Пассивные микроволновые системы. Теория антенн, страница 8

Температурное профилирование по надиру производится в основном на линиях поглощения кислорода, например на частоте 60 или 118 ГГц. Функция взвешивания при этом имеет ширину 10 км на частоте 60 ГГц и немного меньше на частоте 118 ГГц. Как было указано в п. 6.5.1, система должна иметь несколько диапазонов, близких к линиям поглощения, что позволяет достичь точности определения температуры порядка 0,5 К.

На частотах ниже 200 ГГц присутствуют линии поглощения только кислорода и паров воды. Так как молекулы кислорода хорошо смешиваются в атмосфере, определение температуры этих молекул дает адекватную температуру атмосферы, а определение суммарной концентрации кислорода дает адекватное значение атмосферного давления.

Пассивные микроволновые радиометры можно использовать для кругового зондирования. Принцип их работы при этом методе такой же, как описанный в п. 6.5.4. Вертикальное разрешение в этом методе намного лучше, чем при вертикальном зондировании, но горизонтальное разрешение намного хуже. Так как расстояние от датчика до точки в атмосфере, от которой он получает сигнал, составляет около 3300 км, то необходимая для достижения вертикального разрешения в 1 км ширина луча должна быть 0,3 мрад, что в микроволновых радиометрах осуществить гораздо труднее, чем в инфракрасных системах. Например, микроволновый радиометр для кругового зондирования MLS, разработанный для спутников UARS, имеет каналы на 63, 183 и 205 ГГц и вертикальное разрешение около 4 км.

На рис. 4.5 представлена часть микроволнового спектра ниже 200 ГГц, включающая основные линии поглощения (кислорода и паров воды). Выше этой частоты (около 300 ГГц) находится множество других линий поглощения: молекул Н20, 02, СО, S02, N20 и N02 и множества ионов. Микроволновый радиометр AMAS, разработанный для российских спутников «Метеор-3», имеет 8 каналов измерений на частотах в диапазоне от 298 до 626 ГГц, что Позволяет исследовать концентрацию очень важных веществ в атмосфере. Конструктивно он является комбинированным устройством радио и оптической техники.

Задачи

1. Используя данные из табл. 7.1, докажите, что эффективная площадь прямоугольной или параболической антенны приблизительно равна ее геометрической площади.

2. Фазированная решетка функционирует на длине волны 6 см. Элементы антенны расположены в интервалах 4 см.

а)         Докажите, что луч можно электронно отклонить более чем на 30° от нормали, что позволяет осуществлять излучение в двух направлениях вместо одного.

б)        Докажите, что это можно сделать, только если размер элементов антенны меньше полуволны.

3. На частоте 10 ГГц и при определенном угле падения излучения получены данные о яркостной температуре воды, свежего льда и многолетнего льда: 80 К, 252 К и 200 К соответственно. На частоте 37 ГГц получены следующие данные: 119 К, 253 К и 168 К. Если микроволновый радиометр получил значение яркостной температуры на обоих частотах 180 К, то какое соотношение открытой воды и многолетнего льда она представляет?

4. Пассивный микроволновый радиометр работает на частоте 37 ГГц, имеет эффективную площадь антенны 0,3 м2 и распознает изменение температуры антенны 0,9 К. Радиометр работает на высоте 800 км и исследует плавучую льдину (ее яркостная температура равна 253 К), окруженную водой (ее яркостная температура равна 119 К). Рассчитайте площадь самой маленькой распознаваемой льдины.

5. Если коэффициент микроволнового поглощения атмосферы z изменяется с высотой в соответствии с уравнением:

γ=𝝉β exp(- z)

где  — оптическая плотность атмосферы, то нужно доказать, что яркостная температура, измеренная пассивным микроволновым радиометром в вертикальном направлении, изменяется с высотой в соответствии с формулой:

T(0) exp(-𝝉)+( z)T(z)d z

где функция взвешивания a(z) имеет вид:

a(z)=𝝉β exp(-βz) exp(-𝝉 exp(-βz))

Докажите, что a(z) будет максимальной при ln и что для фиксированного значения  только изменение  сдвигает a(z) по оси z без изменения масштаба.