En mikrovågsradiometer är ett fjärravkänningsinstrument som mäter energi i mikrovågsområdet (vid frekvenser från 1 till 1000 GHz ). De flesta mikrovågsradiometrar är utrustade med flera mottagarkanaler för att effektivt karakterisera strålning som tas emot från atmosfären eller föremål i rymden . För närvarande används mikrovågsradiometrar i stor utsträckning inom olika områden av mänsklig aktivitet från vetenskaplig forskning inom området geofysik och radioastronomi till tekniska undersökningar.
Analys av mikrovågsstrålning i intervallet 1-300 GHz gör det möjligt att använda ytterligare information i det synliga och infraröda området . Atmosfären och vegetationen är genomskinlig i mikrovågsområdet , medan atmosfäriska komponenter som torra gaser, vattenånga eller nederbörd aktivt interagerar med mikrovågsstrålning . Men även en grumlig atmosfär i ett givet frekvensområde sänder en viss mängd strålning [1] .
Mikrovågsradiometrar används både på marken och i rymden för väder- och klimatforskning och för atmosfärisk övervakning [1] [2] . Moderna mikrovågsradiometrar är tillverkade för att fungera i oavbrutet automatiskt läge. Dessutom designas vissa typer av radiometrar för att användas tillsammans med andra atmosfäriska fjärravkänningsinstrument som lidarer eller radarer . Radiometrar ger ovärderlig information om meteorologiska egenskaper såsom: temperatur , relativ fuktighet , integrerat vattenånginnehåll i atmosfärskolonnen, vätskedroppar innehåll av vattenånga . Alla egenskaper läses av radiometrar i hög temporal och rumslig upplösning i realtid i nästan alla väderförhållanden [3] .
De första utvecklingarna av mikrovågsradiometrar avsedda för studier av kosmisk strålning går tillbaka till 1930- och 1940-talen. Robert Dicke 1946 utvecklade och tog i drift en av de vanligaste, som det visade sig senare, typerna av mikrovågsradiometrar. Denna radiometer, designad för att mäta temperaturen på mikrovågsbakgrundsstrålningen , tillverkades vid Massachusetts Institute of Technology , i Radiation Research Laboratory. Driftsområdet för denna radiometer var beläget vid en våglängd av 1,25 cm. Senare, med hjälp av tre olika radiometrar (våglängderna för dessa radiometrar var lika med 1, 1,25 och 1,5 cm), kunde Dicke detektera svag atmosfärisk absorption i mikrovågsområdet [4] .
Strax efter att de första satelliterna skjutits upp i rymden blev mikrovågsradiometrar en integrerad del av orbitalutrustning. 1962 sändes Mariner 2- satelliten , utrustad med en mikrovågsradiometer för att mäta vattenånginnehåll och temperatur , ut i rymden av NASA- anställda för att studera Venus yta . År 1968 lanserade sovjetiska forskare världens första multifrekvensradiometer ombord på satelliten Kosmos-243, designad för radiometrisk undersökning av planeten jorden. Radiospektrometern ombord på satelliten Kosmos-243 inkluderade nadirriktade kanaler med våglängder på 0,8, 1,35, 3,4 och 8,5 cm. Under de följande åren installerades många mikrovågsradiometrar på olika satelliter . En av de viktigaste punkterna i mikrovågsradiometrins historia var lanseringen av Scanning Multichannel Microwave Radiometer ombord på Nimbus- satelliten 1978. En egenskap hos denna radiometer var det koniska scanningsläget, som användes för att ta bilder av jorden med en konstant betraktningsvinkel. Vinkelfaktorn var nyckeln i denna fråga, eftersom de utstrålande egenskaperna hos jordytan har ett vinkelberoende. I början av 1980-talet utvecklades nya varianter av mikrovågsradiometrar som kunde fungera vid flera frekvenser och hade bipolär polarisering . Två nya radiometrar av typen lanserades som en del av rymduppdragen Nimbus-7 och Seasat . Nimbus-7 har brutit ny mark inom geofysisk övervakning genom att ta mikrovågsmätningar av hav , snötäckta jordar och glaciärer. Dessa dagar används mikrovågsradiometrar inte bara i rymden ombord på satelliter utan även på marken.
Markbaserade mikrovågsradiometrar, byggda för atmosfärisk temperaturprofilering , utvecklades först och togs i bruk på 1960-talet. Teknologiska framsteg och utvecklingar inom området för mikrovågsradiometri har gjort betydande framsteg i utvecklingen av radiometrar. För närvarande är atmosfärsstudier med mikrovågsradiometrar väl koordinerade och automatiserade på grund av närvaron av olika markbaserade övervakningsnätverk [5] .
Ämnen i fasta , flytande och gasformiga tillstånd (d.v.s. jordens yta, hav , polaris, snö och vegetation ) avger och absorberar mikrovågsstrålning. Mängden strålning som registreras av en radiometer uttrycks vanligtvis med ljushetstemperatur , en sorts ekvivalent med temperaturen på en svart kropp . I mikrovågsområdet finns det flera atmosfäriska gaser samtidigt som har en roterande absorptionslinje. Varje gas har unika absorptionsegenskaper, på basis av vilka det är möjligt att bedöma mängden av en viss gas i atmosfären och dess vertikala struktur. En av syreabsorptionslinjerna är till exempel i området 60 GHz . Absorptionsegenskaperna hos syremolekyler orsakas av magnetiska dipolövergångar. Med hjälp av dessa egenskaper kan man beräkna atmosfärens temperaturegenskaper . En stark vattenångabsorptionslinje ligger i området 22,235 GHz och kan användas för att karakterisera luftfuktighet. Det finns många viktiga absorptionslinjer vid andra frekvenser , bland vilka det är värt att notera den andra syreabsorptionslinjen (118,72 GHz ) och en annan vattenångabsorptionslinje (183,31 GHz ). Det finns andra svagare absorptionslinjer, såsom de av ozon , som används för att mäta dess stratosfäriska koncentration och för att mäta temperaturen i stratosfären .
Nederbörd som flytande vattendroppar eller frusna ispartiklar kan användas som mikrovågskällor för atmosfärisk information på svaga molekylära absorptionsband. Strålningen av flytande vatten ökar med frekvensen , vilket innebär att mikrovågsmätningar vid två frekvenser (varav den ena är nära absorptionscentrum och den andra är närmare den transparenta zonen) gör att vi kan få den viktigaste informationen om det vertikala innehållet i vattenånga och flytande droppvatten . Denna mätteknik används i radiometrar utrustade med två eller flera kanaler. Vanligtvis väljs bandet runt 22,235 GHz som linjen nära absorptionsbandet , medan bandet runt 31 GHz väljs som den transparenta zonen. Dessutom finns det ett mönster av ökande mikrovågsstrålningsspridning beroende på tillväxten av nederbörd vid höga frekvenser (mer än 90 GHz ). Denna spridningsförstärkningseffekt används i atmosfäriska observationer med hjälp av polarisationsmikrovågsmätningar för att separera regn och moln med hög effektivitet i de önskade parametrarna [6] . Dessutom kan denna effekt användas för att koppla samman profilinnehållet hos snö- eller ispartiklar mätt från rymden [7] eller från jorden [8] .
En mikrovågsradiometer består av en antenn, RF- mikrovågskomponenter och ett signalbehandlingssystem för mellanfrekvens . Signalen som kommer från atmosfären är vanligtvis mycket svag och behöver förstärkas i storleksordningen 80 dB. För förstärkning använder de ofta en heterodynteknik, med dess hjälp omvandlas signalen till lägre frekvenser . För att undvika onödigt buller vid den mottagande enheten måste temperaturförhållandena inuti systemet hållas stabila.
De flesta markbaserade mikrovågsradiometrar är utrustade med externa meteorologiska sensorer som är känsliga för temperatur- och luftfuktighetsförändringar i atmosfären . Dessutom är användningen av GPS -sensorer nu utbredd, som fästs på radiometerkroppen från utsidan och möjliggör inspelning av tid och plats. Antennen är i de flesta fall placerad inuti radiometern. Mätningar görs genom ett hål fyllt med ett skummaterial som är genomskinligt för mikrovågsstrålning . Detta material är utformat för att skydda antennen från damm, flytande vatten eller snö . Radiometern kan också utrustas med en fläkt som är utformad för att skydda radiometerns instrumentöppning från ansamling av dagg , snö eller is.
Väl på antennen under mottagning ändras signalfrekvensen mot mellanliggande radiofrekvenser. Denna process sker med hjälp av en oscillator installerad inuti radiometern. Sedan höjs signalstyrkan med hjälp av en förstärkare . I detta skede registreras signalen av systemet i full effektläge . Signalen registreras genom att dela upp den i flera frekvensband med hjälp av en spektrometer . I de fall högfrekvent instrumentkalibrering krävs, används en Dicke-omkopplare.
Kalibrering är en av de viktigaste processerna för avstämning av radiometer och är grunden för efterföljande högprecisionsmätningar av ljusstyrka . Därför kommer kvaliteten på de resulterande data, såsom luftfuktighetsprofiler, temperaturprofiler eller atmosfäriskt vattenånginnehåll , att bero på kvaliteten på kalibreringsprocessen . Det enklaste sättet att kalibrera en radiometer är den så kallade "varma och kalla" kalibreringen. Med denna metod används två absolut svarta kroppar med olika temperaturer som prover : en kropp är "het", den andra är "kall". De fysiska värdena för temperaturen hos dessa prover är kända; på grundval av dem är det möjligt att beräkna ljushetstemperaturen , som är linjärt relaterad till radiometerns utspänning.
Som en svartkropp för kalibrering använder markbaserade radiometrar vanligtvis ett externt "mål" som en "het" kropp. Rollen för en "kall" kropp kan vara antingen ett annat föremål som kyls av flytande kväve till en temperatur på 77 K eller ett segment av klar himmel, till vilken radiometern är riktad i "zenit"-mätläget. I det andra fallet är det nödvändigt att tillämpa teorin om värmeöverföring för att beräkna ljushetstemperaturen för det valda himlasegmentet [9] . I satellitradiometrar är den "heta" kroppen ett uppvärmt "mål", och den kosmiska bakgrundsstrålningen används helt enkelt som den "kalla". För att förbättra noggrannheten och stabiliteten för mikrovågsradiometerkalibreringar kan Dick-omkopplare eller källor för internt brus som kommer från själva radiometern användas som "mål".
Beräkningen av sådana fysiska egenskaper hos atmosfären som temperatur och vattenånginnehåll med hjälp av mikrovågsradiometri är en icke-trivial uppgift, för vilken flera matematiska beräkningsalgoritmer har utvecklats (till exempel den optimala uppskattningstekniken). Temperaturprofiler beräknas baserat på mätningar vid frekvenser nära 60 GHz, där absorptionsbandet för mikrovågsstrålning från syre finns. Strålning på vilken höjd som helst är nästan direkt proportionell mot temperatur och syredensitet. Till skillnad från vattenånga är syre jämnt fördelat i atmosfären runt om i världen. Eftersom den vertikala syrekoncentrationsprofilen är känd a priori, kan ljushetstemperaturbaserade signaler användas direkt för att beräkna fysiska temperaturprofiler.
Beräkningsprincipen bygger på det faktum att signalen i mitten av absorptionslinjen huvudsakligen kommer från delar av atmosfären som ligger närmare radiometern (vanligtvis är detta inte mer än några hundra meter). När vi rör oss bort från absorptionslinjen till den transparenta zonen observeras överlagringen av signalen och signalen börjar komma från mer avlägsna skikt av atmosfären. Genom att kombinera flera mikrovågskanaler är det alltså möjligt att beräkna information om den vertikala temperaturfördelningen i atmosfären. En liknande princip används vid beräkning av de vertikala profilerna för vattenånga, i detta fall fungerar absorptionslinjen vid 22,235 GHz som datakälla.
Mikrovågsradiometrar är installerade på flera satelliter i omloppsbana . Huvuduppgiften för sådana radiometrar är att övervaka jordens yta och atmosfär . Vissa radiometrar fungerar i konläge, exempel på sådana instrument är AMSR , SSMI, WINDSAT. Andra radiometrar fungerar i läget att skjuta vinkelrätt mot jordens yta. Den andra typen av radiometer används för att övervaka salthalten i haven och haven , markfuktighet , vattenyttemperaturer , vindhastigheter över haven och för att observera nederbörd och snö .
Exempel på radiometrar som fungerar ombord på olika satelliter är SSMI (Special Sensor Microwave/Imager) , Scanning Multichannel Microwave Radiometer , WindSat , Microwave Sounding Unit , Microwave Humidity Sounder , Japanese Advanced Microwave Scanning Radiometer series . År 2011 sköts rymdfarkosten Juno upp i rymden , vars huvudsakliga syfte är att studera Jupiters atmosfär med hjälp av en uppsättning mikrovågsradiometrar [10] .
För tillfället finns ett stort övervakningsnätverk baserat på användning av mikrovågsradiometrar, det kallas MWRnet . Nätverket grundades 2009 av en internationell grupp forskare som specialiserat sig på mikrovågsradiometrar. Inom detta nätverk sker ett erfarenhetsutbyte mellan forskare från olika länder, inom en snar framtid är det planerat att utveckla gemensam mjukvara och procedurer för att övervaka kvaliteten på mikrovågsdata, vilket kommer att föra MWRnet- nätverket närmare liknande övervakningsnätverk, som t.ex. som AERONET , CWINDE , EARLINET .