Нисходящее излучение атмосферы в горных условиях в ММ диапазоне волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6, ид;

- 5 ДПР 1993

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЖО-ТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Ашымкзное Кочкун Шзмиевич

Нисходящее излучение атмосферы в горных условиях в КМ диапазоне волн

Специальность 01.04.03 " Радиофизика "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москез - 1993 г.

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН

и Институте физики АН Республики Кыргызстан

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Соколов A.B. кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Зражэвский А.Ю.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук Калинин А.И. доцент, кандидат физико-математических наук Палкин Е.А.

Ведушая организация: ЦНИИ радиоэлектронных систем (г. Москва )

Защита состоится 2S ма >i в час на заседании специализированного совета К 063.91.02 при Московском физико-техническом институте ( I4I7G0, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д.9 )

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-техического института.

Автореферат разослан " " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физ.-мат. наук

Коршунов С.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ

В последние года в СНГ и за рубежом уделяется большое внимание освоению миллиметрового (ММ) диапазона волн, развитию его техники и элементной базы. ММ волны уже с успехом применяются в таких областях как радио-астрономия, диагностика плазмы, метеорология, медицина, дистанционное зондирование и связь. Интерес к этому диапазону обусловлен значительными успехами, достигнутыми в области твердотельной технологии, в результате чего возникла реальная возможность реализовать присущие только ММ волнам преимущества. Это - всепогодность, высокое угловое разрешение, сравнимое уже с разрешением оптических приборов, возможность создания малогабаритной приемо-передапцей аппаратуры в интегральном исполнении с микрополосковыми антеннами и ФАР.

Известно, что при распространении в атмосфере ММ волны в отличие от СМ волн испытывают значительное молекулярное поглощение в водяном паре и кислороде. Так как поглощение в парах воды и кислороде имеет выраженный резонансный характер, то и обусловленное им ослабление и рвдиояркостная температура (РЯТ) атмосферы в ММ диапазоне изменяются неравномерно по частоте и зависят как от длины волны, так и от распределений температуры, давления и влажности с еысотой. Эти распределения метеопараметров подвержены значительным вариациям и связаны со многими факторами: сезоном года и времени суток, географическими условиями местности, типом подстилающей поверхности и др. Соответственно вертикальное поглощение и РЯТ атмосферы обнаруживают заметную изменчивость в пространстве и во времени, что осложняет сопоставление экспериментальных данных между собой, с теоретическими оценками, а также установление связей между метеорологическими и радиофизическими характеристиками атмосферы.

Проведенные к настоящему времени теоретические и экспериментальные исследования не дают полного представления о пространственных, спектральных и временных вариациях поглощения и излучения атмосферы Земли, особенно в отличают тся от средних условиях высокогорья, а знание этих характеристик весьма важно

для выбора оптимальных длин волн при решении многих практических задач.

В последние годы в целях дистанционного зондирования широко ведутся исследования структуры полей яркости поверхности Земли в различных спектральных диапазонах, изучаются статистические свойства РЯТ с целью выявления признаков, по которым возможна классификация участков земной поверхности. Также как и в случае атмосферы, пространственное распределение РЯТ подстилающих поверхностей испытывает значительные вариации под воздействием внешних условий. Это обстоятельство определяет возрастающий интерес к изучению взаимосвязей параметров, характеризующего структуру яркостного поля покрова с метеопараметрами атмосферы, ее нисходящим излучением, сезонным состоянием растительности и покроЕЭ исследуемого участка. В условиях горной местности, задачи изучения радиоизлучения атмосферы и подстилающих поверхностей еще более усложняются, поскольку при малых углах места сильное влияние на индикатрису РЯТ неба оказывают склоны гор, имеющие самые разнообразные типы поверхностей, их ориентация и наклон относительно направления приема, состояния почвы в зависимости от географических и метеоусловий, сезона года и т.д. Поэтому создание математической модели нисходящего излучения атмосферы в условиях высокогорья Кыргызстана и изучение характеристик радиотеплового излучения горных покроеое представляются весьма актуальными, при этом основными методами изучения радиоизлучения атмосферы и подстилающей поверхности в горных условиях являются разносторонние экспериментальные исследования.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:

- разработка аппаратуры, методик измерений и проведение экспериментальных исследований нисходящего излучения атмосферы, изучение влияния сезона года, высоты над уровнем моря,географических и метеоусловий на излучательные и поглощающие свойства атмосферы в коротковолновой ( КВ ) части ММ диапазона волн.

- изучение количественных соотношений между случайными и регулярными изменениями мете о - и радиофизических характеристик атмосферы, определение применимости существующих методов расчета и создание инженерных формул для оперативной оценки параметров

\

радиоизлучения атмосферы в условиях высокогорья.

- получение радиоизображения участков местности и измерение их радиояркостных характеристик.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

Разработан полевой передвижной вариант

высокочувствительного приемного комплекса КВ части ММ диапазона (Л, = 2.95 - 3.42 мм) и методики абсолютных и относительных измерений, позволяющие проводить экспериментальные исследования временных вариаций излучения и поглощения атмосферы, радиояркостных температур, контрастов и радиотепловых карт горных покровов и ландшафтов. ВяэрЕые энспери- ментально получены угловыз, сезонные и Еысотные зависимости РЯТ атмосферы и ее интегрального поглощения в условиях высокогорья Кыргызстана. Изучены статистические характеристики излучения и поглощения атмосферы, их зависимости от сезона года, высоты над уровнем моря и погодных условий и их связь с метеорологическими параметрами. Предложены инженерные модели излучающих атмосфер Земли в окнах прозрачности ММ диапазона для различных сезонных и погодных условий. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных по атмосферному излучению и поглощению с результатами численных расчетов, выполненных по метеозондовым данным и показано, что модельные расчеты, проведенные по выбранным методикам, удовлетворительно согласуются с экспериментом. Измерены радиояркостные температуры пород на горных склонах и на пригоризонтных участках ландшафта, получены радиотеплоЕые карты местности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ :

Результаты диссертационной работы необходимы для разработки технических требований к сеязной и специальной аппаратуре ММ диапазона, методики учета влияния излучения атмосферы и подстилающих поверхностей на характеристики проектируемых радиотехнических систем ММ диапазона с высоким угловым разрешением, работающих на различных высотах над уровнем моря.Полученные экспериментальные данные и выеоды позеоляют определять оптимальные энергетические параметры и технические характеристики приемо-передающих систем в аппаратуре связи, локации и

дистанционного зондирования. * Разработанная экспериментальная аппаратура и методики измерений представляют собой готовую систему исследования атмосферы и подстилающих поверхностей, позволяющую оперативно контролировать и оценивать такие параметры как яркостная температура, поглощение атмосферы и ее водозапас, излучательную способность различных типов горных покровов, получать радиотепловые карты ландщафтов. Материалы диссертации использованы в НИР организаций: ИРЭ РАН, МГТУ им.Н.Э.Баумана, ЦНИИ радиоэлектронных систем и ИФ АН Республики Кыргызстан. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ И ПУБЛИКАЦИИ:

Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях:

1. Xiv Всесоюзная конференция по распространению радиоволн, Ленинград, октябрь, 1984 г.

2. il Всесоюзная школа-симпозиум по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере, Фрунзе, сентябрь, 1986 г.

3. Xv Всесоюзная конференция по распространению радиоволн , Алма-Ата, октябрь, 1987 г.

4. m Всесоюзная школа-симпозиум по распространению ММ и СБММ волн е атмосфере, Харьков, сентябрь, 1989 г.

5. Республиканская конференция по физике, Фрунзе, сентябрь, 1990 г. G. Международная конференция " Экология высокогорных регионов ", Бишкек, август 1991 г.

7. IV Всесоюзная школа-симпозиум по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере , Нижний-Новгород, сентябрь, 1991 г.

По основным результатам опубликовано 8 работ, список которых приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ :

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 118 страниц машинописного текста, включая 43 рисунка и 7 таблиц. Список литературы составляет 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении дается обшая характеристика работы. Обосновывается актуальность темы, анализируется состояние проблемы и формулируются задачи диссертации, а также излагается ее краткое содержание.

В первой, главе описаны современные методы изучения атмосферы и подстилающой поверхности, приведен аналитический обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию поглошения и излучения атмосферы и земных покровов в ММ диапазоне волн. Отмечено, что'экспериментальные исследования, выполненные в основном в равшшных условиях Европейской территории ( ЕТ ) СНГ, как правило не могут быть обобщены для горных условий. А измерения прозрачности атмосферы в горах Кавказа. Памира и Заилийского Алз-Тау проводились для решения радиоастрономических задач и фоновое излучение атмосферы подробно не рассматривалось. Кроме того условия в этих горах резко отличаются от условий Кыргызстана из-за испарений Ысык-Куля.

Во Еторой главе представлены модели атмосферы Земли, используемые при теоретических исследованиях излучателышх, рассеивающих и поглощающих свойств газовой оболочки Земли. Обсуждаются результаты расчетов излучения и поглощения атмосферы, а также их зависимости от угла наблюдения , еысоты над уровнем моря, сезона года и погодных условий.

Показано, что максимальная ошибка аппроксимации угловой зависимости нисходящего излучения чистой и облачной атмосфер (при сплопШ облачности) излучением однородного слоя во есэх окнах прозрачности ММ диапазона составляет менее 2%.

В 2.1 отмечается, что известные метеорологические и радиометеорологические модели атмосфер, отражающие физические свойства атмосферы в различных сезонных и погодных условиях могут быть дополнены моделями радиотеплового излучения на различных

TTrrrrtiov тттт фпъгт*^ чяг^ ttí-j ггт п «яптчг'л ПЧтфт. т* пгтг* ттт_ nini5 ciTjtt тттта

UJk .1. l_l ilJ^U %/Ui и J. mu ili Ui j í KjLÁl J-J ii UilUJl f tH*"'*

имитационных численных экспериментов по переносу излучения в системе "атмосфера-подстилающая поверхность", необходимых для оценки параметров радиотехнических систем различного назначения.

В 2.2 обсуждаются результаты численного эксперимента по исследованию интегрального поглошения и излучения атмосферы. Алгоритм вычислений позволяет использовать в качестве базы данных любые модели: как модоли стандартной атмосферы, так и региональные модели, созданные по данным аэрологической станции "Фрунзе", так и непосредственные результаты радиозондирования. Расчет поглощения и ее фена вычислялся с учетом молекулярного

поглощения в парах вода и кислороде, по методикам разработанным в ИРЭ РАН и НИРФИ, при этом учитывались 29 вращательных переходов Н^О и 50 - 02. Получены среднесезонные значения радиояркостных температур и вертикального поглощения атмосферы для высот 0.76 км,1.60 км и 3.05 км над уровнем моря, а также их зависимости от угла наблюдения и погодных условий. Для изучения возможностей измерения метеопараметров по радиопараметрам атмосферы составлены таблицы зависимостей яркостной температуры и вертикального поглощения от абсолютной влажности приземного слоя воздуха и количества осажденной воды всей толщи атмосферы. Результаты подтверждают реальность и перспективность дистанционных методов определения водозапаса атмосферы. Для оптимального выбора рабочей длины волны в 3-х ММ "окне прозрачности" выполнены расчеты зависимости яркостной температуры неба от длины волны. График этой зависимости показал самый пологий участок, от 2.9 мм до 3.5 мм, где яркостная температура неба изменяется всего на 5 К летом и 2 К зимой, на высоте 0.76 км. Это говорит о том, что при радиометрических измерениях излучения атмосферы вклад в погрешности измерений, обусловленный неточностью настройки частоты и нестабильностью гетеродина радиометра не будет превышать эти величины.

В 2.3 получены параметры инженерной формулы для оценки индикатрисы излучения атмосферы в окнах прозрачности !.5М волн для основных типовых погодных ситуаций. При их нахождении предполагалось, что атмосфера плоско-слоистая и в пределах каждого слоя температура и поглощение изменяется линейно с высотой. При расчетах яркостной температуры атмосферы - Тя брались модели атмосферы, отражающие широтные и сезонные изменения температуры - Т, давления - Р и влажности - р и модели летних облаков. Причем водозапас облаков с3, st, а3, Cumed, cu cons взят равным 0.04, 0.1, 0.3, 0.52, 4.7 кг/м2 соответствию. Для каждой реальной атмосферы подбирался некоторый однородный (по температуре и поглощению) слой с максимально близкой индикатрисой излучения. Для этого рассчитанные яркостные температуры - Тя в функции от зенитного угла 6 аппроксимировались выражением:

Т С 9) » Т [1 - ехрС- 0,23 ГзесбЭ ]

Я

где т - термодинамическая температура в К однородного слоя эквивалентного по излучающим свойствам реальной неоднородной атмосфере, Г - вертикальное поглощение в этом слое в дБ. Величины т и Г определялись по методу наименьших квадратов при минимизации функционала:

Результаты вычислений - параметры моделей излучающих атмосфер т и Г сведены в таблицу, которая может быть использована при расчетах яркостных характеристик неба в различных условиях.

В третьей главе описан передвижной измерительный комплекс, созданный для проведения экспериментальных исследований

характеристики этой аппаратуры, особенности методик абсолютных и относительных измерений излучения атмосферы и способы измерения РЯТ покровов и получения радиоизобраиения ладшафтов.

В 3.1 приводится описание конструкции основных узлов супергетеродинного радиометра модуляционного типа и блока управления антенной. Отсутствие малошумящих усилителей ММ диапазона приводит к тому, что основными типами приемных устройств являются супергетеродинные приемники с преобразованием частоты на входе. Созданный измерительный комплекс использует гетеродинный смеситель, разработанный в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Мощность гетеродина подается на такой смеситель по диэлектрическому волноводу через резонатор связи с полосой пропускания 0.3 ГГц, который подавляет амплитудные шумы гетеродина в полосе сигнала и зеркального канала. Бескорпусной смесительный диод с барьером Шоттки, оформлен в виде волноводной вставки, облегчающий сборку и замену диодов. Конструкции резонатора связи и собственно смесителя позволяют производить их перестройку в диапазоне 85-95 ГГц, а однополосные потери преобразования смесителя составляют 7-9 дБ.

n

1=1

В 3.2 рассмотрена методика калибровки приемника и абсолютных измерений угломестной зависимости нисходящего излучения атмосферы. Она представляет собой синтез известных в радиоастрономии методов калибровки » определения абсолютной яркости астрономических объектов. Предлагается схема калиброЕки и абсолютных измерений радиояркости неба,'которая исключает влияние боковых лепестков антенны и неточность -ее визирования на отражатель. Это условие достигается применением Еынесенного плоского отражателя эллиптической формы, закрепленного под углом 45 градусов к электрической оси антенны. При его повороте, в сторону неподвижной приемной антенны отражается излучение неба, идушее с различных зенитных направлений. Размеры эллипса Еыбраны такими, что видимая ( со стороны антенны ) площадь отражателя при этом остается неизменной, что позволяет полностью устранить указанные выше ошибки измерений. Приведены выражения, описывающие вклад в антенную температуру главного и боковых лепестков. Измеренная ширина ДН на уровне половинной мощности в среднем 2 раза превышала расчетную и составляла 40 угловых минут при диаметре антенны 0.6 м нй длине волны 3.42 мм. При измерении использован метод замещения (в радиоастрономии известен как метод " искуственной луны"): с помощью поочередно устанавливаемых под отражателем "теплого" и "холодного" черных тел ( с температурами приземного слоя воздуха и кипящего азота соответственно ) и равной им по размеру металлической пластины, отражающей излучение "опорной области" неба, определялась яркостная температура неба -Тя ( для зенитного угла 6 = 10 градусов ). Получение реперных точек при абсолютных измерениях яркости неба пояснено на графике, на котором показаны калибровочная и рабочая прямые. Яркостная температура неба при других зенитных углах, а также эффективные температуры покровов в функции от угла наблюдения определялись по значениям Тя (9=10град.) и температуре черного тела, равной температуре приземного слоя воздуха - То.

В 3.3 впервые предложена относительная методика обработки измерений радиояркостной температуры атмосферы при использовании только экспериментальных данных угловой зависимости амплитуды сигнала на выходе радиометра. Эта методика основана на том, что численное моделирование индикатрис излучения атмосфер с

4 различными вертикальными профилями, показало возможность во всех случаях замены реальной атмосферы однородным слоем с идентичной индикатрисой излучения.

Алгоритм обработки измерений по такой методике позволяет без эталонных чернотельных излучателей определять- яркостную температуру неба, в условиях чистой атмосферы или сплошной однородной облачносту. При этом погрешность метода в рассматриваемых нами случаях, как показало сравнение с абсолютной калибровкой не превышала 4 Ж.

В 3.4 приводится методика измерения вариаций яркости горного ландшафта, с помощью передвижного измерительного комплекса, представленного в 3.1. Ком]!лекс состоит из сканирующего устройства, радиометрического приемника, аппаратуры низкочастотной обработки сигнала и регистрации на магнитной ленте. Работа сканирующего устройства в автоматической режиме обеспечивается с помошью специально разработанного блока управления электроприводом. Схема блока управления антенной основана на использовании герконных переключателей, реле и реверсивных электродвигателей РД-0.9, которые являются соответственно чувствительными и регулирующими элементами системы. Сканирующее .устройство позволяло производить "съемку" участка местности путем построчного сканирования антенны в угловом секторе 20 градусов по азимуту и шагового перемещения по углу места в пределах 15 градусов. Угловая скорость для каждой строки была постоянной и равнялась 0.3 град./сек.- Измерения производились по следующей методике. На участке местности выбирался маршрут сканирования, границы которого отмечались по естественным ориентирам. Измерительный комплекс размещался на * фиксированном расстоянии от исследуемого ландшафта. По ориентирам с помошью оптического визира сканера контролировалось наведение антенны радиометра при повторных измерениях. В результате • измерений получали таблицу яркостных температур, число строк и столбцов которой соответствовало количеству элементарных плошадок - пикселов, получаемых при оцифровке откликов на выходе радиометра.

В 3.5 приведено выражение для оценки погрешности измерений яркостных температур атм<Л;феры и покровов. Согласно методу

замешения яркостная температура -Тя1 для любого зенитного угла 01 экспериментально определяется из выражения:

<т„ - эи + ст и - т и°э

о Я Я1 я о о я

т

я и - и0

о О я

где т0 и тя - термодинамическая температура приземного слоя

воздуха и РЯТ неба при 9-10 градусов, ия и ия ~ отклики

радиометра соответствующие этим температурам. Контрольные расчеты

показали, что погрешности абсолютных измерений радиояркости

атмосферы не превышают 3 %.

В главе 4 приводятся краткая географическая и метеорологическая характеристика пунктов измерений и основные результаты экспериментальных исследований радиофизических параметров атмосферы и подстилающих поверхностей.

В 4.1 дана краткая характеристика географических и метеорологических условий в пунктах наблюдений. Метеопараметры атмосферы: температура, давление и влажность для летних (июль)и зимних (январь) условий получены путем усреднения соответствующих многолетних данных ближайщих метеостанций и приведены в ввиде графиков суточного ходов этих параметров.

В 4.2 приведены результаты экспериментальных исследований. Измерения проводились в трех пунктах на территории северного Кыргызстана на высотах 0.76 км, 1.60 км и 3.05 км над уровнем моря, которые резко отличаются по географическим и метеоусловиям. Во всех измерениях калибровка по азоту проводилась в условиях чистой атмосферы, после чего регистрировались индикатрисы излучения неба и покровов, что давало возможность привязки результатов измерений к абсолютной жале температур. Приведены графики зависимости РЯТ атмосферы от угла наблюдения, высоты над уровнем моря и сезона года. Найдены средние значения яркостных температур в зените на этих высотах: соответственно для лета - 62, 53 и 23К, для зимы - 35, 33 и 16К. Высотная и сезонная зависимости проявляются в уменьшении яркостных температур с увеличением высоты и переходом от лета к зиме. Причем отклонения РЯТ атмосферы от средних значений тем меньше, чем выше над уровнем моря они измерены. Основным источником вариаций яркостных температур неба, но

видимому.являются изменения ее полного влагосодержания и температурного профиля, обусловленные сменой погодных условий и атмосферных фронтов.

В 4.3 обсуждается временное распределение метео- и радиофизических характеристик атмосферы и их взаимосвязь. Выделены два ряда временных распределений этих характеристик. Это суточный ход и сезонные изменения температуры и абсолютной влажности приземного слоя воздуха - То и р соответственно, а также количество осажденной воды во всей толще атмосферы - ш , яркостная температура неба в зените - Тя и вертикальное поглощение - Г. В сезонных распределениях вышеуказанных величин наблюдается хорошая корреляционная связь, например, коэффициент корреляции между яркостной температурой неба в зените и количеством осажденной воды на высоте 0.76 км над уровнем моря равен 0.91. Это подтверждается и расчетами, выполненными по данным радиозондовой станции "Фрунзе". Вычислены коэффициенты корреляции между РЯТ атмосферы в зените и количеством осажденной воды ( расчетные 0.97, а измеренные 0.91 для высоты 0.76 км ) и решены уравнения регрессии зависимостей метео - и

радиохарактеристик . Уравнение регрессии для высоты 0.76 км над уровнем моря между РЯТ неба в зените и количеством осажденной воды можно предложить для практического использования:

Тя(0.76) - 2.7 ш + 17.9,

где Тя е К, а ш в юл.

В 4.4 выполнен сравнительный анализ и сопоставление результатов расчета и измерений РЯТ атмосферы и вертикального поглощения для высот 0.76, 1.60 и 3.05 км.Для каждой высоты измеренные величины распологались ближе к расчетам по радиозонду, чем по стандартной атмосфере. Это можно обьяснить тем, что расчеты по радиозонду отражают излучающие свойства атмосферы конкретного пункта и дня, а по стандартной атмосфере только ее среднесезонные свойства. На всех высотах экспериментальные значения несколько больше расчетных. Внизу на высоте 0.76 км, где радиозондовая станция и пункт измерений расположены ближе всего, а именно на расстоянии 5 км, расчет и эксперимент очень хорошо

совпадают. Это означает, что методы расчетов в 'целом достаточно пригодны и для горных условий. Большее отличие расчетов от измерений на высоте I.60 км по видимому можно обьяснить тем, что во-первых пункт измерений расположен в особых условиях - рядом с озером Ысык-Куль (250 км от радиозондовой станции), во-вторых на таком расстоянии, где вертикальные распределения метеоэлементов видимо могут существенно отличаться. Превышения эксперимента над расчетом в этом пункте составили в среднем за весь период наблюдений: яркостной температуры на 20 %, а вертикального поглощения на 23 %. Детальное сопоставление с результатами других авторов было трудно выполнить. Полученные в ранее опубликованных работах данные соответствуют обычно другим длинам волн и конкретным условиям измерений, большинство их них к тому же трудно сравнимы друг с другом из-за несопоставимости условий в экспериментах, а часто и из-за отсутствия сведений о метеообстановке во время наблюдений. Поэтому сравнительный анализ был выполнен только на качественном уровне, который дает удовлетворительное в целом согласие результатов полученными разными авторами в различных странах.

В 4.5 приведены результаты экспериментальных исследований радиоизлучения горных покровов. Радиометрическую температуру также называют эффективной температурой - Тэф. или кажущейся радиояркостью покрова. Эффективная температура Тэф. в ММ диапазоне волн определяется суммой собственного излучения погрова и излучения атмосферы, отраженного от этой поверхности. По радиометрическим температурам отдельных покровов экспериментально оценивается радиояркостный контраст двух покровов.Для исследования вариаций излучения горных покровов использована аппаратура, описанная в 3.1. Были проведены около 20 сеансов измерений кажущейся радиояркости участков местности на высоте 3.05 и 1.60 км над уровнем моря. Обработка данных сканирования проведена на ЭВМ, для чего разработан алгоритм визуализации таблиц яркостных температур этих участков. Приведены графики, иллюстрирующие вариации пространственных распределений яркостных температур участков местности и гистограммы их распределений. Диапазон вариаций яркостных температур участков ландшафта на этих высотах составил от 210 до 260К.Получены радиотеплоьые карты

указанных ландшафтов, где достаточно наглядно наблюдаются радиояркостные контрасты между различными типами горных покровов.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы:

1. Создан передвижной измерительный комплекс коротковолновой части ММ диапазона (2.95-3.42 мм). Этот комплекс позволяет измерять и регистрировать индикатрису нисходящего излучения неба и еговариации, а также эффективные температуры горных покровов. Антенна радиометрического приемника диаметром 0.6 м, смонтирована на поворотном устройстве, обеспечивающем визирование в пределах 20 градусов по азимуту и 15 градусов по углу места. Ширина диаграммы направленности антенны на уровне половинной мощности составляет 40 угловых минут, флуктуационная чувствительность приемника от 0.1 К до I К при времени интегрирования I сек. Ширина полосы приемника по промежуточной частоте составляет 500 МП*.

2. Разработана оригинальная методика высокоточных полевых измерений,включающая измерения индикатрисы нисходящего излучения атмосферы и собственного излучения горных покровов, с помощью чернотельных эталонов (абсолютный метод), а также методику измерений излучения неба без этих эталонов (относительный метод). Проведен анализ методических и аппаратурных погрешностей измерений индикатрисы нисходящего излучения и кажущейся радиояркости горных ландшафтов. При этом в абсолютных и относительных измерениях погрешность не превышала 3 % и 4-5 %.

3. В горных условиях северного Кыргызстана проведены систематические измерения индикатрисы нисходящего излучения чистой и облачной атмосферы и радиояркостных характеристик горных ландшафтов. Исследования высотной и сезонной зависимостей нисходящего излучения атмосферы показали, что диапазон вариаций яркостных температур в зените на длине волны 3.42 мм составляет соответственно: на высоте 0.76 км - летом от 46 К до 80 К, зимой от 18 К до 42 К, на высоте 1.60 км - летом от 43 К до 78 К, зимой от 28 К до 66 К, на высоте 3.05 км - летом от 16 К до 40 К, зимой от 12 К до 25 К. Определены средние значения РЯТ неба в зените, а также вертикального поглощения атмосферы, например на высоте 3.05 км эти величины составляют соответственно: летом -23 К и 0.42

дБ, зимой - 16 К и 0.26 дБ .

4. На основе численных методов расчета, как по моделям стандартной атмосферы, так и по данным радиозондовой станции "Фрунзе", исследованы угловые, сезонные и высотные зависимости нисходящего излучения чистой и облачной атмосфер и полного вертикального поглощения. Для средних условий января и июля эти величины составляют соответственно! на высоте 0.76 км - летом 55 К и 0.96 дБ, зимой 29 К и 0.53 дБ, на высоте 1.60 км - летом 3? К и 0.64 дБ, зимой 22 К и 0.39 дБ, на высоте 3.05 км - летом 19 К и 0.39 дБ, зимой 13 К и 0.24 дБ. Показано, что результаты расчетов угловых зависимостей излучения чистой и облачной атмосфе^огут быть аппроксимированы излучением однородного слоя с - погрешностью не более 2 %. Предложена инженерная формула и определены ее параметры для экспресс оценки излучательных свойств атмосферы в диапазоне МЫ волн для следующих атмосферных условий: зима -чистая атмосфера, лето- чистая атмосфера, лето - облачность типа:О,St Си mod, С" Cong .

5. Исследования зависимости РЯТ неба в зените и вертикального поглощения от влагосодержания атмосферы показали, что эти значения высококоррелированы ( коэффициенты корреляции 0.91 и 0.85 соответственно ). Это может быть использовано при разработке экспериментальных методик определения водозапаса по измерениям радиояркости атмосферы в МЫ диапазоне волн, в частности 3-х мм "окне прозрачности".

6. Установлено, что результаты измерений РЯТ атмосферы удовлетворительно согласуются с результатами расчетов этой температуры по данным радиозондовой станции "Фрунзе". Показано, что в целом методы расчетов яркостной температуры и вертикального поглощения атмосферы достаточно пригодны и для горных условий.

7. Исследованы яркостные характеристики участков высокогорного ландшафта, их контрасты и временные вариации в пределах суток к сезонов года. Установлено, что диапазон вариаций яркостных температур горного покрова составляет следующие величины: от 210 К до 260 К, а максимальный контраст наблюдается между участком склона горы с низкой и плотной растительностью и скальный образованием со слоем мелких камней и песка. В итоге исследований получена визуализация участков горного ландшафта и построены радиотепловые карты различных типов горных ландшафтов с

градацией по яркости в 3 К. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

I. Методики измерений и аппаратура для исследований нисходящего излучения атмосферы и собственного излучения горных покровов в коротковолновой части ММ диапазона (2.95-3.42 мм), обеспечивающего флуктуационную чувствительность от 0.1 К до I К при времени интегрирования I сек.

2. Результаты экспериментальных исследований угловых,

сезонных и высотных зависимостей нисходящего излучения атмосферы и рассчитанного по ним вертикального поглощения атмосферы в горных условиях Кыргызстана. Данные осредних значениях и временных распределениях излучения и поглощения атмосферы в различные сезоны года.

3. Модели атмосферного фона в "окнах прозрачности" ММ диапазона.

4.Найденную по экспериментальным данным (с привлечением численных методов расчета излучения и интегрального поглощения атмосферы ) связь интегральной влажности атмосферы северного Кыргызстана с ее излучающими и поглощающими характеристиками в ИМ диапазоне волн.

5. Результаты измерений яркостной температуры участков высокогорного ландшафта, их контрасты и временные вариации, а также радиотепловые изображения различных типов горных ландшафтов.

СПИСОК РАЕОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Ашымканов К.Ш., Зражевский А.Ю. и др. Нисходящее излучение атмосферы в окнах прозрачности ММ диапазона. // Тезисы докладов XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Ленинград, октябрь, 1984, ч.2, с. II-12.

2. Ашымканов К.Ш., Зражевский А.Ю. и др. Радиотепловое излучение атмосферы в горных условиях на ММВ. // Тезисы докладов и Всесоюзной школы-симпозиума по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере. Фрунзе, сентябрь, 19о6, с.56-57.

3. Ашымканов К.Ш., Зражевский А.Ю. и др. Измерение радиояркости атмосферы в горных условиях на волне 3 мм. // Тезисы докладов XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Алма-Ата,

октябрь, 1987, с.252.

4. Ашымканов К.Ш., Зражевский А.Ю. и др. Исследование радиоизлучения атмосферы в горных условиях в МЫ диапазоне волн. // Известия АН Кирг. ССР, сер. Физмат. Фрунзе, Илим, 1988, №2, с.42-46.

5. Ашымканов К.Ш., Камаев P.P. и др. // Тезисы докладов Республиканской конференции по физике. Фрунзе, сентябрь, 1990, с. 188-190.

6. Ашымканов К.Ш., Камаев P.P. и др. там же с. 190-191.

7. Ашымканов К.Ш., Камаев P.P. и др. // Труды международной конференции " Экология высокогорных регионов Бишкек, август, 1991, ( в печати ).

8. Ашымканов К.Ш., Камаев P.P. и др. // Тезисы докладов iv Всесоюзной школы-симпозиума по распространению ММ и СБШ волн в атмосфере. Нижний-Новгород, сентябрь, 199I, с. 92-93.

¡Cüuaj^

Подписано в печать 04.03.1993 г.

Формат 60x84/16. Объем 0,93 усл.п.л. Тираж 100 "йкз.

Ротапринт ИРЗ РАН. Ьак.31.