DE69517831T2

DE69517831T2 - Verfahren zur Erfassung von Höhenprofilen ausgewählter Kenngrössen der Atmosphäre unter Verwendung passiver Fernmessungen mittels Mikrowellen

Info

Publication number: DE69517831T2
Application number: DE69517831T
Authority: DE
Inventors: Lee A. Erb; Loren D Nelson; Fredrick S. Solheim; Randolph H. Ware
Original assignee: Radiometrics Corp
Current assignee: Radiometrics Corp
Priority date: 1994-02-11
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2015-02-11
Also published as: DE69517831D1; EP0667518B1; US5526676A; CA2142174A1; ATE194712T1; EP0667518A2; CA2142174C; EP0667518A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Radiometer unter Einsatz passiver Mikrowellen-Fernmessmethoden und betrifft spezieller solche Radiometer, die für die Profilermittlung von Merkmalen der Atmosphäre eingesetzt werden.

Hintergrund der Erfindung

Bei Mikrowellen-Radiometern zur Profilermittlung der Temperatur der Atmosphäre, die bisher bekannt sind und/oder zum Einsatz gelangen, wurde eine Mehrzahl diskreter Gunn-Diodenoszillatoren für den Empfangsoszillator eingesetzt. In diesen Fällen sind die Zahl der Frequenzen, auf denen der Radiometer-Empfänger arbeiten kann, und die Frequenzen selbst konstant.
Gunn-Oszillatoren haben ausserdem im Zusammenhang mit Frequenzstabilität mehrere Merkmale, die für Beobachtungen zwischen 50 und 60 GHz unerwünscht sind. Gunn-Oszillatoren verfügen über eine geringe Frequenzstabilität bei natürlichen Temperaturänderungen mit bis zu zwei MHz/ºC. Lässt man Gunn-Oszillatoren bei Aussentemperatur arbeiten, so ist dieses bei einem Arbeitsbereich von -20ºC bis +50ºC mit einer Verschiebung von bis zu 140 MHz gleichzusetzen. Dieses führt zu einer nicht gerade wünschenswerten Ermittlung des Temperaturprofils. Gegenwärtige Anwendungen von Gunn- Oszillatoren in derartigen Systemen erfordern daher eine sorgfältige Temperaturstabilisierung des Oszillatorgehäuses. Demzufolge sind diese Instrumente komplex, unhandlich und energieaufwendig. Darüber hinaus sind Einlaufzeiten erheblich lang. Selbst wenn sie temperaturstabilisiert sind, wandern Gunn- Oszillatoren über eine Frequenz von mehreren Megahertz. Dieses Wandern hat einen schwerwiegenden Einfluss auf die Genauigkeit der Ermittlung des Temperaturprofils. In einem anderen Fall, wo ein durchstimmbarer Empfangsoszillator zum Treiben des Mischers verwendet wurde (siehe US-P-3 380 055) gibt es die gleichen Probleme mit der Stabilität des Oszillatorausganges. Eine weitergehende Verbesserung könnte daher von Nutzen sein.
Die derzeit bekannten Methoden zur Profilermittlung von Wasserdampf der Atmosphäre werden durch verschiedene Wetterbedingungen dramatisch beeinflusst, von denen einige Methoden bei Gegenwart von Wolken uneffektiv sind. Viele der gegenwärtigen Methoden zur Profilermittlung von Wasserdampf sind nicht passiv (beispielsweise Radiosonden- und/oder Laser-Methoden), wodurch zu diesen Messungen Komplexität und zusätzliche Kosten hinzu kommen. Neue Vorgehensweisen bei der Profilermittlung könnten daher von Nutzen sein.
Radiometer werden geeicht, indem der Gewinn und Offset des Systems aufgenommen werden. Offsets können mit mehr als 700 K verhältnismässig hoch sein und hängen von dem Dunkelrauschen des Empfängers ab. Die Himmelsobservablen haben in jedem beliebigen Wellenlängenbereich einen Umfang von weniger als 100 K. Eine geringfügige prozentuale Änderung im Empfängerrauschen kann daher in den Observablen einen signifikanten Fehler einbringen. Empfängerstabilität oder häufige Auswertungen von Gewinn/Offset des Empfängers sind daher erforderlich.
In den meisten Radiometersystemen befinden sich daher interne Standards in Form von heissen und kalten Lasten, Targets bekannter Temperatur und/oder Rauschquellen. Diese Standards werden als absolute oder als Übertragungseichstandards (term-nahe Eichung) verwendet. Heiss- und Kaltlasten sind insofern eine unvollständige Eichung, dass sie keine Eingangskomponenten des Radiometers einbeziehen, wie beispielsweise das Antennensystem, dielektrisches Fenster und Antennenisolatoren. Ausserdem erfordern Heisslasten ein Extrapolation der Eichdaten, da Heisslasten oberhalb Aussentemperatur liegen und Himmelsobservable bei Umgebungstemperatur oder darunter liegen. Für Eichtemperaturen wäre es nützlich, den Bereich der Observablen zu überspannen. Ein verbessertes Eichsystem für diese Systemarten könnte daher von Nutzen sein.
Obgleich unter geeigneten Bedingungen und in ausgewählten Wellenlängenbereichen Daten von "Kipp-Kurven" gut aufgelöst sind, kann eine absolute Eichung von Radiometern im Bereich von 20 ... 35 GHz lediglich mit "Kipp-Kurven" erreicht werden, wenn die Atmosphäre ausreichend transparent ist (die Opazität ausreichend gering ist), so dass es in Abhängigkeit vom Zenitwinkel eine signifikante Änderung der Himmelshelligkeit gibt, wohl aber vorausgesetzt, dass der Himmel als horizontal geschichtet und gleichförmig angesehen werden kann. Ist dies nicht der Fall, so wurde festgestellt, dass bis zu 15 Prozent Schwankungen in der Helligkeit in diesen Wellenlängenbereichen auftreten, die eine Folge fehlerhafter Eichwerte sind. Eine weitergehende Verbesserung der Eichung wird daher erforderlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung gewährt einen Apparat und ein Verfahren zur Profilermittlung von Temperatur und/oder Wasserdampf der Atmosphäre, wobei der Apparat eine Vorrichtung einbezieht oder mit dieser eingesetzt wird, die über eine Antenne zum Empfang von Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre mit interessierenden Frequenzen verfügt und einen Frequenzsynthesizer einschliesst, der eine Vielzahl von ausgewählten Frequenzausgängen gewährt, sowie ein abwärtsumsetzendes System zum Empfang der ausgewählten Frequenzausgänge und der empfangenen Strahlung und darauf ansprechend Ausgangssignale gewährt, die kennzeichnend sind für die interessierenden Frequenzen und die das Merkmalprofil der Atmosphäre darstellen.
Bei Verwendung als eine Vorrichtung zur Profilermittlung der Temperatur der Atmosphäre sind die Frequenzen, die von Interesse sind, eine breite Gruppe von Luftsauerstoff -Linien in einem Wellenlängenbereich vorzugsweise zwischen etwa 40 und 80 GHz, wobei der Frequenzsynthesizer über diesen Wellenlängenbereich abstimmbar ist. Die ausgewählten Frequenzausgänge können jede beliebige Vielzahl (beispielsweise etwa 16) Frequenzintervalle zwischen 40 und 80 GHz sein. Die Sauerstoff-Resonanzlinie bei 119 GHz kann auch über etwa 110 ... 125 GHz abgestimmt werden.
Bei Verwendung als eine Vorrichtung zur Profilermittlung des Wasserdampfes der Atmosphäre sind die Frequenzen, die von Interesse sind, eine druckverbreiterte Wasserdampf-Linie in einem ausgewählten Wellenlängenbereich, wobei der Frequenzsynthesizer über diesen Wellenlängenbereich abstimmbar ist, um Ausgangssignale zu gewähren, die ein Profil des Wasserdampfes der Atmosphäre darstellen. Der Wellenlängenbereich der druckverbreiterten Wasserdampf-Linie liegt bei etwa 16 ... 28 GHz. Darüber hinaus können bei einer derartigen Konfiguration die interessierenden Frequenzen auch eine Frequenz im Bereich von 30 ... 36 GHz enthalten, wobei der Apparat ausserdem mit einer Vorrichtung zum Auflösen von Abstrahlung im Bereich von 30 ... 36 GHz ausgestattet ist und so ein Ausgangssignal bereitstellt, dass für den Flüssigkeitsgehalt der Atmosphäre kennzeichnend ist. Der druckverbreiterte Wellenlängenbereich zwischen 175 und 190 GHz ist ebenfalls verwendbar, speziell für "Top-down"-Beobachtungen (z. B. mit Satellit oder Flugzeug). Der Flüssigkeitsgehalt der Atmosphäre lässt sich bei derartigen Anwendung bestimmen, indem im Bereich von 80 ... 90 GHz und im Bereich von 150 ... 160 GHz beobachtet wird.
Bei Verwendung als eine Vorrichtung zur Profilermittlung von Wolken- Flüssigwassergehalt der Atmosphäre liegen die Frequenzen, die von Interesse sind, aufgrund der breiten Sauerstoff-Liniengruppe im Wellenlängenbereich von etwa 40 und 80 GHz, wobei der Frequenzsynthesizer über diesen Wellenlängenbereich abstimmbar ist. Beobachtungen erfolgen sowohl an der oberen Frequenz- als auch an der unteren Frequenzseite der Sauerstoff-Linie, um den asymmetrischen und höhenabhängigen Beitrag aufgrund der Wolkenflüssigkeit zu bestimmen.
Der Frequenzsynthesizer schliesst einen mit einem Frequenzregler verbundenen abstimmbaren Oszillator ein, in bezug gesetzt auf eine stabile Bezugsfrequenz. Ein Prozessor steuert das Abstimmen des Frequenzsynthesizers auf das jeweilige Ensemble benutzerdefinierter Frequenzen. Es ist eine Einrichtung zum Charakterisieren von Gewinn und Offset des Apparats bei der jeweiligen Beobachtung zur Erhöhung der Genauigkeit des Profils vorgesehen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung schliesst ein: Einlassen von Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre mit Frequenzen, die von Interesse sind, in einen Raum; Synthetisieren einer Vielzahl von Signalen, die auf die Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre bei den Frequenzen, die von Interesse sind, ansprechen; und Einfassen der Signale in den Raum zum Abwärtsumsetzen der Strahlung bei den interessierenden Frequenzen; sowie Erzeugen von Ausgangssignalen, die für die Mikrowellenenergie der Atmosphäre bei den interessierenden Frequenzen kennzeichnend sind, um ein Profil des Merkmals der Atmosphäre bereitzustellen.
Es ist daher ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Apparat und Verfahren zum Bereitstellen eines Profils eines ausgewählten Merkmals der Atmosphäre zu gewähren.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen Apparat und ein Verfahren zur verbesserten Profilermittlung der Temperatur der Atmosphäre zu gewähren.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einen Apparat und Verfahren zur Profilermittlung von Wasserdampf oder Flüssigwasser von Wolken der Atmosphäre zu gewähren.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Apparat zur Profilermittlung von Temperatur und/oder Wasserdampf der Atmosphäre zu gewähren, wobei der Apparat mit einer Antenne zum Empfangen von Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre verwendet wird, die Frequenzen enthält, die von Interesse sind, und wobei der Apparat einen Frequenzsynthesizer einschliesst, der eine Vielzahl von ausgewählten Frequenzausgängen bereitstellt, sowie ein abwärtsumsetzendes System zum Empfangen der ausgewählten Frequenzausgänge und die empfangene Strahlung empfängt und darauf ansprechend Ausgangssignale bereitstellt, die kenn zeichnend sind für die Mikrowellenenergie, die bei den interessierenden Frequenzen abgestrahlt wird und die das Profil darstellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein passives Mikrowellen-Radiometer zu gewähren, einschliessend eine Antenne zum Empfangen von Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre, die Frequenzen enthält, die von Interesse sind, sowie einen Apparat zum Bestimmen eines Profils eines ausgewählten Merkmals der Atmosphäre, der einen Frequenzsynthesizer einschliesst, der über eine Vielzahl vom Benutzer ausgewählter Frequenzintervalle abstimmbar ist, die auf die Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre bei den interessierenden Frequenzen ansprechbar sind, sowie Einrichtung, verbunden mit der Antenne und dem Frequenzsynthesizer zum Erzeugen von Ausgangssignalen, kennzeichnend für die Abstrahlung der Atmosphäre bei den Frequenzen, die von Interesse sind, ansprechbar auf den Empfang der Strahlung, sowie Abstimmen des Frequenzsynthesizers über die Intervalle, um das Profil bereitzustellen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Profilermittlung von Merkmalen der Atmosphäre, die von Interesse sind, bereitzustellen, einschliessend die Schritte des Einlassens von Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre mit Frequenzen, die von Interesse sind, in einen Raum; Synthetisieren einer Vielzahl von Signalen, die auf die Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre bei den interessierenden Frequenzen ansprechen; und Einlassen der Signale in den Raum zum Abwärtsumsetzen bei den interessierenden Frequenzen; sowie Erzeugen von Ausgangssignalen, die für Mikrowellenenergie der Atmosphäre kennzeichnend sind, die bei den interessierenden Frequenzen abgestrahlt wird, um ein Profil eines Merkmals der Atmosphäre bereitzustellen.
Angesichts dieser und anderer Aspekte, die dem Fachmann auf dem Gebiet im Verlaufe der Beschreibung offensichtlich werden, beruht die vorliegende Erfindung auf der neuartigen Konstruktion, Kombination, Anordnung von Teilen und Verfahren, wie sie im wesentlichen nachfolgend beschrieben werden und spezieller durch die beigefügten Ansprüche festgelegt werden, wobei davon ausgegangen wird, dass Änderungen in der genauen Ausführungsform der hierin offenbarten Erfindung als in den Schutzumfang der Ansprüche einbezogen gelten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen veranschaulichen eine vollständige Ausführungsform der Erfindung im Sinne einer besten Ausführungsform für die praktische Anwendung ihrer Prinzipien, und in denen sind:
Fig. 1 eine Seitenansicht auf den erfindungsgemässen Apparat zur Profilermittlung;
Fig. 2 ein Querschnitt durch die Schnittlinien 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Apparates zur Profilermittlung der Temperatur;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Feinstruktur der 59,4 GHz- Sauerstoff-Linie;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Apparates zur Profilermittlung des Wasserdampfes;
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Druckverbreiterungsphänomens mit Zentrum bei 22,235 GHz der Wasserdampf-Linie;
Fig. 7 eine Darstellung im Querschnitt des erfindungsgemässen Kryotargets zur Schwarzkörpereichung; sowie
Fig. 8 eine graphische Darstellung, die die Differenz in der Schwarzkörpertemperatur zeigt, die unter Anwendung der Erfindung beobachtet wird.

Beschreibung der Erfindung

Eine Darstellung eines bestehenden Wasserdampf-Radiometers 11, wie es auch im Detail in der US-P-4 873 481 dargestellt und offenbart wurde, ist zusammenhängend mit dem erfindungsgemässen Apparat zur Profilermittlung 13 in Fig. 1 und 2 gezeigt.
Apparat 13 ist ein Mikrowellenempfängersystem, auch bezeichnet als Radiometer, mit dem das Profil der natürlichen Temperatur der Atmosphäre über eine Vielzahl von ausgewählten Höhen und/oder das Profil von Wasserdampf der Troposphäre mit einem hohen Genauigkeitsgrad bestimmt werden können. Die Profilmessungen erfolgen mit Hilfe einer Reihe von Beobachtungen des Himmels bei verschiedenen Frequenzen.
Das Radiometer ist im Gehäuse 14 befestigt und umfasst einen einstellbaren Elevationsreflektor 15, der auf alle Elevationswinkel gerichtet werden kann. Wenn er abwärts gerichtet wird, ist das Beobachtungsfeld von Antenne 16 mit Schwarzkörper 17 einer bekannten Temperatur gefüllt, die durch Referenz mit dem Temperaturmessfühler 19 bestimmt und aktualisiert wird. Durch Beobachtung von Schwarzkörper 17 wird der Empfänger-Offset eingestellt. Bei Aufwärtsrichtung durch Fenster 21 werden Abstrahlungen der Atmosphäre mit Frequenzen, die von Interesse sind, empfangen und beobachtet.
Radiometer 11 schliesst Nebenkeulenkragen 23 zur Unterdrückung der Einflüsse von Antennennebenkeulen von dual eingespeister, optischer Gauss- Antenne 16 ein. Vorgesehen sind der schon bestehende Wasserdampf-Mikrowellenempfänger 25, wie auch Standard-PC und Stromversorgungsanschlüsse 27, Baugruppenträger 29 und Stromversorgung 31. Das Tau-Gebläse 33 ist vorgesehen, um die Feldwirksamkeit des dielektrischen Fensters 21 zu gewährleisten.
Wie in Fig. 3 gezeigt wird, schliesst Antenne 16, an der sich Linse 35 befindet, Rillenspeisehorn 37 zum Empfangen der Mikrowellenstrahlung ein und damit der Frequenzen, die von Interesse sind, die mit Hilfe der Linse 35 fokussiert werden. Antenne 16 kann, sofern mehrfache Empfänger verwendet werden, Signalverteiler 38 enthalten. Bei dieser Anwendung wird ein Drahtgitterpolarisator bevorzugt. Dieses Gitter besteht aus einer Ebene von dünnen parallelen Leitern im Inneren des fokussierten Himmel-Signalstrahls. Das Gitter lässt die eine Polarisation des eintreffenden Strahls durch und reflektiert die andere. Die durchgelassene Polarisation lässt sich beispielsweise für irgendeine der bestehenden Operationen des Empfängers einsetzen, wie beispielsweise als Wasserdampf-Empfänger 25, während die andere Polarisation um 90º reflektiert wird, indem das Gitter auf 45º zur Strahlachse gestellt wird und damit in das Rillenspeisehorn 37 fokussiert wird. Dieser Gitterpolarisator ermöglicht eine Strahlaufteilung, ohne dass irgendein Signalverlust hingenommen werden muss.
Richtkoppler 39 speist das Signal bekannter, äquivalenter Temperatur aus der mit dem Treiber 43 verbundenen, stabilisierten Rauschdiode 41 in den Antennenhohlleiter 45 ein, wenn die Rauschdiode eingeschaltet ist. Die Messung des Beitrags des an dem Empfängerausgang eingespeisten Signals ergibt den Gewinn des Empfängers. Das passive Radiometer kann mit Hohlleiter vorbestimmter Grösse aufgebaut werden oder kann unter Einsatz von Mikrostreifen oder Streifenleiter aufgebaut werden oder nach den Methoden von "Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC)" ((monolithische, integrierte Mikrowellenschaltkreise)).
Dem Koppler 39 folgt Isolator 47 (vorzugsweise mit einer Bandbreite von etwa 6 GHz), um ein Austreten von Streustrahlung des Empfängeroszillators am HF-Port 49 von Mischer 51 und ein Wiedereintreten in Antenne 16 als Fehlerquelle zu verhindern. Dem abwärtsumsetzenden System 52, in das der vorgesteuerte Mischer 51 einbezogen ist, folgt ein System 53 zur Signalaufbereitung mit Verstärkungsstufe 54, ZF-Filterstufe 55, ferner Verstärkungsstufe 57, Detektion durch den quadratischen Detektor 59 sowie Stromverstärkungsstufe 61.
Die Genauigkeit des Radiometer-Empfängers und damit der Temperatur oder des Wasserdampfes des Profils ist von der Stabilität und dem Auflösungsvermögen des Empfängers abhängig sowie von der Stabilität des Rauschdioden-Gewinn-Standards. Zur Erhöhung der Stabilität der Rauschdiode 41 wird ihre Fassung 63 bei einer konstanten Temperatur gehalten. Ferner wird, wenn Rauschdiode 41 für Signalausgang nicht mit Sperrspannung belegt ist, ein Durchlassstrom durch die Rauschdiode gezogen, um ihre Innentemperatur hochzuhalten und ihre Ausregelzeit zu verringern, wenn auf Sperrspannung umgeschaltet wird.
Messfühler 65 und 67 für Umgebungsoberflächentemperatur und für barometrischen Druck sind vorgesehen, um die Profilermittlung zu verbessern, wenn sie in die Profil-Inversionssoftware in geeigneter Weise einmodelliert sind.
Der Betrieb des Radiometer-Antennensystems, einschliesslich Signalverteiler 38, die Rauschdioden-Einspeisemethode, Filterung, Verstärkung und Detektion des ZF-Signals sowie die Methoden der Datenverdichtung wurden in der US-P-4 873 481 beschrieben.
Der Betrieb des Antennesystems des Radiometers, einschliesslich Signalverteiler 38, die Methode der Rauschdiodeninjektion, Filtern, Verstärkung und Detektion des ZF-Signals wurden in der US-P-4 873 481 beschrieben.
Das Radiometer wird mit Befehlen höherer Programmiersprache, beispielsweise ein FORTRAN-Programm, vom Computer 69 gesteuert. Alle Daten werden auf der PC-Festplatte aufgespielt und verdichtete Daten auf dem PC-Bildschirm angezeigt. Das FORTRAN-Programm überträgt einfache Befehle, beispielsweise über das RS232-Protokoll, zum Bord-Mikroprozessor 71 (beispielsweise einen Motorola 68HC11-Mikroprozessor), der diese Befehle in die Kleinsignalsteuerung der verschiedenen Radiometersysteme übersetzt. Mikroprozessor 71 steuert die Stellung des Antennenreflektor 15, stellt die verschiedenen Oszillatoren und Rauschdiode 41 ein und aus, überwacht Temperaturen und Drücke sowie Messsystem und Referenzspannungen.
In seiner Ausführungsform als ein Radiometer zur Profilermittlung der Temperatur der Atmosphäre wird der Empfänger zwischen 40 und 80 GHz betrieben, um ein Signal aus einer breiten Liniengruppe von Luftsauerstoff in diesem Wellenlängenbereich zu beobachten. Die Dichte des Luftsauerstoffes bei Druckhöhe ist verhältnismässig zeitkonstant, da es sich um ein gleichförmig gemischtes Gas handelt. Wie in Fig. 4 gezeigt, reicht die Sauerstoffabsorption von etwa 1 dB auf dem Flügel des 59,4 GHz-Sauerstoff-Resonanzmerkmals (um 50 GHz) bis etwa 100 dB an dem Linienzentrum (bei 59,4 GHz). Aufgrund dieser Abhängigkeit der Absorption von der Frequenz und der vorhersagbaren Konzentration von Luftsauerstoff wird dieses Resonanzmerkmal der Atmosphäre zur Verwendung bei der Profilermittlung der Temperatur als bevorzugt angesehen.
Tatsächlich ist die Sauerstoff-Linie bei 59,4 GHz eine Überlagerung einer Feinstruktur von etwa 40 signifikanten Linien, die nahezu symmetrisch (jedoch nicht gleichmässig) von dem Linienzentrum beabstandet sind. Wie in Fig. 4 ersichtlich, sind diese Feinstruktur-Linien bei grossen Höhenwerten offensichtlicher, wo Atmosphärendrücke und damit Druckverbreiterung gering sind.
Die Linien sind bei geringer Höhe in der Nähe des Linienzentrums sichtbar, wo die quantenmechanischen Linienstärken gross sind. In dem Flügel des Resonanzmerkmals sind die Linienstärken um etwa vier Grössenordnungen gefallen, während die Strahlung um weniger als zwei Grössenordnungen gegenüber denen des Linienzentrums abgefallen ist. Das Ergebnis besteht darin, dass die Feinstrukturmerkmale an dem Linienzentrum sehr viel stärker in Erscheinung treten.
Die Abstrahlung bei einer beliebigen Höhe ist direkt proportional zur Temperatur der Atmosphäre bei dieser Höhe. Die Himmelshelligkeit in der Nähe des Zentral-Peaks dieser Gruppe (nahe 60 GHz) ist eine Folge der Strahlung in der unteren Atmosphäre, während Strahlung am 50 GHz-Flügel dieses Bandes von grösseren Höhenwerten herzukommen scheint. Das bedeutet, dass aufgrund der hohen Opazität der Atmosphäre bei Frequenzen in der Nähe von 60 GHz das empfangene Signal unmittelbar von der Vorderseite der Antenne kommt. Wenn der Empfänger abwärts auf 50 GHz abgestimmt wird, kann das Signal von grösseren Höhen aufgelöst werden (bis zu etwa 10 km). Dieses führt zu Oberflächenbeobachtungen von Strahlung, die höhengewichtet ist. Durch geeignetes Wichten von Beobachtungen bei Frequenzen innerhalb des Wellenbandes von 50 ... 60 GHz und Korrigieren auf Wasser- und Wasserdampf-Emissionen lässt sich auf des Temperaturprofil der Atmosphäre schliessen (d. h. mathematisch extrahieren).
Es gibt etwa 16 Intervalle in der Frequenz zwischen diesen Feinstruktur- Linien zwischen 50 und 60 GHz, die bevorzugt für radiometrische Beobachtungen verwendet werden. Diese sind: 50,3; 50,7; 51,25; 51,8; 52,3; 52,85; 53,3; 53,85; 54,4; 54,9; 55,45; 56,0; 56,7; 57,3; 58,0 und 58,8 GHz.
In der Ausführungsform als ein Radiometer zur Ermittlung des Temperaturprofils wird der abwärtsumsetzende Mischer 51 dieses Empfängers durch den prozessorgesteuerten, abstimmbaren Frequenzsynthesizer 73 getrieben, der für die Frequenzgenauigkeit und -stabilität des Empfängers in bezug gesetzt wird auf den Referenzoszillator 75 als stabilen Festfrequenz-Quarzoszillator. Für die Stabilität ist der Empfänger auf einer temperaturstabilisierten Platte aufgebaut. Das resultierende Empfängersystem ist hochstabil und ist über seinen abstimmbaren Wellenlängenbereich frequenzbeweglich. Der Synthesizer 73 ((hierin auch bezeichnet als "Einrichtung für hochstabiles Freuquenzsynthetisieren")) schliesst den abstimmbaren Oszillator 77 ein, der mit Hilfe der Frequenzregelung 79 unter Betriebssteuerung vom Mikroprozessor 71 zwischen 13,2 und 14,7 GHz abgestimmt wird. Eine Rückkopplungsschleife zwischen Oszillator 77 und Regelung 79 gewährleistet Stabilität des Ausgangs. Der Synthesizer 73 ist hochstabil (die Drift beträgt lediglich etwa 1 Teil in 10&sup6; oder 10&sup8;). Der Ausgang von diesem Synthesizer wird mit Hilfe des Verstärkers 31 auf +17 dBm verstärkt und danach an den Frequenzvervierfacher 83 und Bandpassfilter 85 gelegt, was zu den Ausgängen von 52,8 ... 58,8 GHz führt. Dieses Signal wird sodann in den Raum des vorgesteuerten Mischers 51 eingespeist, wo das Signal von dem Antennensystem abwärts umgesetzt wird.
Der Synthesizer 73 kann aus einer beliebigen frequenzbeweglichen, stabil laufenden und kontinuierlich abstimmbaren Synthesizer-Anordnung bestehen, wie beispielsweise: ein Gunn-Oszillator mit konzentriertem Schaltkreiselement und PLL-Frequenzregelung; ein block-abwärtsumgesetzter Gunn- Oszillator mit YIG-abgestimmter ZF; ein Varaktor-abgestimmter Gunn-Oszillator; dielektrische Resonanzoszillatoren (DRO's) mit Frequenzvervielfachung; einen Autokorrelationsempfänger oder einen PLL-YIG-abgestimmten Oszillator.
Da "Kipp-Kurven" für die Eichung im 50 ... 70 GHz-Band wegen der hohen Opazität der Atmosphäre nicht verwendet werden können, wird zur Eichung dieses Empfängers das nachfolgend beschriebene Kryo-Schwarzkörpereichtarget verwendet.
Die Rekonstruktion des Temperaturprofils aus den mit dem Radiometer gemessenen Strahldichten beruht auf der Lösung der Schwarzstrahlungsübertragungsgleichung nach Chandrasekhar für die Intensität an einer Stelle s auf dem Strahlenweg:
worin I die Intensität der Ausbreitung ist, J ist die Intensität der Strahlungsquelle bei s, f ist die Frequenz, k ist der Absorptionskoeffizient, p ist die Dichte des absorbierenden Bestandteils und "s" ist die Entfernung auf dem Strahlenweg.
Eine wirksame Methode zur Erfassung von Temperaturprofilen aus Radiometermessungen von Himmelsemissionen beruht auf der statistischen Methode der Wiederherstellung. Diese Methode besteht im Berechnen der theoretischen Himmelsemissionen (bezeichnet als Helligkeitstemperaturen) aus Radiosonden-Echolotungen (RAOB) unter Nutzung des Absorptionsmodells der Sauerstoff-Linienform. Alternativ kann dieses durch direktes Messen der Himmelsemission in ausgewählten Wellenlängenbereichen erreicht werden, wobei das Radiometer parallel zu den RAOB-Abgaben läuft.
Damit sind die Temperaturprofile der Atmosphäre aus den RAOB-Echolotungen bekannt. Ebenfalls sind die Himmelsemissionen bekannt, die aus derartigen Temperaturprofilen resultieren. Durch Ausführung einer multilinearen Regressionsanpassung von Himmelsemissionen in den verschiedenen Wellenlängenbereichen an die Temperaturprofile wurde eine statistische Beziehung ermittelt, bei der die Temperatur bei gewünschten Höhen als eine Funktion von linearen Abhängigkeiten von den Helligkeitswerten in jedem der beobachteten Wellenlängenbereichen bestimmt wird. Für jede gewünschte Höhe resultiert eine lineare Gleichung. Die linearen Koeffizienten in diesen Gleichungen werden als "Retrieval-Koeffizienten" bezeichnet.
In die Regressionsmethode lassen sich Schätzwerte von radiometerbedingten und anderen versuchs- und gerätebedingten Fehler einbeziehen, um die Lösung für das Temperaturprofil realistisch abzugrenzen. Ein verbessertes Ergebnis wird erhalten, wenn ein Durchschnitts- oder mittleres Temperaturprofil aus den RAOB-Darstellungen festgelegt werden würde und die Regression an der Differenz der Temperaturprofile zu diesem mittleren Profil anstelle an dem Profil selbst vorgenommen wird.
Andere Methoden, die bekannt sind und im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden könnten, sind lineare Inversion mit Nebenbedingungen (auch bekannt als "Regulierung") und iterative Methoden, bei denen ein erstes angenommenes Profil solange angepasst wird, bis die errechneten Helligkeiten mit den gemessenen Helligkeiten übereinstimmen.
Der abstimmbare Frequenzsynthesizer 73 ermöglicht eine ausserordentliche Frequenzregelung und schnelles Abstimmen. Er ermöglicht eine grössere Vielseitigkeit des Radiometers insofern, dass ein Ensemble von Frequenzen von einem Anwender über Software ausgewählt werden kann, um den unmittelbaren Anforderungen des Radiometers zu genügen. Beispielsweise würde eine Anforderung nach einem besser aufgelösten Temperaturprofil notwendig machen, dass mehr Frequenzen ausgewählt werden müssen, während kürzere Instrumententaktzeiten weniger Frequenzen notwendig machen würden. Ein feuchtes Klima würde von einer zusätzlichen Beobachtungsfrequenz im Bereich von 52 ... 54 GHz Nutzen ziehen. Somit hat die Frequenzbeweglichkeit signifikante Vorteile gegenüber den früher verwendeten Festfrequenzoszillatoren.
Die Frequenzbeweglichkeit von Frequenzsynthesizer 73 ermöglicht diesem Empfänger andere Radiometer zu emulieren, da der Frequenzvorrat anderer Radiometer über Software ausgewählt werden könnte. Bei diesem Radiometer sind daher ein direkter Vergleich und/oder die Übertragung der Eichung möglich.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie über Software in der Frequenz abstimmbar ist. Dieses ermöglicht dem Anwender Wahl und Änderungen in der Zahl und der Lage von Empfängerkanälen. Die Daten werden für Nachbearbeitung (und Echtzeit) im Profilretrival mit einer beliebigen Zahl von Software-Retrievalalgorithmen aufgezeichnet.
In seiner in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform als ein Radiometer zur Profilermittlung von Wasserdampf der Atmosphäre wird der Empfänger in den K- und Kα-Banden unter Verwendung von WR34-Hohlleiter-Hardware entsprechend der Beschreibung in US-P-4 873 481 betrieben. Wie darin gelehrt wird, liegt eine der Empfangsfrequenzen zwischen etwa 30 und 36 GHz (vorzugsweise bei 31,4 GHz), um die Messung von Wolken-Flüssigwasser zu ermöglichen. In der Vorrichtung zur Profilermittlung 87 für Wasserdampf wird der andere Empfangskanal allerdings durch einen Frequenzsynthesizer 89 ersetzt, der zum Abstimmen über die Resonanzlinie der Wasserdampf- Emission der Atmosphäre in der Lage ist, die ein Zentrum bei 22,235 GHz hat. Dieses Abstimmvermögen ist im Hohlleiter-Einspeiser untergebracht, um ein Signal vom stabil abstimmbaren Synthesizer 89 in den Mischer 51 einzuspeisen.
Obgleich hierin ein Empfänger zum Abstimmen über die 22,235 GHz- Wasserdampf-Linie diskutiert wird, sollte klar sein, dass andere Frequenzregimes angewendet werden könnten, wie beispielsweise die Verwendung eines abstimmbaren Frequenzsynthesizers zum Abstimmen über die 183 GHz- Wasserdampf-Linie, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu nutzen.
Wie in Fig. 6 gezeigt wird (die die Druckverbreiterung in einer Atmosphäre mit 50 Prozent relativer Luftfeuchte und +15ºC bei 1013 mB, 850 mB und 700 mB Höhe für die 22-Wasserdampflinie veranschaulicht) enthält die Breite dieser Linie, da die 22,235-GHz-Linie druckverbreitert ist, Informationen über die Höhe des emittierenden Wasserdampfes. Wasserdampf bei grossen Höhen und damit geringem Druck emittiert in einer schmalen Linie, die sehr dicht am Linienzentrum ist, und Wasserdampf bei geringer Höhe ist druckverbreitert und emittiert daher abseits vom Linienzentrum ein signifikantes Signal. Indem eine Reihe von Beobachtungen bei etwa 16 ... 28 GHz vorgenommen wird, kann man diese Linienverbreiterung zur Bestimmung der Dichte des Wasserdampfs als eine Funktion der Höhe nutzen.
Wie in Fig. 15 gezeigt wird, wird der 31,4-Gunn-Diodenoszillator 93 in den Mischer 51 eingespeist. Der Ausgang und die Frequenz des Oszillators 93 sind stabilisiert, indem die physische Temperatur des Oszillators stabilisiert wird. Um die Einschwingzeit des Gunn-Oszillators durch Haltes des Diodenübergangs auf ein Minimum herabzusetzen, werden 1,1 Volt an der Diode aufrechterhalten, wenn sie nicht durch die 6 Volt Arbeitsspannung angesteuert wird. Der 22 ... 25 GHz-Synthesizer 89 (in den der durchstimmbare Oszillator 95 einbezogen ist, der durch den Frequenzregler 97 unter den Befehlen von Mikroprozessor 71 zwischen etwa 11 und 12,5 GHz abgestimmt werden kann, sowie der Verstärker 99, der Frequenzverdoppler 101 und das Bandpassfilter 103) alterniert in seiner Funktion mit dem 31,4-GHz-Kanal und stimmt auf das jeweilige Ensemble benutzerdefinierter Frequenzen ein, die in eine Konfigurationsdatei in den Rechner 69 eingegeben sind. Oszillator 93 und Synthesizer 89 werden alternierend in einen Mischer 51 über Hohlleiter- Kombinator eingespeist. Himmelsmessroutinen sind benutzerdefiniert in einer Bearbeitungsdatei im Computer 69 gespeichert.
Die Eichung dieses Instruments umfasst die Bestimmung des Pegels des Signals, das mit Hilfe der Rauschdiode 43 eingespeist wird, und kann durch Beobachten der Schwarzkörpertargets von zwei verschiedenen bekannten Temperaturen erfolgen. Diese Ausgangsdifferenz wird mit dem Signal verglichen, das die Rauschdiode beiträgt, wodurch die Rauschdiode geeicht wird. Eine der Methoden zur Nutzung derartiger Target-Eichungen besteht in der Verwendung des Himmels als das eine Target und den Umgebungsschwarzkörper 17 als das andere. Dieses wird als die "Kipp- Kurven"-Methode bezeichnet und wurde in der vorgenannten US-Patentschrift beschrieben. Eine zweite Methode der Eichung besteht darin, dass das Kryo- Schwarzkörpertarget implementiert wird, das nachfolgend beschrieben wird.
Das Abwärtsumsetzen wird mit dem Synthesizer 89 bei der gewünschten Resonanz-Linienfrequenz ausgeführt. Die Probenbreite wird mit Hilfe der Bandbreite von Filter 55 beispielsweise mit 5 ... 30 MHz festgesetzt. Es werden sowohl die oberen als auch die unteren Seitenbänder einbezogen. Diese Methode liefert eine Gesamtkantenbandbreite der Probe von 60 MHz, wobei jedoch lediglich 50 MHz das Filter passieren. Die zentralen 10 MHz werden nicht abgetastet. Dieses ist erforderlich, um das Phasenrauschen der Oszillatoren zu eliminieren. Der Vorteil bei dieser Zweiseitenband-Methode sind Einfachheit und geringe Kosten. Es könnten selbstverständlich Einseitenband-Methoden eingesetzt werden.
Bei der Datenumsetzung sind alle Algorithmen, die Parameter der Atmosphäre mit den Mikrowellen-Observablen in Zusammenhang bringen, auf die Gleichung der Strahlungsübertragung in der Rayleigh-Jeans-Näherung bezogen. Bei nichtstreuender Atmosphäre wird die Mikrowellen-Strahldichtetemperatur, die mit einem erdgebundenen Radiometer gemessen wird, mit Hilfe der Profile von Temperatur und Absorption der Atmosphäre bestimmt:
worin TB die frequenzabhängige Strahldichtetemperatur (K) ist, T(s) ist die Temperatur der Atmosphäre entlang der Richtung von s, k(s) ist die Absorption der Atmosphäre bei s, abhängig von Temperatur, Druck, Wasserdampf und Flüssigkeitdichte, und Tc ist die kosmische Hintergrundtemperatur, die auf der Oberseite der Atmosphäre auftrifft.
Die Entwicklung eines Algorithmus zum Abfragen irgendwelcher Parameter der Atmosphäre, die die gemessenen Strahldichtetemperaturen beschränken, erfordert eine Methode zur Invertierung der Gleichung:
worin S der Parameter der Linienstärke und γ (z) der Parameter der Linienbreite ist.
Die Genauigkeit des Abfragealgorithmus hängt von der Wahl der Mikrowelle und anderer verfügbarer Observablen, den Genauigkeiten der Observablen und den Genauigkeiten unseres Modells ab, das die Eigenschaften des Integranden der Gleichung (1) mit den gewünschten Abfrageparameter (in diesem Fall Dampfdichte in Abhängigkeit von der Höhe) in Zusammenhang bringt.
Es lassen sich mindestens drei unterschiedliche Techniken anwenden. Statistische Retrieval-Techniken nutzen A-priori-Korrelationen der Observablen mit den gewünschten Parametern der Atmosphäre. Die Korrelationen werden entweder experimentell erhalten, wobei Observable zu Zeitpunkten gemessen werden, zu denen unabhängige Bestimmungen der Parameter der Atmosphäre verfügbar sind, oder sie werden rechnerisch erhalten, wobei modellabhängige Observable aus einer Datenbank der Atmosphärebedingungen, normalerweise Radiosonden, errechnet werden (Gleichung 1). Lineare Retrieval-Koeffizienten werden aus dem kompletten Datenarchiv durch multilineare Regression erhalten, wobei die Rauschcharakteristik der Observablen berücksichtigt wird.
Bei der Aufgabe der Ermittlung des Dampfprofils ist die statistische Methode in der Regel am ehesten anwendbar bei Messsystemen, bei denen die Zahl der unabhängigen Observablen signifikant kleiner ist als die Zahl der gewünschten diskreten Höhen-Dampfdichten. Die Formulierung ist immerhin unkompliziert und gut nachgewiesen.
Die Methode der direkten linearisierten Inversion reduziert Gleichung (1) auf einer Matrixgleichung durch Näherung des Integranden als eine gewichtete Funktion mal das tatsächliche Dampfprofil und nachfolgende Vereinfachung des Integrals zu einer numerischen Quadratur. Die gewichteten Funktionen werden über eine Taylor-Reihe erster Ordnung der wahren, nichtlinearen Beziehung über eine gewissen A- priori-Schätzung des Warenprofils der Atmosphäreeigenschaften erhalten. Die von der A-priori-Schätzung hervorgerufenen Verzerrungen lassen sich durch Iterationen reduzieren, bei denen die Gewichtsfunktionen für jede neue Lösung des Dampfprofils erneut berechnet werden. Die Inversionslösungen können auch zusätzlich eingeschränkt werden, indem unter Anwendung der Methode von Lagrange-Opperatoren den Mikrowellen-Observablen bodenwahre Messen hinzugefügt werden.
Bei der Methode der maximalen Wahrscheinlichkeit wird eine Suchtechnik zur Bestimmung der gewünschten Atmosphäreparameter eingesetzt, mit der eine Produktfunktion in Abhängigkeit von den Differenzen zwischen den gemessenen und berechneten (Gleichung 1) Observablen maximiert wird. Bei jeder Observablen wird angenommen, dass sie durch spezifisches Gauss- Rauschen charakterisiert ist. Für jede mögliche "Lösung" der Atmosphäre zur Inversion von Gleichung (1) werden theoretische Observable errechnet und mit den Messungen verglichen, indem der Wert der Gauss-Funktion aus der Differenz von "gemessen" minus "errechnet" berechnet wird. Das Produkt aller derartiger "Wahrscheinlichkeiten" von Observablen stellt ein Mass für die Zweckmässigkeit der möglichen Lösung für das Profil der Atmosphäre dar.
Die endgültige Lösung wird ermittelt, indem das Profil der Atmosphäre bestimmt wird, welches diese Funktion maximiert. Für den Fall der Ermittlung des Dampfprofils werden Lösungen dadurch eingeschränkt, dass A-priori- Grenzen für die höhenabhängige Variabilität der Dampfdichte angegeben werden, die normalerweise aus der Radiosondenstatistik bestimmt wird. Zur Berücksichtigung anormaler, physikalisch jedoch realisierbarer Lösungen können die Grenzen der Variabilität erweitert werden. Die Lösungssuche wird stabilisiert, indem für die möglichen Dampfdichteprofile Korrelations-Nebenbedingungen aufgestellt werden. Die Methode der maximalen Wahrscheinlichkeit hat den Vorteil der Einbeziehung der Gleichung (1) innewohnenden, tatsächlichen Nichtlinearitäten in die Lösungssuche.
Bei Ermittlung des Dampfprofils hängen die Genauigkeiten aller vorgenannten Methoden von der Genauigkeit des Modells für die Dampfabsorption in der Nähe der 22,2-GHz-Resonanz ab. Neuere Arbeiten haben die Nebenbedingungen des eingesetzten Absorptionsmodells verbessert, und die neuen Modelle können, so wie sie entwickelt werden, in die Software einbezogen werden.
Jetzt zu Fig. 7 kommend, schliesst das Kryo-Schwarzkörpertarget 111 den Polystyrolschaumstoff-Behälter 113 ein, in dem ein offenzelliger, zusam mengelegter Schwarzkörper- Schaumstoff 115 eingelegt ist. Dieser Schaumstoff ist in flüssigem Stickstoff eingetaucht. Mit Thermometer- Vorrichtungen wäre das Messen der Temperatur des flüssigen Stickstoffes und damit die des Schwarzkörpers auf besser als mehrere Zehntel Grad sehr schwierig. Der flüssige Stickstoff erreicht jedoch eine Gleichgewichtstemperatur, die geringfügig mit dem atmosphärischen Druck schwankt, der jedoch mit Hilfe einer Messung des barometrischen Druckes auf mehrere Hundertstel Grad bekannt sein kann. Die Temperatur des flüssigen Stickstoffes und damit die Targettemperatur in Grad Kelvin lässt sich ausdrücken als:
LN2 T(K) = 68,23 + 0/009037 · P (Millibar)
Behälter 113 ist ein Dielektrikum mit sehr geringem Verlust und daher für Mikrowellenstrahlung transparent. Das Radiometerinstrument kann daher durch den Polystyrolschaumstoff als den Schwarzkörper hindurchschauen und damit das Signal von einem Target mit genau bekannter Temperatur messen.
Zur Eichung des Radiometerinstruments 11 wird der Sattel 117, der den Polystyrol-Behälter 113 hält, auf die Oberseite des Radiometers gesetzt. In den Behälter wird flüssiger Stickstoff gegeben und das Kryotarget in den Sattel gesetzt. Das Radiometer erhält den Befehl, das Kryotarget und das umgebende Schwarzkörpertarget (17 in Fig. 1) nacheinander zu beobachten. Danach wird die Differenz in Videovolt mit aus- und abgeschalteter Rauschdiode 41 gemessen und diese Messung zu einer Temperatur umgesetzt, indem mit dem vorgenannten Quotienten multipliziert wird. Damit wird die Kryotarget- Eichung zur Rauschdiode für langfristigen Dioden-Einsatz übertragen. Diese Prozedur wird für alle Empfängerfrequenzen wiederholt und in die Eichdatei in den Computer 69 eingegeben.
Es können andere Kryoflüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen verwendet werden, um eine Vielzahl von Eichpunkten zu erzeugen. Es werden reflektierende Metallblenden (d. h. die Innenwandungen von Sattel 117) verwendet, um zu gewährleisten, dass das gesamte Sichtfeld des Radiometers (einschliesslich Nebenkeulen) auf das Schwarzkörpertarget zu begrenzen und Eichfehler auf ein Minimum herabzusetzen. Das Taugebläse 33 des Radiometers vermeidet eine Kondensation von Wasser an der Unterseite des Polystyrolschaumstoff-Behälters.
Der Einfügungsverlust und damit der Temperaturbeitrag von Behälter 113 wird folgendermassen bestimmt. Das Radiometerinstrument wird auf ein stabiles kaltes Target gerichtet, wie beispielsweise ein zweites Schwarzkörpertarget mit flüssigem Stickstoff. Der Polystyrol-Behälter wird in den Radiometer strahl gesetzt und die Spannungszunahme aufgezeichnet. Diese Spannungszunahme ist der Beitrag des Polystyrols und ist proportional zur Differenz zwischen dem implementierten Flüssigstickstoff-Kalttarget und der Umgebung. Es liefern 2,54 cm (1 Inch) von 0,68 kg/2,832 · 10&supmin;² m³ (1,5 lb/ft.³) Polystyrolschaumstoff einen Beitrag von näherungsweise 0,01655 K pro K-Differenz zwischen dem Styrofoam und dem Kalttarget bei 23 GHz, bzw. 0,02190 K pro K bei 31 GHz und 0,03836 K pro K bei 55 GHz. Diese Korrektur ist in Wellenlängen massstäblich mit der Schaumstoffdicke.
Eine geringfügige Korrektur wird auch für die Reflexion von der Unterseite des flüssigen Stickstoffes vorgenommen, die an dem Boden des Styrofoam-Behälters anliegt. Diese Korrektur ist von der Wellenlänge abhängig und beträgt 0,00724 K pro K. Diese Korrektur beträgt typischerweise etwa 1,5 K.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als eine Vorrichtung zur Profilermittlung von Wolken-Flüssigwasser/Dampf verwendet wird, wird der Empfänger im Simultanbetrieb sowohl in den U- als auch in den E-Wellenlängenbereichen betrieben. Der Radiometer-Empfänger kann aus zwei separaten Empfängern wie in Fig. 3 bestehen (sie werden unter der Kontrolle einer einzigen Prozessoreinheit 69 betrieben) von denen je einer in den jeweiligen Wellenlängenbereichen arbeitet, oder der Radiometer- Empfänger kann ein Einzelempfänger sein, der über beiden Wellenlängenbereichen abstimmen kann. Im Falle von Dualempfängern sind die Empfängerbauteile, der Betrieb und die Eichung wie die Bauteile, Betrieb und Eichung des vorstehend diskutierten Empfängers für die Ermittlung des Temperaturprofils.
Indem eine Reihe von Beobachtungen auf jeder Seite des Merkmals für Luftsauerstoff mit dem Zentrum bei 60 GHz von etwa 50 ... 60 bzw. etwa 60 ... 70 GHz vorgenommen wird, kann man den Wolken-Flüssigkeitsgehalt als eine Funktion der Höhe oberhalb der Antenne bestimmen.
Obwohl hierin die Resonanz von Sauerstoff der Atmosphäre bei 60 GHz diskutiert wurde, können andere Resonanzen der Atmosphäre genutzt werden, wie beispielsweise Resonanzen von Wasserdampf oder die Resonanz von Sauerstoff bei 118,75 GHz.
Die Ermittlung des Temperaturprofils der Atmosphäre kann durch Beobachtung von Frequenzen entweder auf der Seite der geringeren Frequenz zwischen 40 und 60 GHz vorgenommen werden oder auf der Seite der höheren Frequenz der Linie zwischen 60 und 80 GHz. In einem stationären Zustand emittiert die Wolkenflüssigkeit näherungsweise so wie sie absorbiert. Die Absorption von Flüssigwasser ist folgendermassen gegeben:
worin f die Frequenz der Beobachtung ist, Pliquid ist die Dichte der Wolkenflüssigkeit in g/m³ und &epsi;" ist der imaginäre Teil der Refraktivität für Wasser, und es gelten:
und
und
Die drei Dielektrizitätskonstanten lauten:
&epsi;&sub0; = 77.66 + 103.3(300 / T(K) - 1)
&epsi;&sub1; = 5.98
&epsi;&sub2; = 3.51
Die Relaxationsfrequenzen lauten:
fp = 20.09 - 142.4 (300 / T(K) - 1) + 294 (300 / T(K) - 1)²
fs = 590 - 1500(300 / T(K) - 1)
Flüssigwasser der Wolken emittiert im Mikrowellenbereich näherungsweise mit dem Quadrat der Frequenz und trägt daher ein stärkeres Signal bei Frequenzen auf der Seite der Sauerstoff-Linie der grösseren Frequenz bei als auf der Seite mit der geringeren Frequenz. Dieser asymmetrische Beitrag zu den Frequenzen über die Sauerstoff-Linie führt zu einer Verschiebung des Profils der Form der Sauerstoff-Linie relativ zu dem Profil, das bei Abwesenheit von Wolkenflüssigkeit beobachtet wird. Ausserdem ist die Atmosphäre in der Nähe des Zentrums der Sauerstoff-Linie eher undurchlässig und wird durchlässiger, wenn vom Synthesizer Frequenzen gewählt und beobachtet werden, die vom Linienzentrum weiter entfernt sind. Daher ist die Verschiebung in dem Signal an den gegenüberliegenden Seiten der 60 GHz-Linie in der Nähe des Linienzentrums, sagen wir bei 58 und 62 GHz, auf Wolkenflüssigkeit in der Nähe der Radiometerantenne zurückzuführen. Umgekehrt ist die Verzerrung im Signal an den gegenüberliegenden Seiten der Sauerstoff-Linie, die weiter von dem Linienzentrum entfernt sind, sagen wir 50 und 70 GHz, hauptsächlich auf Wolkenflüssigkeit bei grösseren Höhen zurückzuführen. Höheninformation über Wolkenflüssigkeit wird durch Abstimmen des Synthesizers und damit durch Abtasten vom Linienzentrum nach aussen zu den Linienflügeln bei höheren und niedrigeren Frequenzen erhalten. Gleichzeitig kann Information über das Temperaturprofil, korrigiert um den Beitrag der Wolkenflüssigkeit, erhalten werden.
Fig. 8 zeigt die Unterschiede in der Strahldichtetemperatur, die über die Wellenlängenbereiche der Profilermittlung der Flüssigkeit unter Verwendung einer vertikal ausgerichteten Antenne auf Meereshöhe zu beobachten sind. Diese zwei Fälle bieten das zusätzliche Signal, das oberhalb des Signals bei wolkenfreier Atmosphäre bei einer Wolke mit einem Gehalt von 0,2 Gramm pro Kubikmeter Flüssigwasser in einer Dicke von 250 m bei einer Höhe von 2 km oberhalb der Antenne und bei einer Höhe von 4 km oberhalb der Antenne erhalten werden würde. Die Verzerrung in der Flüssigkeitsverteilung ist offen sichtlich, was auch für die Abhängigkeit des Signals von der Höhe des flüssigen Wassers gilt.
Wie aus der vorstehenden Ausführung hervorgeht, sind ein verbessertes Radiometer zur Profilermittlung der Temperatur und ein Radiometer zur Profilermittlung von Wasserdampf offenbart worden, bei denen keine mehrfachen Oszillatoren eingesetzt werden, um das Profil zu erhalten, wodurch der Aufbau vereinfacht wird, das Radiometer sowohl leichter als auch weniger kostspielig wird und der Energiebedarf reduziert wird. Darüber hinaus wird im wesentlichen keine Einlaufzeit für den Empfängeroszillator benötigt.
Es gibt keine elektromechanischen oder "Dicke"-Schalter, die eingesetzt werden und zum Empfängerrauschen und damit zur Temperatur beitragen könnten und die Empfindlichkeit des Empfängers damit vermindern würden. Das Radiometer 11 hat insgesamt ein Gewicht von weniger als 35 kg und verbraucht maximal etwa 150 Watt (bei geringen Umgebungstemperaturen). Das Volumen und die Form sind etwa 5,664 · 10&supmin;² m³, 68,58 cm · 45,73 cm · 22,86 cm (2 ft.³, 27" · 18" · 9").

Claims

1. Apparat (13) zur Verwendung in einer Vorrichtung (11) zur passiven Fernmessung, die eine Antenneneinrichtung (16) zum Empfangen von Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre aufweist, wobei die Mikrowellenstrahlung Frequenzen enthält, die von Interesse sind, welcher Apparat (13) einen abstimmbaren Empfangsoszillator (77) und einen abwärtsumsetzenden Mischer (51) zum Messen einer Mikrowellenergie einschliesst, die von der Atmosphäre bei einer ausgewählten Frequenz der interessierenden Frequenzen abgestrahlt wird, wobei der Apparat ferner gekennzeichnet ist durch:

eine Einrichtung (73) für hochstabiles Frequenzsynthetisieren, einschliessend den abstimmbaren Empfangsoszillator (77) zur Bereitstellung einer Vielzahl von ausgewählten Frequenzausgängen; sowie

eine Einrichtung zum Abwärtsumsetzen (52), einschliessend den Mischer (51), zum Empfangen der Vielzahl von ausgewählten Frequenzausgängen von der Einrichtung für Frequenzsynthetisieren sowie der Strahlung von der Antenneneinrichtung, und ansprechend darauf, Bereitstellung von Ausgangssignalen, die kennzeichnend sind für Mikrowellenenergie, die von der Atmosphäre bei den interessierenden Frequenzen abgestrahlt wird und die ein Profil eines ausgewählten Merkmals der Atmosphäre darstellen.

2. Apparat nach Anspruch 1, wobei die empfangenen Frequenzen, die von Interesse sind, eine breite Liniengruppe für Luftsauerstoff in einem Wellenlängenbreich zwischen etwa 50 und 60 GHz sind und wobei die Einrichtung für Frequenzsynthetisieren über diesen Wellenlängenbereich abstimmbar ist, um dadurch die Ausgangssignale von der Einrichtung zum Abwärtsumsetzen bereitzustellen, die ein Profil der Atmosphärentemperatur darstellen.

3. Apparat nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl ausgewählter Frequenzausgänge beliebig ausgewählte aus etwa 16 Frequenzintervallen zwischen etwa 50 und 60 GHz sind.

4. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die empfangenen Frequenzen, die von Interesse sind, druckverbreiterte Wasserdampflinien in einem ausgewählten Wellenlängenbereich sind und wobei die Einrichtung für Frequenzsynthetisieren über diesen Wellenlängenbereich abstimmbar ist, um dadurch die Ausgangssignale von der Einrichtung zum Abwärtsumsetzen bereitzustellen, die ein Höhenprofil des Wasserdampfes der Atmosphäre darstellen.

5. Apparat nach Anspruch 4, wobei der Wellenlängenbereich der druckverbreiterten Wasserdampflinie im Bereich von etwa 16 ... 28 GHz liegt und wobei die empfangenen Frequenzen, die von Interesse sind, ausserdem eine Frequenz in einem Wellenlängenbreich von 30 ... 36 GHz einschliessen, welcher Apparat ferner eine Einrichtung zum Auflösen dieser Strahlung in dem Bereich von 30 ... 36 GHz (93/105) an der Einrichtung zum Abwärtsumsetzen aufweist, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, dass für den Flüssigkeitsgehalt der Atmosphäre kennzeichnend ist.

6. Apparat nach einem der vorgenannten Ansprüche 1, 2 oder 4, wobei der abstimmbare Empfangsoszillator der Einrichtung für Frequenzsynthetisieren mit einem Referenzoszillator (75) in Bezug gesetzt wird, der mit einer Einrichtung (79) zur Frequenzregelung für Ausgangsstabilität verbunden ist und die Auswahl der Vielzahl von Frequenzen regelt.

7. Apparat nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend Bedienungselemente (69/71) zum Bedienen der Vorrichtung, Speichern der Ausgangssignale und Kontrollieren des Abstimmens der Einrichtung für Frequenzsynthetisieren auf die jeweilige Gesamtheit der benutzerdefinierten Frequenzen.

8. Apparat nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend Einrichtungen (17/19/41/43) zum Charakterisieren von Gewinn und Offset der Vorrichtung zur passiven Fernmessung bei jeder Beobachtung, um die Genauigkeit der Ausgangssignale und damit des Profils zu erhöhen.

9. Apparat nach Anspruch 1, wobei das Merkmal der Atmosphäre die Atmosphärentemperatur ist und wobei die Einrichtung für Frequenzsynthetisieren über ausgewählte Intervalle zwischen 40 und 80 GHz abstimmbar ist.

10. Apparat nach Anspruch 1, wobei das Merkmal der Atmosphäre der Wasserdampfgehalt ist und wobei die Einrichtung für Frequenzsynthetisieren über ausgewählte Intervalle über etwa 6 GHz in einem Band abstimmbar ist, das auf die Frequenzen, die von Interesse sind, entsprechend einer ausgewählten, druckverbreiterten Wasserdampflinie ansprechbar ist.

11. Apparat nach Anspruch 1, wobei das Merkmal der Atmosphäre der Flüssigwassergehalt von Wolken ist und wobei die Einrichtung für Frequenzsynthetisieren über separaten Wellenlängenbereichen an der unteren und oberen Frequenzseite entweder einer ausgewählten Wasserdampf- oder Sauerstoff-Resonanzlinie abstimmbar ist.

12. Apparat nach Anspruch 11, wobei die ausgewählte Wasserdampf- oder Sauerstoff-Resonanzlinie eine Sauerstoff-Resonanz bei etwa 60 GHz ist und wobei die Einrichtung zur Erzeugung von Frequenzen zwischen etwa 40 und 60 GHz an der unteren Frequenzseite und zwischen etwa 60 und 80 GHz an der oberen Frequenzseite abstimmbar ist.

13. Apparat nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend eine Eicheinrichtung (111) zum Eichen der Vorrichtung zur passiven Fernmessung, wobei die Eicheinrichtung ein Kryotarget (115) einschliesst sowie eine Befestigungseinrichtung (113/117), um das Kryotarget abnehmbar über der Antenneneinrichtung zu positionieren.

14. Verfahren zur Profilermittlung eines ausgewählten Merkmals der Atmosphäre unter Einsatz einer Vorrichtung zur passiven Fernmessung unter Einbeziehung eines abstimmbaren Empfangsoszillators, welches Verfahren die Schritte umfasst:

Einlassen von Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre mit Frequenzen, die von Interesse sind, in einen Raum;

in Verbindung mit dem abstimmbaren Empfangsosziilator Synthetisieren einer Vielzahl von frequenzstabilisierten Signalen, die auf die Mikrowellenstrahlung der Atmosphäre bei den interessierenden Frequenzen ansprechen, und Einlassen der Signale in den Raum zum Abwärtsumsetzen der Strahlung von den interessierenden Frequenzen; sowie

dadurch Erzeugen von Ausgangssignalen, die für Mikrowellenenergie kennzeichnend sind, die von der Atmosphäre bei den interessierenden Frequenzen abgestrahlt werden, um ein Profil des Merkmals der Atmosphäre bereitzustellen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Merkmal der Atmosphäre die Temperatur der Atmosphäre ist, wobei die Frequenzen, die von Interesse sind, eine breitbandige Liniengruppe für Luftsauerstoff in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 40 und 80 GHz sind und wobei der Schritt des Synthetisierens einer Vielzahl von Signalen ein Abstimmen über diesen Wellenlängenbereich zum Abwärtsumsetzen der Strahlung bei den interessierenden Frequenzen einschliesst.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Merkmal der Atmosphäre der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre ist, wobei die Frequenzen, die von Interesse sind, eine druckverbreiterte Wasserdampflinie in einem ausgewählten Wellenlängenbereich ist und wobei der Schritt des Synthetisierens einer Vielzahl von Signalen ein Abstimmen über diesen Wellenlängenbereich zum Abwärtsumsetzen der Strahlung bei den interessierenden Frequenzen einschliesst.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Wellenlängenbereich der druckverbreiterten Wasserdampflinie im Bereich von etwa 16 ... 28 GHz liegt.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Merkmal der Atmosphäre auch der Flüssigkeitsgehalt der Atmosphäre ist und wobei die Frequenzen, die von Interesse sind, auch eine Frequenz im Bereich von etwa 30 ... 36 GHz einschliessen und wobei das Verfahren ferner den Schritt der Bereitstellung eines Signals zum Abwärtsumsetzen der Strahlung bei den interessierenden Frequenzen von 30 ... 36 GHz umfasst.

19. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 14 bis 18, ferner umfassend die Schritte von wiederholtem Einlassen von Strahlung, Synthetisieren von ansprechbaren Signalen und Erzeugen von Ausgangssignalen zur Gewährung fortlaufender Beobachtungen und Charakterisieren von fehlererzeugenden Aussenbedingungen bei der jeweiligen Beobachtung, um Fehler in den Ausgangssignalen und damit in dem Profil zu reduzieren.

20. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 14 bis 18, wobei der Schritt des Synthetisierens von Signalen die Eingabe einer vom Benutzer ausgewählten Gesamtheit von Frequenzen umfasst.

21. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Merkmal der Atmosphäre Flüssigwassergehalt von Wolken ist und wobei die interessierenden Frequenzen Gruppen in separaten Wellenlängenbereichen an den unteren und oberen Frequenzseiten entweder einer ausgewählten Wasserdampf- oder Sauerstoff-Resonanzlinie sind und wobei der Schritt des Synthetisierens einer Vielzahl von Signalen simultanes Abstimmen über die Wellenlängenbereiche zum Abwärtsumsetzen der Strahlung bei den interessierenden Frequenzen einschliesst.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die ausgewählte Wasserdampf- oder Sauerstoff-Resonanzlinie eine Sauerstoff-Resonanz bei 60 GHz ist, die untere Frequenzseite zwischen etwa 40 und 60 GHz liegt und die obere Frequenzseite zwischen 60 und 80 GHz liegt.