Приборы и техника эксперимента, 2020, № 6, стр. 100-104

ВВЕДЕНИЕ

Дистанционные методы являются одними из важнейших инструментов исследования окружающей среды, они позволяют получать ценную информацию об атмосферных процессах, характеристиках поверхности суши и океана. Развитию методов дистанционного зондирования способствует использование различных диапазонов электромагнитных излучений как активных, так и пассивных. В частности, микроволновый диапазон широко используется для восстановления профиля температуры и влажности атмосферы, температуры и уровня волнения морской поверхности и т.п.

Особое место в этих исследованиях занимает диапазон миллиметровых волн. Это связано с тем, что в нем находятся линии и полосы излучения молекул газов, составляющих земную атмосферу, таких как молекулярный кислород и водяной пар, а также малых газовых составляющих, таких как озон, окись углерода, окислы азота и др.

Излучение атмосферы в линиях и полосах газов в этом диапазоне используется для дистанционного мониторинга температуры, влажности и содержания малых газовых составляющих [1, 2]. В то же время для зондирования земной поверхности, как правило, применяются радиометры, работающие в диапазонах микроволн с малым атмосферным поглощением – в так называемых “окнах прозрачности”. Однако области спектра со значительным поглощением в атмосфере также могут использоваться для получения информации о подстилающей поверхности [3]. При этом нисходящее тепловое излучение атмосферы используется в качестве подсветки поверхности.

Как показано в работе [4], сравнение спектров нисходящего атмосферного излучения в областях с сильной частотной зависимостью поглощения (на склонах линий и полос атмосферных газов) со спектрами излучения земной поверхности может дать уникальную информацию о физических свойствах покрова и его тепловом режиме. В частности, зондирование поверхности в диапазонах длин волн, лежащих на склонах 5-мм полосы или 2.5-мм линии молекулярного кислорода, позволяет получать информацию одновременно о физической температуре и о коэффициенте излучения верхнего слоя покрова [4].

Идея метода заключается в следующем. Яркостная температура поверхности ${{T}_{{\text{я}}}}$ связана с яркостной температурой нисходящего излучения атмосферы ${{T}_{{\text{a}}}}$ соотношением

где ${{T}_{{{\text{пов}}}}}$ – физическая температура скин-слоя покрова, $A$ – его альбедо (коэффициент отражения). Выполнив измерения ${{T}_{{\text{я}}}}$ и ${{T}_{{\text{a}}}}~$ на ряде частот с различной интенсивностью нисходящего излучения, из полученной системы уравнений (1) можно определить как величину A, так и ${{T}_{{{\text{пов}}}}}$.

Условием применимости этого метода является постоянство альбедо для этих частот, что выполняется для большинства естественных земных покровов в относительно узких диапазонах частот на склонах полосы или линии O₂. Для реализации метода в принципе достаточно измерений на двух частотах. Однако увеличение числа частотных каналов дает повышение чувствительности и помехозащищенности измерений.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА

Для решения комплекса задач дистанционного зондирования атмосферы и поверхности с использованием спектральных особенностей миллиметрового диапазона в ИПФ РАН разработан мобильный автоматизированный спектрорадиометр 5-мм диапазона длин волн.

Структурная схема спектрорадиометра приведена на рис. 1. Спектрорадиометр имеет 8 частотных каналов, расположенных на низкочастотном склоне 5-мм полосы поглощения молекулярного кислорода. Полная полоса приема 50–55 ГГц. Каналы расположены между узкими, разрешаемыми при наблюдении с поверхности Земли линиями O₂, которые могут использоваться для дистанционного зондирования температуры стратосферы [2].

Антенная система 1 спектрорадиометра представляет собой тефлоновую линзу, просветленную с помощью концентрических канавок [5] и облучаемую коническим гофрированным рупором-облучателем. Расчет облучателя проводился по методике, аналогичной описанной в работе [6]. Антенна обеспечивает осесимметричную диаграмму направленности шириной ~2.5° по половинному уровню мощности и уровень боковых лепестков менее –25 дБ. Суммарные потери в антенной системе составляют ~0.8 дБ.

Принимаемое антенной излучение поступает в волноводное устройство, реализующее функции модулятора и источника шумовых калибровочных сигналов, – модулятор-калибратор 2 [7, 8]. Модулятор-калибратор представляет собой отрезок волновода основного сечения 4.4 × 2.2 мм, в который вмонтирована монолитная интегральная микросхема, состоящая из ряда цепочек диодов с барьером Шоттки. При попеременной подаче на них одного из трех уровней постоянного тока смещения модулятор-калибратор переключает устройство в одно из трех состояний:

1) при нулевом токе модулятор-калибратор открыт, и измеряемый антенный сигнал поступает в приемник, потери в открытом состоянии в модуляторе-калибраторе составляют ~ 0.5 дБ;

2) при подаче управляющего тока антенный вход запирается и на вход приемника подается шумовой калибровочный сигнал, генерируемый модулятором-калибратором; при токе 2 мА уровень калибровочного шумового сигнала, поступающего на вход приемника, составляет ~160 К (холодная нагрузка);

3) при управляющем токе ~25 мА (теплая нагрузка) уровень достигает ~300 К.

Стабильность калибровочных сигналов обеспечивается использованием стабилизатора управляющего тока и термостатированием модулятора-калибратора. Коэффициенты передачи и шумовые параметры модулятора-калибратора определяются путем проведения процедуры первичной калибровки, описанной ниже.

Далее сигналы через развязывающий ферритовый вентиль 4 с прямыми потерями 0.6 дБ и развязкой не менее 20 дБ подаются в высокочастотный малошумящий усилитель 6 с шумовой температурой ~540 К и коэффициентом передачи ~35 дБ. С помощью балансного диодного смесителя 13, работающего на первой гармонике сигнала гетеродина, спектр сигнала преобразуется в полосу промежуточных частот 2–7 ГГц. На входе смесителя установлен полосовой фильтр 5, ослабляющий прием по зеркальному каналу на величину ≥20 дБ.

Гетеродинный сигнал смесителя с частотой 48 ГГц в свою очередь формируется из сигнала синтезатора с частотой 8 ГГц и мощностью 50 мВт цепочкой из последовательно включенных с.в.ч.-устройств: удвоителя частоты 8, полосового фильтра 9 и усилителя, выполненных в едином корпусе, а также утроителя частоты и волноводного полосового фильтра 12 с центральной частотой 48 ГГц. На входе смесителя уровень мощности гетеродинного сигнала составляет не менее 10 мВт с подавлением побочных частот синтезатора не менее 50 дБн. Относительная нестабильность частоты гетеродина составляет ≤10^–7.

Сигнал промежуточной частоты со смесителя поступает на усилитель 15, а затем – в анализатор спектра 16, представляющий собой банк из восьми полосовых фильтров с шириной полос от 150 до 500 МГц. Таким образом, на входе спектрорадиометра в полосе 50–55 ГГц формируются 8 частотных каналов, расположенных на склоне 5-мм полосы поглощения О₂.

Центральные частоты и ширины каналов оптимизированы исходя из условия, что величина допустимых систематических ошибок измерения спектра излучения атмосферы не должна превышать 0.1 К. Шумовая температура спектрорадиометра, приведенная к апертуре антенны, варьируется по каналам от 1000 до 1300 К, что обеспечивает флуктуационную чувствительность с учетом калибровочной процедуры 0.1–0.2 К при времени интегрирования 1 c.

Управление процессом измерения выполняется с помощью персонального компьютера 18 через цифровой модуль, встроенный в спектрорадиометр и подключенный к компьютеру посредством COM-порта. С помощью модуля осуществляется периодическое переключение состояний модулятора-калибратора с частотой ~0.1 с, оцифровка и временное усреднение выходных сигналов для каждого состояния модулятора-калибратора, а также управление процессом термостабилизации прибора. Дальнейшая обработка сигналов, включающая в себя пересчет спектра в антенные температуры, временное усреднение спектра и его графическое отображение, осуществляется в реальном времени в персональном компьютере. Прибор оснащен акселерометром, позволяющим автоматически определять угловые координаты направления приема. Данные измерений сохраняются в выходных файлах персонального компьютера.

Потребляемая прибором мощность без расхода на термостатирование составляет 25 Вт. При работе в полевых условиях за счет работы термостата общее потребление может достигать 60 Вт. Спектрорадиометр помещен в термостатированный (с точностью не хуже 0.2 К) корпус, защищенный от неблагоприятных погодных условий.

Внешний вид спектрорадиометра, размещенного на поворотном устройстве, приведен на рис. 2.

Предусмотрена процедура первичной абсолютной калибровки модулятора-калибратора, реализуемая с помощью последовательного измерения излучения двух эталонов черного тела, перекрывающих входную апертуру антенны, при трех состояниях модулятора-калибратора. В качестве эталонов используются два поглотителя: один – с температурой окружающего воздуха, а второй – с температурой кипения жидкого азота. Первичная калибровка позволяет осуществить привязку уровней калибровочных сигналов конкретного экземпляра модулятора-калибратора к абсолютным значениям антенных температур с учетом потерь в антенне и входных цепях, а также дает возможность учесть влияние неполного запирания антенного входа модулятора-калибратора во время калибровочного цикла. В процессе первичной калибровки определяются эффективные температуры излучения модулятора-калибратора, приведенные к входу антенны, и коэффициенты его запирания. Данные первичной калибровки сохраняются в файле калибровки и используются при измерениях спектра антенного сигнала в реальном времени. Стабильность параметров модулятора-калибратора при условии термостатирования позволяет повторять абсолютную первичную калибровку не чаще одного раза в полгода.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Спектрорадиометр предназначен для дистанционных измерений излучения атмосферы на низкочастотном склоне 5-мм полосы поглощения молекулярного кислорода. Результаты измерений в дальнейшем могут использоваться для восстановления температурного профиля тропосферы от поверхности Земли до тропопаузы [8] и исследования других атмосферных процессов. Пример спектра атмосферного излучения, зарегистрированного с помощью прибора, приведен на рис. 3. Здесь же изображен спектр, рассчитанный по среднесезонному высотному профилю температуры и влажности и модели распространения Liebe [9]. Флуктуационная ошибка измерения яркостной температуры во всех каналах не превышает 0.05 К. Отличие результатов эксперимента от расчетных данных связано, по-видимому, с использованием в оценке не текущего, а среднесезонного профиля метеопараметров.

Другое возможное применение прибора – дистанционное измерение излучательных и рассеивающих характеристик земных покровов по оригинальной методике, предложенной в работе [3] и использующей нисходящее излучение атмосферы в качестве подсветки. При этом измерения должны проводиться в области спектра с сильной частотной зависимостью интенсивности атмосферного излучения. С помощью описанного спектрорадиометра выполняются измерения спектра нисходящего атмосферного излучения и спектра излучения поверхности в восьми частотных каналах на склонах 5-мм полосы молекулярного кислорода.

Процедуру нахождения физической температуры и альбедо поверхности поясняет рис. 4, где в качестве примера приведены результаты измерений интенсивности излучения сухого речного песка в зависимости от яркостной температуры атмосферы T_я под зеркальным углом 53° (точки) для восьми спектральных каналов. Параметры аппроксимирующей по методу наименьших квадратов прямой дают излучательные характеристики покрова. Тангенс угла наклона прямой определяет микроволновое альбедо A исследуемой поверхности. Физическая температура эффективно излучающего слоя T определяется из (1) как:

где ${{T}_{0}}$ – отсекаемое на оси абсцисс значение яркостной температуры. Измерения проводились в жаркий солнечный день.

Как показали результаты эксперимента, температура поверхностного слоя песка (T = 317 K) существенно выше температуры приземного слоя воздуха, составляющей в это время 300 K, и несколько выше показаний контактного термометра (313 К), погруженного в песок на глубину 2 см. Эти различия объясняются сильным нагревом поверхности прямым солнечным излучением и разницей температур в скин-слое зондирующего излучения и на глубине контактного измерения.

Таким образом, в отличие от одночастотных радиометров, обычно применяемых для зондирования земной поверхности, описанный спектрорадиометр позволяет существенно повысить информативность зондирования, а именно: измерять термодинамическую температуру покрова без априорных данных о его коэффициенте отражения и, наоборот, получать данные о коэффициенте отражения без дополнительной информации о температуре. Кроме того, использование больше двух каналов дает принципиальную возможность оценивать также и некоторые параметры индикатрисы рассеяния земного покрова [10].

Данный спектрорадиометр планируется применять для дистанционных исследований излучательных и рассеивающих характеристик земных покровов и водной поверхности в миллиметровом диапазоне длин волн [11, 12], а также для мониторинга атмосферных процессов, в том числе термического зондирования тропосферы с поверхности Земли [13]. Одновременно получаемые данные о температурном профиле тропосферы и состоянии подстилающей поверхности дают дополнительные возможности исследования механизма взаимодействия атмосферы и поверхности.