FI114662B - Menetelmä ja laitteisto vesipitoisuuden muutoksen ilmaisemiseksi - Google Patents

Description

114662

Menetelmä ja laitteisto vesipitoisuuden muutoksen ilmaisemiseksi -Förfarande och annläggning att detektera en förändring i vattenhalt

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto muutoksen ilmaisemiseksi vesipitoisuudessa, joka johtuu esimerkiksi vesihöyrystä ja/tai nestemäisestä vedestä.

Radiometri on herkkä vastaanotin pienten tehotasojen mittaukseen. Radiometri poikkeaa tavanomaisesta vastaanottimesta kahdella tavalla. Sen sisäänmenosignaali on vaihe-epäkoherenttia ja laajakaistaista eli kohinaluonteista; vastaanottimissa yleensä vaiheko-herenttia ja lähes monokromaattista. Toiseksi tavanomaiset vastaanottimet vaativat toimiakseen signaalin ja kohinan suhteeksi huomattavasti ykköstä suuremman arvon. Radiometrillä varsinaisen 'signaalin' teho on yleensä paljon pienempi kuin vastaanottimen oma kohinataso. Radiometri mittaa vastaanottolaitteiston systeemikohi-nalämpötilaa, joka muodostuu antennikohinalämpötilasta ja vastaanottimen kohinalämpötilasta. Antennin kohinalämpötila muodostuu kaavan 1.6 mukaan pääkeilan ja sivukeilojen kautta tulevasta kohina-tehosta .

Ilmakehän oleelliset aineet mikroaaltoalueen radiometrian kannalta , ovat happi ja vesihöyry. Pilvettömällä taivaalla ilmakehän happi ja vesihöyry emittoivat termistä kohinaa ja aiheuttavat ns. kirkkaan taivaan radiometrisen kirkkauslämpötilan Tsky. Maan pinnalta tarkas-teltuna ilmakehän kirkkauslämpötila kirkkaalla kelillä on sekä taa- * “’· juuden että korotuskulman funktio. Taajuusriippuvuus johtuu vesi-! .1 ja happimolekyylien resonoivasta absorbtio/emissiospektristä.

Spektriviivat ovat ilmanpaineen takia levinneet laajemmalle taajuusalueelle. Vesimolekyylin absorbtio/emissioresonanssin alin spektriviiva on n. 22 GHz:n taajuudella (kuva 6a). Kirkkaan taivaan ··, kirkkauslämpötilan korotuskulmariippuvuus on seurausta geometrias-» ta. Ilmakehän maan pinnalle muodostaman kerroksen läpäisypolun : .1 pituus zeniitin suunnassa on huomattavasti lyhyempi kuin lähellä horisonttia (kuva 6b). Ilmakehän radiometrinen kirkkauslämpötila on tiettyyn rajaan saakka riippuvainen radiometrin keilassa vaikutta- . van aineen määrästä, kirkkaan taivaan tapauksessa tarkastelusuunnan * i » ns. efektiivisen polun pituudesta. Kirkkaan taivaan kirkkauslämpötila zeniitin suunnassa on siis huomattavasti pienempi kuin lähellä horisonttia (kuva 6a).

114662 2

Vettä esiintyy ilmakehässä vesihöyrynä ja nestemäisenä sekä jäänä pilvissä ja sateissa. Ilmakehän vesipitoisuuden muutokset: ilman kosteus, pilvet ja sade ilmenevät mikroaaltoalueella taivaan kirkkauslämpötilan muutoksina.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen sovellusalueiden esimerkkeinä selostetaan ilmakehän ominaisuuksien havainnointia radiometrikeilaimella ja sateen ilmaisua sadeanturilla.

Ilmakehän ja maanpinnan ominaisuuksia on mitattu mikroaaltoalueen radiometreillä sekä satelliiteista (sää- ja kaukokartoitussatelliitit) että maanpinnalta käsin.

Ilmakehän maanpinnalta suoritettavia mikroaaltoalueen radiometri-mittauksia on hyödynnetty mm. meteorologisissa sovelluksissa, interferometrian ja sähkömagneettisten aaltojen etenemistutkimuk-siin liittyvissä mittauksissa, esim.: i) US-patentti 4873481 ii) Measurement of atmospheric water vapor with microwave ra-diometry; S.Elgered et al./Chalmers Univerity of Technology,

Sweden, iii) Radiometrimenetelmän hyväksikäyttö 20/30 GHz satelliittiyh-:\teyden etenemistutkimuksessa; T.Kokkila, diplomityö TKK 1988.

•\iv) Correction of satellite beacon propagation data using radiome- .ί-ter measurements; Stutzman, Haidara, Remaklus, IEEE Proceedings.- • i * ♦ .... Microwaves. Antennas. Propagation, Vol 141 No.l Feb 1994 . .v) Use of radiometers in atmospheric attenuation measurements Allnut, Pratt, Stutzman, Snider IEEE Proceedings.- Microwaves.An- I · * tennas. Propagation, Vol 141 No.5 Oct 1994.

Mittauslaitteena on em. viitteissä käytetty Dicke -tyyppisiä ra-diometrejä (i,ii,iii) ja kokonaistehoradiometriä (iv,v). Radiomet-*fjrit ovat olleet monikanavaisia tai ne ovat liitetty mittausjärjes-: : telmään, jossa on hyödynnetty radiometrimittauksia usealta taa-./.juusalueelta. Mittauksien tarkoituksena on ollut selvittää ilmake-\.!hän ominaisuuksia kirkkauslämpötilojen absoluuttiarvojen avulla.

'•/Kirkkauslämpötilojen absoluuttiarvojen mittaaminen edellyttää • · * · » · 114662 3 radiometrin vahvistuksen stabilointia, mittaustuloksen kalibrointia, antennin sivukeilaominaisuuksien ja ympäristön säteilyominaisuuksien tarkkaa tuntemista. Radiometrin vahvistuksen stabilointi perustuu rakenneperiaatteeseen (Dicke) tai säännölliseen vertailu-kuormamittaukseen (kokonaistehoradiometri). Mittaustulosten kalibrointi voidaan suorittaa tunnettujen kuuma/kylmä -kirkkauslämpöti-lan antavien kohteiden tai keinokuormien avulla, esimerkiksi asettamalla radiometrin antennin syötön eteen vuoroin sovitetut ympäristön lämpötilassa oleva absorptioainekappale ja esim. nestemäisellä typellä jäähdytetty absorbtioainekappale. Antennin sivu-keilaominaisuuksia voidaan arvioida mittaamalla antennin keilaku-vio käytettävillä taajuuksilla. Ympäristön säteilyominaisuuksia voidaan arvioida maanpinnan säteilyominaisuuksien tunnettujen ominaisuuksien avulla. Edellä olevan perusteella ja mainituissa viitteissä esitetty ilmakehän kirkkauslämpötilojen absoluuttiarvojen selvittäminen vaatii monimutkaisten laitteistojen, 'tieteellisten instrumenttien' käyttöä sekä hankalia ja kalliita mittausjärjestelyjä.

Ilmakehän sääilmiöitä voidaan havainnoida myös tutkan avulla.

Tutkan lähettämä teho siroaa vesipisaroista paljastaen näin mahdolliset vettä sisältävät kohteet. Tutkan käyttö edellyttää lähe-: %tin/vastaanotin -laitteistoa. Maanpinnan kaarevuus aiheuttaa ·’·,katvealueen, joka rajoittaa tutkan toiminta-aluetta.

« * * * IM»

Sateen ilmaisemiseksi nykyisin käytössä olevat sadeanturit perus- , .tuvat sateen (vesipisaroiden tai lumihiutaleiden) aiheuttamaan « * ‘;’.änturikomponentin jonkin sähköisen ominaisuuden, esimerkiksi » » * kapasitanssin tai läpilyöntijännitteen muutoksen havaitsemiseen. Toimintaperiaatteensa vuoksi ne ovat mekaaniselta rakenteeltaan avoimia ja siksi herkkiä likaantumisen aiheuttamille toimintahäiriöille ja vaativat säännöllistä huoltoa.

• » * i * » t I » : “Eräs sadeantureiden sovellusalue on automaattinen ohjaus, esimer-,/.leiksi satelliittimaa-asemien antennien heijastimien lämmitysjär- t /jestelmissä. Maa-asemien antennien pinnalle kerääntyvä märkä lumi ;yaimentaa signaalia ja kääntää antennin keilaa pois satelliitin • · » · » * 114662 4 suunnasta heikentäen näin antennin ominaisuuksia. Sadeanturit toimivat yhdessä ulkolämpötila-anturin kanssa, ohjaten heijastimen lämmityksen toimimaan sateella lämpötila-alueella n. -5°-+5°C. Korkeammilla lämpötiloilla heijastimen lumi sulaa itseks.een ja matalammilla on vaarana sulatetun lumen jäätyminen antennin rakenteisiin. Lisäksi pakkaslumen vaikutus antennin ominaisuuksiin on huomattavasti pienempi kuin märän lumen.

Edellä mainittujen mekaanisesta rakenteesta aiheutuvien haittojen lisäksi nykyisillä sadeantureilla on satelliittimaa-asemien antennien lämmitysjärjestelmän ohjauksessa puutteena se, että tietyissä oloissa ne eivät havaitse antennin pinnalle kerääntyneen lumen aiheuttamaa haittaa. Pakkaslumen (esim. -10°C) sataminen ja kertyminen heijastimen pinnalle ei aiheuta lämmitysjärjestelmän ohjausta päälle. Kertyneen pakkaslumen lämpeneminen myöhemmin ilman lämmetessä tai auringon lämmittäessä heijastimen pintaa aiheuttaa lumen nestemäisen veden pitoisuuden lisääntymistä. Kerääntyneen pakkaslumen sulaminen antennin pinnalle saattaa aiheuttaa antennin kautta kulkevan tietoliikenteen pitkäaikaisia katkoksia tai laadun heikennyksiä useita vuorokausia sateen jälkeen.

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteistolla voidaan havaita · vesipitoisuuden muutoksia yksinkertaisen mikroaaltoalueen koko-·· naistehoradiometrin avulla, jonka keskitaajuus on huomattavasti ·[ vesimolekyylin alimman absorbtioresonanssitaajuuden (22,3 GHz) ,·. alapuolella. Keksinnön avulla voidaan esimerkiksi havainnoida .. pilvien ja sadesolujen esiintymistä ilmakehässä ja saada tietoa niiden ominaisuuksista uudella tavalla.

Menetelmä, laitteistot ja esitettävät sovellukset perustuvat antennin kohinalämpötilojen suhteellisten ja/tai differentiaalis-: ten mittaustulosten hyödyntämiseen. Mittausjärjestelyllä luodaan olosuhteet, joissa havainnoitava ilmiö aiheuttaa radiometrin .··,·. näkemän kirkkauslämpötilan muutoksen. Radiometrin antennin keila ... suunnataan peruskirkkauslämpötilatason antavaan suuntaan, esimer-kiksi radiometrisesti 'kylmälle' taivaalle. Veden ilmestyminen antennin keilaan aiheuttaa radiometrin näkemän kirkkauslämpötilan 114662 5 muutoksen. Antennin keila voidaan suunnata perustason antavaan suuntaan suoraan tai johtavan pinnan kautta. Perustason antavana kohteena voi olla myös esimerkiksi jäähdytetty absorbtioaine tai radiometrisesti kuuma kappale.

Keksinnöllä saadaan aikaan uusi ratkaisu, jossa vältetään edellä selostetuissa ilmakehän havainnointimenetelmissä ja sadeantureissa esiintyviä haittoja. Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimusten tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiset laitteet seuraavat radiometrin antennin ko-hinalämpötilan muutoksia. Antennin sivukeilaominaisuuksia tai ympäristön kohinasäteilyominaisuuksia ei tarvitse tuntea, koska mittaustulosten saamiseksi niitä ei tarvita. Mittausperiaate on suhteellinen ja/tai differentiaalinen, jonka vertailutason muodostaa osa mittaustuloksista. Vertailutaso kelluu eli mukautuu ympäristön kohinasäteilyominaisuuksissa tapahtuviin hitaisiin muutoksiin. Käytettävällä taajuusalueella vesi aiheuttaa ilmakehän kirkkauslämpötilassa havaittavan muutoksen mutta ei merkittävää haittaa kerääntyessään laitteiston rakenteisiin.

*. 1: Erillisiä vertailukuormia stabilointireferenssinä tai absoluut-• tiarvojen kalibrointiin ei käytetä. Näin vältetään Dicke -tyyppis-/1’ ten radiometrien monimutkainen ja kallis rakenne sekä kokonaiste-*: ·1: horadiometrien hankala periodinen stabilointi ja molempien ra-diometrityyppien absoluuttiarvokalibrointi.

Menetelmässä käytetty yksinkertainen radiometri voidaan koota pääosin yleisesti käytössä olevista komponenteista. Laitteen parametrit on valittu siten, että saavutetaan suuri radiometrinen herkkyys (pienin ilmaistavissa oleva kohinalämpötilaero) ja suuri : dynamiikka veden ilmaisemiseen soveltuvalla taajuusalueella.

Keksinnön mukaisen menetelmän avulla on mahdollista saada tietoa ilmakehän, pilvien ja sadesolujen ominaisuuksista uudella tavalla.

· Keksinnön yhden toteutusmuodon mukaan keksinnön ratkaisua voidaan käyttää satelliittimaa-asemilla, niin että antennien heijastimen 6 1 1 4662 lämmitysjärjestelmän ohjaus paranee, niin että myös satelliittiyhteyden laatu paranee.

Keksintöä selitetään viitaten oheiseen piirustukseen, jo_ssa

Kuva 1 esittää periaatekaaviona kirkkaan taivaan ja maanpinnan kirkkauslämpötilaa sekä antennin kohinalämpötilaa elevaation funktiona huomattavasti alle 22 GHz:n taajuudella, Kuva 2a esittää kokonaistehoradiometrin periaatteen lohkokaaviona,

Kuva 2b esittää Dicke-radiometrin periaatteen lohkokaaviona,

Kuva 3a esittää radiometrikeilainsovelluksen laitteistoa,

Kuva 3b esittää radiometrikeilaimen toimintaperiaatetta,

Kuva 3c esittää radiometrikeilaimen toiminnallista lohkokaaviota, Kuva 4 esittää radiometrikeilaimen tasokuvatulostusta,

Kuva 5a esittää radiometrikeilainverkon periaatetta,

Kuva 5b esittää radiometrikeilainverkon yhdistetyn tulostuksen periaatetta,

Kuva 6a esittää kirkkaan taivaan kirkkauslämpötilaa taajuuden funktiona eri elevaatiokulmilla,

Kuva 6b esittää ilmakehän läpäisypolun pituutta zeniitissä ja lähellä horisonttia, • '·· Kuva 7 esittää satelliittimaa-aseman lämmitysjärjestelmän lu- j· mi/sadeanturiovellusta.

114662 7 kaimmat sivukeilat ja pääkeila suuntautuvat maahan. Jos pääkeilan suunnassa on pilvi tai sadesolu, nousee antennikohinalämpötila verrattuna kirkkaan taivaan aiheuttamaan antennikohinalämpötilaan ko. elevaatiolla. Kuvassa 1 käyrä T(ClearSky) kuvaa kirkkaan, taivaan kirkkauslämpötilaa elevaatiokulman suhteen. kuvaa antennin ko-hinalämpötilaa. kuvaa kohinalämpötilaa, kun taivas on kirkas. T>n».<r1„„rikuvaa antennin kohinalämpötilaa, kun radiometri vastaanottaa termistä kohinaa pilvestä tai sadesolusta. Vertailu-tasona on katkoviivalla esitetty käyräosuus, joka kuvaa kirkkaan taivaan aiheuttamaa antennin kohinalämpötilaa. T(Earth) kuvaa maan kirkkauslämpötilaa.

Kokonaistehoradiometrin periaatteellinen lohkokaavio on kuvassa 2a. Antennin 1 kautta tuleva kohinateho RF rajoitetaan kaista-suodattimessa 2 ja viedään vahvistimen 3 kautta ilmaisimelle 4. Olennaisesti sama kokonaistehoradiometritoiminta saadaan vaihtoehtoisesti myös ns. superheterodyne -periaatteella. Siinä etuvahvis-timen 3 ulostulo viedään sekoittimelle 3a, jonka ulostulosta kaistasuodatetaan 3b:llä välitaajuinen signaali joka edelleen vahvistetaan välitaajuusvahvistimessa 3c ja viedään ilmaisimelle

4. Välitaajuus muodostuu RF -taajuuden ja paikallisoskillaattorin . .3d taajuuden erotuksesta. Ilmaisimen jälkeen saatu signaali ali-‘päästösuodatetaan 5:ssa. Ulostulosta saadaan ilmaisimelle tulevaan ‘ ’kohinatehoon verrannollinen jännite Vout, joka sisältää tasajännite- ·.: komponentin ja vaihtojännitekomponentin VAC

!.:‘ivout = + vAC (l.i)

Ideaalisessa tapauksessa radiometrin herkkyys, pienin ilmaistavissa oleva kohinalämpötilaero ΔΤ on suoraan verrannollinen sys-teemikohinalämpötilaan Tsxs ja kääntäen verrannollinen radiometrin kaistanleveyden B ja alipäästösuodattimen integrointiajän τ ne-liöjuureen: ΔΤ - TSYS · t/BT (1.2) ... Systeemikohinalämpötila muodostuu antennikohinasta TA eli ja 114662 8 radiometrivastaanottimen kohinasta TR.

Tsys = TA + TR (1.3) Käytännön radiometrivastaanottimissa esiintyvä vahvistuksen vaihtelu AGS heikentää radiometrin herkkyyttä: ΔΤ = Tsys Vl/Bt + (AGe/Ge)2' (1.4) jossa Gs on radiometrin kokonaisvahvistus.

Kokonaistehoradiometrin herkkyys määräytyy kaavan 1.4 mukaan. Dicke-radiometreissä (kuva 2b) vahvistuksen vaihtelusta aiheutuva herkkyyden heikentyminen pyritään estämään kalibroimalla radiomet-ri kytkimen 10 avulla tunnetun kohinalämpötilan aiheuttavaan ver-tailukuormaan 11. Kytkimen 10 ja vaiheilmaisimen 7 toimintaa ohjataan oskillaattorilla 9, jonka taajuus on tyypillisesti luokkaa satoja hertsejä.

Dicke-radiometrillä voidaan saavuttaa herkkyys (pienin mitattavissa oleva kohinalämpötilaero): . · _1_ δτ - 2 tsys · rsr (i.5) ·;· eli kaksi kertaa huonompi kuin ideaalisen kokonaistehoradiometrin tapauksessa.

·.·_ Mikroaaltoalueen radiometri on usein varustettu joko torvi- tai heijastinantennilla. Radiometrin antenniin ympäristöstä näkyvä (näennäinen) radiometrinen kirkkauslämpötila on suunnasta riippuva TM(θ,φ). Radiometrin antennin kohinalämpötila TA muodostuu kirkkauslämpötilasta Τ^ίθ/φ) painotettuna antennin keilakuviolla I.: : ΡΝ(θ,φ).

JJ ΤΑί(β,φ)ΡΝ(β,φ)00 TA = __ (1.6) ···; // Ρκ(0,φ)0Π * · 4w 114662 9

Keksinnön mukaisen menetelmän ja siihen sovelletun kokonaistehora-diometrin yksi sovellus on radiometrikeilain (kuva 3a). Se koostuu antennista 1, radiometrivastaanottimesta 12, antennin elevaatio-kääntölaitteistosta 13, elevaatiokulma-anturista 14, antennin atsimuuttikääntölaitteistosta 15, atsimuuttikulma-anturista 16, kaapeloinnista 17 ja tietojenkäsittely/prosessointi/näyttöyksiköstä 18 näyttöineen. Keilaimen antenni voidaan sijoittaa radomin 19 sisään. Radiometrikeilain havainnoi ilmakehää maan pinnalta (ground based radiometer), ja sijoitetaan niin että näkyvyys horisonttiin on mahdollisimman esteetön.

Keilaimen (kuva 3b) antennia 1 käännetään elevaatio- ja azimuutti-kulmissa siten, että pääkeila K pyyhkäisee elevaatiokulmaa horisontin H alapuolelta kohti zeniittiä Z. Polku on kuvattu piste-viivoilla. Elevaatiopyyhkäisyn päätyttyä käännetään atsimuuttikul-maa ja aloitetaan uusi elevaatiopyyhkäisy. Näin käydään koko tutkittava elevaatio-atsimuuttikulma-alue läpi. Yhtenäiset käyrät 20 esittävät saman kirkkauslämpötilan käyriä. Pilvessä P ja sateessa S käyrät osoittavat niiden suuremmat kirkkauslämpötilat muun ympäristön suhteen.

Kuvassa 3c on radiometrikeilaimen toiminnallinen lohkokaavio. Radiometrivastaanotin 12 saa vastaanotetun kohinatehon antennilta t 1. Vastaanottimen ulostulo on kytketty tietojenkäsittely/proses-·· sointi/näyttöyksikköön 18, joka myös ohjaa atsimuuttikääntölait- teistoa 15 ja elevaatiokääntölaitteistoa 13 antenniohjausyksikön 30 ·, kautta. Tietojenkäsittely/prosessointi/näyttöyksikkö 18 saa antennin asentotiedon atsimuuttikulma-anturilta 16 ja elevaa- * tiokulma-anturilta 14 antenniohjausyksikön kautta.

114662 ίο

TA(Az,El,t) = TSYS(Az,El,t) — TR

Jos taivas on kirkas elevaatiopyyhkäisyn alueella, muuttuu ra-diometrin antennin kohinalämpötila elevaatiokulman funktiona zeniitistä lähtien pienemmästä suurempaan TA clearSky(El). Kun antennin pääkeila on horisontin alapuolella, on antennin kirkkauslämpötila lähellä maanpinnan fysikaalista lämpötilaa TA Ground· Se, minkä suuruinen kirkkaan taivaan aiheuttama antennikohinalämpötila on zeniitissä TA ZeDith ja kuinka suureksi se nousee lähestyttäessä horisonttia riippuu radiometrivastaanottimen keskitaajuudesta ja antennin sivukeilaominaisuuksista. Antennikohinalämpötila muodostuu ympäristön ja antennin ominaisuuksien yhteisvaikutuksesta (kaava 1.6). Maanpinnalta ilmakehää tarkastelevan radiometrin antennin kohinalämpötila kirkkaan taivaan olosuhteissa on ho-risonttitason ja maanpinnan säteilyominaisuuksien vaihteluista johtuen riippuvainen antennin elevaatiokulman lisäksi atsimuutti-kulman suhteen.

Kirkkaan taivaan olosuhteissa saatava antennikohinalämpötilakuvaa-ja ta ciearsky(Az,El) muodostaa keilaimen tulosanalyysin perusrefe-renssin.

‘ ' Jos elevaatiopyyhkäisyn aikana antennin keilaan osuu vettä sisäl-• tävä kohde esim. pilvi tai sadesolu, nousee radiometrin antennin kohinalämpötila TA(Az,El,t) verrattuna siihen, mitä se on samalla ··: atsimuutti- ja elevaatioarvolla keilan osuessa kirkkaan taivaan ,'· alueeseen. Antennin kohinalämpötila nousee sitä enemmän, mitä . enemmän vettä osuu pääkeilan alueelle sen lävistäessä ilmakehän.

Tulokset voidaan esittää esimerkiksi tasokuvana (kuva 4) käyttämällä kirkkaan taivaan pyyhkäisyn antennikohinalämpötilakäyrää TACiearsky(Az,El) vertailutasona ja tulostamalla tutkittavalta alueelta ajan funktiona radiometrin antennin näkemän kohinalämpötilaero-tuksen TA Diff (Az,El,t) TA Dif£(Az,El,t) = TA(Az,El,t) — TA clearSky(Az,El) 114662 11

Saatavasta ajan mukana muuttuvasta tasokuvasta voidaan nähdä kirkkaan taivaan olosuhteista poikkeavia antennikohinalämpötiloja joita aiheuttaa mikroaaltoalueella 10..30 GHz lähinnä vesi. Poikkeamat siis esittävät joko sadetta S tai pilveä P eli sään muutoksia kirkkaan taivaan suhteen. Aurinko on voimakas kohinalähde joka näkyy radiometrin antennikohinalämpötilassa selvästi vielä yli kymmenen asteen keilanleveyksillä. Auringon esiintyminen ajan ja paikan suhteen on kuitenkin ennustettavissa ja se voidaan niin haluttaessa poistaa tulostuksesta.

Jos antennin pääkeilan leveys on asteen luokkaa tai enemmän, aiheuttavat kuu, aurinkokunnan planeetat, radiogalaksit ja muut avaruuden radiolähteet merkityksettömän muutoksen antennin ko-hinalämpötilaan. Kosminen taustakohina on suunnasta riippumaton eikä näin vaikuta suhteellisiin arvoihin; se sisältyy perusrefe-renssiin.

Radiometrin käyttämällä taajuudella ja näköyhteydellä olevat voimakkaat radiolähettimet tulevat esiin pistemäisinä kohinaläh-teinä. Jos niiden aiheuttajan paikka on tunnettu, voidaan ne poistaa tulostuksesta.

Ulkolämpötilan mittauksella voidaan maan pinnan aiheuttama kirk-kauslämpötila tuntea tarkemmin ja 'kalibroida' mittaustulokset ja kirkkaan taivaan oloissa saatu vertailutaso absoluuttiasteikkoon. Suurilla elevaatioilla (> 30°C) sadesolujen sademäärää (mm/h) voidaan arvioida niistä tunnettujen ominaisuuksien ja em. kalib-'·rointitiedon avulla. Sateissa on tunnettua niiden efektiivisen : : "polun pituus elevaation funktiona eri sadevoimakkuuksilla. Kun .•'.tunnetaan sadesolusta sen aiheuttama kirkkauslämpötila ja mittauksen elevaatiokulma, voidaan ko. sadesolun sadevoimakkuudelle laskea arvio.

. Radiometrikeilaimia voidaan yhdistää toiminnalliseksi verkoksi (kuva 5a). Kun keilaimien sijainnit toisiinsa nähden tunnetaan, '·* voidaan koottujen antennikohinalämpötilatietojen avulla avaruudel-'·’ lisesti rajata ilmakehän kirkkauslämpötilan muutoksia aiheuttavat kohteet. Tulostettavan kuvan (kuva 5b) avulla voidaan pilvien ja ./sadesolujen sijaintia, muotoa, rakennetta ja liikettä tarkastella 114662 12 yksityiskohtaisemmin kuin yhden keilaimen avulla.

Seuraavassa esitetään radiometrikeilaimen parametrien, nimittäin antennin kohinalämpötilan, keskitaajuuden, kaistanleveyden, integ-rointiajan ja herkkyyden sovitus esimerkkien avulla. Radiomet-rivastaanottimen herkkyyden tulee olla riittävän hyvä heikkojen kohteiden havaitsemiseksi, esim. ohuen pilven erottamiseksi lyhyellä efektiivisellä polulla, zeniitin suunnassa.

Pilvi, jonka radiometrin keila läpäisee 1 km:n pituudelta (efektiivisen polun pituus) ja sisältää vettä 1 g/m3, aiheuttaa n. 0,7 K:n kirkkauslämpötilan muutoksen 12 GHz:n taajuudella sen osuessa radiometrin antennin keilaan. Jotta em. pilvi aiheuttaisi mitattavan muutoksen radiometrin systeemikohinalämpötilaan, tulee radiometrin herkkyyden olla 0,2 K tai parempi. Esimerkiksi radiometrin parametreillä: kaistanleveys 500 MHz, integrointiaika 4 ms, vahvistuksen vaihtelu 5xl0'4 ja systeemikohinalämpötila 200 K, saadaan herkkyydeksi 0,17 K.

Antennin kohinalämpötila kirkkaalla kelillä tulee olla pienilläkin elevaatiokulmilla huomattavasti alle ilmakehän veden fysikaalisen . lämpötilan (n. 290 K), jotta keilaimen kantama tulisi suureksi. Antennin kohinalämpötila riippuu elevaatiokulmasta, radiometrin taajuudesta ja antennin sivukeilaominaisuuksista. Vesimolekyylin absorbtioresonanssispektrin huipun taajuudella (22.3 GHz) 0°-ele-vaatiokulmalla (kuva 6a) kirkkaan taivaan kirkkauslämpötila on 290 K absoluuttisella kosteudella 7.5 g/m3. Koska pilvien ja sadesolu-jen aiheuttamat kirkkauslämpötilat ovat maksimissaan lähellä sateen fysikaalista lämpötilaa (n. 290 K) ei 22 GHz:n taajuudella 0°-elevaatiolla voida havaita sateen aiheuttamaa muutosta taivaan kirkkauslämpötilaan.

,·. Sadesolu, jonka halkaisija (efektiivisen polun pituus) on 3 km ja ;· sademäärä 25 mm/h aiheuttaa 10 GHz:n taajuudella n. 100 K:n ja 15 . GHz:llä n. 190 K lisäyksen taivaan kirkkaan taivaan kirkkauslämpö-: tilaan. Tämän havaitseminen horisontista koko dynamiikallaan : . edellyttää taivaan kirkkauslämpötilaa alle 190 K (10 GHz) tai •V alle 100 K (15 GHz).

114662 13

Horisontissa kirkkaan taivaan kirkkauslämpötila 10 GHz:llä on n.

130 K (< 190 K) ja 15 GHzsllä n. 200 K (> 100 K). Iteroimalla saadaan 100 K:n dynamiikkavaatimuksella horisontissa keilaimen ylärajataajuudeksi n. 12.5 GHz.

Maan pinnan kaarevuudesta johtuen kaukana olevat matalat kohteet jäävät horisontin taakse: sadan kilometrin etäisyydeltä horisontin tasossa näkyvät kohteet ovat n. 800 m maan pinnan yläpuolella.

Koska vettä sisältävät pilvet ja sateet esiintyvät 0...4 km korkeudessa, jää osa kohteista horisontin taakse yli 100 km:n etäisyyksillä. Sadan kilometrin päässä olevan 4 km korkea sadesolu näkyy 0° - 1.8° elevaatiolla.

Yhden asteen elevaatiolla taivaan kirkkauslämpötila on useita kymmeniä kelvinejä pienempi kuin horisontissa. Toisaalta sivukei-laominaisuuksien takia antennin kohinalämpötila on useita kymmeniä kelvinejä suurempi kuin taivaan kirkkauslämpötila samalla elevaatiolla edellyttäen että antennin pääkeila on kokonaan horisontin yläpuolella. Dynamiikkavaatimusten kannalta edellä selostetut seikat kumoavat toisensa. Ilman absoluuttisen kosteuden vaihtelu 'normaalista' 7.5 g/m3 voi muuttaa taivaan kirkkauslämpötilaa horisontissa useita kymmeniä kelvinejä. Tämä näkyy dynamiikka-alueen vaihteluna.

’ Edellä olevan tarkastelun perusteella saadaan radiometrikeilaimen ' taajuuden ylärajaksi 100 km:n kantamalla 12.5 GHz. Radiometrin .[•'taajuuden tulee sijaita sellaisella alueella, että saadaan mahdol-''•lisimman suuri muutosalue (dynamiikka) ilmakehän veden määrän .•"•muutosten takia. Siirryttäessä keilaimen ylärajataajuudesta pie-V nemmille taajuuksille, rajoittaa dynamiikka-aluetta radiometrin herkkyyden suhde heikkojen kohteiden aiheuttamaan pieneen taivaan kirkkauslämpötilan lisäykseen. Siksi radiometrikeilaimen käyttämä taajuuskaista tulee olla lähellä ylärajataajuutta, välillä 11-12.5 . . GHz.

*’ Radiometrin integrointiaika tulee olla pieni jotta keilaimen ;’·" kulmanopeus olisi riittävän suuri reaaliaikaisen, dynaamisen :"‘_kirkkauslämpötilakuvan muodostamiseksi. Jos edellytetään keilaimen ./tulostavan taivaankannen alueen tilanteen neljä kertaa tunnissa 114662 14 'reaaliaikaisen' kuvan saamiseksi, tulee elevaatiopyyhkäisyn nopeuden olla n.20°..50° sekunnissa kahden asteen keilanleveydellä, riippuen atsimuuttisiirtymästä elevaatiopyyhkäisyjen välillä.

50° sekunnissa nopeudella keila siirtyy kaksi astetta 40,ms:ssa.

Jos keilan leveys on myös 2° luokkaa, tulee integrointiajän olla huomattavasti pienempi kuin siirtymäaika luokkaa n. 4 ms.

Antennin keilan leveys tulee olla mahdollisimman pieni, jotta saavutetaan erottelutarkkuutta ja pieni minimielevaatiokulma.

Antennin keilan leveys on kääntäen verrannollinen antennin halkaisijaan. Mitä suurempi antenni, sitä kapeampi keila, parempi resoluutio ja pienempi minimielevaatiokulma (ennen pääkeilan osumista maahan). Toisaalta, jos halutaan suorittaa taivaankannen kartoitus kapeakeilaisella antennilla samassa ajassa kuin le-veäkeilaisella, joudutaan kulmanopeutta kasvattamaan. Kulmanopeuden kasvu johtaa integrointiajän pienenemiseen joka aiheuttaa radiometrin herkkyyden heikentymisen.

Jotta saavutetaan ilmakehän pilvien ja sadesolujen muutoksiin sekä keilaimen kantamaan nähden nopea kuvan päivitys heikkojen kohteiden havaitsemiseen riittävällä herkkyydellä, saadaan antennin keilanleveyden minimiraja-arvoksi n. 2°, joka vastaa 12 GHz:n taajuudella 1 m:n antennin halkaisijaa.

’· Sadan kilometrin päässä olevan 3 km:n halkaisijäisen sadesolun i havaitseminen täydellä dynamiikalla edellyttää antennin keilan ·' täyttymistä ko. kohteella. Tämä toteutuu 12 GHz:n taajuudella n. 1 m:n halkaisijäisen antennin avulla.

Radiometrin käyttämä taajuusalue tulee olla vapaa voimakkaista radiolähetteistä. 11.00-12.75 GHz taajuusalue on yleensä varattu geostationääristen satelliittien alaslinkin käyttöön. Nämä signaalit ovat teholtaan heikkoja ja lähetteiden sijainnit tunnistetta-vissa.

Keksinnön mukaisella laitteella ja menetelmällä (radiometrikei-,·*· lain) voidaan esim. havainnoida paikallista 'säätilaa'; pilvien ja • sadesolujen esiintymistä, niiden liikettä ja muutoksia. Useammasta 114662 15 keilaimesta muodostetun verkon avulla saadaan pilvet ja sadesolut paikannettua ja niiden muoto tarkemmin selvitettyä. Ko. lähes reaaliaikaista paikallisesti tarkkaa säätilaan liittyvää tietoa voidaan käyttää yleisen sääinformaation lisäksi hyväksi esim. maataloudessa, hydrologiassa, saastelaskeumien paikannuksessa, liikenteessä (lento-, tie-, meri-) ja sähkömagneettisen tiedonsiirron vaimennusennusteissa (linkit ja satelliitit).

Keksinnön mukaisen menetelmän ja siihen sovelletun kokonaistehora-diometrin eräs sovellus on sadeanturi. Esimerkkinä anturin toiminnasta on satelliittimaa-aseman antennin 41 lämmitysjärjestelmän 40 ohjaus (kuva 7).

Torviantennilla varustettu radiometri 12 sijoitetaan siten, että radiometrin antennin keila heijastuu maa-aseman antennin 41 heijastimesta 42 taivaalle. Kirkkaan taivaan olosuhteissa radiometrin antennin kohinalämpötila on Ttot(ClearSky).

Jos radiometrin antennin keilaan taivaalla osuu pilvi P tai sa-desolu S tai jos antennin pinnalle on kerääntynyt märkää lunta L, aiheuttavat ne radiometrin antennikohinalämpötilan nousun Ti„f|„in) kirkkaan taivaan olosuhteeseen nähden. Kun erotus ^Ant(Diff) ^Ant(Rain) — ^Ant(ClearSky) * '.‘’ylittää asetetun kynnysarvon , ohjataan lämmitysjärjestel minä toimintaan. Menetelmä on satelliittimaa-aseman toiminnan kan-V naita suora mittaus sateen ja antennin pinnalle kerääntyneen lumen aiheuttamasta vastaanotetun signaalin kohinatason noususta ja antennin vastaanotto- ja lähetysominaisuuksien heikentymisestä. Radiometrin keilanleveys on tässä sovelluksessa luokkaa kymmenen , .tai kymmeniä asteita. Kiinteän suuntauksen ja havainnoitavan > i ; j ilmiön hitaan muutosnopeuden ansiosta integrointiaika voi olla ·' useita sekunteja. Jotta laite olisi epäherkkä likaantumisen ja ;”·* anturin pinnalle kertyvän kosteuden suhteen, tulee sen taajuuden ’olla pieni. Toisaalta riittävän herkkyyden saamiseksi veden ha- /.vaitsemiseen tulee taajuuden ja käytettävissä kaistan olla suuri.

» · 16 114662

Edellä mainituista ehdoista seuraa toiminnan taajuusalueen rajoiksi 10 - 13 GHz.

Keksinnön mukaista anturia voidaan käyttää myös siten, että ra-diometrin pääkeila näkee vertailutason antaman kohteen suoraan tai johtavan pinnan kautta. Radiometrin keilan alueelle siirtyvä tai kerääntyvä vesipitoinen aine tai kappale aiheuttaa radiometrin antennin kohinalämpötilan muutoksen.

t * » « * · * * * > * - > ' * · * · ‘ » · > · » » · I > · I » * « f f » I .

Claims (10)

114662

1. Menetelmä vesipitoisuuden muutoksen ilmaisemiseksi, jossa menetelmässä seurataan kohinalämpötilan muutoksia, tunnettu siitä, että vastaanotetaan jatkuvatoimisesti vastaanottimella mikroaal-toalueen sähkömagneettista säteilyä keskitaajuudeltaan huomattavasti vesimolekyylin alimman absorbtioresonanssin (n. 22 GHz) alapuolella, asetetaan ainakin yksi vastaanotettu kohinalämpötila-arvo vertailutasoksi ja verrataan kohinalämpötilan muutoksia ver-tailutasoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vastaanotetun sähkömagneettisen säteilyn vasteina mainitulla keskitaajuudella muodostetaan ulostulosignaalit, jotka edustavat vastaanottimen antennin kohinalämpötila-arvoa sillä elevaatio- ja atsimuuttikulmalla.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vastaanottimen antennin pääakselin suuntaisella oletetulla säteellä pyyhkäistään eri elevaatio- ja atsimuuttikulmilla, muutetaan vertailutasoa kirkkaan taivaan olosuhteissa saatavan antennin * ! kohinalämpötilan muutoksen mukaan antennin liikkuessa.

. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että : tietojenkäsittely/prosessointi/näyttöyksikkö (18) ohjaa antennin- ohjausyksikön (30) kautta vastaanottimen (12) antennin (1) atsi-muuttikääntölaitteistoa (15) ja elevaatiokääntölaitteistoa (13) ja i saa antenniohjausyksikön (30) kautta antennin (1) asentotiedon atsimuuttikulma-anturilta (16) ja elevaatiokulma-anturilta (14) ja vastaanotin (12) on yhteydessä antenniin ja myös tietojenkäsitte-,,· ly/prosessointi/näyttöyksikköön (18). v:

5. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel- mä, tunnettu siitä, että muodostetaan vastaanottimesta ja suunnat-\ tavasta antennista radiometrikeilain (1, 12) käytettäväksi sellai-' ‘ sen radiometrikeilainverkon muodostamisessa, jossa sanotut radio-metrikeilaimet (1,12) ovat etäisyyden päässä toisistaan niin, että 114662 vierekkäisillä radiometrikeilaimen keiloilla on pyyhkäistävissä ainakin joissain kohdissa ilmakehän samoja alueita.

6. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että - vastaanotetaan mainittua sähkömagneettista säteilyä suuritaa-juisena kohinana, - sekoitetaan suuritaajuinen kohina matalammalle välitaajuudelle, - rajoitetaan välitaajuuden kaistanleveys kaistansuodattimella välitaajuisen kohinasignaalin muodostamiseksi, - välitaajuinen kohinasignaali vahvistetaan, ilmaistaan ja integroidaan, - verrataan välitaajuisen kohinasignaalin edustamaa vastaanottimen antennin kohinalämpötilaa mikroaaltoalueella kirkkaan taivaan olosuhteissa saatavaan antennin kohinalämpötilaan ja - esitetään kohinalämpötilan muutoksista vertailutasoon nähden sää.

7. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keskitaajuus on 10-15 GHz, edullisesti ’· 11-13 GHz tai edullisemmin 11-12,75 GHz, antennin kohinalämpötila on alle 290 K pienilläkin elevaatiokulmilla, kuten esim. < 5°. »

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vastaanottimena toimivan radiometrin (12) antenni suunnataan kohi-nalämpötila-arvon vertailutason antavaan suuntaan suoraan tai johtavan pinnan kautta.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että johtava pinta on antenni, ja että mainitun radiometrin antaman tietyn ilmoituksen mukaan mainittuun antenniin kytketty lämmitys- ,· laite alkaa lämmittää antennia.

‘ 10. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukaisessa mene telmässä käytetty laitteisto, tunnettu siitä, että siihen kuuluu - antenni (1) sähkömagneettisen säteilyn vastaanottamiseksi kohi-nana (RF), 114662 - kaistansuodatin (2) antennin (1) kautta tulevan vastaanotetun kohinan rajoittamiseksi, - vahvistin (3) rajoitetun kohinan vahvistamiseksi, - ilmaisin (4) vahvistimen (3) ulostuloon kytkettäväksi, ja - alipäästösuodatin (5) ilmaisimesta (4) tulevan signaalin suodattamiseksi, ja sanottuun kohinaan (RF) verrannollisen jännitteen V , aikaansaamiseksi ulostulona. out