Mikrovlnný radiometr je přístroj dálkového průzkumu , který měří energii v mikrovlnném rozsahu (při frekvencích od 1 do 1000 GHz ). Většina mikrovlnných radiometrů je vybavena více přijímacími kanály pro efektivní charakterizaci záření přijímaného z atmosféry nebo objektů ve vesmíru . V současné době jsou mikrovlnné radiometry široce používány v různých oblastech lidské činnosti od vědeckého výzkumu v oblasti geofyziky a radioastronomie až po inženýrské průzkumy.
Analýza mikrovlnného záření v rozsahu 1-300 GHz umožňuje využít doplňkové informace ve viditelné a infračervené oblasti . Atmosféra a vegetace jsou v mikrovlnném rozsahu průsvitné , zatímco složky atmosféry, jako jsou suché plyny, vodní pára nebo srážky , aktivně interagují s mikrovlnným zářením . I zakalená atmosféra v daném frekvenčním rozsahu však propouští určité množství záření [1] .
Mikrovlnné radiometry se používají jak na zemi , tak ve vesmíru pro výzkum počasí a klimatu a pro monitorování atmosféry [1] [2] . Moderní mikrovlnné radiometry jsou vyráběny tak, aby pracovaly v nepřetržitém automatickém režimu. Kromě toho jsou některé typy radiometrů navrženy pro použití ve spojení s jinými přístroji atmosférického dálkového průzkumu, jako jsou lidary nebo radary . Radiometry poskytují neocenitelné informace o meteorologických charakteristikách, jako jsou: teplota , relativní vlhkost , integrální obsah vodní páry v atmosférickém sloupci, obsah vodních par kapek kapaliny . Všechny charakteristiky jsou odečítány radiometry ve vysokém časovém a prostorovém rozlišení v reálném čase téměř za jakýchkoliv povětrnostních podmínek [3] .
První vývoj mikrovlnných radiometrů určených pro studium kosmického záření se datuje do 30. a 40. let 20. století. Robert Dicke v roce 1946 vyvinul a uvedl do provozu jeden z nejběžnějších, jak se později ukázalo, typů mikrovlnných radiometrů. Tento radiometr, určený k měření teploty mikrovlnného záření na pozadí , byl vyroben na Massachusetts Institute of Technology v Radiation Research Laboratory. Pracovní rozsah tohoto radiometru byl umístěn na vlnové délce 1,25 cm. Později pomocí tří různých radiometrů (vlnové délky těchto radiometrů byly rovné 1, 1,25 a 1,5 cm) byl Dicke schopen detekovat slabou atmosférickou absorpci v mikrovlnném rozsahu . [4] .
Krátce po vypuštění prvních satelitů do vesmíru se mikrovlnné radiometry staly nedílnou součástí orbitálního vybavení. V roce 1962 vyslali zaměstnanci NASA do vesmíru satelit Mariner 2 vybavený mikrovlnným radiometrem pro měření obsahu vodní páry a teploty , aby studoval povrch Venuše . V roce 1968 sovětští vědci vypustili na palubu družice Kosmos-243 první multifrekvenční radiometr na světě, určený pro radiometrické sondování planety Země. Palubní rádiový spektrometr družice Kosmos-243 obsahoval kanály nasměrované na nadir s vlnovými délkami 0,8, 1,35, 3,4 a 8,5 cm V následujících letech bylo na různé družice instalováno mnoho mikrovlnných radiometrů . Jedním z nejdůležitějších bodů v historii mikrovlnné radiometrie bylo vypuštění skenovacího vícekanálového mikrovlnného radiometru na palubě družice Nimbus v roce 1978. Charakteristickým rysem tohoto radiometru byl režim kuželového skenování, který se používal k pořizování snímků Země s konstantním zorným úhlem. Úhlový faktor byl v této věci klíčový, protože vyzařovací vlastnosti zemského povrchu mají úhlovou závislost. Na počátku 80. let byly vyvinuty nové druhy mikrovlnných radiometrů, které byly schopny pracovat na více frekvencích a měly bipolární polarizaci . Dva radiometry nového typu byly vypuštěny jako součást vesmírných misí Nimbus-7 a Seasat . Nimbus-7 prorazil novou půdu v geofyzikálním monitorování tím, že provedl mikrovlnná měření oceánů , sněhem pokryté půdy a ledovců. V dnešní době se mikrovlnné radiometry používají nejen ve vesmíru na palubách satelitů , ale také na zemi.
Pozemní mikrovlnné radiometry, postavené pro profilování atmosférické teploty , byly poprvé vyvinuty a uvedeny do provozu v 60. letech 20. století. Technologický pokrok a vývoj v oblasti mikrovlnné radiometrie významně pokročil ve vývoji radiometrů. V současné době jsou atmosférické studie pomocí mikrovlnných radiometrů dobře koordinované a automatizované díky přítomnosti různých pozemních monitorovacích sítí [5] .
Látky v pevném , kapalném a plynném skupenství (tj. zemský povrch, oceány , polární led, sníh a vegetace ) vyzařují a absorbují mikrovlnné záření. Množství záření zaznamenané radiometrem se obvykle vyjadřuje pomocí teploty jasu , což je druh ekvivalentu teploty černého tělesa . V mikrovlnné oblasti existuje několik atmosférických plynů najednou, které mají rotační absorpční čáru. Každý plyn má jedinečné absorpční vlastnosti, na základě kterých je možné usuzovat na množství konkrétního plynu v atmosféře a jeho vertikální strukturu. Jedna z čar absorpce kyslíku je například v oblasti 60 GHz . Absorpční vlastnosti molekul kyslíku jsou způsobeny magnetickými dipólovými přechody. Pomocí těchto vlastností lze vypočítat teplotní charakteristiky atmosféry . Silná linie absorpce vodní páry se nachází v oblasti 22,235 GHz a lze ji použít k charakterizaci vzdušné vlhkosti. Existuje mnoho důležitých absorpčních čar na jiných frekvencích , mezi nimiž stojí za zmínku druhá linie absorpce kyslíku (118,72 GHz ) a další linie absorpce vodní páry (183,31 GHz ). Existují i další slabší absorpční čáry, jako jsou ty ozónu , které se používají k měření jeho stratosférické koncentrace a k měření teploty ve stratosféře .
Srážení , jako jsou kapky kapalné vody nebo zmrzlé ledové částice, mohou být použity jako mikrovlnné zdroje atmosférických informací o slabých molekulárních absorpčních pásech. Záření kapalné vody se zvyšuje s frekvencí , což znamená, že mikrovlnná měření na dvou frekvencích (z nichž jedna je blízko centra absorpce a druhá je blíže k průhledné zóně) nám umožňují získat nejdůležitější informace o vertikálním obsahu vodní pára a kapky vody . Tato technologie měření se používá v radiometrech vybavených dvěma nebo více kanály. Obvykle se jako linie v blízkosti absorpčního pásma volí pásmo kolem 22,235 GHz , jako průhledná zóna se volí pásmo kolem 31 GHz. Navíc existuje vzor rostoucího rozptylu mikrovlnného záření v závislosti na růstu srážek při vysokých frekvencích (více než 90 GHz ). Tento efekt zesílení rozptylu se využívá při atmosférických pozorováních pomocí polarizačních mikrovlnných měření k oddělení deště a mraků s vysokou účinností v požadovaných parametrech [6] . Tento efekt lze navíc využít k propojení profilového obsahu částic sněhu nebo ledu při měření z vesmíru [7] nebo ze Země [8] .
Mikrovlnný radiometr se skládá z antény, mikrovlnných RF komponent a mezifrekvenčního systému zpracování signálu . Signál přicházející z atmosféry je obvykle velmi slabý a je třeba jej zesílit v řádu 80 dB. Pro zesílení často používají heterodynní techniku, s její pomocí se signál převádí na nižší frekvence . Aby se zabránilo zbytečnému hluku na přijímací jednotce, musí být teplotní podmínky uvnitř systému udržovány stabilní.
Většina pozemních mikrovlnných radiometrů je vybavena externími meteorologickými senzory, které jsou citlivé na změny teploty a vlhkosti v atmosféře . Kromě toho je nyní rozšířeno použití GPS senzorů, které jsou připevněny k tělu radiometru zvenčí a umožňují záznam času a polohy. Anténa je ve většině případů umístěna uvnitř radiometru. Měření se provádějí otvorem vyplněným pěnovým materiálem, který je propustný pro mikrovlnné záření. Tento materiál je určen k ochraně antény před prachem, kapalnou vodou nebo sněhem . Radiometr může být také vybaven ventilátorem určeným k ochraně přístrojového otvoru radiometru před hromaděním rosy , sněhu nebo ledu.
Jakmile je signál na anténě během příjmu, změní se frekvence směrem k středním rádiovým frekvencím. Tento proces probíhá pomocí oscilátoru instalovaného uvnitř radiometru. Poté se pomocí zesilovače zvýší síla signálu . V této fázi je signál registrován systémem v režimu plného výkonu . Signál se zaznamenává rozdělením do několika frekvenčních pásem pomocí spektrometru . V případech, kdy je vyžadována vysokofrekvenční kalibrace přístroje, se používá Dickeho spínač.
Kalibrace je jedním z nejdůležitějších procesů ladění radiometru a je základem pro následná vysoce přesná měření teploty jasu . Proto bude kvalita výsledných dat, jako jsou vlhkostní profily, teplotní profily nebo obsah atmosférické vodní páry , záviset na kvalitě kalibračního procesu . Nejjednodušší způsob kalibrace radiometru je takzvaná "horká a studená" kalibrace. Při této metodě se jako vzorky používají dvě absolutně černá tělesa s různými teplotami : jedno těleso je „horké“, druhé je „studené“. Fyzikální hodnoty teploty těchto vzorků jsou známé, na jejich základě je možné vypočítat teplotu jasu , která je lineárně úměrná výstupnímu napětí radiometru.
Jako černé těleso pro kalibraci používají pozemní radiometry obvykle externí „cíl“ jako „horké“ těleso. Úlohou „studeného“ tělesa může být buď jiný objekt chlazený kapalným dusíkem na teplotu 77 K nebo úsek jasné oblohy, na který je radiometr nasměrován v režimu měření „zenit“. Ve druhém případě je nutné aplikovat teorii přenosu tepla pro výpočet teploty jasu zvoleného nebeského segmentu [9] . V satelitních radiometrech je „horké“ těleso vyhřívaný „cíl“ a kosmické záření na pozadí se jednoduše používá jako „studené“. Aby se zlepšila přesnost a stabilita kalibrací mikrovlnných radiometrů, mohou být jako „cíle“ použity Dickovy spínače nebo zdroje vnitřního šumu pocházející ze samotného radiometru.
Výpočet takových fyzikálních charakteristik atmosféry, jako je teplota a obsah vodní páry pomocí mikrovlnné radiometrie, je netriviální úkol, pro který bylo vyvinuto několik matematických výpočtových algoritmů (např. technika optimálního odhadu). Teplotní profily jsou vypočteny na základě měření na frekvencích blízkých 60 GHz, kde se nachází absorpční pásmo mikrovlnného záření kyslíkem. Radiace v jakékoli výšce je téměř přímo úměrná teplotě a hustotě kyslíku. Na rozdíl od vodní páry je kyslík rovnoměrně distribuován v atmosféře po celém světě. Protože vertikální profil koncentrace kyslíku je a priori znám, lze signály založené na teplotě jasu použít přímo k výpočtu fyzikálních teplotních profilů.
Princip výpočtu je založen na skutečnosti, že signál ve středu absorpční čáry pochází převážně z částí atmosféry umístěných blíže k radiometru (obvykle to není více než několik set metrů). Když se vzdalujeme od absorpční čáry do průhledné zóny, pozoruje se superpozice signálu a signál začíná přicházet ze vzdálenějších vrstev atmosféry. Kombinací několika mikrovlnných kanálů je tedy možné vypočítat informace o vertikální distribuci teplot v atmosféře. Obdobný princip je použit při výpočtu vertikálních profilů vodní páry, v tomto případě slouží jako zdroj dat absorpční čára na 22,235 GHz.
Mikrovlnné radiometry jsou instalovány na několika obíhajících satelitech . Hlavním úkolem takových radiometrů je monitorování zemského povrchu a atmosféry . Některé radiometry pracují v kuželovém režimu, příklady takových přístrojů jsou AMSR , SSMI, WINDSAT. Ostatní radiometry pracují v režimu střelby kolmo k zemskému povrchu. Druhý typ radiometru se používá ke sledování slanosti moří a oceánů , vlhkosti půdy , teplot vodní hladiny , rychlosti větru nad oceány a ke sledování srážek a sněhu .
Příklady radiometrů pracujících na palubě různých satelitů jsou SSMI (Special Sensor Microwave/Imager) , Scanning Multichannel Microwave Radiometer , WindSat , Microwave Sounding Unit , Microwave Humidity Sounder , japonská řada Advanced Microwave Scanning Radiometer . V roce 2011 byla do vesmíru vypuštěna sonda Juno , jejímž hlavním účelem je studium atmosféry Jupiteru pomocí sady mikrovlnných radiometrů [10] .
V současné době existuje rozsáhlá monitorovací síť založená na použití mikrovlnných radiometrů, nazývá se MWRnet . Síť byla založena v roce 2009 mezinárodní skupinou vědců specializujících se na mikrovlnné radiometry. V rámci této sítě dochází k výměně zkušeností mezi vědci z různých zemí, v blízké budoucnosti je plánován vývoj společného softwaru a postupů pro sledování kvality mikrovlnných dat, které přiblíží síť MWRnet podobným monitorovacím sítím, např. jako AERONET , CWINDE , EARLINET .