Способ дистанционного определения гидрометеорологических параметров состояния системы океан-атмосфера
METHOD OF REMOTE DETERMINATION OF HYDROMETEOROLOGICAL PARAMETERS OF STATE OF OCEAN-ATMOSPHERE SYSTEM

Изобретение относится к области гидрометеорологии, в частности, к дистанционному зондированию земли (ДЗЗ) посредством бортовой аппаратуры космических аппаратов, а именно к способу дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера и устройствам для его осуществления, и может быть использовано при глобальном гидрометеорологическом мониторинге.
В настоящее время наряду с наземными средствами гидрометеорологического мониторинга широко используются спутниковые методы, основанные, в частности, на применении средств радиотеплового зондирования системы океан-атмосфера в СВЧ-диапазоне [1, 2, 3]. Использование СВЧ-диапазона повышает информативность существующих способов ДЗЗ и в отличие от оптического позволяет проводить круглосуточные измерения во всепогодных условиях. От спутниковых радиолокаторов СВЧ-радиометры отличаются меньшими значениями массогабаритных характеристик и потребляемой энергии, что позволяет их размещать на малоразмерных космических аппаратах (КА).
Известен ряд устройств, реализующих способы пассивного радиотеплового зондирования системы океан-атмосфера, заключающиеся в измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера, по которому определяют гидрометеорологические параметры. Так, для измерения профиля температуры в 1979 г. на КА NOAA (США) установлен трехканальный зондировщик MSU, работающий на частотах 50-58 ГГц. В 1987 г. на орбиту Земли в составе КА DMSP был запущен четырехканальный сканер SSMI для определения интегральных метеопараметров на четырех частотах: 19,3; 22,2; 37,0; 85,5 ГГц. Установленный на КА DMSP в 1991 г. приборный комплекс наряду со сканером SSM/I включает также зондировщики SSM/T1 и SSM/T2, предназначенные соответственно для определения в атмосфере профиля температуры в частотном диапазоне 50-59 ГГц и профиля влажности на частоте 183 ГГц. С 1998 г. на КА серии NOAA также устанавливаются зондировщики: температурный AMSU-A и влажностный AMSU-B.
Известен российский прибор МТВЗА, ранее устанавливаемый на КА «Метеор-3М», а также его модификации, МТВЗА-ОК (на борту КА «Сич-1М») и МТВЗА-ГЯ (на КА «Метеор-М» №1 и №2) [4, 5].
Недостатками вышеназванных устройств являются ограничения диапазона рабочих частот и числа реализованных радиометрических каналов, а также отсутствие поляриметрических измерений, что сужает возможности по числу диагностируемых гидрометеорологических параметров.
Известен способ [6] оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур по пяти радиометрическим каналам и вычисления значения интегральной влажности. Недостатком способа является возможность получения только одного метеорологического параметра.
В качестве аналога принят способ [7] дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера и устройство для его осуществления, содержащее ряд радиометров миллиметрового диапазона длин волн, количество которых определяется величиной спектрального разрешения при измерении собственного излучения системы океан-атмосфера. Недостатком способа-аналога является меньшие по сравнению с предлагаемым способом диапазон рабочих частот (от 20 до 120 ГГц) и число рабочих каналов (до 5).
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение - повышение количества регистрируемых гидрометеорологических параметров.
Технический результат достигается за счет комплексного использования объединенных в одном устройстве радиометрического сканера, температурного зондировщика, влажностного зондировщика и блока поляриметрических измерений при одновременном увеличении числа радиометрических каналов измерений и расширении частотного диапазона, что позволяет в части каналов реализовать поляриметрические измерения при условии обработки результатов измерений на наземных пунктах приема спутниковых данных, что в конечном итоге позволяет по сравнению с аналогами определять большее (до 12) число параметров температурно-влажностного профилирования атмосферы, зондирования океана и суши:
- определение вертикальных профилей температуры атмосферы;
- определение вертикальных профилей влажности атмосферы;
- определение интегральной влажности атмосферы;
- определение водозапаса облаков;
- определение интенсивности осадков;
- определение скорости приводного ветра;
- определение направления приводного ветра;
- определение температуры поверхности океана;
- определение влажности почв;
- мониторинг ледовых и снежных покровов;
- диагностика процессов деятельного слоя океана;
- ранняя диагностика тайфунов и ураганов;
Заявляемый способ дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера основан на идентификации вторичных процессов, которые являются следствием развития неустойчивостей тонкой термохалинной структуры вод океана, проявляющегося в поле собственного СВЧ-излучения поверхности, а именно на измерении восходящего радиотеплового излучения системы атмосфера - подстилающая поверхность.
Распределение частот каналов приведено в таблице 1.
Блок-схема алгоритма реализации способа дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера, содержащая следующие блоки, представлена на фиг. 1:
1 - космический аппарат;
2 - антенна;
1
9
3 - блок сканера, включающий приемники N-N;
1
9
4 - блок температурного зондировщика, включающий приемники N-N;
10
40
5 - блок влажностного зондировщика, включающий приемники N-N;
6 - блок поляриметрических измерений;
7 - блок регистрирующего устройства;
8 - блок формирования шкалы антенных температур;
9 - блок преобразования антенных температур в яркостную температуру;
10 - блок расчета гидрометеорологических параметров.
i
Процесс преобразования яркостной температуры в выходной отклик радиометрической системы складывается из формирования на борту КА (1) с помощью антенны (2) на входе приемника N в составе сканера (3) (где i=1…9), температурного зондировщика (4) (где i=10…35), влажностного зондировщика (5) (где i=36…40) и блока поляриметрических измерений (6) сигнала, интенсивность которого характеризуется антенной температурой, и последующего преобразования этого сигнала в выходное напряжение, величина которого фиксируется регистрирующим устройством (7) для последующей передачи по радиоканалу на наземные пункты приема данных.
В процессе наземной обработки данных, поступивших от бортовой аппаратуры КА, из сигнала, сформированного регистрирующим устройством (7), в блоке (8) формируется шкала антенных температур, при этом преобразование (9) выходного сигнала  в каждом пикселе рабочего сектора в шкалу антенных температур для i-го радиометрического канала осуществляется согласно выражению:
где  и  - выходной сигнал i-го радиометрического канала при измерении «горячей» и «холодной» нагрузок соответственно.
Процедура усреднения , ,  производится по данным измерений на m последовательных сканах (10<m<60).
Преобразование (9) шкалы антенных температур в шкалу яркостных температур осуществляется на основе следующих выражений:
где:
n - индекс частотного канала,
V - вертикальная поляризация,
Н - горизонтальная поляризация,
,  и ,  - коэффициенты, характеризующие соответственно уровень боковых лепестков и кросс-поляризационные параметры диаграммы направленности антенны, и определяются по результатам абсолютной калибровки.
На основании полученных значений яркостной температуры осуществляется расчет гидрометеорологических параметров (10), что изложено в работах Степаненко В.Д. и др. [2] и Черным И.В. [3].
Заявляемое устройство в рабочем диапазоне частот от 6,9 до 220 ГГц имеет 40 радиометрических каналов (см. табл. 1), при этом на трех частотах (10,6; 18,7 и 36,7 ГГц) проводятся в блоке (6) поляриметрические измерения параметров Стокса, что позволяет получить информацию о скорости и направлении ветра над океаном.
Расчет определения скорости приводного ветра для одного пиксела изображения определяется согласно выражению:
С учетом показанных значений для пиксела получаем V=39,76 м/с.
Пример результатов расчетов скорости приводного ветра приведен на фиг. 2.
Структурная схема устройства приведена на фиг. 3.
Устройство в общем виде содержит:
11 - блок предварительной обработки данных;
12 - групповой многочастотный облучатель;
13 - параболическое зеркало антенны;
14 - калибровочный излучатель;
15 - датчик положения;
16 - вращающееся контактное устройство;
17 - блок привода;
18 - модуль сбора и передачи данных;
19 - коммутатор.
-4
Антенная система с параболическим зеркалом (13) и радиометрические каналы размещаются на сканирующей платформе. Оптические оси антенных лучей радиометрических каналов ориентированы таким образом, что они являются образующими конуса сканирования с углом при вершине β=51,7°. Расхождение антенных лучей, которое обусловлено применением группового многочастотного облучателя (12), находится в пределах углов ±6,5°. Прецизионное вращение сканирующей платформы с нестабильностью не хуже, чем 10 осуществляется с помощью блока привода (17). Подача питания и снятие информации с вращающейся платформы осуществляется с помощью вращающегося контактного устройства (16).
Последовательность работы устройства заключается в следующем.
Восходящее излучение земной поверхности и атмосферы, отражаясь от параболического зеркала (13) попадает на вход группового антенного облучателя (12) и далее на входы соответствующих приемников СВЧ-излучения. Выходы СВЧ-приемников соединены с соответствующими входами блока предварительной обработки данных (11), который формирует групповой сигнал в виде последовательности кодовых слов (пакетов). Адаптация и интеграция устройства в комплекс целевой аппаратуры космического аппарата осуществляется посредством коммутатора (19). Для синхронизации функционирования всех составных частей устройства введен датчик положения (15), сигнал от которого используется для определения начального положения каждого скана. Для калибровки радиометрических каналов с целью определения шкалы антенных температур в устройство введен калибровочный излучатель (14).
Геометрия наблюдения заявляемого устройства приведена на фиг. 4.
Схема кругового конического сканирования построена таким образом, что визирование производится в направлении полета КА. Направление скана - слева направо с рабочим сектором 120°, что обеспечивает полосу обзора не менее 2000 км.
За период сканирования 2,5 сек перемещение нормали КА составит 16 км, что сравнимо с элементом пространственного разрешения микроволнового радиометра в каналах 91 ГГц и 220 ГГц. Поэтому масштаб 16 км выбран в качестве пространственного элемента квантования сигнала для всех каналов как вдоль трасы движения КА, так и вдоль направления сканирования. Процедура пространственного усреднения в отдельных каналах устройства производится на этапе предварительной обработки данных в наземных условиях.
В устройстве применена схема радиометра компенсационного типа. Реализация данной схемы в спутниковых сканирующих системах имеет ряд преимуществ по сравнению с модуляционной, поскольку обеспечивает выигрыш как по габаритно-массовым характеристикам, так и по флуктуационной чувствительности (в два раза). Однако при этом значительную роль начинают играть такие факторы, как нестабильность коэффициента передачи радиометрического тракта. С целью уменьшения ее влияния используется внутренняя калибровка шкалы антенных температур.
Погрешность измерений физической температуры согласованной нагрузки составляет менее 0,05°С, поэтому указанной ошибкой можно пренебречь. Погрешность, обусловленная пространственным распределением физической температуры согласованной нагрузки в условиях орбитального полета, не превышает 0,2÷0,3 К.
Что касается реликтового излучения космического пространства, то его значение 2,725 К отличается высокой стабильностью, положительные вариации до 8 мК носят пространственный характер и обусловлены радиоизлучением Млечного Пути [3]. В итоге погрешность измерений излучения космического фона для калибровки СВЧ-радиометра, с учетом переотражений излучения Земли элементами конструкции КА, не превышает 0,5 К.
Калибровка радиометрических каналов с целью определения шкалы антенных температур проводится на каждом скане вне рабочего сектора и основана на измерении излучения эталонного излучателя (абсолютно «черного» тела), находящегося при температуре 250-300 К и излучения космического пространства температурой 2,725 К, переотраженного с помощью зеркала в апертуру облучателей. Погрешность абсолютной калибровки составляет величину не более ±(3÷4) К.
Литература
1. Михайлов В.Ф., Брагин И.В., Брагин С.И. Микроволновая спутниковая аппаратура дистанционного зондирования Земли. СПб.: СПбГУАП, 2003, 404 с.
2. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Ю. Радиотеплолокация в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 284 с.
3. Черный И.В. Исследование и разработка аэрокосмических радиометрических систем СВЧ-диапазона для зондирования океана и атмосферы: Дис. М.: НИИМП, 2001, 228 с.
4. Болдырев В.В., Горобец Н.Н., Ильгасов П.А. и др. Спутниковый микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА-ГЯ. Сб. науч. ст. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. М.: Азбука-2000, 2008, т. 1, вып. 5, с 243-248.
5. Черный И.В., Чернявский Г.М., Успенский А.Б., Пегасов В.М. СВЧ-радиометр МТВЗА спутника «Метеор-3М» №1: предварительные результаты летных испытаний. Исследование Земли из космоса, 2003, №6, с. 1-15.
6. Способ улучшенной оценки интегральной влажности атмосферы над океаном по измерениям спутниковых микроволновых радиометров. Описание изобретения к патенту RU 2532692 С1.
7. Способ дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера и устройство для его осуществления. Описание изобретения к патенту RU 2047874 С1.