Способ дистанционного измерения температуры стратосферы в микроволновом диапазоне

(5)1 О 01 И 1/00 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Центральная аэрологицеская обсерватория Государственного комитетаСССР по гидрометеорологии(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯТЕМПЕРАТУРЫ СТРАТОСФЕРЫ В МИКРОВОЛНОВОМ,ПИАПЯЗОНЕ(57) Изобретение относится к техникеметеорологического приборостроения иможет быть использовано для дистанС ьЬЭ 0 Ы е относится к технике Изобретеметеорологиможет бытьционного оп троения и дистан- темпера цеского прибо использовано дллределенцл профилятосфере.обретения явллетсл повьсти измерений с увеличе туры в стр Целью и ение точн утем опти ельных ли кислородаволн,способомего теплообласти ого кис ение мо сигнал омлжутоц- лтствующи нием высоты зондирования п мального использовднцл отд ний спектра молекуллрного в микроволновом диапазонеВ соответствии с данным осуществллют прием восходя вого излучения атмосферы в полосы поглощения молекуля лородд в радоне 60 ГГц, см ности принятого сигндлд с гетеродцнд, выдг ленн на п НОЙ цдс тоте сцгнд Г 1 л, )Г)т ционного определения профиля температур в стратосфере. Цель изобретения повышение точности измерений с увеличением высоты зондированил 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, З.п. ф лы 4 ил. различным спектральным интервалам полосы поглощения молекулярного кислорода, по результатам измерения которых восстанавливается профиль температуры атмосферы, сигнал на промежуточной частоте дополнительно смешиваютс сигналом второго гетеродина, а выделение сигналов, соответствующихразличным спектральным интерваламполосы поглощения молекулярного киспорода, осуществллют на второй промежуточной частоте, при этом частотапервого гетеродина выбирается равнойсредней арифметической частоте двухблизко расположенных линий поглощения примерно равной амплитуды, д частота второго гетеродина равна половинной разности частот выбранных линий, В качестве такого дуплета лнбрд 1626912йТцТе мРЬГ о 35где ТР - минимально возможное приращение температуры, регистрируемое радиометром;А - коэффициент, определяемыйтипом радиометра;Т - шумовая температура радиометра,Г - ширина полосы пропускания,лпостоянная интегрирования.Для увеличения чувствительности 45радиометра прием излучения осуществляют сразу в нескольких полосах, Реализуется это путем выбора в спектремолекулярного кислорода двух близкорасположенных линий примерно равнойамплитуды с резонансными частотамиГ , и Г, частота первого гетеродиГи +Г,на Выбирается равной Гг( 7а частота второго гетеродина ГгдГл( - Г а- Такой выбор частот гетеролинов обеспечивает гложение энергии от чатыр( х полос приема, Гуммар 40 ны 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, а по огибающей одной линии или двух близко расположенных линий. Из физических основ определения профиля темпе" ратуры 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 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, ачувствительность возрастет примернов два раза. Реализоваь это можно,используя радиометр с двойным преобразованием частоты. При широкополосном входе радиометра (3 - 5) приемизлучения осуществляется по прямомуи зеркальному каналам, таким образомэнергия сигнала удваивается. При втором гетеродировании энергия с двухканалов на первой промежуточной частоте переносится на вторую промежуточную частоту, складывается и разделяется частотными фильтрами, чтопозволяет восстановить профиль температуры всего слоя атмосферы, Такимобразом, вертикальное разрешение определяется шириной одной полосы энергии излучения, а чувствительностьсуммарной энергией с четырех полосприема, Все это обеспечивает повышение высоты определения температурыдо верхних границ стратосферы, чтоне обеспечивает известные ранее способы термического зондирования в микроволновом диапазоне волн,На фиг.1 показаны кривые расчетных зависимостей полуширины весовойфункции, определяющей вертикальноеразрешение от ширины полосы пропускания для различных частот, где кривая АГ соответствует максимальномуприближению к резонансной частоте линии, с увеличением отстройки получаются кривые Б, В, Г. График подтвеждает, что при приближении к резонансному линии для сохранения приемлемойширины весовой функции необходимоуменьшать полосу пропускания.На фиг,2 показаны графики последовательного преобразования спектрасигнала для использования энергии отфчетырех полос излучения. Сначала происходит перенос сигнала на первуюпромежуточную частоту, затем на вторую и в результате происходит сложение энергии сигнала при сохраненииузкой полосы пропускания. При этом1 - энергия измерения в одной поло. о(се, 1, - суммарная энергия, Частотыдуплета линий поглощения составляют61,1506 и 61,8002 ГГц,На фиг,3 изображены расчетные весовые 1 ункции прибора, который можетреализовать предложенный способ. Приоптимизации было выбраню шесть измери,ельник каналов, оЬсн(ива.;:,;их10 8, второй усилитель 9, блок 10 фильт ров, блок 11 квадратичных детекторов, блок 12 синхронных детекторов, генератор 13 опорного на 1 ряжения, систему 14 обработки и передачи данных,Рддиометр производит измерение следующим образом.Восходлщее излучение атмосферы через систему 1 сканирования и калибровки поступает в антенну 2 и затем на первый смеситель 3. Модуляция сигнала осуществляется по частоте первого высокостабильного гетеродина 5, имеющего частоту Г с помощью модулятора 4 управляемого генератором 13 опорного напряжения. Сигнал на пер вой промежуточной частоте, усиленный достаточно широкополосным усилителем 6 промежуточной частоты (УПЧ)поступает на второй смеситель 7, где с помощью второго гетеродина 8, имеющего 40 частоту., происходит преобразование сигнала на вторую промежуточную частоту, усиленную с помощью второго УПЧ 9, Таким образом получился суммарный сигнал, в котором произошло 45 сложение энергии излучения в четырех полосах, С помощью блока 1 О происходит разделение сигнала нд шесть рабочих каналов, полосы которых соответствуют необходимым высотам максиму мов весовых Функций. После квадратичных детекторов сигнал каждого канала поддетсл на свой синхронный детектор, управляемый генератором 13 опорного напряжения, и поступает в 55 систему 14. После первичной обработки дднных по измереннм рддиолркостнм темпердтурдм производится восстановлен профиля темп".рдтурь дтмос 25 где Я 1,1, - ковариационная матрица температуры;Я- ковариационная матрица погреш остей измерений,Применяемый способ измерения темпердтуры 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.,и р пчс всего лгл гтрдтосферь от15 ло 500 км (кр 1 вне /ч, - Л). Полоса пропускднил менлетсл от 78 МГц (канал шесть) до 3 МГц (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.Нд фиг,1 изображена структурная схема радиометрд 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 бФеры. Это тдк ндэьвдемдл обрдтндлддчд - восстановлен е профиля метеорологического параметра по измеренным спектральным характеристикам. Воснове ее лежит решение уравнения переноса микроволнового излучения ватмосфере, которое сводитсл к решению уравненил Фредгольма 1-го родаразличными методами, например методом статистической регуляризации,регрессионным методом и т,д. Восстановление профилей температуры по регрессионной методике с использованиемв качестве реперной информации данныхракетного зондирования атмосферы показало, что использование описанногоспособа позволило получить профилитемпературы в диапазоне стратосферныхвысот 15 - 50 км с погрешностью 1,52 К, При использовании метод статистической регуляризвции сводится к решению уравнения вида ЬТ =АЬ+1,где ДТ " приращения разнояркостнойтемпературыА - матрица 1 ЖЮ-интегральногооператора переноса излучения,11 - разности текущих и усредненных значений температурыИ - количество изобарическихповерхностей, на которыхпроизводится восстановлениемпературы,1 - вектор погрешности измерений размерности И,Точность определения вертикального профиля температуры методом статистической регуляризации, когда априорная информация используется внаиболее полном виде, характеризуется ковариационной матрицей погрешностей восстановления в виде1Л = (Яь, +А ЯА)нова состояния высоких слоев атмосферы и других прикладных задач. Увеличение числа станций ракетного зондирования атмосферы и числа запусковметеорологических ракет приводит квесьма значительным материальным затратам, учитывая огромные пространстваокеанов (Антарктида, Арктика), а также тот факт, что пуски метеорологических ракет нельзя проводить в густонаселенных районах суши. Поэтомуописываемый способ весьма перспективен для решения задачи глобальныхизмерений температуры стратосферы сборта метеорологических спутниковЗемли,формула изобретения201, Способ дистанционного измерения температуры стратосферы в микроволновом диапазоне, заключающийся в приеме восходящего теплового излучения атмосферы в области 60 ГГц поло сы поглощения молекулярного кислорода, смешении мощности принятого сигнала с сигналом гетеродина, выделении на промежуточной частот. слов, соответствующих различным спектральным интервалам полосы поглощениямолекулярного кислорода по результатам измерения которых восстанавливают профиль температуры атмосферы,отличающийся тем, что, сцелью повышения точности измерений сувеличением высоты зондирования, сигнал промежуточной частоты дополнительно смешивают с сигналом второгогетеродина, а выделение сигналов, соответствующих различным спектральныминтервалам полосы поглощения молекулярного кислорода, производят на второй промежуточной частоте при этомзначения частот первого и второго гетеродинов выбирают иэ условия Г,1(Ю +й) иГ = - -(Г - Е)а в с 2 а вгде Г и Гв - частоты расположенияцентров линий дуплета молекулярногокислорода в области 60 ГГц,2. Способ по и.1, о т л и ч а ющ и Й с я тем, что значения частотлиний дуплета выбирают 61,1506 и61,8002 ГГц,11626912 игЗ иг Составитель Н.МакареТехред М.МоргенталжшКорректор Д,Мот Реда кто олкова Подписно КНТ ССВЕВтЕЕственно-ивлательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101 П Заказ 1103 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по и 113035, Москва, Жбретениям и открытиям при Раушская наб., д, 4/5