НАЗЕМНЫЙ ПАССИВНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТНОГО ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НИЖНЕЙ И СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
GROUND-BASED PASSIVE MICROWAVE RADIOMETRIC SYSTEM FOR MEASURING ALTITUDE PROFILE OF TEMPERATURE OF LOWER AND MEDIUM ATMOSPHERE OF EARTH

Изобретение относится к средствам определения характеристик атмосферы, а именно высотного профиля температуры нижней и средней атмосферы Земли.
К настоящему времени вопросы создания адекватной системы мониторинга состояния окружающей среды, обеспечивающей корректный прогноз ее эволюции, стали ключевыми среди проблем, охватываемых науками о Земле. Понимание и решение указанных проблем невозможно без широкомасштабных экспериментов по исследованию процессов в земной атмосфере.
В настоящее время основным поставщиком экспериментальных данных о состоянии нижней и средней атмосферы являются приборы спутникового базирования, которые обеспечивают зондирование и прогнозирование состояния атмосферы с помощью большого числа дистанционно-волновых приборов, работающих как в активном, так и в пассивном режиме в широком диапазоне длин волн: от вакуумного ультрафиолета до миллиметрового и сантиметрового. Однако, основной проблемой спутниковых данных является большой масштаб усреднения по зонально-меридиональным координатам, составляющий несколько сот (до 500-700 и более) километров и сравнительно низкое временное разрешение (порядка 1-2 суток).
В частности, существующие на данный момент средства измерения высотного профиля температуры атмосферы либо не дают высокое пространственно-временное разрешение (спутниковые микроволновые измерения - разрешение порядка суток и сотен километров по горизонтали), либо используют немобильную аппаратуру (лидарные измерения - стационарная аппаратура, предшествующие микроволновые наземные измерения - масса аппаратуры порядка нескольких сотен кг), либо не могут быть корректно совмещены с методами определения других характеристик атмосферы (все выше перечисленные).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому комплексу является взятый за прототип наземный пассивный микроволновый радиометрический комплекс для измерения высотного профиля температуры атмосферы, описанный в публикации , О. Microwave radiometer to retrieve temperature profiles from the surface to the stratopause / O. , A. Murk, N. , C. , P. Eriksson // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6, P. 2477-2494. В данной публикации представлен наземный пассивный радиометрический комплекс, измеряющий спектр собственного излучения атмосферы в 5-миллиметровой полосе поглощения молекулярного кислорода. Данный комплекс состоит из внешней калибровочной системы - двух эталонов - черных тел комнатной температуры и температуры кипения жидкого азота; спектрорадиометра, состоящего из антенной системы, включающей в себя рупорный облучатель и параболическое зеркало, принимающей сигнал из атмосферы; передаточного волноводного тракта от антенной системы к двум супергетеродинным приемникам с разными рабочими диапазонами частот и цифрового анализатора спектра, а также персонального компьютера для обработки данных.
Недостатками прототипа являются: во-первых, то, что калибровочная система представляет из себя внешние эталоны и использует жидкий азот, что приводит не только к увеличению габаритов и массы самой измерительной системы, а значит, ее низкой мобильности, но также к увеличению стоимости и времени измерений с ухудшением их точности; во-вторых, громоздкая антенная система, состоящая из параболического зеркала и стандартной рупорной антенны, с помощью которых достигается узкая диаграмма направленности антенной системы, которая делает комплекс очень трудно перемещаемым.
Задачей, на которую направлено изобретение, является создание комплекса, позволяющего измерять высотный профиль температуры нижней и средней атмосферы с поверхности Земли с помощью дешевой, малогабаритной и мобильной аппаратуры.
Технический эффект достигается тем, что предлагаемый наземный пассивный микроволновый радиометрический комплекс для измерения высотного профиля температуры нижней и средней атмосферы Земли, из не менее чем одного спектрорадиометра с калибровочной системой, включающего антенную систему, соединенную через волноводный тракт с супергетеродинным приемником, выход которого соединен с цифровым анализатором спектра, выполненного с возможностью сопряжения с персональным компьютером для обработки данных
Новым является то, что предлагаемый комплекс состоит из трех, выполненных с возможностью сопряжения с персональным компьютером спектрорадиометров, осуществляющих измерения в разных интервалах высот, в совокупности перекрывающих диапазон высот нижней и средней атмосферы Земли, каждый из которых включает антенную систему в виде рупорной антенны предельно малых габаритов со специальным образом профилированным сечением, рассчитанной на диапазон принимаемых частот, которая соединена волноводным трактом с супергетеродинным приемником, выход которого соединен с анализатором спектра, причем каждый спектрорадиометр имеет собственную внутреннюю калибровочную систему, которая представляет собой встроенный в волноводный тракт модулятор-калибратор, управляемый с персонального компьютера через блок питания.
Изобретение поясняется Фиг. 1, на которой представлена блок-схема одного из спектрорадиометров, входящих в предлагаемый комплекс: 1 - антенная система, 2 - волноводный тракт, 3 - модулятор-калибратор, 4 - приемник, 5 - анализатор спектра, 6 -персональный компьютер, 7 - блок питания.
Предлагаемый комплекс включает в себя три спектрорадиометра, построенных по классической супергетеродинной схеме приема и спектрального анализа излучения миллиметрового диапазона длин волн, позволяющей перенести спектр принимаемого миллиметрового собственного излучения атмосферы в более низкочастотный диапазон (от нуля до нескольких ГГц), в котором можно произвести спектральный анализ принимаемого излучения с требуемым разрешением по частоте.
Каждый из спектрорадиометров (см. Фиг. 1) состоит из антенной системы 1, которая соединена с супергетеродинным приемником 4 волноводным трактом 2 со встроенным модулятором-калибратором 3, управляемым с персонального компьютера 6 через блок питания 7. Выход супергетеродинного приемника 4 соединен с анализатором спектра 5, который сопряжен с компьютером 6.
Антенная система 1 у каждого из спектрорадиометров представляет собой рупорную антенну предельно малых габаритов со специальным образом профилированным сечением, рассчитанную на диапазон принимаемых частот, обладающую узкой диаграммой направленности и преобразующую моду прямоугольного одномодового волновода в квазигауссов волновой пучок с плоским фазовым фронтом с хорошей эффективностью. Такие характеристики антенной системы 1 позволяют минимизировать обусловленную рассеянием ошибку измерений яркостной температуры атмосферы. Стабилизация характеристик собственного излучения антенны, обусловленного омическими потерями в рупоре, достигается за счет размещения его в термостатированном корпусе. Принимаемый сигнал с антенной системы 1 через волноводный тракт 2 поступает в супергетеродинный приемник 4, и с него в анализатор спектра 5 и затем в персональный компьютер 6.
Модулятор-калибратор 3, встроенный в волноводный тракт 2, представляет собой управляемое током волноводное устройство с рядом параллельных цепочек диодов с барьером Шоттки. Величина управляющего тока устанавливается с персонального компьютера 6 через блок питания 7. При нулевом токе смещения вход и выход модулятора-калибратора 3 хорошо (с потерями лучше 0,7 дБ) согласованы с антенным и приемным участками волноводного тракта 2, что обеспечивает прохождение принимаемого антенной системой 1 теплового излучения атмосферы в 5-миллиметровой полосе излучения молекулярного кислорода без потерь. При включении тока модулятор-калибратор 3, во-первых, запирает вход супергетеродинного приемника 4, ослабляя принятое антенной системой 1 излучение на 20-30 дБ (в зависимости от силы тока), во-вторых, направляет в супергетеродинный приемник 4 собственный шумовой сигнал, эффективная температура излучения которого в зависимости от величины тока устанавливается на уровнях от 150 до 160 К (аналог «холодной» нагрузки в прототипе) или от 350 до 360 К (аналог «теплой» нагрузки в прототипе). Полученная от калибровочных нагрузок информация используется для определения абсолютной величины яркостной температуры измеряемого собственного излучения атмосферы.
Три спектрорадиометра имеют следующие особенности.
Спектрорадиометр для зондирования приземного слоя атмосферы имеет рупорную антенну, настроенную на диапазон принимаемых частот 55-59 ГГц и преобразующей моду прямоугольного одномодового волновода в квазигауссов волновой пучок с плоским фазовым фронтом с эффективностью лучше 95%. Ширина диаграммы направленности антенны составляет 3,8°.
Спектрорадиометр для зондирования свободной тропосферы имеет рупорную антенну, настроенную на диапазон принимаемых частот 50-55 ГГц и преобразующей моду прямоугольного одномодового волновода в квазигауссов волновой пучок с плоским фазовым фронтом с эффективностью лучше 98%. Ширина диаграммы направленности антенны составляет 4,2°.
Спектрорадиометра для зондирования стратосферы имеет рупорную антенну, настроенную на диапазон принимаемых частот 52,45-54,5 ГГц и преобразующей моду прямоугольного одномодового волновода в квазигауссов волновой пучок с плоским фазовым фронтом с эффективностью лучше 97%. Ширина диаграммы направленности антенны составляет 4,1°.
Использование в конструкции каждого из спектрорадиометров внутренней калибровочной системы и специальным образом профилированной рупорной антенны позволило уменьшить габариты каждого спектрорадиометра до размеров небольшого кейса и избежать затрат на содержание громоздкой внешней калибровочной системы. Разделение на три кейса позволило не только автономно измерять характеристики температур на разных уровнях высот атмосферы, но и облегчить возможность транспортировки и развертывания комплекса.
Комплекс является мобильным устройством для непрерывного круглосуточного всепогодного получения спектров собственного излучения атмосферы в полосе 50-60 ГГц, позволяющий восстанавливать температуру атмосферы в интервале высот 0-55 км.