Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0107

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0107
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Название доклада
Разработка новых инструментальных средств дистанционного зондирования температуры нижней и средней атмосферы с поверхности Земли
Докладчик
Куликов Михаил Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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 анализа проблемы климатических изменений. 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.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время основными поставщиками экспериментальных данных о температуре нижней и средней атмосферы являются приборы спутникового базирования и радиозонды. Основной проблемой спутниковых данных является большой масштаб усреднения по горизонтальным координатам (до нескольких сотен км) и сравнительно большое временное разрешение (порядка суток). В свою очередь, радиозонды требуют постоянных затрат на обслуживание, они не мобильны (их применение ограничено пространственной областью исходного размещения), кроме того, существующая сеть таких приборов Росгидромета обладает недостаточно хорошим пространственным покрытием, сравнимым с пространственным разрешением спутниковых приборов, регулярное радиозондирование температуры осуществляется с большим временным лагом – 12 часов. В рамках проекта будет создан не имеющий мировых аналогов микроволновой комплекс спектрорадиометров для непрерывного круглосуточного всепогодного мониторинга температуры атмосферы. Отличительные особенности комплекса - экологическая безопасность; малое энергопотребление, мобильность и малогабаритность, а так же применение новой, ранее нигде не применявшейся системы калибровки измеряемых сигналов по внутреннему, электрически управляемому эталону. Эти особенности позволят создать прототип сравнительно простого с точки зрения организации измерений и удобного для сетевого использования средства для регулярных наблюдений температуры нижней и средней атмосферы с высоким пространственно-временным разрешением.
Описание исследования

В процессе решения целей данного проекта применялись следующие научные и научно-технические методы и подходы:

1. Разработана общая концепция прибора, работающего в линиях и полосе собственного излучения молекулярного кислорода, в соответствие с которой комплекс должен 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 должны быть построены по классической супергетеродинной схеме приема и спектрального анализа излучения мм диапазона длин волн и 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 должен быть размещен в термостатированном, влагозащищенном корпусе, обеспечивающим возможность всепогодных полевых измерений.

2. Выполнены электродинамический расчет, разработка конструкции и создание антенных систем спектрорадиометров. Каждая антенная система представляет собой конический рупор со специальной формой образующей и гофрированной внутренней поверхностью и формирует диаграмму направленности с близкой к гауссовой формой и малым уровнем рассеяния вне главного лепестка. Ширины диаграммы направленности антенн оптимизированы в соответствии с решаемыми каждым прибором задачи.

3. Создана система внутренней калибровки спектрорадиометров на основе модуляторов-калибраторов. Для сквозной быстрой периодической калибровки спектрорадиометров разработаны управляемые постоянным током модуляторы-калибраторы, каждый из которых представляет собой волноводную секцию с встроенным микрочипом, с рядом параллельных цепочек диодов с барьером Шоттки.

4. Разработаны и созданы три гетеродинных малошумящих неохлаждаемых приемника. Каждый приемник состоит из усилителя, высокостабильного гетеродина, смесителя и усилителя промежуточной частоты.

5. Разработаны и созданы три цифровых модуля для управления комплексом, сбором и обработкой данных. Модули предназначены для управления модуляторами-калибраторами, работой цифрового анализатора спектра, процессом углового сканирования диаграммы направленности, а также для оцифровки аналоговых сигналов с фильтровых анализаторов спектра, синхронизации работы всех компонентов комплекса и сбора сопутствующей метеорологической информации о состоянии приземного слоя воздуха.

6. Разработано и создано программное обеспечение для полной автоматизации процесса проведения непрерывных измерений.  Оно обеспечивает контроль за сбором и спектральным анализом информации, содержащейся в собственном излучении атмосферы, позволяет 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. Использовались методы объектно-ориентированного программирования.

8. Разработана методика и создан пакет программ для решения обратной задачи восстановления температурного профиля в реальном времени по результатам измерений яркостной температуры атмосферы с помощью комплекса спектрорадиометров. Использовались методы объектно-ориентированного программирования и статистические методы решения некорректных обратных задач.

9. Созданы три термостатированных, влагозащищенных корпуса для спектрорадиометров. Проведена сборка, настройка и тестирование спектрорадиометров.

10. Разработаны программы и методики экспериментальных и натурных испытаний экспериментального образца комплекса спектрорадиометров, где учтены все требования Технического задания. В соответствие с данными методиками подлежат испытанию следующие характеристики комплекса: ширины диаграммы направленности антенных систем, полосы приема и анализа, спектральные разрешения, шумовые температуры, вес и энергопотребление каждого спектрорадиометра, время численной обработки измеряемых сигналов, приходящих из атмосферы и калибровочных нагрузок за один малый цикл измерений, вариативность полос анализа, время накопления 1 спектра собственного излучения атмосферы, диапазон измерений яркостных температур калибровочных нагрузок, пространственный шаг параметризации искомого профиля температуры атмосферы, уровень вероятности доверительных интервалов, аппаратно-программная автоматизация процесса проведения непрерывных измерений.

Результаты исследования

1. Разработан метод восстановления температурного профиля атмосферы по результатам измерений яркостной температуры атмосферы в мм диапазоне длин волн. Восстановление профиля температуры по данным радиометрического зондирования является некорректной обратной задачей, решение которой требует статистически обоснованного (основанного на теореме Байеса) учета как измерительного шума в данных, так и априорной информации. Исходная экспериментальная информация представляет собой частотный спектр яркостной температуры собственного излучения атмосферы. Искомый температурный профиль связан с измеряемым спектром посредством  нелинейного интегрального преобразования, являющимся решением уравнения распространения излучения. При этом сечения поглощения атмосферы в рассматриваемом диапазоне частот являются известными функциями частоты и температуры, параметризованными в рамках полуэмпирической модели Либе-Розенкранца. На основании этой связи, предположения об аддитивности шума измерений, выбора класса функций, параметризующих искомый профиль температуры и теоремы Баейса, производится построение апостериорной условной плотности вероятности. Результатом восстановления считается наиболее вероятный профиль температуры, соответствующий максимуму этой плотности вероятности. Максимизация проводится посредством алгоритма BFGS (алгоритм Бройдена — Флетчера — Гольдфарба — Шанно, разновидность квазиньютоновского метода). В свою очередь привлечение метода Метрополиса-Гастинга позволяет сформировать ансамбль возможных профилей и на его основе определить доверительные интервалы с заданным уровнем вероятности для каждой рассматриваемой высоты или любые другие статистические характеристики ошибок.

2. Созданы три спектрорадиометра для термического зондирования приземного слоя атмосферы, свободной тропосферы и стратосферы соответственно. Основные характеристики первого спектрорадиометра: полоса приема и анализа 55-59 ГГц, 3 спектральных канала; второго спектрорадиометра: полоса приема и анализа 50.22–59 ГГц, 8 каналов; третьего спектрорадиометра: полоса приема и анализа 52.5-54.5 ГГц, 16384 канала.

3. Создан экспериментальный образец комплекса спектрорадиометров путем объединения спектрорадиометров для зондирования приземного слоя атмосферы, свободной тропосферы и стратосферы. Управление спектрорадиометрами осуществляется единым образом на общем ноутбуке, который в свою очередь  сопряжен с 16-процессорной рабочей станцией. На компьютерах установлен программный комплекс, объединяющий программу автоматизации измерений и программы определения температурного профиля по данным зондирования в мм диапазоне длин волн. В процессе измерений получаемая информация (спектры собственного излучения атмосферы) передаются на рабочую станцию, где в реальном режиме времени производится их обработка и определение температурных профилей атмосферы. Проведенные экспериментальные и натурные испытания экспериментального образца комплекса спектрорадиометров показали, что комплекс полностью соответствует требованиям Технического задания. Характеристики комплекса (в частности, габариты, вес, энергопотребление и др.), а так же возможности с точки зрения, например, диапазона высот восстановления температуры атмосферы по данным пассивного зондирования с поверхности земли являются уникальными.

Практическая значимость исследования
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. На последнем этапе выполнения проекта будет разработан проект технического задания на ОКР по теме «Мобильный микроволновой комплекс спектрорадиометров для мониторинга термической структуры атмосферы нижней и средней атмосферы», который сможет быть использован 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.