің өзгеруінен есептелген мән аспан температурасын көрсетеді. Атмосфералық сигнал өте әлсіз болғандықтан, оны шамамен 80 дБ күшейту қажет. Сондықтан, гетеродиндік әдістер көбінесе сигналды коммерциялық күшейткіштер мен сигналды өңдеуге мүмкіндік беретін төменгі жиіліктерге түрлендіру үшін қолданылады. Бірақ, қазіргі кезде 100 ГГц-ға дейін жоғары жиіліктерде де төмен шулы күшейткіштер қолжетімді болып келеді, бұл гетеродиндік әдістерді қажетсіз етеді. Қабылдағыштың дрейфін болдырмау үшін жылулық тұрақтандыру өте маңызды. Әдетте, жерде орналасқан радиометрлер қоршаған ортаның сенсорларымен (жаңбыр, температура, ылғалдылық) және GPS қабылдағыштарымен (уақыт және орналасқан жер туралы мәліметтер) жабдықталған. Антеннаның өзі көбіктен жасалған терезе арқылы өлшейді, ол микротолқындық спектрде мөлдір болып, антеннаны шаңдан, сұйық судан және мұздан таза ұстауға көмектеседі. Көбінесе, радиометрге жылытылатын желдеткіш жүйесі де қосылады, ол терезені сұйық тамшылардан немесе шықтан (микротолқындарда күшті сәулеленушілер) және мұздан, қардан таза ұстауға көмектеседі. Суреттен көрініп тұрғанындай, радиожиілік сигналы антеннада алынғаннан кейін, тұрақты жергілікті осциллятор сигналының көмегімен аралық жиілікке төмендетіледі. Төмен шулы күшейткішпен күшейтілгеннен және жолақты өткізгіш сүзгіден өткеннен кейін, сигналды толық қуат режимінде анықтауға болады, оны спектрометрмен бірнеше жиілік жолақтарына бөліп немесе бөлу арқылы. Жоғары жиілікті калибрлеу үшін Дикке коммутаторы қолданылады.
Калибрлеу
Микротолқынды радиометрді калибрлеу – жарықтылық температурасын дәл өлшеудің негізін қалайды, демек температуралық профильдер, интегралдық су буы және сұйық судың жолы сияқты атмосфералық параметрлерді дәл анықтауға мүмкіндік береді. Калибрлеудің ең қарапайым түрі – белгілі, бірақ әртүрлі "қызыл" және "салқын" температурадағы екі эталондық қара денелерді пайдаланатын "қызыл-салқын" калибрлеуі, яғни детектордың кіріс қуаты мен шығыс кернеуі арасындағы сызықтық байланыс деп есептеу. Эталондық денелердің физикалық температурасын білгеннен кейін, олардың жарықтылық температурасын есептеуге болады және ол радиометрмен тікелей анықталған кернеулермен байланыстырылады, осылайша жарықтылық температурасы мен кернеулер арасындағы сызықтық байланыс алынады. Калибрлеу нысаналарының температурасы өлшеудің барлық диапазонын қамтуы тиіс. Жердегі радиометрлер әдетте "қызыл" эталон ретінде қоршаған ортаның температурасын пайдаланады. Ал "салқын" нысана ретінде сұйық азотпен салқындатылған қара дене (77 К) немесе радиациялық ауысу теориясынан косвенді алынған зениттік ашық аспанның жарықтылық температурасы қолданылуы мүмкін. Алғашқысы – Венераның бетінен емес, атмосфераның жоғары қабаттарынан келетін жоғары температураны микротолқынды құралмен анықтаған "Маринер-2" ғарыш кемесі. 2011 жылы ұшырылған "Юнона" ғарыш зонды микротолқынды радиометрлер жиынтығын пайдаланып Юпитер атмосферасын зерттеп жатыр. "Юнона" ғарыш кемесіндегі Микротолқынды радиометр (МРР) құралы планетаның жоғары бұлт қабатына ену үшін әртүрлі микротолқындық ұзындықтарда байқау жүргізетін бірнеше антеннаға ие, соның арқасында ондағы ерекшеліктерді, температураны және химиялық құрамын анықтауға болады.
Жердегі желілер
MWRnet – 2009 жылы құрылған, жердегі микротолқынды радиометрлермен жұмыс істейтін ғалымдар желісі. MWRnet мақсаты – MWR пайдаланушылар қауымдастығында ақпарат алмасуды жеңілдету және үйлесімді халықаралық жобаларға қатысуға көмектесу. Алдағы уақытта MWRnet-тің міндеті – EARLINET, AERONET, CWINDE сияқты басқа да табысты желілердегідей операциялық бағдарламалық құралдарды, сапаны бақылау шараларын, дерек форматтарын және т.б. әзірлеу.