Скаттерометр - Scatterometer

А рефлектометр или же диффузометр это научный инструмент для измерения отраженного луча света или радиолокационных волн разбросанный путем диффузии в такой среде, как воздух. Измерители диффузии, использующие видимый свет, используются в аэропортах или вдоль дорог для измерения горизонтального видимость. Радиолокационные рефлектометры используют радио или микроволны для определения нормализованной радиолокационный разрез (σ0, «сигма ноль» или «сигма ноль») поверхности. Их часто устанавливают на метеорологические спутники для определения скорости и направления ветра и используются в промышленности для анализа шероховатости поверхностей.

Оптический

Рефлекторный рефлектометр (или диффузометр).

Оптические диффузоры - это устройства, используемые в метеорология для определения оптического диапазона или горизонтальной видимости. Они состоят из источника света, обычно лазер, и приемник. Оба расположены под углом 35 ° вниз, нацелены на общую зону. Боковой рассеяние по воздуху вдоль светового луча количественно определяется как коэффициент затухания. Любое отклонение от коэффициента ослабления при ясном небе (например, в тумане) измеряется и обратно пропорционально видимости (чем больше потеря, тем ниже видимость).

Эти устройства находятся в автоматические метеостанции для общей видимости, вдоль взлетно-посадочных полос для дальность видимости на взлетно-посадочной полосе или вдоль дорог для визуальных условий. Их главный недостаток заключается в том, что измерение выполняется в очень небольшом объеме воздуха между передатчиком и приемником. Таким образом, сообщаемая видимость является репрезентативной только для общих условий вокруг инструмента в обобщенных условиях (синоптический туман например). Это не всегда так (например, пятнистый туман).

Радарный рефлектометр

Радарный рефлектометр

А радарный рефлектометр работает, передавая импульс микроволновая печь энергия к земной шар поверхности и измерения отраженной энергии. Производится отдельное измерение мощности только шума, которое вычитается из измерения сигнал + шум для определения обратное рассеяние мощность сигнала. Сигма-0 (σ⁰) вычисляется из измерения мощности сигнала с использованием уравнения распределенного радара цели. Приборы скаттерометра очень точно откалиброваны для точных измерений обратного рассеяния.

Основное применение космический скаттерометрия - это измерения приповерхностных ветры над океан.[1] Такие инструменты известны как рефлектометры ветра. Комбинируя измерения сигма-0 из разных азимут углы, ветер у поверхности вектор над поверхностью океана можно определить с помощью геофизический модельная функция (GMF), которая связывает ветер и обратное рассеяние. Над океаном обратное рассеяние радара возникает в результате рассеяния на порождаемых ветром капиллярно-гравитационных волнах, которые обычно находятся в равновесии с приповерхностным ветром над океаном. Механизм рассеяния известен как Рассеяние Брэгга, который возникает из-за волн, находящихся в резонансе с микроволнами.

Мощность обратного рассеяния зависит от скорости и направления ветра. Наблюдаемое обратное рассеяние от этих волн при взгляде с разных азимутальных углов различается. Эти вариации можно использовать для оценки ветра у поверхности моря, то есть его скорости и направления. Этот процесс оценки иногда называют 'извлечение ветра ' или же 'инверсия функции модели '. Это процедура нелинейной инверсии, основанная на точном знании ГМП (в эмпирический или полуэмпирическая форма), которая связывает обратное рассеяние рефлектометра и вектор ветра. Для извлечения требуются измерения скаттерометра углового разнесения с ГМП, который обеспечивается скаттерометром, выполняющим несколько измерений обратного рассеяния в одном и том же месте на поверхности океана под разными азимутальными углами.

Снимок тайфуна Сулик при интенсивности категории 4, сделанный прибором Eumetsat ASCAT (Advanced Scatterometer) на борту Метоп -Спутник

Измерения ветра с помощью рефлектометра используются для взаимодействия между воздухом и морем, исследования климата и особенно полезны для мониторинга. ураганы.[2] Данные обратного рассеяния скаттерометра применяются для изучения растительность, влажность почвы, полярный лед, отслеживание Антарктики айсберги[3] и глобальное изменение.[4] Измерения рефлектометра использовались для измерения ветра над песчаными и снежными дюнами из космоса. Внеземные приложения включают изучение спутников Солнечной системы с помощью космических зондов. Это особенно касается миссии НАСА / ЕКА «Кассини» к Сатурну и его спутникам.

Несколько поколений ветроскаттерометров были запущены в космос. НАСА, ЕКА, и НАСДА. Первый действующий рефлектометр ветра был известен как Seasat Скаттерометр (SASS) и был запущен в 1978 году.[5] Это была веерная система, работающая в Ku-диапазоне (14 ГГц). В 1991 году ЕКА запустило Европейский спутник дистанционного зондирования Рефлектометр ERS-1 Advanced Microwave Instrument (AMI),[6] за ним последовал рефлектометр ERS-2 AMI в 1995 году. Обе системы веерного луча AMI работали в диапазоне C (5,6 ГГц). В 1996 году НАСА запустило скаттерометр НАСА (NSCAT),[1] система веерного пучка Ku-диапазона.[7] НАСА запустило первый сканирующий рефлектометр, известный как 'SeaWinds ', на QuikSCAT в 1999 году. Работал на Ku-диапазоне. Второй прибор SeaWinds был запущен на NASDA ADEOS-2 в 2002 году. Индийская организация космических исследований запустили рефлектометр Ku-диапазона на своей платформе Oceansat-2 в 2009 году. ЕКА и ЕВМЕТСАТ запустил первый ASCAT C-диапазона в 2006 году на борту Метоп -А.[8] В Глобальная навигационная спутниковая система Cyclone (CYGNSS), запущенный в 2016 году, представляет собой группировку из восьми малых спутников, использующих бистатический подход, анализируя отражение от поверхности Земли спутниковая система навигации (GPS), а не с помощью бортового радиолокационного передатчика.

Вклад в ботанику

Скаттерометры помогли доказать гипотезу середины XIX века о том, что анизотропный (в зависимости от направления) рассеивание ветром на большие расстояния для объяснения сильного флористика сходство между массивами суши.

Работа, опубликованная в журнале Наука в мае 2004 г. под названием «Ветер как средство распространения на большие расстояния в Южном полушарии» использовались ежедневные измерения азимута и скорости ветра, полученные с помощью Скаттерометр SeaWinds с 1999 по 2003 год. Они обнаружили более сильную корреляцию флористического сходства с ветровой связью, чем с географической близостью, что подтверждает идею о том, что ветер является средством распространения многих организмов в Южном полушарии.

Полупроводники и прецизионное производство

Скаттерометры широко используются в метрологии для определения шероховатости полированных и притертых поверхностей в полупроводниковой и точной обрабатывающей промышленности.[9] Они представляют собой быструю и бесконтактную альтернативу традиционным методам оценки топографии с помощью щупа.[10][11] Скаттерометры совместимы с вакуумной средой, не чувствительны к вибрации и могут быть легко интегрированы с инструментами для обработки поверхностей и другими метрологическими инструментами.[12][13]

Использует

Иллюстрация местоположения МКС-RapidScat на Международной космической станции

Примеры использования на Спутники наблюдения Земли или установленных приборов, и даты эксплуатации:[14]

  • Инструмент NSCAT (NASA Scatterometer) на ADEOS I (1996–97)
  • Инструмент SeaWinds включен QuikSCAT (2001–2009)
  • Прибор OSCAT-2 на SCATSAT-1 (запущен в 2016 г.)
  • Инструмент SCAT на Oceansat-2 (2009–2014)
  • ISS-RapidScat на Международной космической станции (2014–2016 гг.)
  • ASCAT включен MetOp спутники
  • В CYGNSS созвездие (запущено в 2016 г.)

Рекомендации

  1. ^ а б Ф. Надери; М. Х. Фрейлих и Д. Г. Лонг (июнь 1991 г.). "Измерение скорости ветра над океаном с помощью космического радиолокатора - обзор системы рефлектометра NSCAT". Труды IEEE. 79 (6): 850–866. Дои:10.1109/5.90163.
  2. ^ P.S. Чанг, З. Еленак, Дж.М. Сенкевич, Р. Кнабб, М.Дж. Бреннан, Д.Г. Лонг и М. Фриберг. Оперативное использование и влияние спутниковых дистанционно измеряемых векторных ветров с поверхности океана в морской среде предупреждения и прогнозирования, Океанография, Vol. 22, № 2, с. 194–207, 2009.
  3. ^ К.М. Стюарт и Д. Длинные, отслеживающие большие табличные айсберги с помощью микроволнового рефлектометра SeaWinds Ku-диапазона, Глубоководные исследования, часть II, Дои:10.1016 / j.dsr2.2010.11.004, Vol. 58. С. 1285–1300, 2011.
  4. ^ D.G. Лонг, М.Р. Дринкуотер, Б. Холт, С. Саатчи и К. Бертоя. Глобальные исследования климата льда и суши с использованием данных изображений скаттерометра, EOS, Сделки Американского геофизического союза, Vol. 82, № 43, стр. 503, 23 октября 2001 г.
  5. ^ W.L. Грэнтам и др. Спутниковый рефлектометр SeaSat-A, Журнал IEEE по океанической инженерии, Vol. OE-2, pp 200–206, 1977.
  6. ^ Э. Аттема, Активный микроволновый прибор на борту спутника ERS-1, Труды IEEE, 79, 6, стр. 791–799, 1991.
  7. ^ W-Y Tsai, J.E. Graf, C. Winn, J.N. Хаддлстон, С. Данбар, М. Freilich, F.J. Wentz, D.G. Лонг и У. Джонс. Проверка датчика после запуска и калибровка скаттерометра НАСА, IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию, Vol. 37, No. 3, pp. 1517–1542, 1999.
  8. ^ Дж. Фига-Салданья, J.J.W. Уилсон, Э. Аттема, Р. Гелсторп, М.Р. Дринкуотер и А. Стоффелен. Усовершенствованный рефлектометр (ASCAT) на метеорологической операционной платформе (MetOp): продолжение европейских скаттерометров, Канадский журнал дистанционного зондирования, Vol. 28, No. 3, июнь 2002 г.
  9. ^ Джон С. Стовер. SPIE Optical Engineering Press, 1995 - Наука - 321 страница.
  10. ^ Майер, Г. и др. (1988) "Новый оптический подход к атомно-силовой микроскопии", Applied Physics Letters, 53, 1045–1047
  11. ^ Баумейстер, Теодор и др. (1967) Стандартное руководство для инженеров-механиков. Макгроу-Хилл, LCCN 16-12915
  12. ^ Джон М. Герра. "Практический полный интегрированный рефлектометр", Proc. SPIE 1009, Измерение и определение характеристик поверхности, 146 (21 марта 1989 г.)
  13. ^ «Шероховатость с помощью рефлектометрии». ЗебраОптический. Получено 30 декабря 2016.
  14. ^ "Скаттерометрия и векторные ветра в океане: спутниковые исследования". Университет штата Флорида. Получено 30 декабря 2016.

внешняя ссылка