Пассивные микроволновые системы. Теория антенн, страница 7

Было рассмотрено влияние атмосферы при так называемом «чистом небе» (см. выше). Однако при корректировке полученных измерений нужно обращать внимание на обычные атмосферные явления. В микроволновом диапазоне влияние атмосферных аэрозолей незначительное, его не учитывают. Как указывалось в п. 4.4, туман и облака также не оказывают влияния на измерения в микроволновом диапазоне ниже 15—20 ГГц. С другой стороны, дождь проявляет значительное поглощение и рассевание на частотах ниже 10 ГГц. Причем эффекты поглощения и рассеивания дождем сильно зависят от частоты (см. рис. 4.6). Поэтому их влияние необходимо определять многократными измерениями на разных частотах и вносить соответствующие корректировки.

Возвращаясь к рис. 7.8, можно сделать вывод, что на частотах между 3 и 15 ГГц пассивный микроволновый радиометр определяет сигнал, в котором доминирует излучательная способность поверхности с небольшой коррекцией на испарения воды. В диапазоне частот от 15 до 35 ГГц излучательная способность поверхности все еще доминирует, хотя влияние испарений воды увеличивается. А на частоте выше 35 ГГц эффект поглощения молекулами атмосферы становится доминантным, и измерения на этих частотах применяются для атмосферного зондирования, а не для наблюдений за поверхностью Земли.

7.5. Пример: радиометр SSM/I

Типичным пассивным микроволновым радиометром является SSM/I, разработанный для метеорологических наблюдений со спутников DMSP США. Он работает в четырех диапазонах: 19,4, 22,2, 37,0 и 85,5 ГГц, используя горизонтальную и вертикальную поляризацию в каждом диапазоне. Точность определения яркостной температуры составляет + 0,8 К.

Радиометр SSM/I использует коническое сканирование при работе на высоте 883 км, а ось его антенны составляет 45° к надиру. Это дает угол падения на поверхность Земли 53°, как показано на рис. 7.9. Диаметр антенны равен 1 м, что дает ширину луча приблизительно 0,035 рад (2°) на частоте 19,4 ГГц, так что на расстоянии 1270 км и с углом падения луча 53° дает эллипсобразную область обзора (лучом) с размерами 70 х 45 км. В других диапазонах область обзора будет иметь размеры 60 х 40 км, 35 х 25 км и 15 х 10 км соответственно. Диаметр круговой траектории, изображенной на рис. 7.9, составляет около 1800 км (см. также рис. 7.4). Однако радиометр SSM/I не использует всю эту область. Обычно она составляет диаметр 1400 км. Каждый шаг сканирования длится 1,9 с, в течение этого времени луч перемещается на 12,5 км. Процесс измерений происходит за 8,4 мс с пространственным разрешением 25 км. В результате за один круг производится 64 измерения. (В диапазоне 85,5 ГГц время выборки уменьшается вдвое, следовательно, количество выборок удваивается.)

На двух более низких частотах радиометр SSM/I применяется для исследований поверхности океана и измерений солености морской воды. Частота 22 ГГц используется также для определения суммарной концентрации паров воды в атмосфере. На частоте 37 ГГц производятся в основном измерения количества падающей дождевой воды и содержания воды в облаках, а также определение льда на поверхности океана. Частота 85 ГГц используется обычно для определения температуры атмосферы в вертикальном направлении.

Радиометр SSM/I функционирует в основном на частоте 15 ГГц, когда влияние атмосферы не так ощутимы. Другие микроволновые радиометры применяют еще более низкие частоты. Например, радиометр SMMR работает на частотах 6,6, 10,7, 18, 21 и 37 ГГц. А радиометр MIMR, разработанный для спутников EOS-PM и Metop, работает на частотах 6,8, 10,7, 18,7, 23,8, 36,5 и 89 ГГц.

7.6. Атмосферное зондированиепассивными микроволновыми радиометрами

Пассивные микроволновые радиометры играют очень важную роль в атмосферном зондировании, так как микроволновый диапазон содержит большое количество важных линий поглощения. Принцип атмосферного зондирования пассивными микроволновыми радиометрами не отличается от описанного в п. 6.5 принципа зондирования в видимом и инфракрасном диапазонах.