마이크로파 방사선계

Microwave radiometer
바베이도스 구름 관측소의 습도 및 온도 프로파일러(HATPRO-SUNHAT)

마이크로파 방사선계(MWR)는 마이크로파로 알려진 밀리미터 대 센티미터 파장(1~1000GHz의 주파수)에서 방출되는 에너지를 측정하는 방사선계다. 마이크로파 방사선계는 열 방출 전자기 방사선을 측정하도록 설계된 매우 민감한 수신기다. 이들은 보통 행성 대기, 표면 또는 외계 물체의 특성 방출 스펙트럼을 도출하기 위해 복수 수신 채널을 갖추고 있다. 마이크로파 방사선계는 원격 감지, 기상 예측, 기후 모니터링, 무선 천문학 및 전파 연구를 포함한 다양한 환경 및 엔지니어링 애플리케이션에 활용된다.

1~300GHz 사이의 마이크로파 스펙트럼 범위를 사용하면 가시광선 스펙트럼 범위와 적외선 스펙트럼 범위를 보완할 수 있다. 가장 중요한 것은 대기와 식물이 극초단파 스펙트럼 범위에서 반투명하다는 점이다. 이것은 건조한 가스, 수증기 또는 수증기와 같은 그것의 구성요소가 마이크로파 방사선과 상호작용을 의미하지만, 전반적으로 흐린 대기조차도 이 주파수 범위에서 완전히 불투명하지는 않다.[1]

기상 및 기후 모니터링을 위해 마이크로파 방사선계는 지상뿐 아니라 우주에서도 작동된다.[1][2] 원격 감지 기구로서, 그것들은 클라우드 레이더와 라이더와 같은 다른 대기 원격 센서와 함께 연속적이고 자주 자율적으로 작동하도록 설계되었다. 그것들은 거의 모든 기상 조건에서 분에서 초의 높은 시간 분해능을 가진 수직 온도 및 습도 프로필, 주상 수증기 수량, 주상 액체 물 경로와 같은 중요한 기상학적 수량을 유도할 수 있다.[3] 마이크로파 방사선계는 또한 지구의 해양과 육지 표면의 원격 감지, 해양 온도와 풍속, 얼음 특성, 토양과 식물의 특성을 도출하는 데 사용된다.[1][2]

역사

1962년 12월 매리너 2의 금성 방사선 촬영

마이크로파 방사선계의 첫 번째 개발은 1930년대와 1940년대에 외계로부터 유래된 방사선의 측정에 전념했다. 마이크로파 방사선계의 가장 일반적인 형태는 1946년 로버트 다이크가 마이크로파 배경 방사선의 온도를 더 잘 결정하기 위해 매사추세츠 공과대학교의 방사선 연구소에 도입했다. 이 최초의 방사선계는 1.25cm 파장에서 작동했고 매사추세츠 공과대학에서 작동했다. 다이크는 또한 세 개의 다른 방사선계(1.0, 1.25, 1.5 cm의 파장)를 사용하여 약한 대기 마이크로파 흡수를 처음 발견했다.[4]

인공위성이 처음으로 대기를 관찰하기 위해 사용된 직후, 마이크로파 방사선계는 그들의 계측기의 일부가 되었다. 1962년 NASA는 수증기 및 온도 관측용 방사선계를 포함한 금성 표면을 조사하기 위해 마리너-2 임무를 착수했다. 그 후 몇 년 동안 다양한 종류의 마이크로파 방사선계가 위성에서 시험되었다. 1978년 스캐닝 멀티채널 마이크로파 방사선계의 발사는 방사선 측정의 역사에서 중요한 이정표가 되었다. 우주에서 원뿔나게 촬영하는 방사선계가 사용된 것은 이번이 처음이었다. 그것은 NASA 님버스 위성에 탑승하여 우주로 발사되었다.[5] 이 임무의 발사는 지표면 방사성이 각도에 따라 달라지기 때문에 중요한 일정한 입사각에서 지구를 상상할 수 있는 기회를 주었다. 1980년 초에는 새로운 다주파 이중극화 방사측정기가 개발되었다. 두 개의 우주선이 발사되었는데, 이 우주선은 다음과 같은 종류의 기구들을 운반했다. 님버스-7호, 시삿호. 님버스-7 임무 결과는 눈과 빙하로 뒤덮인 표면뿐만 아니라 해양 표면의 상태를 전세계적으로 감시할 수 있게 했다. 오늘날, 첨단 마이크로파 음향 장치(AMSU)와 특수 센서 마이크로파 이미저/소음기(SSMIS)와 같은 마이크로파 기기는 다른 위성에서 널리 사용되고 있다.

온도 프로파일의 결정을 위한 지상 기반 방사선계는 1960년대에 처음 연구되었고 이후 소음 감소와 전 세계 관측 네트워크 내에서 24/7로 무인 작동 가능성의 측면에서 개선되었다.[6] 검토 기사 [7][8]및 자세한 온라인 핸드북이 제공된다.

마이크로파 스펙트럼: 검은색 선은 지상 수신기에 대한 시뮬레이션된 스펙트럼을 보여준다. 색상은 수평(파란색) 및 수직(빨간색) 선형 양극화에서 측정되는 해양 상공에서 위성 계기로부터 얻은 스펙트럼이다. 솔리드 라인은 클리어-스카이(클라우드가 없는) 조건의 시뮬레이션을 나타내며, 점선은 단일 레이어 액체 클라우드의 클리어-스카이 케이스를 나타낸다. 수직선은 AMSU 방사선계와 같은 위성 센서에서 사용되는 일반적인 주파수를 나타낸다.

작동 원리

고체, 액체(예: 지구 표면, 해양, 해빙, 눈, 식물)는 물론 기체도 마이크로파 방사선을 방출하고 흡수한다. 전통적으로 마이크로파 방사선계가 받는 방사선량은 밝기 온도라고도 불리는 동등한 흑체 온도로 표현된다. 극초단파 범위에서 몇몇 대기 가스는 회전선을 나타낸다. 그들은 그것의 풍부함과 수직 구조에 대한 정보를 도출할 수 있는 오른쪽 그림에서 보여지는 특정한 흡수 특징을 제공한다. 그러한 흡수 기능의 예로는 온도 프로파일을 도출하는 데 사용되는 60 GHz 전후의 산소 흡수 복합체(자기 쌍극자 전환에 의한 것) 또는 습도의 수직 프로파일을 관측하는 데 사용되는 22.235 GHz 전후의 수증기 흡수 라인(디폴 회전 전환)이 있다. 기타 유의미한 흡수선은 118.75GHz(산소 흡수)와 183.31GHz(수증기 흡수, 건조 조건이나 위성에서 수증기 프로파일링에 사용)에서 발견된다. 오존으로 인한 약한 흡수 기능은 성층권 오존 밀도와 온도 프로파일링에도 사용된다.

분자 전환선의 뚜렷한 흡수 특성 외에도 수성계(액체강하 및 냉동입자)에 의한 비탄력적 기여도 있다. 액체수 방출은 주파수에 따라 증가하므로, 두 주파수, 즉 일반적으로 물 흡수선 가까이에 있는 주파수 (22.235GHz)와 액체 흡수에 의해 지배되는 인근 창문 지역 (일반적으로 31GHz)에서 측정하는 것은 수증기의 주상량 및 액체의 주상수 양에 대한 정보를 별도로 제공한다.2채널 방사선계). 이른바 „수증기 연속체라고 불리는 것은 멀리 떨어진 수증기 라인의 기여에서 비롯된다.

더 큰 빗방울뿐만 아니라 더 큰 냉동 하이드로미터(눈, 그라우펠, 우박)도 특히 더 높은 주파수(>90GHz)에서 마이크로파 방사선을 흩뿌린다. 이러한 산란 효과는 편광 측정을 이용하여 비와 구름의 수분 함량을 구별하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 우주와 지상에서 눈 입자와 얼음 입자의 주상량을 구속하는 데도 사용될 수 있다.[12]

디자인

마이크로파 방사선계는 안테나 시스템, 마이크로파 무선 주파수 구성 요소(프론트 엔드) 및 중간 주파수에서의 신호 처리를 위한 백엔드로 구성된다. 대기 신호는 매우 약하므로 그 신호를 약 80dB까지 증폭시킬 필요가 있다. 따라서, 헤테로디네 기법은 상용 증폭기와 신호 처리를 가능하게 하는 낮은 주파수로 신호를 변환하기 위해 종종 사용된다. 점점 더 낮은 소음 증폭기는 최대 100GHz까지 높은 주파수에서 사용할 수 있게 되어 헤테로디네 기법이 쓸모 없게 되고 있다. 수신기 드리프트를 피하려면 열 안정화가 매우 중요하다.

보통 지상 방사선계에는 환경 센서(비, 온도, 습도)와 GPS 수신기(시간 및 위치 참조)도 장착된다. 안테나 자체는 안테나를 먼지, 액체 물, 얼음으로 깨끗하게 유지하기 위해 마이크로파 스펙트럼에서 투명한 거품으로 만들어진 창문을 통해 측정한다. 또한 종종 열선내장 블로워 시스템이 부착되어 있어 유리창에 액체 방울이나 이슬(MW의 강한 방출체)이 없으나 얼음과 눈이 없는 경우도 있다.

헤테로디네 원리를 사용한 마이크로파 방사선계의 도식도.

위 그림에서 볼 수 있듯이 안테나에서 무선 주파수 신호가 수신된 후에는 안정적인 국부 발진기 신호의 도움을 받아 중간 주파수로 하향 변환된다. 저소음 증폭기 및 밴드 패스 필터링을 통해 증폭한 후 분광계로 여러 주파수 대역을 분할 또는 분할하여 최대 출력 모드에서 신호를 감지할 수 있다. 고주파 교정의 경우 Dicke 스위치가 여기에 사용된다.

Magurele(로마니아) Optoelectronics에 있는 연구개발 연구소 직원들이 수행한 마이크로파 방사선계 보정.

눈금 매기기

마이크로파 방사선계 보정은 정확한 측정 밝기 온도에 대한 기초를 설정하며, 따라서 온도 프로파일과 통합 수증기 및 액체 물 경로로서 정확하게 검색된 대기 매개변수에 대한 기초를 설정한다. 교정의 가장 간단한 버전은 알려져 있지만 서로 다른 "핫" 및 "콜드" 온도, 즉 검출기의 입력 전력과 출력 전압 사이의 선형 관계를 가정하는 두 개의 참조 블랙베이스를 사용한 소위 "핫 콜드" 교정이다. 기준의 물리적 온도를 알면 밝기 온도를 계산할 수 있고 방사선계의 감지 전압과 직접 관련될 수 있으므로 밝기 온도와 전압 사이의 선형 관계를 얻을 수 있다.

교정 대상의 온도는 전체 측정 범위에 걸쳐서 선택해야 한다. 지상 방사선계는 일반적으로 주변 온도 표적을 "핫" 기준으로 사용한다. 차가운 표적으로 액체 질소 냉각 블랙바디(77K)나 복사전달 이론에서 간접적으로 얻은 정점 맑은 하늘 TB를 사용할 수 있다.[8] 인공위성은 가열된 표적을 "핫" 참조로, 우주 배경 복사는 "콜드" 참조로 사용한다. MWR 교정의 정확성과 안정성을 높이기 위해 내부 소음원 또는 Dicke 스위치와 같은 추가 교정 대상을 사용할 수 있다.

(a) K(우측) 및 V(좌측) 대역의 7개 주파수에서 측정한 밝기 온도에 대한 2015년 4월 14일 시계열, (b) 수직 통합 수증기(IWV) 및 구름 액체 수경로(LWP)를 검색함, (c) 온도 프로파일은 0 ~ 5km, (d) 절대 습도 프로파일은 0 ~ 5km이다.

온도 및 수증기 프로파일 검색

마이크로파 방사선측정(예: 온도 또는 수증기 프로파일)을 이용한 물리적 수량의 검색은 간단하지 않고 종합적인 검색 알고리즘(최적추정 접근법과 같은 반전 기법 사용)이 개발되었다.

온도 프로파일은 산소 흡수 복합체를 따라 60GHz로 측정하여 얻는다. 어느 고도에서나 배출되는 것은 산소의 온도와 밀도에 비례한다. 산소는 대기와 지구 전체에 균일하게 분포하기 때문에, 밝기 온도 신호를 사용하여 온도 프로파일을 도출할 수 있다. 흡수 복합체 중심에 있는 신호는 방사선계에 가장 가까운 대기(지상 기반일 때)에 의해 지배된다. 창 영역으로 이동하면, 그 신호는 대기의 가깝고 먼 지역에서 중첩된 것이다. 따라서 여러 채널의 조합은 수직 온도 분포에 대한 정보를 포함한다. 유사한 접근방식은 22.235GHz에서 수증기의 흡수선을 활용하여 수증기의 수직 프로파일을 도출하는 데 사용된다.

위성 계측기

마이크로파 기구는 지구 관측과 운영 기상학을 위해 여러 극 궤도를 도는 위성들뿐만 아니라 외계 임무의 일부를 비행한다. 하나는 AMSR, SSMI, WINDSAT와 같은 지구 표면의 원격 감지를 위해 원뿔형 스캐닝에 사용되는 영상 기기와 교차 트랙 모드로 작동하는 음향 기구를 구별한다. 예를 들어 AMSU/MHS. 첫 번째 유형은 해수면 염분, 수분 토양 등을 관찰하기 위해 대기 윈도우에서 낮은 주파수(1–100GHz)를 사용한다. 해수 온도, 바다 위의 풍속, 강수량 및 눈 두 번째 유형은 온도 및 습도 프로파일을 검색하기 위해 흡수선을 따라 측정하는 데 사용된다. 더욱이, 사지 경보 발생기(예: MLS)는 상층 대기에서 미량 가스 프로필을 검색하는 데 사용된다.

기상 위성에서 마이크로파 방사선계의 다른 예로는 특수 센서 마이크로파/이미저, 스캐닝 멀티채널 마이크로파 방사선계, 윈드샛, 마이크로파 음향 장치 및 마이크로파 습도 경보기가 있다. 애퍼처 합성이 있는 마이크로파 이미징 방사선계는 표면의 작은 영역에 걸쳐 토양 수분과 염도를 해결할 수 있는 간섭계/이미징 방사선계다.

스페이스프로베 계기

2010년대까지 네 개의 마이크로파 방사선계가 행성간 우주선을 타고 비행되었다.[13] 첫 번째는 메리너 2호였는데, 이것은 극초단파 기구를 사용하여 금성의 높은 표면 온도가 대기권보다 높지 않은 표면에서 나오고 있다는 것을 알아냈다.[14][13] 주노 목성 탐사선, 로제타 혜성 탐사선, 카시니-후이겐스에도 방사선계가 있다.[13][15]

2011년 발사된 주노 탐사선은 마이크로파 방사선계 스위트를 이용해 목성의 대기를 특징짓고 있다.[8] 주노의 마이크로파 방사선계(MWR) 기기에는 여러 안테나가 여러 개의 서로 다른 마이크로파 파장으로 관측되어 행성의 상단 구름층을 관통하고, 그 곳에서 특징, 온도, 화학적 풍요를 감지한다.[15]

마이크로파 방사선계 지상망

MWRnet은 지상 마이크로파 방사광도계로 연구 중인 과학자들이 2009년 설립한 네트워크다. MWRnet은 MWR 사용자 커뮤니티에서 조정된 국제 프로젝트에 대한 참여를 촉진하는 것을 목적으로 한다. 장기적으로 MWRnet의 임무는 EARLINET, AEROET, CNWINDE 등 다른 성공적인 네트워크와 유사한 운영 소프트웨어, 품질관리 절차, 데이터 포맷 등을 설정하는 것을 목표로 한다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b c 마이크로파 원격 감지—활성 및 수동형". F. T. 울라비. R. K. 무어와 A. K. 풍. (매사추세츠 주의 독서: 애디슨 웨슬리, 1981년, 1982년) 제1권: 마이크로파 원격 감지 기초 및 방사선 측정.
  2. ^ a b 열 마이크로파 방사선: 원격 감지를 위한 신청, C. Matzler, 2006, The Institute of Engineering and Technology, London, 1장.
  3. ^ 웨스트워터, 엣지워스 루퍼트, 1970: 전자레인지에 의한 온도 프로파일의 지상 기반 결정 박사논문, 유니버설볼더에 있는 콜로라도 주의 ITY, 출처: 국제 논문, 권: 32-02, 섹션: B, 페이지: 1134.
  4. ^ Dicke, R.H. (1946). "The measurement of thermal radiation at microwave frequencies" (PDF). Review of Scientific Instruments. AIP. 17 (7): 268–275. Bibcode:1946RScI...17..268D. doi:10.1063/1.1770483. PMID 20991753. Archived from the original (PDF) on 3 April 2012.
  5. ^ 지구, 물리적 기초의 패시브 마이크로파 원격 감지, 유진 A. 샤르코프, 스프링어-프락스 지구물리학 도서, 14장: 수동 마이크로파 우주 임무
  6. ^ "MWRnet - An International Network of Ground-based Microwave Radiometers". cetemps.aquila.infn.it. 31 July 2014.
  7. ^ Westwater, E.R., C. Mezler, S. Crewell(2004) 대류권의 표면 기반 마이크로파 및 밀리미터파 방사선 원격 감지에 대한 검토. 2004년 9월 3010호 라디오 사이언스 게시판 59-80호
  8. ^ a b c 웨스트워터, E. R., S. 크레웰, C. 메츨러, 그리고 D. Cimini, 2006: 대류권의 표면 기반 마이크로파 및 밀리미터파 방사선 원격 감지 원리, Quaderni Della Societa Italiana di Eletromagnetismo, 1(3), 2005년 9월, 50–90.
  9. ^ "Microwave radiometer - EG-CLIMET". cfa.aquila.infn.it.
  10. ^ 크제칼라 외 (2001), 지상 극초단파 방사선에 의한 구름 및 비 액상 물 경로의 구분, 지오피. 레트, DOI: 10.1029/2000GL012247
  11. ^ Bennartz, R, P. Bauer(2003)는 85–183GHz에서 얼음 입자를 촉진하는 마이크로파 방사 민감도, Radio Sci, 38(4), 8075, doi:10.1029/2002RS00266.
  12. ^ Kneifel 외 연구진(2010), 지상에 기초한 수동 마이크로파 방사선계 측정에서의 눈 산란 신호, J. Geophys. Res, DOI: 10.1029/2010JD013856
  13. ^ a b c Juno at Jupiter: The Juno microwave radiometer (MWR) - IEEE Conference Publication, September 2014, pp. 1–3, doi:10.1109/IRMMW-THz.2014.6956004
  14. ^ "Archived copy". Archived from the original on 30 November 2016. Retrieved 3 February 2017.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  15. ^ a b "과학 개요". 제트 추진 연구소. 회수: 2016년 12월 21일

외부 링크