Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.607.21.0107

Руководитель: Фейгин Александр Маркович

Должность руководителя: Заведующий отделом

Докладчик: Куликов Михаил Юрьевич, Заведующий лабораторией

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
температура, тропосфера, стратосфера, вертикальное распределение, микроволны, пассивное зондирование, радиометр, калибровка, кислород, глубокая конвекция

Цель проекта:
Проект на 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. 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. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта.
2. Результаты патентных исследований результатов интеллектуальной деятельности по дистанционному мониторингу атмосферы с поверхности земли.
3. Концепция 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.
4. Результаты теоретического расчета антенных систем спектрорадиометров и разработки их конструкции.
5. Антенные системы спектрорадиометров, предназначенных для термического зондирования приземного слоя атмосферы, тропосферы и стратосферы.
6. Система внутренней калибровки спектрорадиометров на основе модуляторов-калибраторов.
7. Гетеродинный малошумящий неохлаждаемый приемник для термического зондирования приземного слоя атмосферы.
8. Гетеродинный малошумящий неохлаждаемый приемник для термического зондирования для термического зондирования свободной тропосферы.
9. Гетеродинный малошумящий неохлаждаемый приемник для термического зондирования стратосферы.
10. Экспериментальный образец спектрорадиометра для термического зондирования приземного слоя атмосферы.
11. Экспериментальный образец спектрорадиометра для термического зондирования всей толщи тропосферы.
12. Экспериментальный образец спектрорадиометра для термического зондирования стратосферы
13. Цифровой инструментальный модуль для управления экспериментальным образцом комплекса спектрорадиометров, сбором и обработкой данных.
14. Общая концепция программного обеспечения для полной автоматизации процесса проведения непрерывных измерений.
15. Программное обеспечение для полной автоматизации процесса проведения непрерывных измерений.
16. Методика решения обратной задачи восстановления температурного профиля в реальном времени по результатам измерений яркостной температуры атмосферы с помощью разработанного экспериментального образца комплекса спектрорадиометров.
17. Пакет программ для решения обратной задачи восстановления температурного профиля в реальном времени по результатам измерений яркостной температуры атмосферы с помощью разработанного экспериментального образца комплекса спектрорадиометров.
18. Результаты лабораторного тестирования и испытания экспериментального образца комплекса спектрорадиометров.
19. Результаты натурных экспериментальных испытаний экспериментального образца комплекса спектрорадиометров, направленных на оценку возможностей и поиск оптимальных условий для достижения максимальной информативности наземного мониторинга термической структуры атмосферы.
20. База данных спектров яркостных температур собственного излучения атмосферы и результатов восстановления вертикальных распределений температуры нижней и средней атмосферы.
21. Обоснование возможности использования экспериментального образца мобильного микроволнового инструментально-программного комплекса для мониторинга температуры воздуха с высоким пространственно-временным разрешением и точностью на уровне или лучше зарубежных аналогов.
22. Методические рекомендации использования экспериментального образца мобильного микроволнового инструментально-программного комплекса для мониторинга температуры воздуха.
23. Анализ возможностей использования результатов термического зондирования нижней и средней атмосферы для рутинного метеопрогноза.
24. Результаты оценки эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
25. Результаты анализа потенциала коммерциализации, исследование рынка.
26. Технические требования (техническое задание на ОКР) и предложения по разработке, производству и эксплуатации созданных экспериментальных образцов комплекса спектрорадиометров с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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 прибора, работающего в линиях и полосе собственного излучения молекулярного кислорода.
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. 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 экспериментального образца 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 экспериментального образца 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 экспериментального образца 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:
1) Энергопотребление
2) Диаграммы направленности антенных систем
3) Частотные диапазоны измеренных спектров собственного излучения атмосферы в линиях молекулярного кислорода и озона
4) Ошибки измерения собственного излучения атмосферы в линиях молекулярного кислорода и озона
5) Стабильность измерения спектров собственного излучения атмосферы в линиях молекулярного кислорода
6) Точность восстановления вертикальных распределений температуры воздуха
13. Систематизация и обобщение экспериментальных данных, обоснование возможности использования мобильного микроволнового инструментально-программного комплекса для мониторинга температуры воздуха с высоким пространственно-временным разрешением и точностью на уровне или лучше зарубежных аналогов, разработка методических рекомендаций использования экспериментального образца мобильного микроволнового инструментально-программного 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 созданных экспериментальных образцов спектрорадиометров с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
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.
В ходе работ будет создан экспериментальный образец мобильного микроволнового комплекса для мониторинга термической структуры атмосферы нижней и средней атмосферы в диапазоне высот 0-55 км и разработано техническое задание на ОКР. Результаты смогут быть использованы для проведения ОКР и в дальнейшем для создания принципиального нового продукта, не имеющего аналогов, как в России, так и во всем мире, существенно удешевляющего и упрощающего мониторинг и прогнозирование многих атмосферных процессов.
Прямыми потребителями ожидаемых результатов являются подразделения Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 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.

Текущие результаты проекта:
В рамках первого этапа выполнения работ по проекту:
1 Создан обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей исследуемую научно-техническую проблему.
2 Проведены патентные исследования
3 Обоснован выбор направления исследований, методов, способов и средств решения поставленных задач
4 Разработан технический принцип создания экспериментального образца комплекса спектрорадиометров
5 Разработан алгоритм расчета антенных систем спектрорадиометров
6 Проведен расчет антенных систем спектрорадиометров

В рамках второго этапа выполнения работ по проекту:
1 Проведены теоретические исследования автоматизации измерений.
2 Выполнена разработка алгоритма автоматизации измерений.
3 Проведены теоретические исследования методов определения температурного профиля по данным зондирования атмосферы в мм диапазоне длин волн.
4 Выполнена разработка метода определения температурного профиля по данным зондирования атмосферы в мм диапазоне длин волн.
5 Создано программное обеспечение для автоматизации измерений.
6 Созданы антенные системы спектрорадиометров.

В рамках третьего этапа выполнения работ по проекту:
1 Создано программное обеспечение для определения температурного профиля по данным зондирования атмосферы в мм диапазоне длин волн.
2 Разработаны и созданы модуляторы-калибраторы для системы внутренней калибровки спектрорадиометров ЭО.
3 Созданы три термостатированных, влагозащищенных корпуса для спектрорадиометров.
4 Создан гетеродинный приемник для спектрометра зондирования приземного слоя атмосферы.
5 Создан гетеродинный приемник для зондирования стратосферы.
6 Создан гетеродинный приемник для зондирования свободной тропосферы.