Микроволновые радиометры: измеритель электромагнитного излучения 0.3–300 ГГц

Введение

Инструмент для измерения ЭМ-излучения в диапазоне частот 0,3–300 ГГц.

Микроволновый радиометр (МВР) – это радиометр, измеряющий энергию, излучаемую на длинах волн от одного миллиметра до метра (частоты 0,3–300 ГГц), известные как микроволновый диапазон. Микроволновые радиометры – это высокочувствительные приемники, предназначенные для измерения теплового электромагнитного излучения. Они обычно оснащены несколькими приемными каналами для получения характеристического спектра излучения планетных атмосфер, поверхностей или внеземных объектов. Микроволновые радиометры используются в различных областях, включая дистанционное зондирование, прогнозирование погоды, мониторинг климата, радиоастрономию и исследования распространения радиоволн. Использование микроволнового спектрального диапазона от 1 до 300 ГГц предоставляет дополнительную информацию по сравнению с видимым и инфракрасным спектральными диапазонами. Важно отметить, что атмосфера и растительность полупрозрачны в микроволновом диапазоне. Это означает, что такие компоненты, как сухие газы, водяной пар или гидрометеоры, взаимодействуют с микроволновым излучением, однако даже облачная атмосфера не является полностью непрозрачной в этом частотном диапазоне. Для мониторинга погоды и климата микроволновые радиометры используются как в космосе, так и на земле. Как инструменты дистанционного зондирования, они предназначены для непрерывной и автономной работы, часто в сочетании с другими атмосферными датчиками дистанционного зондирования, например, облачными радарами и лидарами. Они позволяют определять важные метеорологические параметры, такие как вертикальные профили температуры и влажности, содержание водяного пара в столбе атмосферы и путь жидкой воды с высоким временным разрешением – от минут до секунд – практически при любых погодных условиях. Микроволновые радиометры также используются для дистанционного зондирования поверхности океана и суши Земли, для определения температуры океана и скорости ветра, характеристик льда, а также свойств почвы и растительности. Вскоре после начала использования спутников для наблюдения за атмосферой микроволновые радиометры стали частью их оборудования. В 1962 году NASA запустила миссию Mariner 2 для исследования поверхности Венеры, включая радиометр для наблюдений за водяным паром и температурой. В последующие годы на спутниках было протестировано множество микроволновых радиометров. Запуск сканирующего многоканального микроволнового радиометра в 1978 году стал важной вехой в истории радиометрии. Это был первый случай использования конически сканирующего радиометра в космосе; он был запущен на борту спутника NASA Nimbus. Запуск этой миссии позволил получать изображения Земли под постоянным углом падения, что важно, поскольку эмиссионная способность поверхности зависит от угла. В начале 1980-х годов были разработаны новые многочастотные радиометрические приборы с двойной поляризацией. Были запущены два космических аппарата, оснащенные такими приборами: Nimbus 7 и Seasat. Результаты миссии Nimbus 7 позволили осуществлять глобальный мониторинг состояния поверхности океана, а также поверхностей, покрытых снегом и ледниками. В настоящее время 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 впервые были исследованы в 1960-х годах и с тех пор улучшились за счет снижения шума и возможности бесперебойной работы в течение 24/7 в рамках глобальных наблюдательных сетей. Доступны обзорные статьи и подробный онлайн-справочник.

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.

Принцип действия

Твердые тела, жидкости (например, поверхность Земли, океан, морской лед, снег, растительность), а также газы излучают и поглощают микроволновое излучение. Традиционно количество излучения, принимаемого микроволновым радиометром, выражается как эквивалентная температура абсолютно черного тела, также называемая яркостной температурой. В микроволновом диапазоне несколько атмосферных газов демонстрируют вращательные линии. Они обеспечивают специфические особенности поглощения, показанные на рисунке справа, которые позволяют получить информацию об их концентрации и вертикальном распределении. Примерами таких особенностей поглощения являются кислородный поглощающий комплекс (вызванный переходами магнитного диполя) вблизи 60 ГГц, используемый для определения температурных профилей, или линия поглощения водяного пара вблизи 22,235 ГГц (дипольный вращательный переход), используемая для наблюдения вертикального профиля влажности. Другие значительные линии поглощения обнаружены на частотах 118,75 ГГц (поглощение кислорода) и 183,31 ГГц (поглощение водяного пара, используемое для профилирования водяного пара в сухих условиях или со спутников). Слабые особенности поглощения, обусловленные озоном, также используются для определения плотности озона и температуры в стратосфере. Помимо отчетливых особенностей поглощения молекулярных переходных линий, существуют также нерезонансные вклады гидрометеоров (жидких капель и замороженных частиц). Излучение жидкой воды увеличивается с частотой, поэтому измерение на двух частотах – обычно одной вблизи линии поглощения воды (22,235 ГГц) и другой в близлежащем оконном диапазоне (обычно 31 ГГц), где преобладает поглощение жидкостью – позволяет получить информацию об объемном содержании водяного пара и объемном содержании жидкой воды по отдельности (двухканальный радиометр). Так называемый «непрерывный спектр водяного пара» возникает из-за вклада удаленных линий водяного пара. Крупные капли дождя, а также крупные замороженные гидрометеоры (снег, град, ледяной град) также рассеивают микроволновое излучение, особенно на более высоких частотах (> 90 ГГц). Эти эффекты рассеивания могут быть использованы для различения содержания воды в дожде и облаках с использованием поляризационных измерений, а также для оценки объемного содержания снега и льда с помощью наблюдений из космоса и с земли.

Solids, liquids (e. g. the Earth's surface, ocean, sea ice, snow, vegetation) but also gases emit and absorb microwave radiation. Traditionally, the amount of radiation a microwave radiometer receives is expressed as the equivalent blackbody temperature also called brightness temperature. In the microwave range several atmospheric gases exhibit rotational lines. They provide specific absorption features shown at a figure on the right which allow to derive information about their abundance and vertical structure. Examples for such absorption features are the oxygen absorption complex (caused by magnetic dipole transitions) around 60 GHz which is used to derive temperature profiles or the water vapor absorption line around 22.235 GHz (dipole rotational transition) which is used to observe the vertical profile of humidity. Other significant absorption lines are found at 118.75 GHz (oxygen absorption) and at 183.31 GHz (water vapor absorption, used for water vapor profiling under dry conditions or from satellites). Weak absorption features due to ozone are also used for stratospheric ozone density and temperature profiling. Besides the distinct absorption features of molecular transition lines, there are also non resonant contributions by hydrometeors (liquid drops and frozen particles). Liquid water emission increases with frequency, hence, measuring at two frequencies, typically one close to the water absorption line (22.235 GHz) and one in the nearby window region (typically 31 GHz) dominated by liquid absorption provides information on both the columnar amount of water vapor and the columnar amount of liquid water separately (two channel radiometer). The so called „water vapor continuum" arises from the contribution of far away water vapor lines. Larger rain drops as well as larger frozen hydrometeors (snow, graupel, hail) also scatter microwave radiation especially at higher frequencies (>90 GHz). These scattering effects can be used to distinguish between rain and cloud water content exploiting polarized measurements but also to constrain the columnar amount of snow and ice particles from space and from the ground.

Дизайн

Микроволновой радиометр состоит из антенной системы, микроволновых радиочастотных компонентов (передняя часть) и блока обработки сигнала на промежуточных частотах. Ключевым элементом является переключатель Дикка, который попеременно переключается между антенной и криогенной нагрузкой с известной температурой. Вычисление на основе изменения уровня шума позволяет определить температуру неба. Атмосферный сигнал очень слаб, поэтому сигнал необходимо усилить примерно на 80 дБ. В связи с этим часто используются гетеродинные методы для понижения частоты сигнала до более низких значений, что позволяет применять коммерческие усилители и обработку сигнала. Все более совершенные малошумящие усилители становятся доступными на более высоких частотах, вплоть до 100 ГГц, что делает гетеродинные методы устаревшими. Термическая стабилизация имеет решающее значение для предотвращения дрейфа приемника. Обычно наземные радиометры также оснащаются датчиками окружающей среды (дождь, температура, влажность) и GPS-приемниками (для определения времени и местоположения). Сама антенна часто измеряет через окно из вспененного материала, прозрачного для микроволнового спектра, чтобы защитить антенну от пыли, жидкой воды и льда. Часто к радиометру присоединяется система подогрева с вентилятором, которая помогает поддерживать окно свободным от капель жидкости или росы (сильных излучателей в диапазоне СВЧ), а также от льда и снега. Как видно из рисунка выше, после приема радиочастотного сигнала антенной он преобразуется в промежуточную частоту с помощью стабильного сигнала локального генератора. После усиления малошумящим усилителем и фильтрации полосы пропускания сигнал может быть детектирован в режиме полной мощности путем разделения или разделения на несколько частотных полос с помощью спектрометра. Для высокочастотной калибровки здесь используется переключатель Дикка.

Калибровка

Калибровка микроволнового радиометра является основой для точного измерения температуры яркости и, следовательно, для точного определения атмосферных параметров, таких как температурные профили, содержание интегрированного водяного пара и путь распространения жидкой воды. Самый простой вариант калибровки – так называемая "горяче-холодная" калибровка, использующая два эталонных чёрных тела с известными, но различными "горячими" и "холодными" температурами, то есть, предполагающая линейную зависимость между входной мощностью и выходным напряжением детектора. Зная физические температуры эталонов, можно рассчитать их температуры яркости и напрямую соотнести с зарегистрированными напряжениями радиометра, таким образом, получая линейную зависимость между температурой яркости и напряжением. Температуры калибровочных целей следует выбирать таким образом, чтобы они охватывали весь диапазон измерений. Наземные радиометры обычно используют температуру окружающей среды в качестве "горячего" эталона. В качестве "холодного" эталона можно использовать либо чёрное тело, охлаждаемое жидким азотом (77 К), либо температуру яркости в зените при ясной атмосфере, полученную косвенно из теории радиационного переноса. Первым был аппарат "Маринер-2", который использовал микроволновый прибор для определения высокой температуры поверхности Венеры, источником которой являлась сама поверхность, а не верхние слои атмосферы. Космический зонд "Юнона", запущенный в 2011 году, изучает атмосферу Юпитера с помощью комплекса микроволновых радиометров. Микроволновый радиометр (MWR) на "Юноне" оснащен несколькими антеннами, работающими на различных микроволновых длинах, для проникновения сквозь верхний слой облаков планеты и обнаружения особенностей, температур и химического состава в этом слое.

Наземные сети

MWRnet – это сеть, основанная в 2009 году учеными, работающими с наземными микроволновыми радиометрами. MWRnet ставит своей целью содействие обмену информацией в сообществе пользователей микроволновых радиометров и стимулирование участия в согласованных международных проектах. В перспективе, миссия MWRnet заключается в разработке оперативного программного обеспечения, процедур контроля качества, форматов данных и других компонентов, аналогичных тем, что используются в других успешных сетях, таких как EARLINET, AERONET и CWINDE.