Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых инструментальных средств дистанционного зондирования температуры нижней и средней атмосферы с поверхности Земли

Докладчик: Куликов Михаил Юрьевич

Должность: Заведующий лабораторией, -, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
1. Проект направлен на развитие технологического потенциала Российской Федерации в области создания новых технических средств для решения важнейшей практической задачи модернизации отечественной системы мониторинга и прогнозирования атмосферы, ориентированной, в частности, на исследование опасных, быстроразвивающихся метеорологических явлений в нижней атмосфере и на обеспечение экологической безопасности России, а так же на формирование опережающего научно-технологического задела, предоставляющего новые возможности для фундаментальных и прикладных исследований атмосферы, в том числе в контексте решения проблемы климата. 2. Конкретной целью проекта является создание экспериментального образца мобильного микроволнового комплекса для мониторинга термической структуры атмосферы нижней и средней атмосферы в диапазоне высот 0-55 км, работающего в диапазоне 5-ти миллиметровой полосы излучения/поглощения молекулярного кислорода.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Будет создан экспериментальный образец мобильного микроволнового комплекса для мониторинга термической структуры атмосферы нижней и средней атмосферы в диапазоне высот 0-55 км, работающего в диапазоне 5-ти миллиметровой полосы излучения/поглощения молекулярного кислорода. Будет разработаны и созданы инструментальные и программные средства для полной автоматизации процесса проведения непрерывных измерений. Разработана методика и создан пакет программ для решения обратной задачи восстановления температурного профиля в реальном времени по результатам измерений яркостной температуры атмосферы с помощью экспериментального образца комплекса спектрорадиометров. В результате натурных экспериментальных испытаний экспериментального образца комплекса спектрорадиометров будут определены оптимальные условия для достижения максимальной информативности наземного мониторинга термической структуры атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением, разработаны методические рекомендации использования комплекса для мониторинга атмосферы, в том числе, для рутинного метеопрогноза.
2. Комплекс будет состоять из трёх спектрорадиометров, реализующих разное спектральное разрешение и предназначенных для зондирования приземного слоя атмосферы (0-1 км), свободной тропосферы (1-10 км) и стратосферы (10-55 км) соответственно. Спектрорадиометр для термического зондирования приземного слоя атмосферы будет иметь следующие основные характеристики: ширина диаграммы направленности: 3-50, полоса приема и анализа 57 -60 ГГц, спектральное разрешение 1ГГц, число спектральных каналов 2-3, температура шума не более 1400 К, суммарный вес не более 20 кг, полное энергопотребление не более 100 Вт. Спектрорадиометр для термического зондирования свободной тропосферы будет иметь следующие основные характеристики: ширина диаграммы направленности: 3-50, полоса приема и анализа 50.22 -59 ГГц, спектральное разрешение 0.3-1.6 ГГц, число спектральных каналов 11, температура шума не более 1400 К, суммарный вес не более 20 кг, полное энергопотребление не более 100 Вт. Спектрорадиометр для термического зондирования стратосферы будет иметь следующие основные характеристики: ширина диаграммы направленности: 3-50, полоса приема 52.45-54. 5ГГц, полоса анализа 52.45-53.45 ГГц, спектральное разрешение 61 КГц, число спектральных каналов 16384, температура шума не более 1400 К, суммарный вес не более 20 кг, полное энергопотребление не более 100 Вт. Инструментально-программные средства автоматизации работы комплекса и пакет программ для решения обратной задачи восстановления температурного профиля будет обеспечивать в реальном режиме времени измерение яркостной температуры атмосферы и определение температурного профиля с временным разрешением 0.5-1 час.
3. Отличительными особенностями экспериментального образца комплекса спектрорадиометров будет являться, во-первых, экологическая безопасность; во-вторых, малое энергопотребление, мобильность и малогабаритность; в-третьих, применение новой, разработанной и созданной в ИПФ РАН системы калибровки измеряемых сигналов по внутреннему, электрически управляемому эталону (модулятор-калибратор) с низкой шумовой температурой. Данное устройство представляет собой компактную микросхему, размещаемую внутри приемного тракта каждого спектрорадиометра. Применение модулятора-калибратора делает возможным отказаться от классической схемы калибровки принимаемого сигнала атмосферы по внешним и не очень надежным эталонам, как это обычно принято (например, по согласованным нагрузкам, находящимся при температуре кипящего азота и при температуре окружающей среды). Это, в свою очередь, позволяет заметно улучшить точность калибровки принимаемого и анализируемого сигнала, уменьшить габариты комплекса в целом и исключить необходимость использования жидкого азота, который, как известно, быстро испаряется и требует постоянного восполнения. Кроме того, при таком подходе к калибровке отпадает необходимость применения электродвигателей, направляющих принимающие зеркала на внешние эталоны в стандартной комплектации измерительной аппаратуры, которые, как известно, являются источниками ВЧ помех.
4. Создаваемый экспериментальный образец комплекса спектрорадиометров по своим характеристикам и диапазону высот измерения температуры воздуха атмосферы не имеет мировых аналогов.
5. Для достижения поставленной цели будет разработан и создан экспериментальный образец мобильного микроволнового комплекса, выполнен аналитический анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, произведено сравнение разработанного устройства с ближайшими аналогами, произведены патентные исследования. Это потребует решения ряда тесно связанных друг с другом задач:
(1) Разработка общей концепция комплекса, работающего в линиях и полосе собственного излучения молекулярного кислорода. Все спектрорадиометры будут построены по классической супергетеродинной схеме приема и спектрального анализа излучения мм диапазона длин волн, поскольку на данный момент не существует инструментальных средств параллельного («быстрого») анализа спектра излучения в диапазоне частот 50-60 ГГц. Каждый спектрорадиометр будет включать в себя антенную систему, модулятор-калибратор, малошумящий неохлаждаемый приемник, цифровой или аналоговый анализатор спектра, общую систему управления, сбора и обработки данных на базе ПК или ноутбука. Каждый из приборов, включая рупорные антенны и модуляторы-калибраторы, будет размещен в термостатированном, влагозащищенном корпусе, обеспечивающим возможность всепогодных полевых измерений. Путем предварительного численного моделирования будет определен оптимальный диапазон принимаемых частот, который, по предварительным оценкам, должен включать слабые разрешаемые с поверхности Земли линии молекулярного кислорода, расположенные на низкочастотном склоне 5- миллиметровой кислородной полосы и склон самой полосы. Выбор диапазона обусловлен, с одной стороны, умеренной фоновой оптической толщей атмосферы, определяемой сильными линиями О2 и парами воды, и, с другой стороны, максимальными относительными интенсивностями разрешаемых с поверхности Земли отдельных линий кислорода. В результате модельных расчетов будут выбраны оптимальные режимы измерений и параметры прибора: частотные диапазоны, спектральное и угловое разрешение, и режимы сканирования.
(2) Электродинамический расчет антенных систем спектрорадиометров и разработка их конструкции. Антенная система каждого спектрорадиометра будет представлять собой конический рупор со специальной формой образующей и гофрированной внутренней поверхностью. Такой рупор должен формировать диаграмму направленности с близкой к гауссовой формой и малым уровнем рассеяния вне главного лепестка. Это позволит минимизировать обусловленную рассеянием ошибку измерений яркостной температуры атмосферы и стабилизировать собственное излучение антенны, связанное с омическими потерями в рупоре за счет размещения его в термостатированном корпусе. Ширины диаграммы направленности антенны будут оптимизированы в соответствии с решаемыми каждым прибором задачи.
(3) Создание системы внутренней калибровки спектрорадиометров на основе модуляторов-калибраторов. Для сквозной быстрой периодической калибровки спектрорадиометров будут разработаны управляемые постоянным током модуляторы-калибраторы, каждый из которых представляет собой волноводную секцию с встроенным микрочипом, с рядом параллельных цепочек диодов с барьером Шоттки (ДБШ). При нулевом управляющем токе измеряемый атмосферный сигнал с антенны с малыми потерями должен поступать на вход приемника. При включении тока модулятор-калибратор, во-первых, должен запирать излучение, принимаемое антенной (коэффициент ослабления 20-30 дБ), во-вторых, направлять в приемник собственный шумовой сигнал, эффективная температура которого в зависимости от величины тока будет переключаться между низким уровнем (порядка 160 К -«холодная» нагрузка) и высоким ~ 350 К - «теплая» нагрузка). По трём уровням выходного сигнала спектрорадиометра, соответствующим эти трём состояниям модулятора-калибратора, будут рассчитываться абсолютные величины яркостной температуры собственного излучения атмосферы. Для подавления отраженного от модулятора-калибратора шумов самого приемника между модулятором-калибратором и приёмником будет включен вентиль с необходимым уровнем развязки (более 20 дБ).
(4) Разработка и создание трех гетеродинных малошумящих неохлаждаемых приемников. Каждый приемник будет состоять из усилителя, высокостабильного гетеродина, смесителя и усилителя промежуточной частоты. Малошумящий усилитель высокой частоты должен обладать шум-фактором не более 5 дБ и коэффициентом усиления больше 20 дБ, и стоять на входе высокостабильного супергетеродина, нижний зеркальный канал которого подавлен преселектором (больше 20 дБ). Гетеродинный сигнал высокой частоты, подаваемый на ДБШ-смеситель, будет формироваться синтезатором и последовательной цепочкой умножителей частоты и усилителей. После усилителя промежуточной частоты сигнал подается на фильтровый или цифровой анализатор спектра.
(5) Создание спектрорадиометра для термического зондирования приземного слоя атмосферы. Будет разработан спектрорадиометр, работающий на частотах вблизи центра кислородной полосы поглощения, где коэффициент поглощения достаточно велик и оптическая толща атмосферы значительно больше 1 Нп. Анализатор спектра этого радиометра будет состоять из 2 - 3 полосовых фильтров с полосами ~ 1 ГГц. Алгоритм измерения температурного профиля будет основан на зависимости яркостной температуры атмосферы от зенитного угла. Для этого будет разработана устройство, осуществляющее сканирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
(6) Создание спектрорадиометра для термического зондирования свободной тропосферы. Будет разработан спектрорадиометр среднего разрешения. В отличие от предыдущего, он будет оснащен анализатором спектра на базе банка фильтров (мультиплексора) с числом спектральных каналов 7 – 8, полосы которых расположены на низкочастотном склоне 5-ти мм кислородной полосы между слабыми разрешаемыми линиями О2. Этот прибор будет осуществлять прием излучения атмосферы на фиксированном зенитном угле, оптимальное значение которого будет подбираться в соответствии с проведенными заранее модельными расчетами.
(7) Создание спектрорадиометра для термического зондирования стратосферы. Будет разработан широкополосный спектрорадиометр высокого частотного разрешения. Высокочастотная приёмная часть этого прибора будет аналогична двум предыдущим составляющим комплекса. В отличие от предыдущих, он будет оснащен цифровым анализатором типа «Acqiris» (модель AC240), работающем в режиме быстрого преобразования Фурье, который будет осуществлять непрерывную параллельную работу 16384 эффективных спектральных каналов в полосе частот до 1 ГГц, обеспечивая частотное разрешение не хуже 61,04 кГц.
(8) Разработка и создание цифрового модуля для управления комплексом, сбором и обработкой данных. Данный модуль будет производить управление модуляторами-калибраторами, работой цифрового анализатора спектра, процессом углового сканирования диаграммы направленности, а также выполнять оцифровку аналоговых сигналов с фильтровых анализаторов спектра и синхронизацию работы всех компонентов комплекса. Посредством модуля также будет осуществляться сбор сопутствующей метеорологической информации о состоянии приземного слоя воздуха. Модуль будет сопряжен с персональным компьютером или с ноутбуком с помощью интерфейсного комплекта.
(9) Разработка и создание программного обеспечения (ПО) для полной автоматизации процесса проведения непрерывных измерений. ПО обеспечит контроль за сбором и спектральным анализом информации, содержащейся в собственном излучении атмосферы, позволит в режиме реального времени получать спектры собственного излучения атмосферы, визуализировать их на экране ПК, варьировать полосы анализа, частотные диапазоны, времена накопления сигналов, характеристики калибровочных нагрузок и т.д.
(10) Разработка и создание методики и пакета программ для решения обратной задачи восстановления температурного профиля в реальном времени по результатам измерений яркостной температуры атмосферы с помощью разработанного комплекса.
(11) Сборка, настройка и тестирование и испытания макета комплекса. Для успешного решения данной задачи будут разработаны соответствующие программы и методики исследовательских испытаний.
(12) Проведение натурных экспериментальных исследований направленных на оценку возможностей и поиск оптимальных условий для достижения максимальной информативности наземного мониторинга термической структуры атмосферы. Будет проведена серия непрерывных измерений линий и полос собственного излучения молекулярного кислорода и восстановлены вертикальные распределения температуры воздуха атмосферы в диапазоне высот 0-55 км. В ходе экспериментальных исследований будет проверены следующие характеристики приборов: энергопотребление, диаграммы направленности антенных систем, частотные диапазоны измеренных спектров собственного излучения атмосферы в линиях молекулярного кислорода и озона, ошибки измерения собственного излучения атмосферы в линиях молекулярного кислорода и озона, стабильность измерения спектров собственного излучения атмосферы в линиях молекулярного кислорода, точность восстановления вертикальных распределений температуры воздуха
(13) Систематизация и обобщение экспериментальных данных, обоснование возможности использования комплекса для мониторинга температуры воздуха с высоким пространственно-временным разрешением и точностью на уровне или лучше зарубежных аналогов, разработка методических рекомендаций использования комплекса для мониторинга температуры воздуха, оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
(14) Разработка технических требований (ТЗ на ОКР) и предложений по разработке, производству и эксплуатации созданного экспериментального образца комплекса с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Мониторинг и прогнозирование состояния окружающей среды, исследование и прогнозирование конвективных процессов в атмосфере, в особенности глубокой конвекции, приводящей к возникновению опасных, быстроразвивающихся метеорологических явлений в нижней атмосфере.
2. Прямыми потребителями ожидаемых результатов являются подразделения Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды РФ, занимающиеся развитием существующей сети станций зондирования атмосферы с поверхности Земли, а также научно-исследовательские институты как в России, так и за рубежом, занимающиеся экспериментальным исследованием атмосферы.
3. Результаты исследований будут способствовать существенному прогрессу в области создания новых технических средств для решения важнейшей задачи модернизации отечественной системы мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, в том числе - на исследование опасных, быстроразвивающихся метеорологических явлений в нижней атмосфере, а так же на формирование опережающего научно-технологического задела, предоставляющего новые возможности для фундаментальных и прикладных исследований атмосферы, в том числе в контексте решения проблемы климата.

Текущие результаты проекта:
Соглашение находится на стадии согласования. Более того, в соответствие с конкурсной документацией, планируемая дата начала работ по проекту - 26 ноября 2014. Поэтому в докладе будут представлены ожидаемые результаты в 2014 году.