CC BY
29Электродинамика и антенные системы
УДК 621.396.69
Трёхканальная СВЧ - радиометрическая система дистанционного зондирования облачной атмосферы
Ростокин И.Н., Ростокина Е.А., Ефремов Е.А. Аннотация: Рассмотрен СВЧ - радиометрический метод определения влагосодержания атмосферы, основанный на измерениях в линии поглощения парами воды на длине волны 1,35 см и в окнах прозрачности 0,8 см и 3 см. Приводится описание трехканальной СВЧ - радиометрической системы сантиметрового диапазона длин волн, предназначенной для дистанционных исследований атмосферы, которая реализует ряд оригинальных принципов приёма и обработки радиотеплового излучения облачной атмосферы. Представлены результаты пробных исследований радиотеплового излучения облачной атмосферы.
Ключевые слова: трехканальная СВЧ - радиометрическая система, дистанционное зондирование, атмосфера, азимутальные и угломестные разрезы, влагозапас.
Three-channel microwave-radiometric system of remote sounding of cloudy atmosphere
Rostokin I.N., Rostokina E.A., Efremov E.A. Abstract: The paper deals with microwave radiometric method of the atmosphere moisture content determination based on the measurements of water vapour absorption line at the wavelength of 1.35 cm and in the windows of transparency 0,8 cm and 3 cm. It gives the description of the three-channel microwave radiometric system centimeter wavelength range, intended for remote studies of the atmosphere, which implements a number of original principles of thermal radio emission reception and processing in a cloudy atmosphere. The results of thermal radio emission in a cloudy atmosphere are presented here.
Key words: three-channel microwave-radiometric system, remote sensing of the atmosphere, the azimuth and elevation cuts, moisture reserve.
Введение
СВЧ - радиометрическое исследование атмосферы представляет собой достаточно мощное средство, обладающее точностью и оперативностью, и позволяющее судить о количественном соотношении излучающих компонент в атмосфере.
Получаемая при этом информация необходима для исследования пространственной структуры и эволюции облаков в целях прогноза погоды, урожая и опасных явлений, а также для решения задач экологии, гидрологии и природопользования, что является одним из актуальных направлений дистанционного зондирования атмосферы.
СВЧ - радиометрия атмосферы позволяет осуществлять измерения водозапаса атмосферы, оценивать водность и границы облачности и дождей.
Радиофизическое дистанционное зондирование в радиодиапазоне является весьма эффективным средством исследования влагосодержания атмосферы. При этом для раздельного определения содержания парообразной и жидкокапельной влаги (облака, туманы и т.п.) необходимо производить измерения одновременно на нескольких длинах волн.
Описание экспериментальной аппаратуры
Антенное устройство СВЧ - радиометрической системы реализует оригинальный способ приёма радиотеплового излучения земной атмосферы, позволяющий снизить уровень бокового излучения зеркальной антенны [1].
Стабильность параметров СВЧ блока радиометрической системы при воздействии как внешних, так и внутренних помех достигается путём специальной до детекторной обработки принятого радиотеплового излучения атмосферы [2].
Приём осуществлялся на специально изготовленную антенную систему с электромеханическим сканированием в угло-местной (от 0° до 90°) и азимутальной (от 0° до 180°) плоскостях. Для обеспечения трёхдиапазонного режима работы СВЧ -радиометрической системы с одной остронаправленной антенной принята одно-зеркальная схема построения антенны.
Антенная система СВЧ - радиометрической системы создана на основе зеркальной параболической антенны со смещённым фокусом (размеры рефлектора 900x1000 мм, отношение фокусного расстояния к диаметру рефлектора 0,5, ширина диаграммы направленности 1,5°, коэффициент усиления 40 дБ, уровень крос-споляризации - 30 дБ).
В качестве облучателя используется трёхдиапазонный широкополосный конический рупор, возбуждаемый боковыми волноводами с волной основного типа Н11.
В качестве основы СВЧ - блока радиометрической системы были использованы серийные малошумящие СВЧ конвертерные модули, выпускаемые как отечественными, так и иностранными производителями.
Аналоговая информация об измеряемом радиошумовом излучении атмосфе-
ры, формируемая на выходе приемного устройства поступает на блок сопряжения с ПЭВМ. Это устройство последовательно опрашивает три входных канала и преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Сигналы со всех измерительных каналов поступают на быстродействующий 10 -разрядный аналого - цифровой преобразователь (АЦП). Коммутатор последовательно опрашивает три приёмных канала. Информация из АЦП поступает в ПЭВМ в виде отсчётов, соответствующих измеряемому уровню радиошумового сигнала.
Программа регистрации данных радиометрических измерений обеспечивает функционирование СВЧ радиометрической системы и поддерживает основные режимы работы системы. Программа имеет гибкую систему настроек, позволяющую задать внешний вид программы, порядок ввода данных, а также параметры прибора.
Методы исследования влагозапаса атмосферы
Метод определения влагосодержания атмосферы базируется на измерениях в линии поглощения парами воды на длине волны 1,35 см и в окнах прозрачности 0,8 см и 3 см.
Радиофизическое исследование интегральных параметров атмосферы проводилось с помощью трёхканальной СВЧ -радиометрической системы дистанционного зондирования атмосферы, одновременно на трёх длинах волн:
- длина волны 3,2 см - оперативная оценка содержания жидкокапельной влаги в гидрометеорных образованиях;
- длина волны 1,35 см - определение интегрального влагозапаса (водяной пар) атмосферы;
- длина волны 0,8 см - оценка водоза-паса облаков.
Данная радиометрическая система предназначена для определения характеристик водо - и влагосодержания облаков.
Радиометрия атмосферы позволяет осуществлять измерения водозапаса атмосферы, оценивать водность и границы облачности и дождей. Метод определения влагосодержания атмосферы базируется на измерениях в линии поглощения парами воды и в окнах прозрачности. Измерения в диапазоне 3 см позволяют учесть вклад в антенную температуру радиоизлучения кислорода и поверхности океанов.
Типы исследуемых метеообъектов и методов проведения измерений можно классифицировать следующим образом:
1) абсолютный метод измерения
- мощности радиотеплового излучения однородной атмосферы;
- величины радиояркостного контраста метеообъекта.
2) относительный метод измерения
- угломестных разрезов для однородной атмосферы;
- азимутальных разрезов для метеообъектов, имеющих радиояркостный контраст на фоне однородной атмосферы.
Результаты экспериментальных исследований
Метод определения влагозапаса атмосферы заключается в регистрации интенсивности радиотеплового излучения атмосферы под зенитным углом при фиксированном азимуте.
Исследования радиотеплового излучения облачной атмосферы были проведены в округе Муром в весенний период 2013 г.
На полученном экспериментальным путём графике, представленном на рис. 1, отчётливо видна взаимосвязь между безоблачной атмосферой и атмосферой, в которой присутствуют облака. Эта зависимость наблюдается в резком изменении шумовой температуры радиометра, что свидетельствует о наличии достаточно большого количества влаги в облаке.
Метод определения влагозапаса описываемый выше, полностью был подтверждён экспериментальными исследованиями, проведёнными с помощью трёхканаль-ной СВЧ радиометрической системы.
Для определения оптической толщины атмосферы был использован метод угло-местных разрезов. Этот метод заключает-
ся в регистрации интенсивности радиотеплового излучения атмосферы под несколькими зенитными углами при фиксированном азимуте. Результаты угломест-ных разрезов облачной атмосферы представлены на рис. 2.
Особенностью метода является предположение о горизонтальной однородности атмосферы. Следовательно, применение данного метода возможно лишь для безоблачной атмосферы и атмосферы, содержащей слоистообразные облака.
Литература
1. Пат. РФ №2300831 Способ снижения уровня шума антенны и двухмодовая апертур-
Работа выполнена при поддержке РФФ
ная антенна // Федосеева Е.В., Ростокина Е.А., Ростокин И.Н. Опубл.: 10.06.2007 Бюл. №16.
2. Пат. ПМ РФ №98820. Радиометрическая система с компенсацией внешних помех и нестабильности коэффициента передачи системы //Федосеева Е.В., Ростокин И.Н., Ечин П.А. Опубл.: 27.10.2010 Бюл. №30.
References
1. The patent for invention number 2300831 A method for reducing noise antenna and two-mode antenna aperture // Fedoseyeva E. V, Ros-tokina E.A, Rostokin I.N, Publ.: 10.06.2007 Bull. № 16.
2. A utility model patent number 98820. Radiometric system with compensation of external disturbances and instability coefficient of the transmission system // Fedoseyeva E.V, Rostokin I.N., Echin P.A. Publ.: 27.10.2010 Bull. № 30.
(грант № 12-02-97520-р_центр_а).
Поступила 20 мая 2013 г.
Информация об авторах
Ростокин Илья Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры управления качеством технических средств Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
E-mail: [email protected].
Ростокина Елена Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры управления качеством технических средств Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» E-mail: [email protected].
Ефремов Евгений Александрович - студент Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
E-mail: [email protected].
Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, 23.
Rostokin Ilya Nikolaevich - candidate of technical sciences, assistant-professor Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Rostokina Elena Anatolievna - candidate of technical sciences, assistant-professor Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Efremov Evgeniy Aleksandrovich - student Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Address: 602264 Murom, st. Orlovskaya, h. 23.
