Et mikrobølgeradiometer er et fjernmålingsinstrument , der måler energi i mikrobølgeområdet (ved frekvenser fra 1 til 1000 GHz ). De fleste mikrobølgeradiometre er udstyret med flere modtagerkanaler for effektivt at karakterisere stråling modtaget fra atmosfæren eller genstande i rummet . På nuværende tidspunkt anvendes mikrobølgeradiometre i vid udstrækning inden for forskellige områder af menneskelig aktivitet fra videnskabelig forskning inden for geofysik og radioastronomi til tekniske undersøgelser.
Analyse af mikrobølgestråling i området 1-300 GHz gør det muligt at bruge yderligere information i det synlige og infrarøde område . Atmosfæren og vegetationen er gennemskinnelig i mikrobølgeområdet , mens atmosfæriske komponenter såsom tørre gasser, vanddamp eller nedbør aktivt interagerer med mikrobølgestråling . Men selv en overskyet atmosfære i et givet frekvensområde transmitterer en vis mængde stråling [1] .
Mikrobølgeradiometre bruges både på jorden og i rummet til vejr- og klimaforskning , og til atmosfærisk overvågning [1] [2] . Moderne mikrobølgeradiometre er fremstillet til at fungere i uafbrudt automatisk tilstand. Derudover er nogle typer radiometre designet til at blive brugt sammen med andre atmosfæriske fjernmålingsinstrumenter såsom lidarer eller radarer . Radiometre giver uvurderlig information om meteorologiske karakteristika såsom: temperatur , relativ luftfugtighed , integreret vanddampindhold i den atmosfæriske søjle, væskedråbeindhold af vanddamp . Alle karakteristika aflæses af radiometre i høj tidsmæssig og rumlig opløsning i realtid under næsten alle vejrforhold [3] .
Den første udvikling af mikrobølgeradiometre beregnet til studiet af kosmisk stråling går tilbage til 1930'erne og 1940'erne. Robert Dicke i 1946 udviklede og satte i drift en af de mest almindelige, som det senere viste sig, typer af mikrobølgeradiometre. Dette radiometer , designet til at måle temperaturen af mikrobølgebaggrundsstrålingen , blev lavet på Massachusetts Institute of Technology , i Radiation Research Laboratory. Dette radiometers driftsområde var placeret ved en bølgelængde på 1,25 cm. Senere var Dicke ved hjælp af tre forskellige radiometre (bølgelængderne af disse radiometre lig med 1, 1,25 og 1,5 cm) i stand til at detektere svag atmosfærisk absorption i mikrobølgeområdet [4] .
Kort efter at de første satellitter blev sendt ud i rummet , blev mikrobølgeradiometre en integreret del af orbitaludstyr. I 1962 blev Mariner 2 -satellitten , udstyret med et mikrobølgeradiometer til at måle vanddampindhold og temperatur , sendt ud i rummet af NASA -medarbejdere for at studere overfladen af Venus . I 1968 opsendte sovjetiske videnskabsmænd verdens første multifrekvensradiometer ombord på Kosmos-243-satellitten, designet til radiometrisk sondering af planeten Jorden. Kosmos-243-satellitens indbyggede radiospektrometer inkluderede nadir-rettede kanaler med bølgelængder på 0,8, 1,35, 3,4 og 8,5 cm. I de efterfølgende år blev der installeret mange mikrobølgeradiometre på forskellige satellitter . Et af de vigtigste punkter i mikrobølgeradiometriens historie var lanceringen af Scanning Multichannel Microwave Radiometer ombord på Nimbus -satellitten i 1978. Et træk ved dette radiometer var den koniske scanningstilstand, som blev brugt til at tage billeder af Jorden med en konstant betragtningsvinkel. Vinkelfaktoren var nøglen i denne sag, da de udstrålende egenskaber af jordens overflade er vinkelafhængige. I begyndelsen af 1980'erne blev der udviklet nye varianter af mikrobølgeradiometre, der var i stand til at fungere ved flere frekvenser og havde bipolar polarisering . To nye type radiometre blev lanceret som en del af Nimbus-7 og Seasat rummissioner . Nimbus-7 har brudt ny vej inden for geofysisk overvågning ved at tage mikrobølgemålinger af oceaner , snedækkede jorder og gletsjere. I disse dage bruges mikrobølgeradiometre ikke kun i rummet ombord på satellitter , men også på jorden.
Jordbaserede mikrobølgeradiometre, bygget til atmosfærisk temperaturprofilering , blev først udviklet og taget i brug i 1960'erne. Teknologiske fremskridt og udvikling inden for mikrobølgeradiometri har gjort betydelige fremskridt i udviklingen af radiometre. I øjeblikket er atmosfæriske undersøgelser ved hjælp af mikrobølgeradiometre godt koordinerede og automatiserede på grund af tilstedeværelsen af forskellige jordbaserede overvågningsnetværk [5] .
Stoffer i faste , flydende og gasformige tilstande (dvs. jordens overflade, oceaner , polaris, sne og vegetation ) udsender og absorberer mikrobølgestråling. Mængden af stråling, der registreres af et radiometer, udtrykkes normalt ved hjælp af lysstyrketemperatur , en slags svarende til temperaturen på et sort legeme . I mikrobølgeområdet er der flere atmosfæriske gasser på én gang, der har en roterende absorptionslinje. Hver gas har unikke absorptionsegenskaber, på grundlag af hvilke det er muligt at bedømme mængden af en bestemt gas i atmosfæren og dens lodrette struktur. En af iltabsorptionslinjerne er for eksempel i området 60 GHz . Absorptionsegenskaberne af oxygenmolekyler er forårsaget af magnetiske dipolovergange. Ved hjælp af disse egenskaber kan man beregne atmosfærens temperaturkarakteristika . En stærk vanddampabsorptionslinje er placeret i området 22,235 GHz og kan bruges til at karakterisere atmosfærisk luftfugtighed. Der er mange vigtige absorptionslinjer ved andre frekvenser , blandt hvilke det er værd at bemærke den anden iltabsorptionslinje (118,72 GHz ) og en anden vanddampabsorptionslinje (183,31 GHz ). Der er andre svagere absorptionslinjer, såsom dem af ozon , som bruges til at måle dens stratosfæriske koncentration og til at måle temperaturen i stratosfæren .
Udfældning såsom flydende vanddråber eller frosne ispartikler kan bruges som mikrobølgekilder til atmosfærisk information på svage molekylære absorptionsbånd. Udstrålingen af flydende vand stiger med frekvensen , hvilket betyder, at mikrobølgemålinger ved to frekvenser (hvoraf den ene er tæt på absorptionscentret og den anden er tættere på den transparente zone) giver os mulighed for at få den vigtigste information om det vertikale indhold af vanddamp og flydende dråbevand . Denne måleteknologi bruges i radiometre udstyret med to eller flere kanaler. Normalt vælges båndet omkring 22,235 GHz som linjen tæt på absorptionsbåndet , mens båndet omkring 31 GHz er valgt som den transparente zone. Desuden er der et mønster med stigende mikrobølgestrålingsspredning afhængigt af væksten af nedbør ved høje frekvenser (mere end 90 GHz ). Denne spredningsforstærkende effekt bruges i atmosfæriske observationer ved hjælp af polarisationsmikrobølgemålinger til at adskille regn og skyer med høj effektivitet i de ønskede parametre [6] . Derudover kan denne effekt bruges til at sammenkæde profilindholdet af sne- eller ispartikler, når det måles fra rummet [7] eller fra Jorden [8] .
Et mikrobølgeradiometer består af en antenne, RF- mikrobølgekomponenter og et mellemfrekvenssignalbehandlingssystem . Signalet, der kommer fra atmosfæren , er normalt meget svagt og skal forstærkes i størrelsesordenen 80 dB. Til forstærkning bruger de ofte en heterodyne teknik, med dens hjælp konverteres signalet til lavere frekvenser . For at undgå unødig støj ved den modtagende enhed, skal temperaturforholdene inde i systemet holdes stabile.
De fleste jordbaserede mikrobølgeradiometre er udstyret med eksterne meteorologiske sensorer, der er følsomme over for temperatur- og luftfugtighedsændringer i atmosfæren . Derudover er brugen af GPS -sensorer nu udbredt, som er fastgjort til radiometerkroppen udefra og tillader optagelse af tid og placering. Antennen er i de fleste tilfælde placeret inde i radiometeret. Målinger foretages gennem et hul fyldt med et skummateriale, der er gennemsigtigt for mikrobølgestråling . Dette materiale er designet til at beskytte antennen mod støv, flydende vand eller sne . Radiometeret kan også udstyres med en blæser designet til at beskytte instrumentåbningen af radiometeret mod ophobning af dug , sne eller is.
Når den først er på antennen under modtagelse, skifter signalfrekvensen mod mellemliggende radiofrekvenser. Denne proces foregår ved hjælp af en oscillator installeret inde i radiometeret. Derefter øges signalstyrken ved hjælp af en forstærker . På dette trin registreres signalet af systemet i fuld effekttilstand . Signalet optages ved at opdele det i flere frekvensbånd ved hjælp af et spektrometer . I tilfælde, hvor højfrekvent instrumentkalibrering er påkrævet, anvendes en Dicke switch.
Kalibrering er en af de vigtigste radiometerjusteringsprocesser og er grundlaget for efterfølgende højpræcisions lysstyrketemperaturmålinger . Derfor vil kvaliteten af de resulterende data, såsom fugtprofiler, temperaturprofiler eller atmosfærisk vanddampindhold , afhænge af kvaliteten af kalibreringsprocessen . Den nemmeste måde at kalibrere et radiometer på er den såkaldte "varm og kold" kalibrering. Med denne metode bruges to absolut sorte legemer med forskellige temperaturer som prøver : den ene krop er "varm", den anden er "kold". De fysiske værdier af temperaturen af disse prøver er kendte; på basis af dem er det muligt at beregne lysstyrketemperaturen , som er lineært relateret til radiometerets udgangsspænding.
Som en sort krop til kalibrering bruger jordbaserede radiometre normalt et eksternt "mål" som en "varm" krop. Rollen som en "kold" krop kan enten være et andet objekt, der er afkølet af flydende nitrogen til en temperatur på 77 K eller et segment af klar himmel, som radiometeret er rettet mod i "zenith"-måletilstand. I det andet tilfælde er det nødvendigt at anvende teorien om varmeoverførsel til at beregne lysstyrketemperaturen for det valgte himmelsegment [9] . I satellitradiometre er den "varme" krop et opvarmet "mål", og den kosmiske baggrundsstråling bruges blot som den "kolde". For at forbedre nøjagtigheden og stabiliteten af mikrobølgeradiometerkalibreringer kan Dick-kontakter eller kilder til intern støj, der kommer fra selve radiometeret, bruges som "mål".
Beregningen af sådanne fysiske egenskaber ved atmosfæren som temperatur og vanddampindhold ved hjælp af mikrobølgeradiometri er en ikke-triviel opgave, for hvilken der er udviklet flere matematiske beregningsalgoritmer (for eksempel den optimale estimeringsteknik). Temperaturprofiler beregnes ud fra målinger ved frekvenser tæt på 60 GHz, hvor absorptionsbåndet for mikrobølgestråling fra oxygen er placeret. Stråling i enhver højde er næsten direkte proportional med temperatur og ilttæthed. I modsætning til vanddamp er ilt jævnt fordelt i atmosfæren rundt om i verden. Fordi den vertikale oxygenkoncentrationsprofil er kendt a priori, kan lysstyrketemperaturbaserede signaler anvendes direkte til at beregne fysiske temperaturprofiler.
Beregningsprincippet er baseret på det faktum, at signalet i midten af absorptionslinjen hovedsageligt kommer fra dele af atmosfæren, der er placeret tættere på radiometeret (normalt er dette ikke mere end et par hundrede meter). Når vi bevæger os væk fra absorptionslinjen til den gennemsigtige zone, observeres overlejringen af signalet, og signalet begynder at komme fra fjernere lag af atmosfæren. Ved at kombinere flere mikrobølgekanaler er det således muligt at beregne information om den lodrette temperaturfordeling i atmosfæren. Et lignende princip bruges ved beregning af de vertikale profiler af vanddamp, i dette tilfælde tjener absorptionslinjen ved 22,235 GHz som datakilde.
Mikrobølgeradiometre er installeret på flere satellitter i kredsløb . Hovedopgaven for sådanne radiometre er at overvåge jordens overflade og atmosfære . Nogle radiometre fungerer i kegletilstand, eksempler på sådanne instrumenter er AMSR , SSMI, WINDSAT. Andre radiometre fungerer i tilstanden til at skyde vinkelret på jordens overflade. Den anden type radiometer bruges til at overvåge saltholdigheden i havene og oceanerne , jordfugtigheden , vandoverfladetemperaturer , vindhastigheder over havene og til at observere nedbør og sne .
Eksempler på radiometre, der fungerer ombord på forskellige satellitter , er SSMI (Special Sensor Microwave/Imager) , Scanning Multichannel Microwave Radiometer , WindSat , Microwave Sounding Unit , Microwave Humidity Sounder , Japanese Advanced Microwave Scanning Radiometer series . I 2011 blev Juno -rumfartøjet opsendt ud i rummet , hvis hovedformål er at studere Jupiters atmosfære ved hjælp af et sæt mikrobølgeradiometre [10] .
I øjeblikket er der et stort overvågningsnetværk baseret på brug af mikrobølgeradiometre, det kaldes MWRnet . Netværket blev grundlagt i 2009 af en international gruppe af forskere med speciale i mikrobølgeradiometre. Inden for dette netværk er der erfaringsudveksling mellem forskere fra forskellige lande, i den nærmeste fremtid er det planlagt at udvikle fælles software og procedurer til overvågning af kvaliteten af mikrobølgedata, hvilket vil bringe MWRnet -netværket tættere på lignende overvågningsnetværk, som f.eks. som AERONET , CWINDE , EARLINET .