Перспектива разработки радиометров нового поколения видится нам в следующем. Это, прежде всего, тщательно рассмотреть возможности реализации предельных характеристик микроволновой радиометрии для определения ключевых параметров системы океан-атмосфера на базе технологий многоволновой радиометрии, спектрометрии и поляриметрии в области частот 6…220 ГГц. Такие технологии позволяют:
- осуществлять глобальный мониторинг системы атмосфера – поверхность и получать количественные данные, характеризующие процессы взаимодействия в этой системе;
- осуществлять исследование циклонической деятельности и раннюю диагностику тайфунов;
- восстанавливать параметры поверхностных волн, скорость и направление приводного ветра;
- измерять потоки тепла, влаги и импульса на границе атмосферы и океана;
- восстанавливать интегральное содержание водяного пара в атмосфере и водозапас облачности, а также обнаруживать зоны осадков и оценивать их интенсивность;
- проводить картирование ледяного покрова;
- при соответствующем накоплении данных и совместном анализе с результатами предшествующих измерений исследовать тенденции изменения погодных и климатических характеристик, связанных с деятельностью энергоактивных зон Мирового океана.
Для реализации предельной возможности радиометрии необходимо повышение инструментальной точности определения радиояркостных температур. Сюда входят:
- высокая потоковая эффективность, малый уровень бокового излучения, кроссполяризации и «переливания»;
- точность абсолютной калибровки;
- малая шумовая температура входных устройств.
Для реализации высокой точности определения вектора ветра угол падения необходимо выбирать в пределах 50…54°. И необходимо использовать поляриметрические измерения, то есть принимать четыре поляризации: вертикальную, горизонтальную и ±45°.
Отметим еще одну тенденцию ‑ увеличение числа частот и каналов, а также увеличение числа каналов в линии 183 ГГц, отвечающей за высотное распределение водяного пара.
По количеству радиометрических каналов, предназначенных для измерения водяного пара в линии 183,31 ГГц, наиболее близок к проекту «Конвергенция» франко-индийский проект MEGA-TROPIQUES по исследованию тропической зоны[38],[39]. Запуск спутника на низкоширотную орбиту с наклонением 20° состоялся в октябре 2011 г. В его состав включены радиометр SAPHIR со сканированием поперёк и антенной 0,2 м, имеющий шесть каналов на частоте 183 ГГц и радиометр MADRAS, работающий на частотах 10,6; 18; 23; 36; 89 и 157 ГГц. Для определения профилей водяного пара на шести уровнях (по заверениям разработчиков) используется 6-канальный радиометр SAPHIR, в котором осуществляется прием микроволнового излучения в линии 183,31±12 ГГц. В этом радиометре используется линейное сканирование поперёк направления полёта с максимальным углом отклонения ±50° от надира, таким образом, что полоса захвата составляет 1700 км при высоте полёта спутника 865 км. Разрешение на поверхности в направлении надир составляет 10 км, увеличиваясь в поперечном направлении до 22 км на краях сканирования, размер среднего пиксела составляет 12,3 км.
Для сравнения приведём основные характеристики зарубежных радиометров нового поколения. Назовём некоторые из них.
Проект DWSS. В рамках программы DWSS (Defense Weather Satellite System) разрабатывается радиометр MIS (Microwave Imager/Sounder) с поляриметрическими каналами, имеющий в своём составе 41 канал, 23 частоты в диапазоне 6,35…183,31 ГГц. Ширина полосы захвата 1700 км. Используется антенна диаметром 1,8 м. Скорость передачи данных 500 кбит/c.
Проект Metop-SG. Европейская серия КА Metop-SG (Second Generation Program) Metop-SG-A и Metop-SG-В оснащается микроволновыми радиометрами MWS (Microwave sounder) для КА серии Metop-SG-A (запуск ~2020 г.) и MWI (Microwave Imager) для КА серии Metop-SG-В (запуск ~2021 г.). Радиометр-зондировщик MWS имеет 24 канала в диапазоне частот 23,8…230 ГГц. В зависимости от частоты разрешение прибора составляет от 17 до 40 км, апертура антенны 35 см. Радиометр MWI имеет 26 каналов, 18 частот в диапазоне 18,7…183,31 ГГц. Коническое сканирование антенной (угол 53,1°) диаметром 75 см, полоса захвата 1700 км.
Проект GPM. В его состав входит радиометр GMI (Global Precipitation Measurement Microwave Imager) с антенной 1,22 м и частотами 10 ГГц (В, Г); 18 (В, Г), 23 (В); 36 (В, Г); 89 (В, Г); 166 (В, Г); 183 (2 канала, В) ГГц.
Предлагаемый в КЭ « Конвергенция» Радиометр МРС имеет антенну 0,7 м и частоты 6,8 ГГц (В, Г); 10,7 (В, Г, ±45°); 18,7 (В, Г, ±45°); 22,0 (Г); 36,0 (В, Г, ±45°); 85,0 (В, Г); 118,75 (5 каналов, Г); 156,0 (В, Г); 183,3 (7 каналов, Г) ГГц. Основные параметры радиометра МРС приведены в табл. 2.
Таблица 2. Основные параметры радиометра МРС
Частота, ГГц | 6,8 | 10,6 | 18,7 | 22,0 | 36,0 | 85,0 | 118,75 | 150,0 | 183,3 |
Количество каналов | 2 | 4 | 4 | 1 | 4 | 2 | 5* | 2 | 7** |
Поляризация | Г, В | Г, В, ±45° | Г, В, ±45° | Г | Г, В, ±45° | Г, В | Г | Г, В | Г |
Динамический диапазон, К | 2,7…350 | ||||||||
Чувствительность, К | 0,35 | 0,8 | 0,76 | 0,25 | 0,56 | 0,4 | 0,9 | 0,55 | 0,62 |
Элемент разрешения, км | 75×115 | 48×74 | 27×42 | 23×35 | 14×22 | 6×9 | 6×9 | 6×9 | 6×9 |
Угол визирования, град | 45±0,1 | ||||||||
Полоса обзора, км | 810 | ||||||||
Период сканирования, с | 1,29 | ||||||||
Информационный поток, Кбит/с | 320 | ||||||||
Масса, кг | 50 | ||||||||
Потребляемая мощность, Вт | 80 | ||||||||
Габариты, мм | 700×600×750 (в транспортном состоянии), |
Высота орбиты 450 км, апертура антенны 700 мм.
* На частоте 118,75 ГГц супергетеродинный двухполосный приёмник с пятью спектральными каналами, ширина полос УПЧ 150 МГц.
** На частоте 183,3 ГГц супергетеродинный двухполосный приёмник с семью спектральными каналами, ширина полос УПЧ 500 МГц.
Здесь в полном объёме присутствует большое число каналов, кроме дециметровых, решающих весь спектр задач радиометрии, включая спектрометрию в линиях 118 и 183 ГГц, отвечающих за профили температуры и влажности, соответственно, что особенно важно на ранней стадии образования тайфунов.
Отметим главную особенность предлагаемого проекта микроволнового сканирующего радиометра – высокие измерительные свойства системы. Это достигается применением однозеркальной смещённой параболы, с помощью которой реально достичь значений потоковой эффективности не менее 0,97 и системой внутренних калибровок. Предлагаемый микроволновый сканирующий радиометр-спектрометр МРС позволяет из космоса измерять радиояркостные температуры в диапазоне частот 6…220 ГГц с высокой точностью, что даёт возможность восстанавливать детальные профили температуры и влажности.
Следует отметить, что высокая потоковая эффективность обусловлена выбором компактных двухмодовых облучателей с высокой направленностью. Уровень облучения кромки зеркала составляет около –20 дБ относительно центральной части. При этом «перелив» энергии облучателя за край зеркала пренебрежимо мал, что важно для радиометрической антенны. Однако, сильное спадание первичного поля к краю зеркала приводит к недоиспользованию периферийной поверхности апертуры, а значит к некоторому снижению коэффициента усиления антенны и расширению луча по сравнению со случаем 10…12 дБ спадания поля к краю апертуры. Тем не менее, такой вариант при некотором проигрыше в разрешающей способности (~10 %) позволяет избежать неприятностей, связанных с боковым излучением и «переливом» антенны, а значит, добиться большей точности в измерении яркостной температуры.
Что касается системы калибровки то, каждый облучатель в момент калибровки расположен таким образом, что калибровочное зеркало перекрывает весь конус лучей, отражённых от главного рефлектора. Следует отметить, что калибровочное зеркало при этом находится в промежуточной зоне облучателя (зоне Френеля). Другая особенность состоит в том, что облучатели непрерывно движутся относительно калибровочного зеркала, и нужно рассчитывать, что калибровка для каждого облучателя реально происходит не только в точке, максимально приближенной к фокусу, а в некоторой окрестности этой точки. В связи с вышесказанным, калибровочное зеркало выбрано несколько большего размера, чем требуется по геометрической оптике. Это делает незначительным вклад в антенную температуру космоса фонового излучения Земли и платформы КА.
Существующие и перспективные детекторы молний. Единственным существующим космическим аппаратом, на котором установлен прибор, регистрирующий вспышки молний в видимом диапазоне в светлое время суток, является аппарат TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). Его внешний вид приведён на рис. 9. КА TRMM является совместным проектом NASA, ESA и JAXA. Он был выведен на низкую околоземную орбиту с начальной высотой 350 км и наклонением 35° с помощью РН H-2 27 ноября 1997 г. Среди комплекса датчиков, установленных на КА TRMM, имеется прибор LIS (Lightning Image Sensor). Именно прибор LIS является наиболее близким аналогом детектора молний (ДМ), входящего в состав НА КЭ «Конвергенция». Данные, полученные с ДМ, будут использоваться при разработке детектора молний, предназначенного для использования в составе геостационарного гидрометеорологического космического аппарата третьего поколения «Электро-М».
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
Основные порталы (построено редакторами)