Микрорадком

В рамках мероприятия № 38 ФЦП «Геофизика» в ЛДЗ ЦАО был введен в эксплуатацию с 01 декабря 2013 года первый мелкосерийный образец радиометрического СВЧ комплекса «Микрорадком» (патентованное название) для мониторинга термодинамических характеристик тропосферы. Комплекс «Микрорадком» должен стать основой наземной сети, оснащенной дистанционными приборами, позволяющими проводить непрерывные измерения термодинамических характеристик атмосферы: профилей температуры и общего содержания водяного пара для дополнения данных, получаемых с использованием радиозондов и спутниковых приборов инфракрасного и микроволновых диапазонов волн, которые требуют периодической валидации по наземным данным.

Кроме того, спутниковые приборы не обеспечивают измерения термодинамических характеристик атмосферного пограничного слоя (от поверхности Земли до высоты 1.5 км). Это является одной из важных проблем в системе геофизического мониторинга. В частности, большинство протекающих процессов в атмосфере являются температурно-зависимыми, поэтому без информации о температуре на разных высотах невозможна их диагностика.

Без учета вариаций водяного пара в свою очередь невозможен контроль за протекающими термодинамическими процессами в атмосфере. В настоящее время в Российской Федерации отсутствует система мониторинга этих параметров, производятся только дискретные выпуски радиозондов (два раза в сутки) и отдельные научные эксперименты с использованием дистанционных приборов - акустических, оптических, микроволновых.

Наибольшая эффективность мониторинга термодинамических характеристик тропосферы, как показали многолетние испытания различных методов и приборов, достигается в случае использования в качестве измерительных средств приборов микроволнового диапазона - СВЧ радиометров. В отличие от приборов оптического диапазона СВЧ радиометры являются всепогодными приборами. В отличие от систем контактных измерений (радиозонды, метеоракеты ) СВЧ радиометры обеспечивают непрерывность и мобильность измерений, работают в автоматическом режиме и почти не требуют расходных материалов (что обуславливает их низкую операционную стоимость).

В отличие от активных (излучающих) приборов (локаторов, лидаров, содаров) они сами ничего не излучают, а основаны на измерении собственного теплового излучения атмосферы. В последние годы развитие нанотехнологий позволило создать принципиально новые миниатюрные СВЧ усилители, на основе которых удалось сделать радиометрические приемники прямого усиления вплоть до частот 100 ГГц ( длина волны 3 мм ), что существенно повысило надежность и функциональные возможности подобных систем. Именно эти самые современные технологии были использованы при изготовлении СВЧ комплекса «Микрорадком», что позволило также получить максимально высокую чувствительность (до 0.02 К при постоянной времени интегрирования 1 с) и высокую долговременную стабильность характеристик измерительных каналов.

Измерительный СВЧ комплекс «Микрорадком» (патентованное название, товарный знак № 469085, зарегистрирован в Государственном реестре товарных знаков и знаков обслуживания 22 августа 2012 г.) должен обеспечивать практически непрерывные измерения профилей температуры тропосферы и общего содержания водяного пара в столбе атмосферы путем измерения собственного теплового излучения атмосферы в микроволновом диапазоне волн .

Структурная схема комплекса изображена на Рис.1.1.
Измерительный СВЧ комплекс состоит из нескольких измерительных каналов: канала измерения профилей температуры тропосферы, канала измерения общего содержания водяного пара, канала измерения профилей температуры атмосферного пограничного слоя, канала измерения водозапаса облаков и канала измерения интенсивности жидких осадков. Все каналы устанавливаются на одном тонаре.

Рис.1.1 - Структурная схема измерительного СВЧ комплекса «Микрорадком»

При этом аппаратура каналов измерения профилей температуры атмосферного пограничного слоя (АПС), датчик температуры канала измерения профилей температуры АПС (используется для автоматических калибровок), автоматическая метеостанция, видеокамера наблюдения за облачностью устанавливаются на крыше тонара, а остальная аппаратура - внутри корпуса тонара.

Металлический контррефлектор устанавливается под углом 45_o к боковой стенке тонара для возможности проведения измерений в зенит и калибровок. Предусмотрена возможность ручной регулировки положения контррефлектора.

Общий вид комплекса «Микрорадком» представлен на Рис.1.2., компоновка измерительной СВЧ аппаратуры внутри тонара - на Рис.1.3., а рабочее место оператора внутри тонара - на Рис.1.4, функциональная схема программного обеспечения - на Рис.1.5.

Рис.1.2 - Измерительный комплекс «Микрорадком» в сборе

Рис.1.3 - Измерительная аппаратура внутри тонара: СВЧ радиометры каналов измерения профилей температуры тропосферы, общего содержания водяного пара в столбе атмосферы и водозапаса облаков

Рис.1.4 - Рабочее место оператора

Рис.1.5 - Функциональная схема программного комплекса СВЧ измерительной системы

• измерение профилей температуры атмосферы в диапазоне высот 0 – 10 км с темпом выдачи данных не более 600 с, шагом по высоте 1 км и погрешностью восстановления профилей температуры 0,5^оС - 2,0^оС;
• измерение профилей температуры в диапазоне высот 0 - 1,6 км (режим «погранслой») с темпом выдачи данных не более 600 с, шагом по высоте 100 м и погрешностью восстановления профилей температуры атмосферы не более 1^оС;
• измерение общего содержания водяного пара в столбе атмосферы (интегральное влагосодержание) с погрешностью 0,2 г/см²;
• измерение интегральной водности с погрешностью 0,05 кг/м² (в интервале 0 - 2 кг/м²);
• измерение интенсивности жидких осадков с относительной погрешностью 15 %.

Основные технические характеристики комплекса «Микрорадком»: