9 декабря 2013 г.1 Пассивное микроволновое зондирование Земли : прошлое, настоящее и планы на будущее Е. А. Шарков Институт космических исследований РАН

9 декабря 2013 г.2 Введение Стремительное внедрение за последние лет методов и средств микроволновой диагностики в аэрокосмические наблюдения явилось следствием принципиально новой ( по отношению к оптическому и инфракрасному диапазонам) физической информативности микроволнового зондирования при изучении земных объектов ( поверхности и атмосферы ). Развитие и эволюция приборного парка и научно-исследовательских проектов микроволнового зондирования происходило, разумеется, весьма неоднородным и неравномерным образом. Тем не менее на сегодняшний день ни одна потенциальная крупная спутниковая миссия по исследованию Земли не обходится без включения в нее пассивных радиофизических приборов в той или иной конфигурации. В настоящей сообщении анализируется некоторые исторические элементы развития микроволновых миссий (включая вопросы развития приборного парка), современное состояние и некоторые планы на будущее.

9 декабря 2013 г.3 Элементы истории развития микроволновой радиометрии 1946г. Первые микроволновые исследования радиоизлучения атмосферы ( проф. Дике) ( = 1,5 см, T = 8 K ). 1962г. запуск космического корабля Mariner-2 для исследования структуры и физико- химического состава облачных слоев Венеры при помощи двух-частотной методики ( = 1,35 и 1,9 см, T = 2 K ).

9 декабря 2013 г г. ( 1970г.) ИСЗ «Космос –243» («Космос-384») многочастотный бортовой радиотепловой комплекс ( = 0,8; 1,35; 3,4 и 8,5 см, T = 0,7- 2 K ). Ограничения - трассовый режим, отсутствие информации по пространственным полям излучения, поляризационным свойствам поверхностей и по атмосферным профилям г. ИСЗ Nimbus-5. Панорамный сканирующего радиотеплового комплекса ESMR ( = 1,55 см, T = 1,5К). Антенна – ФЭАР. Радиотепловой зондировщик NEMS ( три канала в 5-мм линии кислорода и два канала для зондирования по двух-частотной методике – 1,35 и 0,8 cм )

9 декабря 2013 г.5 Системы микроволнового зондирования Системы трассерного типа Системы панорамного типа ( сканеры ) Измерительные системы ( зондировщики)

9 декабря 2013 г г. – КК Skylab. Радиометр дециметрового диапазона ( длина волны 21 см ). Антенна – ФР (диаметр- 100 см ). Радиотепловой комплекс сантиметрового диапазона с антенной системой параболического типа со значительной апертурой ( диаметр 117 см ) и механическим сканированием ( полоса – 180 км ). 1975г. – ИСЗ Nimbus-6. Панорамный сканирующего радиотеплового комплекса ESMR ( = 0,8 см, T = 1,5К). Антенна – ФЭАР, две поляризации. Радиотепловой зондировщик – сканер SCAMS ( три канала в 5-мм линии кислорода и два канала для зондирования по двух-частотной методике – 1,35 и 0,8 cм ).

9 декабря 2013 г , 1979гг. – NOAA-5, 6. Зондировщик – сканер (четыре канала в 5-мм линии кислорода ). 1978г. - Nimbus-7 ( 1988г.) и КК Seasat (90 суток). Многочастотный (5 частот ) и двух- поляризационный (вертикальная и горизонтальная) панорамный комплекс SMMR. Коническое сканирование с фиксированным углом наблюдения ( 50° ). 1979г. КС Салют-6. Космический раскладывающийся радиотелескоп КРТ-10 с диаметром антенного зеркала 10 м и на длинах волн 72 и 12 см. Проекты ( гг.) космических радиоантенн с апертурами 100 м – м.

9 декабря 2013 г.8 Современное состояние микроволновой радиометрии DMSP Mission TRMM Mission Aqua Mission ADEOS-II Mission Сканер- SSM/I Зондировщик SSM/T-2 Сканер- TMI Сканер- AMSR-E. Cканер- зондировщик AMSU-A. Сканер- AMSR

9 декабря 2013 г.9 Характеристики спутниковых микроволновых систем ПриборSSM/ITMIAMSU-AAMSR-EAMSR Полоса обзора, км Элемент разрешения Частоты, ГГц 19,3-85,5 4 канала 10,7-85,5 5 каналов каналов 6,9 – 89 6 каналов 6,9 – 89 8 каналов Год запуска, спутник 1987, DMSP 1997, TRMM 2002, Aqua 2002, Aqua 2002, ADEOS-II

9 декабря 2013 г.10 Потенциальные направления развития систем микроволнового зондирования Синтез сканеров и зондировщиков Микроволновые системы с макроантеннами Микроволновые системы апертурного синтеза Лимбовые микроволновые системы зондирования Синтез оптических и радио телескопов Микроволновые поляриметрические системы

9 декабря 2013 г.11 Потенциальные миссии : МТВЗА-ОК ( РФ, ИСЗ Сич 1М ) ; CMIS ( США, программа NPOESS ); GMS ( США, программа GOES ) ; CLOUDS ( ESA/NOAA); MEGHA-TROPIQUES (CNES/ISRO) Синтез сканеров и зондировщиков

9 декабря 2013 г.12 Миссия МТВЗА-ОК ( РФ, ИСЗ Сич 1М ) Частотные каналы ( сканерного типа ) - 6.9, 10.6, 18.7, 23.8, 31, 36.5, 42, 48, 89 ГГц. Каждый канал с двумя поляризациями. Частотные каналы измерительного типа - 10 каналов в полосе поглощения кислорода 5 мм, 3 канала в полосе поглощения водяного пара ( 183 ГГц). Основная апертура антенны – 60 см. Полоса конического обзора – 2000 км. Элемент разрешения - от 7 до 200 км. Угол наблюдения ( на поверхности Земли ) - 65 °.

9 декабря 2013 г.13 Микроволновый сенсор Conical Microwave Imager/Sounder (CMIS ) ( США ) The National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System ( NPOESS) ( 2008) NASA, NOAA, DoD NOAA DMSP CMIS

9 декабря 2013 г.14 Микроволновый сенсор Conical Microwave Imager/Sounder (CMIS ) ( США ) Частотные каналы ( сканерного типа ) - 6, 10, 18, 23, 36, 89 ГГц. Каждый канал с двумя поляризациями. Частотные каналы измерительного типа - в полосе поглощения кислорода 5 мм, и в полосе поглощения водяного пара ( 183 ГГц). Поляриметрический канал (параметры Стокса ) 18 ГГц Измерительные каналы – 77. Два рефлектора с апертурами – 220 и 70 см. Полоса конического обзора – 1700 км. Элемент разрешения - от 7 до 200 км. Угол наблюдения ( на поверхности Земли ) – °.

9 декабря 2013 г.15 Эволюция микроволновых систем Прибор SSM/ I TMISSMISAMSR- E CMIS Диаметр антенн 0,6 м 0,7 м1,6 м2,2 м Число измерительных каналов Масса56 кг62 кг96 кг324 кг250 кг Мощность45 Вт 50 Вт135 Вт350 Вт225 Вт Время жизни 3 г 5 лет6 лет7 лет

9 декабря 2013 г.16 Cloud and Radiation monitoring satellite (CLOUDS) project (ESA) Цель проекта- разработка нового поколения спутниковых систем для детального и долговременного мониторинга облачных систем и связанных с ними радиационных процессов. Cloud Ice and Water-vapour Sub-mm Imaging Radiometer (CIWSIR) Частоты- 150, 183 (три канала), 220, 462, 682, 874 ГГц. Элемент разрешения- 10км. Антенна: две апертуры- 40 и 16 см. Полоса обзора – 1400 км. Сканирование-коническое ( 53°). Cloud Liquid-water And Precipitation Microwave Imaging Radiometer (CLAPMIR). ( сканер-зондировщик) Частоты- 6,9; 10; 18; 23; 36; 89ГГц. Четыре канала поляриметрические По 4 канала в линиях кислорода ( 55 и 118 ГГц).

9 декабря 2013 г.17 MEGHA-TROPIQUES project (CNES/ISRPO) Цель проекта- разработка нового поколения спутниковых систем для быстрого мониторинга конвективных тропических облачных систем и связанных с ними массо и энергообмена в тропиках (наклонение орбиты-22°, время обзора- до 2 часов). Sondeur Atmospherique du Profil dHumidite Intertropicale par Radiometrie ( SAPHIR ) Шесть каналов в линии 183 ГГц. Элемент разрешения –10 км. Точность измерения содержания водяного пара 10-20% на 6 уровнях в тропосфере от 2 км до 12 км. Microwave Analysis and Detection of Rain & Atmosphere (MADRAS) Частоты – 10,6; 18; 23; 36; 89 и 157 ГГц. Элементы разрешения –от 6 до 50 км

9 декабря 2013 г.18. Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission(ESA). Требования I этапа ( ESA) - пространственное разрешение от км для диапазона 21 см ( L band ). Требования II этапа ( NASA) - 10 км. GEO/SAMS Mission ( NASA). Synthetic thinned array radiometry ( STAR) technology. Антенна – решетка облучателей в виде буквы Y. Антенна – случайное поле небольших антенн ( либо фиксированных, либо перемещающихся хаотическим образом в пространстве ( покрытие плоскости UV). Микроволновые системы апертурного синтеза

9 декабря 2013 г.19 Ocean-salinity Soil-moisture Integrated Radiometer- radar Imaging System ( OSIRIS ) Микроволновые активно-пассивные системы c макроантеннами. Частоты радиометра – 1,41 и 2,69 ГГц. Поляризации – В и Г ( для 1,41 ГГц - режим поляриметрический ). Частота радара - 1,26 ГГц. Поляризации радара – ГГ, ВВ, ГВ, ВГ. Апертура антенны – 600 см ( 1200 см ). Элемент разрешения – км. Угол наблюдения- 40 º. Полоса сканирования – 900 км.

9 декабря 2013 г.20 Eugene A. Sharkov. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Springer/PRAXIS, ISBN London, Berlin, New York, Singapore, Tokyo. 2003, 605p.