Способ дистанционного измерения температуры стратосферы в микроволновом диапазоне

 

Изобретение относится к технике метеорологического приборостроения и может быть использовано для дистанционного определения профиля температур в стратосфере. Цель изобретения - повышение точности измерений с увеличением высоты зондирования путем оптимального использования энергии отдельных линий спектра молекулярного кислорода о микроволновом диапазоне волн. Восходящее тепловое излучение атмосферы принимают в области полосы поглощения молекулярного кислорода в районе 60 ГГц, выделяют на промежуточной частоте для различных спектральных интервалов полосы поглощения молекулярного кислорода, по результатам измерения которых восстанавливают профиль температуры атмосферы. 1 з.п. ф-лы, ил.

СО103 СОВЕТСКИХ

СО ЦИАЛ И СТИЧ ЕС КИХ

РЕСПУБЛИК (1О) <111 (5!) О 01 И 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ б

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4449469/10 (22) 03.06.88 (46) 30.02.93. Бюл. 1.". 8 (71) Центральная аэрологическая обсерватория Государственного комитета

СССР по гидрометеорологии (72) E.H.Кадыгров и A.H.ØàïoøíèêoB (56) Зарубежная радиоэлектроника, 1983, 1" 8, с. 4 — 32.

Патент СЫ > 33с0045, кл . 343 — 100, опублик. 1968. (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕИПЕРАТУРЫ СТРАТОСФЕРЫ В МИКРОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ (7) Изобретение относится к технике метеорологического приборостроения и может быть использовано для дистанИзобретение относится к технике метеорологического приборостроения и может быть использовано для дистанционного опрелеленил профиля температуры в стратосфере.

Целью изобретения является повышение точности измерений с увеличением высоты зондирования путем оптимальногo использования отдельных линий спектра молекулярного кислорода в микроволновом диапазоне волн.

В соответствии с данным способом осуществляют прием восходящего теплового излучения атмосферы в области полосы поглощения молекулярного кислорода в районе 60 ГГц, смешение мощности принятого сигнала с сигналом гетеродина, вь<д< лс ни< на промежуточной ча< тоте сигнал >«, >тв< .тствующих ционного определения профиля температур в стратосфере. Цель изобретения повышение точности измерений с увеличением высоты зондирования путем оптимального использования энергии отдельных линий спектра молекулярного кислорода в микроволновом диапазоне волн, Восходящее тепловое излучение атмосферы принимают в области полосы поглощения молекулярного кислорода в районе 60 ГГц, выделяют на промежуточной частоте для различных спектральных интервалов полосы поглощения молекулярного кислорода, по результатам измерения которых восстанавливают профиль температуры атмосферы.

1 з.п. ф-лы, 4 ил.

f различным спектральным интервалам полосы поглощения молекулярного кислорода, по результатам измерения которых восстанавливается профиль температуры атмосферы, сигнал на промежуто -»сй частоте дополнительно смешивают с сигналом второго гетеродина, а выделение сигналов, соответствующих различным спектральным интервалам полосы поглощения молекулярного кислорода, осуществляют на второй промежуточной частоте, при этом частота первого гетеродина выбирается равной средней арифметической частоте двух близко расположенных линий поглощения примерно равной амплитуды, а частота второго гетеродина равна половинной разности частот выбранных линий. В качестве такого дуплет л<-« ра1626912 A Т

hT

Р

Ь о 35

rpe ТР - минимально возможное приращение температуры, регистрируемое радиомет ром;

А - коэффициент, определяемый типом радиометра;

Т - шумовая температура радиометра, 5 f. — ширина полосы пропускания, л постоянная интегрирования.

Для увеличения чувствительности 45 радиометра прием излучения осуществляют сразу в нескольких полосах. Реализуется это путем выбора в спектре молекулярного кислорода двух близко расположенных линий примерно равной амплитуды с резонансными частотами

f „, и f „, частота первого гетеродиfa(+fop на выбирается равной (2 У а частота второго гетеродина f г2

Е м- ff iа — Такой выбор частот гетеролинов обеспечивает гложение энергии от четырех полос приема. Суммар40

HH линии с резонансными частотами

61,1506 и 61,8002 ГГц. В отличие от нижних слоев атмосферы, где линии поглощения молекулярного кислорода сливаются, в атмосфере спектр проявляется в виде отдельных линий, центрированных вокруг частоты 70 ГГц, и одиночной линии на частоте примерно

120 ГГц. Поэтому появляется возможность при условии обеспечения высоко,го спектрального разрешения получать профиль температуры не по измерениям излучения от различных линий, à по огибающей одной линии или двух близ ко расположенных линий. Из физических основ определения профиля температуры по измерениям излучения молекулярного кислорода вытекает, что для повышения высоты зондирования необходимо брать более сильные линии поглощения и измерения проводить вблизи резонансных частот.. Однако чем ближе берутся частоты к резонансу, тем более узкие полосы пропуска- 25 ния необходимо выбирать для сохранения приемлемой ширины весовой функции, т. е. достаточного вертикального разрешения. Но при уменьшении полосы пропускания существенно уменьшается 30 чувствительность радиометра в соответствии с известной формулой ная весовая функция будет такой же, как и при приеме по одной полосе, а чувствительность возрастет примерно в два раза. Реализова!ь это можно, используя радиометр с двойным преобразованием частоты. При широкополосном входе радиометра (3 - 5 ) прием излучения осуществляется по прямому и зеркальному каналам, таким образом энергия сигнала удваивается. При втором гетеродировании энергия с двух каналов на первой промежуточной частоте переносится на вторую промежуточную частоту, складывается и разделяется частотными фильтрами, что позволяет восстановить профиль температуры всего слоя атмосферы. Таким образом, вертикальное разрешение определлется шириной одной полосы энергии излучения> а чувствительность суммарной энергией с четырех полос приема. Все это обеспечивает повышение высоты определения температуры до верхних границ стратосферы, что не обеспечивает известные ранее способы термического зондирования в микроволновом диапазоне волн.

На фиг.1 показаны кривые расчетных зависимостей полуширины весовой функции, определяющей вертикальное разрешение от ширины полосы пропускания для различных частот, где кри,,вая АГ соответствует максимальному приближению к резонансной частоте линии, с увеличением отстройки получаются кривые Б, В, Г. График подтве эждает, что при приближении к резонансному линии для сохранения приемлемой ширины весовой функции необходимо уменьшать полосу пропускания.

На фиг.2 показаны графики последовательного преобразования спектра сигнала для использования энергии от е четырех полос излучения. Сначала происходит перенос сигнала на первую промежуточную частоту, затем на вторую и в результате происходит сложение энергии сигнала при сохранении узкой полосы пропускания. При этом

I - энергия измерения в одной поло. о се, 1, — суммарная энергия. Частоты дуплета линий поглощения составляют

61,1506 и 61,8002 ГГц.

На фиг.3 изображены расчетные весовые 1ункции прибора, который может реализовать предложенный способ. При оптимизации было выбран шесть измери,ельник каналов, об,с « ива -.„.,их

15

8, второй усилитель 9, блок 10 фильт- 20 ров, блок 11 квадратичных детекторов, блок 12 синхронных детекторов, генератор 13 опорного найряжения, систему 14 обработки и передачи данных.

>"адиометр производит измерение следующим образом.

Восходлщее излучение атмосферы через систему 1 сканирования и калибровки поступает в антенну 2 и затем на первый смеситель 3. Иодуляция сигнала осуществляется по частоте первого высокостабильного гетеродина 5, имеющего частоту f« с помощью модулятора 4, управляемого генератором 13 опорного напряжения. Сигнал на пер- 35 вой промежуточной частоте, усиленный достаточно широкополосным усилителем

6 промежуточной частоты (УП4) > поступает на второй смеситель 7, где с помощью второго гетеродина 8, имеющего 40 частоту. 1„, происходит преобразование сигнала на вторую промежуточную частоту, усиленную с помощью второго

УП4 9. Таким образом получился суммарный сигнал, в котором произошло 45 сложение энергии излучения в четырех полосах. С помощью блока 10 происходит разделение сигнала на шесть рабочих каналов, полосы которых соответС ствуют необходимым высотам максиму- 50 мов весовых функций. После квадратичных детекторов сигнал каждого канала подаетсл на свой синхронный детектор, управляемый генератором 13 опорного напряжения, и поступает в 55 систему 14. После первичной обработки данных по измеренным радиолркост>ми температурам производится восста> явлен » профиля температуры атмос25 где S 1,1, — ковариационная матрица температуры;

S „- ковариационная матрица погрею, остей измерений, Применяемый способ измерения температуры стратосферы с помощью контактных датчиков, поднимаемых на метеорологических ракетах, не обеспечивает глобальности измерений, необходимой для решения задачи контроля и охраны озонового слоя Земл>1, про>-.р кпы«;с всего лол стратосферы от !

15 ло 500 км (кривые P, — Л) . Полоса пропусканил менлетсл от 78 ИГц (канал шесть) до 3 ИГц (канал один) .

Восстановление профилей температуры стратосферы для прибора с такими параметрами показало, что обеспечивается восстановление профиля температуры стратосферы с вертикальным разрешением 8-9 км и погрешностью измерения порядка 2 К.

На фиг.4 изображена структурная схема радиометра для осуществгения способа. Она содержит систему 1 сканирования и калибровки, антенну 2, первый смеситель 3, модулятор 4, первый гетеродин 5> первый усилитель 6, второй смеситель 7, второй гетеродин

1 Р б феры. Это так называемая обрат>ь>л дача - восстановление профиля ME Tf>ñрологического параметра по измеренным спектральным характеристикам. В основе ее лежит решение уравнения переноса микроволнового излучения в атмосФере, которое сводитсл к решению уравненил фредгольма 1-го рода различными методами, например мето> дом статистической регуляризации, регрессионным методом и т.д. Восстановление профилей температуры по регрессионной методике с использованием в кацестве реперной информации данных ракетного зондирования атмосферы показало, что использование описанного способа позволило получить профили температуры в диапазоне стратосферных высот 15 - 50 км с погрешностью 1,5

2 К. При использовании метод статистической регуляризации сводится к решению уравнения вида Т! =Ah+ Т> где ДТ - приращения разнояркостной температуры

А - матрица IKN-интегрального оператора переноса излучения, h - разности текущих и усредненных значений температуры, N - количество изобарических поверхностей, на которых производится восстановление температуры, — вектор погрешности измерений размерности M.

Точность определения вертикального профиля температуры методом статистической регуляризации, когда априорная информация используется в наиболее полном виде, характеризуется ковариационной матрицей погрешностей восстановления в виде

D = (S> +А S, A) 1 16? 61 I 2

1 нова состояния высоких слоев атмосФеры и других прикладных задач. Увеличение числа станций ракетного зондирования атмосферы и числа запусков метеорологических ракет приводит к весьма значительным материальным затратам, учитывая огромные пространства океанов (Антарктида, Арктика), а также тот факт, что пуски метеорологических ракет нельзя проводить в густонаселенных районах суши. Поэтому описываемый способ весьма перспективен для решения задачи глобальных измерений температуры стратосферы с борта метеорологических спутников

Земли.

Формула изобретения

1. Способ дистанционного измерения температуры стратосферы в микроволновом диапазоне, заключающийся в приеме восходящего теплового излучения атмосферы в области 60 ГГц поло- 25 сы поглощения молекулярного кислорода, смешении мощности принятого сигнала с сигналом гетеродина, выделе I нии на промежуточной частот си(и 1" лов, соответствующих различным спектральным интервалам полосы поглощения молекулярного кислорода, по результатам измерения которых восстанавливают профиль температуры атмосферы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений с увеличением высоты зондирования, сигнал промежуточной частоты дополнительно смешивают с сигналом второго гетеродина, а выделение сигналов, соответствующих различным спектральным интервалам полосы поглощения молекулярного кислорода, производят на второй промежуточной частоте, при этом значения частот первого и второго гетеродинов выбирают иэ условия f, 1 1 (f +f ) иГ =- — (f — f )

2 + в < 2 а в где f u f.z — частоты расположения центров линий дуплета молекулярного кислорода в области 60 ГГц.

2. Способ по и.1, о т л и ч а ющ и Й с я тем, что значения частот линий дуплета выбирают 61,1506 и

61,8002 ГГц.

1626 12 ьнгч.) «Кнщ

l Риг. 2

Соста витель Н. Макаренко

Техред М.Моргентал Корректор A.Ìoòûëü

РедактЧзр Л.Волкова

Заказ 1103 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Проиэводственно-иэлательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101