Зондирование Земли

Институт космических исследований РАН

Е. А. Шарков Институт космических исследований РАН E-mail: esharkov@iki.rssi.ru.

Пассивное микроволновое зондирование Земли : прошлое, настоящее и планы на будущее

11 ноября 2014 г.

1

Внедрение

Введение.

Стремительное внедрение за последние 10-15 лет методов и средств микроволновой диагностики в аэрокосмические наблюдения явилось следствием принципиально новой ( по отношению к оптическому и инфракрасному диапазонам) физической информативности микроволнового зондирования при изучении земных объектов ( поверхности и атмосферы ). Развитие и эволюция приборного парка и научно-исследовательских проектов микроволнового зондирования происходило, разумеется, весьма неоднородным и неравномерным образом. Тем не менее на сегодняшний день ни одна потенциальная крупная спутниковая миссия по исследованию Земли не обходится без включения в нее пассивных радиофизических приборов в той или иной конфигурации. В настоящей сообщении анализируется некоторые исторические элементы развития микроволновых миссий (включая вопросы развития приборного парка), современное состояние и некоторые планы на будущее .

11 ноября 2014 г.

2

Элементы истории

развития микроволновой радиометрии.

1946г. Первые микроволновые исследования радиоизлучения атмосферы ( проф. Дике) (?= 1,5 см, ? T = 8 K ). 1962г. запуск космического корабля Mariner-2 для исследования структуры и физико-химического состава облачных слоев Венеры при помощи двух-частотной методики (?= 1,35 и 1,9 см, ? T = 2 K ).

11 ноября 2014 г.

3

Космос

1968г. ( 1970г.) ИСЗ «Космос –243» («Космос-384») многочастотный бортовой радиотепловой комплекс (?= 0,8; 1,35; 3,4 и 8,5 см, ? T = 0,7- 2 K ). Ограничения - трассовый режим, отсутствие информации по пространственным полям излучения, поляризационным свойствам поверхностей и по атмосферным профилям . 1972 г. ИСЗ Nimbus-5 . Панорамный сканирующего радиотеплового комплекса ESMR (?= 1,55 см, ? T = 1,5К). Антенна – ФЭАР. Радиотепловой зондировщик NEMS ( три канала в 5-мм линии кислорода и два канала для зондирования по двух-частотной методике – 1,35 и 0,8 cм ).

11 ноября 2014 г.

4

Системы микроволнового зондирования

Системы трассерного типа

Системы панорамного типа ( сканеры )

Измерительные системы ( зондировщики)

11 ноября 2014 г.

5

Радиометр дециметрового диапазона

1973г. – КК Skylab . Радиометр дециметрового диапазона ( длина волны 21 см ) . Антенна – ФР (диаметр- 100 см ) . Радиотепловой комплекс сантиметрового диапазона с антенной системой параболического типа со значительной апертурой ( диаметр 117 см ) и механическим сканированием ( полоса – 180 км ) . 1975г. – ИСЗ Nimbus-6. Панорамный сканирующего радиотеплового комплекса ESMR (?= 0,8 см, ? T = 1,5К). Антенна – ФЭАР, две поляризации . Радиотепловой зондировщик –сканер SCAMS ( три канала в 5-мм линии кислорода и два канала для зондирования по двух-частотной методике – 1,35 и 0,8 cм ).

11 ноября 2014 г.

6

Зондировщик

1978, 1979гг. – NOAA-5 , 6 . Зондировщик – сканер (четыре канала в 5-мм линии кислорода ). 1978г. - Nimbus-7 ( 1988г.) и КК Seasat (90 суток). Многочастотный (5 частот ) и двух-поляризационный (вертикальная и горизонтальная) панорамный комплекс SMMR. Коническое сканирование с фиксированным углом наблюдения ( 50° ) . 1979г. КС Салют-6. Космический раскладывающийся радиотелескоп КРТ-10 с диаметром антенного зеркала 10 м и на длинах волн 72 и 12 см . Проекты (1978-1982гг.) космических радиоантенн с апертурами 100 м – 10000 м .

11 ноября 2014 г.

7

Состояние микроволновой радиометрии

Современное состояние микроволновой радиометрии.

DMSP Mission

TRMM Mission

Aqua Mission

ADEOS-II Mission

Сканер- SSM/I Зондировщик SSM/T-2

Сканер- TMI

Сканер- AMSR-E. Cканер- зондировщик AMSU-A .

Сканер- AMSR

11 ноября 2014 г.

8

Характеристики спутниковых микроволновых систем

Прибор

SSM/I

TMI

AMSU-A

AMSR-E

AMSR

Полоса обзора, км

1400

760

1650

1445

1600

Элемент разрешения

15-60

6-50

40

5-60

5-50

Частоты, ГГц

19,3-85,5 4 канала

10,7-85,5 5 каналов

15-90 15 каналов

6,9 – 89 6 каналов

6,9 – 89 8 каналов

Год запуска, спутник

1987, DMSP

1997, TRMM

2002, Aqua

2002, Aqua

2002, ADEOS-II

11 ноября 2014 г.

9

Направления развития систем микроволнового зондирования

Потенциальные направления развития систем микроволнового зондирования.

Синтез сканеров и зондировщиков

Микроволновые системы апертурного синтеза

Микроволновые поляриметрические системы

Микроволновые системы с макроантеннами

Синтез оптических и радио телескопов

Лимбовые микроволновые системы зондирования

11 ноября 2014 г.

10

Синтез сканеров и зондировщиков

Потенциальные миссии : МТВЗА-ОК ( РФ, ИСЗ Сич 1М ) ; CMIS ( США, программа NPOESS ); GMS ( США, программа GOES ) ; CLOUDS ( ESA/NOAA); MEGHA-TROPIQUES (CNES/ISRO)

11 ноября 2014 г.

11

Частотные каналы

( сканерного типа ) - 6.9, 10.6, 18.7, 23.8, 31, 36.5, 42, 48, 89 ГГц. Каждый канал с двумя поляризациями. Частотные каналы измерительного типа - 10 каналов в полосе поглощения кислорода 5 мм, 3 канала в полосе поглощения водяного пара ( 183 ГГц). Основная апертура антенны – 60 см. Полоса конического обзора – 2000 км. Элемент разрешения - от 7 до 200 км. Угол наблюдения ( на поверхности Земли ) - 65 °.

Миссия МТВЗА-ОК ( РФ, ИСЗ Сич 1М )

11 ноября 2014 г.

12

Микроволновый сенсор

Conical Microwave Imager/Sounder (CMIS ) ( США ).

The National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System ( NPOESS) ( 2008) NASA, NOAA, DoD

NOAA DMSP

CMIS

11 ноября 2014 г.

13

Канал с двумя поляризациями

Микроволновый сенсор Conical Microwave Imager/Sounder (CMIS ) ( США ).

Частотные каналы ( сканерного типа ) - 6, 10, 18, 23, 36, 89 ГГц. Каждый канал с двумя поляризациями. Частотные каналы измерительного типа - в полосе поглощения кислорода 5 мм, и в полосе поглощения водяного пара ( 183 ГГц). Поляриметрический канал (параметры Стокса ) 18 ГГц Измерительные каналы – 77. Два рефлектора с апертурами – 220 и 70 см. Полоса конического обзора – 1700 км. Элемент разрешения - от 7 до 200 км. Угол наблюдения ( на поверхности Земли ) – 53 -58°.

11 ноября 2014 г.

14

Эволюция микроволновых систем

Прибор

0,6 м

0,6 м

0,7 м

1,6 м

2,2 м

7

9

24

12

77

Масса

56 кг

62 кг

96 кг

324 кг

250 кг

Мощность

45 Вт

50 Вт

135 Вт

350 Вт

225 Вт

Время жизни

3 г

3 г

5 лет

6 лет

7 лет

SSM/I

TMI

SSMIS

AMSR-E

CMIS

Диаметр антенн

Число измерительных каналов

11 ноября 2014 г.

15

Разработка нового поколения спутниковых систем

Cloud and Radiation monitoring satellite (CLOUDS) project (ESA) Цель проекта- разработка нового поколения спутниковых систем для детального и долговременного мониторинга облачных систем и связанных с ними радиационных процессов.

Cloud Liquid-water And Precipitation Microwave Imaging Radiometer (CLAPMIR) . ( сканер-зондировщик) Частоты- 6,9; 10; 18; 23; 36; 89ГГц. Четыре канала поляриметрические По 4 канала в линиях кислорода ( 55 и 118 ГГц).

Cloud Ice and Water-vapour Sub-mm Imaging Radiometer (CIWSIR) Частоты- 150, 183 (три канала), 220, 462, 682, 874 ГГц. Элемент разрешения- 10км. Антенна: две апертуры- 40 и 16 см. Полоса обзора – 1400 км. Сканирование-коническое ( 53°).

11 ноября 2014 г.

16

Наклонение орбиты

MEGHA-TROPIQUES project (CNES/ISRPO) Цель проекта- разработка нового поколения спутниковых систем для быстрого мониторинга конвективных тропических облачных систем и связанных с ними массо и энергообмена в тропиках (наклонение орбиты-22°, время обзора- до 2 часов).

Sondeur Atmospherique du Profil d’Humidite Intertropicale par Radiometrie ( SAPHIR ) Шесть каналов в линии 183 ГГц . Элемент разрешения –10 км. Точность измерения содержания водяного пара 10-20% на 6 уровнях в тропосфере от 2 км до 12 км.

Microwave Analysis and Detection of Rain & Atmosphere (MADRAS) Частоты – 10,6; 18; 23; 36; 89 и 157 ГГц. Элементы разрешения –от 6 до 50 км

11 ноября 2014 г.

17

Микроволновые системы апертурного синтеза

.

Микроволновые системы апертурного синтеза

Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission(ESA). Требования I этапа ( ESA) - пространственное разрешение от 30-60 км для диапазона 21 см ( L band ). Требования II этапа ( NASA) - 10 км. GEO/SAMS Mission ( NASA) . Synthetic thinned array radiometry ( STAR) technology. Антенна – решетка облучателей в виде буквы Y. Антенна – случайное поле небольших антенн ( либо фиксированных , либо перемещающихся хаотическим образом в пространстве ( покрытие плоскости UV) .

11 ноября 2014 г.

18

Микроволновые активно-пассивные системы

c макроантеннами.

Ocean-salinity Soil-moisture Integrated Radiometer-radar Imaging System ( OSIRIS )

Частоты радиометра – 1,41 и 2,69 ГГц. Поляризации – В и Г ( для 1,41 ГГц - режим поляриметрический ) . Частота радара - 1,26 ГГц. Поляризации радара – ГГ, ВВ, ГВ, ВГ. Апертура антенны – 600 см ( 1200 см ) . Элемент разрешения – 35 ? 45 км. Угол наблюдения- 40 ?. Полоса сканирования – 900 км.

11 ноября 2014 г.

19

Eugene A. Sharkov

. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Springer/PRAXIS, ISBN 3-540-43946-3. London, Berlin, New York, Singapore, Tokyo. 2003, 605p.

http://www.springeronline.com

11 ноября 2014 г.

20