Скаттерометр
Скаттерометр рассеянных или диффузометр — это научный прибор для измерения отражения луча света или радиолокационных волн, в результате диффузии в такой среде, как воздух. Диффузионометры, использующие видимый свет, можно найти в аэропортах или вдоль дорог для измерения горизонтальной видимости . Радарные скаттерометры используют радио или микроволны для определения нормализованного радиолокационного сечения (σ 0 , «сигма ноль» или «сигма ноль») поверхности. Их часто устанавливают на метеорологических спутниках для определения скорости и направления ветра, а также используют в промышленности для анализа шероховатости поверхностей.
Оптический
[ редактировать ]
Оптические диффузометры — это устройства, используемые в метеорологии для определения оптического диапазона или горизонтальной видимости. Они состоят из источника света, обычно лазера , и приемника. Оба расположены под углом 35° вниз и направлены на общую зону. Боковое рассеяние воздухом вдоль светового луча количественно выражается как коэффициент ослабления . Любое отклонение от коэффициента ослабления в ясном воздухе (например, в тумане) измеряется и обратно пропорционально видимости (чем больше потери, тем ниже видимость).
Эти устройства можно найти на автоматических метеостанциях для обеспечения общей видимости, вдоль взлетно-посадочных полос аэропортов для определения дальности видимости на взлетно-посадочной полосе или вдоль дорог для определения условий видимости. Их главный недостаток заключается в том, что измерения проводятся в очень небольшом объеме воздуха между передатчиком и приемником. Таким образом, сообщаемая видимость является репрезентативной только для общих условий вокруг прибора в обобщенных условиях ( синоптический например, туман). Это не всегда так (например, неоднородный туман).
Радар
[ редактировать ] | Было предложено разделить этот раздел на другую статью под названием «Радарный скаттерометр» . ( Обсудить ) (май 2023 г.) |
Радарный скаттерометр работает, передавая импульс микроволновой энергии к поверхности Земли и измеряя отраженную энергию. Выполняется отдельное измерение мощности только шума, которое вычитается из измерения сигнал+шум для определения мощности сигнала обратного рассеяния . Сигма-0 (σ⁰) рассчитывается на основе измерения мощности сигнала с использованием уравнения радара с распределенной целью. Приборы скаттерометра очень точно откалиброваны для обеспечения точных измерений обратного рассеяния.
Основным применением космической скаттерометрии были измерения приземных ветров над океаном . [1] Такие приборы известны как ветровые скаттерометры. Объединив измерения сигма-0 под разными азимутальными приземного ветра углами, вектор над поверхностью океана можно определить с помощью функции геофизической модели (GMF), которая связывает ветер и обратное рассеяние. Над океаном обратное рассеяние радара возникает в результате рассеяния на капиллярно-гравитационных волнах, генерируемых ветром, которые обычно находятся в равновесии с приземным ветром над океаном. Механизм рассеяния известен как брэгговское рассеяние , которое происходит от волн, находящихся в резонансе с микроволнами.
Мощность обратного рассеяния зависит от скорости и направления ветра. Если смотреть под разными азимутальными углами, наблюдаемое обратное рассеяние от этих волн различается. Эти изменения можно использовать для оценки ветра у поверхности моря, т.е. его скорости и направления. Этот процесс оценки иногда называют « восстановлением ветра» или « инверсией функции модели» . Это процедура нелинейной инверсии, основанная на точном знании ГМП (в эмпирической или полуэмпирической форме), которая связывает обратное рассеяние скаттерометра и векторный ветер. Для восстановления требуются измерения скаттерометра с угловым разнесением с использованием ГМП, которое обеспечивается тем, что скаттерометр выполняет несколько измерений обратного рассеяния одного и того же пятна на поверхности океана под разными азимутальными углами.
Измерения ветра скаттерометром используются для взаимодействия воздуха и моря, изучения климата и особенно полезны для мониторинга ураганов . [2] Данные обратного рассеяния скаттерометра применяются для изучения растительности , влажности почвы , полярных льдов , отслеживания антарктических айсбергов. [3] и глобальные изменения . [4] Измерения скаттерометра использовались для измерения ветра над песчаными и снежными дюнами из космоса. Внеземные применения включают изучение спутников Солнечной системы с помощью космических зондов. Особенно это касается миссии НАСА/ЕКА «Кассини» к Сатурну и его спутникам.
Несколько поколений рефлектометров ветра были запущены в космос НАСА , ЕКА и НАСДА . Первый действующий рефлектометр ветра был известен как скаттерометр Seasat (SASS) и был запущен в эксплуатацию в 1978 году. [5] Это была веерная система, работающая в Ku-диапазоне (14 ГГц). В 1991 году ЕКА запустило европейского спутника дистанционного зондирования ERS-1. скаттерометр усовершенствованного микроволнового прибора (AMI) [6] за ним последовал скаттерометр ERS-2 AMI в 1995 году. Обе веерные системы AMI работали в C-диапазоне (5,6 ГГц). В 1996 году НАСА запустило скаттерометр НАСА (NSCAT) на борту NASDA ADEOS I. спутника [1] веерная система Ku-диапазона. [7] НАСА запустило первый сканирующий скаттерометр, известный как SeaWinds , на QuikSCAT в 1999 году. Он работал в Ku-диапазоне. Второй прибор SeaWinds был запущен на борту NASDA ADEOS-2 в 2002 году. Индийская организация космических исследований запустила скаттерометр Ku-диапазона на своей платформе Oceansat-2 в 2009 году. ЕКА и ЕВМЕТСАТ запустили первый ASCAT C-диапазона в 2006 году на борту Metop - А. [8] » Глобальная навигационная спутниковая система «Циклон (CYGNSS), запущенная в 2016 году, представляет собой группировку из восьми небольших спутников, использующих бистатический подход путем анализа отражения от поверхности Земли сигналов Глобальной системы позиционирования (GPS) вместо использования бортового радиолокационного передатчика.
Вклад в ботанику
[ редактировать ]Скаттерометры помогли доказать гипотезу середины XIX века об анизотропном (зависящем от направления) рассеянии ветром на большие расстояния, чтобы объяснить сильное флористическое сходство между массивами суши.
В работе, опубликованной в журнале Science в мае 2004 года под названием «Ветер как средство распространения на большие расстояния в южном полушарии», использовались ежедневные измерения азимута и скорости ветра, полученные скаттерометром SeaWinds с 1999 по 2003 год. Они обнаружили более сильная корреляция флористического сходства с ветровой связью, чем с географической близостью, что подтверждает идею о том, что ветер является средством распространения многих организмов в Южном полушарии.
Полупроводниковое и прецизионное производство
[ редактировать ]Скаттерометры широко используются в метрологии для измерения шероховатости полированных и притертых поверхностей в полупроводниковой и прецизионной обрабатывающей промышленности. [9] Они обеспечивают быструю и бесконтактную альтернативу традиционным методам оценки топографии с помощью стилуса. [10] [11] Скаттерометры совместимы с вакуумной средой, не чувствительны к вибрации и могут быть легко интегрированы с инструментами для обработки поверхности и другими метрологическими инструментами. [12] [13]
Использование
[ редактировать ]
Примеры использования на спутниках наблюдения Земли или установленных приборах, а также даты эксплуатации: [14]
- Прибор NSCAT (Скаттерометр НАСА) на ADEOS I (1996–97)
- Прибор SeaWinds на QuikSCAT (2001–2009 гг.)
- Прибор OSCAT-2 на SCATSAT-1 (запущен в 2016 г.)
- Прибор SCAT на Oceansat-2 (2009–2014 гг.)
- МКС-РапидСкат на Международной космической станции (2014–2016 гг.)
- ASCAT на MetOp спутниках
- Созвездие CYGNSS (запущено в 2016 г.)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Ф. Надери; М. Х. Фрейлих и Д. Г. Лонг (июнь 1991 г.). «Космическое радиолокационное измерение скорости ветра над океаном — обзор системы скаттерометра NSCAT» . Труды IEEE . 79 (6): 850–866. дои : 10.1109/5.90163 .
- ^ PS Чанг, З. Желенак, Дж. М. Сенкевич, Р. Кнабб, М. Дж. Бреннан, Д. Г. Лонг и М. Фриберг. Оперативное использование и влияние векторных ветров на поверхности океана, полученных с помощью спутникового дистанционного зондирования, в морской среде предупреждения и прогнозирования, Океанография , Vol. 22, № 2, стр. 194–207, 2009.
- ^ К. М. Стюарт и Д. Г. Лонг, Отслеживание больших таблитчатых айсбергов с помощью микроволнового скаттерометра SeaWinds Ku-диапазона, Глубоководные исследования, часть II , doi : 10.1016/j.dsr2.2010.11.004 , Vol. 58, стр. 1285–1300, 2011.
- ^ Д.Г. Лонг, М.Р. Дринкуотер, Б. Холт, С. Саатчи и К. Бертоя. Исследования глобального климата льда и суши с использованием данных изображений скаттерометра, EOS, Труды Американского геофизического союза , Vol. 82, № 43, с. 503, 23 октября 2001 г.
- ^ WL Grantham и др., Спутниковый скаттерометр SeaSat-A, Журнал IEEE Oceanic Engineering , Vol. ОЕ-2, стр. 200–206, 1977.
- ^ Э. Аттема, Активный микроволновый прибор на борту спутника ERS-1, Труды IEEE , 79, 6, стр. 791–799, 1991.
- ^ WY Цай, Дж. Э. Граф, К. Винн, Дж. Н. Хаддлстон, С. Данбар, М. Х. Фрейлих, Ф. Дж. Венц, Д. Г. Лонг и У. Л. Джонс. Проверка и калибровка датчика после запуска скаттерометра НАСА, Транзакции IEEE по геолого-геофизическим исследованиям и дистанционному зондированию , Vol. 37, № 3, стр. 1517–1542, 1999.
- ^ Дж. Фига-Салданья, Дж. Дж. Уилсон, Э. Аттема, Р. Гелсторп, М. Р. Дринкуотер и А. Стоффелен. Усовершенствованный рефлектометр (ASCAT) на метеорологической оперативной платформе (MetOp): продолжение европейских рефлектометров ветра, Canadian Journal of Remote Sensing , Vol. 28, № 3, июнь 2002 г.
- ^ Джон С. Стовер. SPIE Optical Engineering Press, 1995 – Наука – 321 страница.
- ^ Майер, Г. и др. (1988) «Новый оптический подход к атомно-силовой микроскопии», Applied Physics Letters, 53, 1045–1047.
- ^ Баумайстер, Теодор и др.(1967) Стандартный справочник для инженеров-механиков. МакГроу-Хилл, LCCN 16-12915
- ^ Джон М. Герра. «Практический полный интегральный скаттерометр», Учеб. SPIE 1009, Измерение и характеристика поверхности, 146 (21 марта 1989 г.)
- ^ «Шерховатость методом скаттерометрии» . ЗебраОптика . Проверено 30 декабря 2016 г.
- ^ «Скаттерометрия и векторные ветры в океане: спутниковые исследования» . Университет штата Флорида . Проверено 30 декабря 2016 г.