Рассеяномеры и диффузиометры: измерительные приборы в метеорологии и дистанционном зондировании.

Введение

Метеорологические приборы
Рассеиватель или диффузиометр – это научный прибор для измерения возврата луча света или радиоволн, рассеянных диффузией в среде, такой как воздух. Диффузиометры, использующие видимый свет, можно встретить в аэропортах или вдоль дорог для измерения горизонтальной видимости. Радарные рассеиватели используют радио- или микроволновое излучение для определения нормализованного радиолокационного сечения (σ0, "сигма ноль") поверхности. Они часто устанавливаются на метеорологические спутники для определения скорости и направления ветра и применяются в промышленности для анализа шероховатости поверхностей.

Оптические

Оптические диффузиометры – это приборы, используемые в метеорологии для определения оптической дальности или горизонтальной видимости. Они состоят из источника света, как правило, лазера, и приемника. Оба расположены под углом 35° вниз, направленным в одну и ту же точку. Боковое рассеяние света в воздухе вдоль луча количественно оценивается как коэффициент ослабления. Любое отклонение от коэффициента поглощения в чистом воздухе (например, при тумане) измеряется и обратно пропорционально видимости (чем больше ослабление, тем ниже видимость). Эти приборы устанавливаются на автоматических метеостанциях для определения общей видимости, вдоль взлетно-посадочных полос аэропортов для определения дальности видимости взлетно-посадочной полосы, или вдоль дорог для оценки условий видимости. Основной недостаток этих приборов заключается в том, что измерение производится в очень малом объеме воздуха между передатчиком и приемником. Следовательно, сообщаемая видимость лишь приблизительно отражает общие условия в окрестностях прибора в однородных условиях (например, при синоптическом тумане). Это не всегда верно (например, при локальных туманах).

Радар

Радарный скеттометр работает, передавая импульс микроволновой энергии на поверхность Земли и измеряя отраженную энергию. Для определения мощности обратного рассеяния производится отдельное измерение мощности только шума, которое вычитается из измерения сигнала плюс шум. Сигма 0 (σ⁰) вычисляется на основе измерения мощности сигнала с использованием распределенного радарного уравнения цели. Приборы для измерения рассеяния очень точно калибруются для получения точных измерений обратного рассеяния. Основным применением космической скеттометрии является измерение ветра вблизи поверхности океана. Такие приборы называются ветровыми скеттометрами. Комбинируя измерения сигма 0 с различных углов азимута, вектор ветра вблизи поверхности океана может быть определен с использованием геофизической модельной функции (ГМФ), которая связывает ветер и обратное рассеяние. Над океаном радиолокационное обратное рассеяние возникает в результате рассеяния капиллярно-гравитационных волн, генерируемых ветром, которые обычно находятся в равновесии с ветром вблизи поверхности океана. Механизм рассеяния известен как рассеяние Брэгга, которое происходит от волн, находящихся в резонансе с микроволнами. Мощность обратного рассеяния зависит от скорости и направления ветра. При наблюдении с различных углов азимута наблюдаемое обратное рассеяние от этих волн изменяется. Эти изменения могут быть использованы для оценки ветра на поверхности моря, то есть его скорости и направления. Этот процесс оценки иногда называют «извлечением ветра» или «инверсией модельной функции». Это нелинейная процедура инверсии, основанная на точном знании ГМФ (в эмпирической или полуэмпирической форме), которая связывает обратное рассеяние скеттометра и вектор ветра. Для извлечения требуются измерения с угловым разнообразием с использованием ГМФ, которые обеспечиваются скеттометром, выполняющим несколько измерений обратного рассеяния одной и той же точки на поверхности океана с разных углов азимута. Измерения ветра с помощью скеттометров используются для изучения взаимодействия атмосферы и океана, климатических исследований и особенно полезны для мониторинга ураганов. Данные обратного рассеяния скеттометров применяются для изучения растительности, влажности почвы, полярного льда, отслеживания антарктических айсбергов и глобальных изменений. С помощью скеттометров измеряют ветер над песчаными и снежными дюнами из космоса. К неземным применениям относится изучение спутников Солнечной системы с использованием космических аппаратов, особенно миссии NASA/ESA Cassini к Сатурну и его спутникам. Несколько поколений ветровых скеттометров были запущены в космос NASA, ESA и NASDA. Первый операционный ветровой скеттометр был известен как Seasat Scatterometer (SASS) и был запущен в 1978 году. Это была система с веерным лучом, работающая в Ku-диапазоне (14 ГГц). В 1991 году ESA запустила европейский спутник дистанционного зондирования ERS 1 с усовершенствованным микроволновым прибором (AMI) скеттометром, за которым последовал ERS 2 AMI скеттометром в 1995 году. Обе системы AMI с веерным лучом работали в C-диапазоне (5,6 ГГц). В 1996 году NASA запустила NASA Scatterometer (NSCAT) на борту спутника NASDA ADEOS I, а в 1999 году NASA запустила первый сканирующий скеттометр SeaWinds на QuikSCAT. Он работал в Ku-диапазоне. Второй инструмент SeaWinds был запущен на NASDA ADEOS 2 в 2002 году. Индийская организация космических исследований запустила Ku-диапазонный скеттометр на своей платформе Oceansat 2 в 2009 году. ESA и EUMETSAT запустили первый C-диапазонный ASCAT в 2006 году на борту Metop A. Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), запущенная в 2016 году, представляет собой созвездие из восьми небольших спутников, использующих бистатический подход путем анализа отражения сигналов Global Positioning System (GPS) от поверхности Земли, а не используя бортовой радиолокационный передатчик.

A radar scatterometer operates by transmitting a pulse of microwave energy towards the Earth's surface and measuring the reflected energy. A separate measurement of the noise only power is made and subtracted from the signal+noise measurement to determine the backscatter signal power. Sigma 0 (σ⁰) is computed from the signal power measurement using the distributed target radar equation. Scatterometer instruments are very precisely calibrated in order to make accurate backscatter measurements. The primary application of spaceborne scatterometry has been measurements of near surface winds over the ocean. Such instruments are known as wind scatterometers. By combining sigma 0 measurements from different azimuth angles, the near surface wind vector over the ocean's surface can be determined using a geophysical model function (GMF) which relates wind and backscatter. Over the ocean, the radar backscatter results from scattering from wind generated capillary gravity waves, which are generally in equilibrium with the near surface wind over the ocean. The scattering mechanism is known as Bragg scattering, which occurs from the waves that are in resonance with the microwaves. The backscattered power depends on the wind speed and direction. Viewed from different azimuth angles, the observed backscatter from these waves varies. These variations can be exploited to estimate the sea surface wind, i. e. its speed and direction. This estimate process is sometimes termed 'wind retrieval' or 'model function inversion'. This is a non linear inversion procedure based on an accurate knowledge of the GMF (in an empirical or semi empirical form) that relates the scatterometer backscatter and the vector wind. Retrieval requires an angular diversity scatterometer measurements with the GMF, which is provided by the scatterometer making several backscatter measurements of the same spot on the ocean's surface from different azimuth angles. Scatterometer wind measurements are used for air sea interaction, climate studies and are particularly useful for monitoring hurricanes. Scatterometer backscatter data are applied to the study of vegetation, soil moisture, polar ice, tracking Antarctic icebergs and global change. Scatterometer measurements have been used to measure winds over sand and snow dunes from space. Non terrestrial applications include study of Solar System moons using space probes. This is especially the case with the NASA/ESA Cassini mission to Saturn and its moons. Several generations of wind scatterometers have been flown in space by NASA, ESA, and NASDA. The first operational wind scatterometer was known as the Seasat Scatterometer (SASS) and was launched in 1978. It was a fan beam system operating at Ku band (14 GHz). In 1991 ESA launched the European Remote Sensing Satellite ERS 1 Advanced Microwave Instrument (AMI) scatterometer, followed by the ERS 2 AMI scatterometer in 1995. Both AMI fan beam systems operated at C band (5.6 GHz). In 1996 NASA launched the NASA Scatterometer (NSCAT), on board the NASDA ADEOS I satellite, NASA launched the first scanning scatterometer, known as SeaWinds, on QuikSCAT in 1999. It operated at Ku band. A second SeaWinds instrument was flown on the NASDA ADEOS 2 in 2002. The Indian Space Research Organisation launched a Ku band scatterometer on their Oceansat 2 platform in 2009. ESA and EUMETSAT launched the first C band ASCAT in 2006 onboard Metop A. The Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), launched in 2016, is a constellation of eight small satellites utilizing a bistatic approach by analyzing the reflection from the Earth's surface of Global Positioning System (GPS) signals, rather than using an onboard radar transmitter.

Вклад в ботанику

Скаттерометры помогли доказать гипотезу, восходящую к середине XIX века, об анизотропной (зависящей от направления) переносимости на большие расстояния посредством ветра, чтобы объяснить тесные флористические связи между материками. В работе, опубликованной журналом Science в мае 2004 года под названием "Ветер как средство дальнего расселения в Южном полушарии", использовались ежедневные измерения азимута и скорости ветра, полученные со спутника SeaWinds с 1999 по 2003 год. Исследователи обнаружили более сильную корреляцию между флористическим сходством и ветровой связанностью, чем с географической близостью, что подтверждает представление о том, что ветер является средством расселения для многих организмов в Южном полушарии.

Полупроводниковое и высокоточное производство

Скатерометры широко используются в метрологии для измерения шероховатости полированных и шлифованных поверхностей в полупроводниковой и прецизионной обрабатывающей промышленности. Они предоставляют быструю и бесконтактную альтернативу традиционным контактным методам для оценки топографии. Скатерометры совместимы с вакуумной средой, нечувствительны к вибрациям и могут быть легко интегрированы с оборудованием для обработки поверхностей и другими метрологическими приборами.