Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

Таблица 3.1

Бортовая аппаратура и ее основные характеристики

Спектрозональная сканирующая система

На сегодняшний день она является наиболее отработанной и распространенной аппаратурой дистанционного зондирования, устанавливаемой практически на все КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ.)

При работе сканирующей системы роль поперечной развертки играет качающееся зеркало 1 (рис. 3.5). Продольная развертка осуществляется благодаря движению КА. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны. При съемке земной поверхности с помощью сканирующих систем 2 и 3 формируется изображение, каждому элементу которого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределах мгновенного поля зрения. Сканерное изображение – упорядоченный пакет яркостных данных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитную ленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму. В геологии используются материалы сканерных съемок с ИСЗ серии "Метеор". На этих спутниках установлены сканирующие устройства различной кон-

51

струкции: с малым разрешением – МСУ-М, со средним разрешением – МСУ-С, с конической разверткой – МСУ-СК, с электронной разверткой – МСУ-Э.

2

Рис. 3.5. Упрощенная схема сканирующей системы

Таблица 3.2

Технические характеристики сканирующих устройств

52

При обработке сканерных космических изображений необходимо учитывать кривизну поверхности, т.е. с помощью специальных программных сред привязывать изображение к привычной картографической поверхности (рис. П.8).

Хорошо зарекомендовал себя сканер нового поколения, названный "тематическим картографом", которым были оснащены американские ИСЗ "Лэндсат-4 и -5". Сканер типа "тематический картограф" работает в семи диапазонах с разрешением 30 м в видимом диапазоне спектра и 120 м в ИКдиапазоне.

Ионозонд

Радиозондирование с борта космического аппарата является одним из наиболее надежных методов определения параметров космической плазмы. Его отличие от всех других методов измерения параметров окружающей плазмы заключается в том, что ионозонд использует резонансные свойства плазмы и получает абсолютные значения измеряемых частот с максимально достижимой точностью, недоступной любым другим видам измерений. Другое преимущество – помимо измерения локальных параметров плазмы (на высоте орбиты космического аппарата) ионозонд работает как прибор дистанционного зондирования. Он позволяет измерять вертикальный профиль распределения электронной концентрации от высоты орбиты до высоты максимума слоя F ионосферы. Кроме того, ионозонд работает как радар, дает возможность получать отражения от различного типа ионосферных неоднородностей разных масштабов и тем самым исследовать неоднородную структуру ионосферы.

Комплекс аппаратуры «Ионозонд» предназначен для оперативного контроля ионосферы Земли методом импульсного многочастотного радиозондирования в диапазоне волн от 1 МГц до 20 МГц на 380 дискретных частотах с шагом 50 кГц.

Предварительные характеристики ионозонда

53

Рис. 3.6. Изображение спутника «Интеркосмос-19» и результат суточного зондирования ионосферы вокруг Земли

Ионозонд располагается на спутнике, движущемся по круговой орбите (рис. 3.6). Зондирование ионосферы осуществляется радиоимпульсами длительностью 133 мкс с частотой повторения 50– 60 Гц. Первый радиоимпульс имеет частоту заполнения 1 МГц, частота заполнения каждого последующего импульса увеличивается на 50 кГц относительно предыдущего, пока не достигнет частоты 20 МГц, после чего частота заполнения возвращается к значению 1 МГц. Циклы изменения частоты заполнения зондирующих импульсов повторяются непрерывно. Длительность одного цикла составляет время измерения одной ионограммы, которая представляет собой зависимость времени прохождения сигнала ионозонда до отражающего слоя ионосферы от частоты заполнения зондирующих импульсов.

54

Передача данных по каналу телеметрии должна обеспечиваться

вдвух режимах:

1)в реальном масштабе времени – по окончании каждого цикла работы;

2)передача ионограмм, измеренных за время полного оборота, на стационарную наземную станцию.

Комплекс содержит два функционально и конструктивно законченных прибора:

собственно ионозонд – приемопередатчик информации (ППИ), предназначенный для формирования зондирующих сигналов и приема отраженных от ионосферы сигналов с устройством формирования цифровых ионограмм, выполняющим функции кодирующего и оперативного запоминающего устройства, предназначенного для преобразования информации, поступающей от ППИ, в цифровой код, запоминания ее в темпе зондирования и последующей ее передачи.

передатчик сигналов научной телеметрии – СОРС-Д, работающий на частоте 137,85 МГц с частотной модуляцией (ЧМ), предназначенный для оперативного сброса информации в реальном масштабе времени от прибора ППИ на наземные ионосферные станции, оборудованные УКВ-антеннами и ЧМ-приемниками диапазона научной телеметрии (136–137) МГц и регистраторами ионограмм.

В состав комплекса «Ионозонд» входят две антенны:

антенна передатчика 137 МГц линейной поляризации, состоящая из двух четвертьволновых вибраторов с практически круговой диаграммой направленности;

антенна ионозонда в виде двух симметричных ортогональных полувибраторов.

Радиоспектрометр

Рассмотрим конкретный прибор, установленный на микроКА «Компас-2». Прибор ПРС-4 (плазменный радиоспектрометр, версия 4) представляет собой радиочастотный анализатор высокочастотных шумов естественного и искусственного происхождения в диапазоне частот 100 кГц – 15 МГц. Плазменный радиоспектрометр – это супергетеродинный приемник с шаговой (25/50/100 кГц) перестройкой гетеродина в полосе измерительного

55

диапазона (100 кГц – 15 МГц). Датчиком прибора является электрический диполь общей длиной 15 м.

Конструктивно прибор (рис. 3.7) представлен новой конструкторской разработкой, адаптированной к использованию на борту малогабаритных спутников. Прибор является совместной разработкой лаборатории спутниковых исследований ИЗМИРАН и Центра космических исследований Польской Академии наук. Отечественные и зарубежные аналоги прибора в данном широтном диапазоне отсутствуют.

Дипольная

антенна HFA

PA-A PA-B

Ключ Ключ

RFA

Симметрирующий

фильтр

56

57

загрязнений, которые через процессы ионизации и класторизации атмосферы приводят к аномальным эффектам конденсации влаги. На рис. 3.9 представлен общий вид ИСЗ «Метеор-М» № 1 со сканирующим радиометром (модуль температурно-влажностного зондирования атмосферы).

Бортовойрадиолокационный комплекс «Северянин-М» Модультемпературного и

влажностного зондирования атмосферы

Многозональноесканирующее устройство метеорологического назначения

РадиолинииМ, ДМ и СМ диапазонов

Рис. 3.9. Космический аппарат «Метеор-М» № 1

Зарубежные аналоги аппаратуры, которые можно использовать для дистанционного мониторинга радиоактивных загрязнений

Рассмотрим еще один метод, который не отмечен в таблице, – «метод малых газовых составляющих». Этот метод основан на измерении вариаций нейтральных компонентов воздуха, находящегося под действием радиации. К сожалению, на отечественных космических системах не устанавливается подходящая аппаратура. Например, известны эксперименты, использующие компактный газокорреляционный радиометр ГКР-С с пространственным сканированием для дистанционных измерений содержания окиси углерода (CO) и метана (CH4) в пограничном слое атмосферы с аэрокосмических носителей. При визировании в надир и близких на-

58

правлениях прибор измеряет проходящее через атмосферу и отраженное от земной поверхности солнечное излучение, которое внутри прибора фильтруется кюветами, наполненными CO и CH4 с модулируемой длиной оптического пути. При этом выделяется информация о нижних (включая приземный) слоях атмосферы и сводится к минимуму влияние посторонних газов и условий освещения. Точность измерений содержания CO и CH4 в столбе атмосферы по лучу зрения прибора составляет, соответственно, до 10 % и 1% от их фонового содержания в свободной атмосфере. Важным достоинством предлагаемой аппаратуры является возможность оперативного контроля обширных территорий с больших высот без использования мощных (как в лидарах) искусственных источников облучения атмосферы и, как следствие, малые габариты, масса аппаратуры и ее энергопотребление. Относительно небольшой поток данных на выходе прибора допускает обработку информации в темпе ее приема с визуализацией детальных карт распределения газовых примесей над районами природных аномалий и объектами народно-хозяйственной деятельности. Таким образом, газокорреляционный радиометр «ГКР-С» с пространственным сканированием (габаритные размеры – 500×300×200 мм, масса без источника питания – 10 кг, потребляемая мощность – 20 Вт.) может быть размещен на борту малого КА.

Для примера, схожее оборудование MOPITT (Measurement of Pollution in the Troposphere) для измерений CH4 и CO в тропосфере было установлено на космической платформе EOS-АМ1, запущенной в декабре 1999 г. по программе НАСА. Данная аппаратура позволяет измерять яркости уходящего излучения в области длин волн 2.3, 2.4 и 4.7 мкм. MOPITT представляет собой четырехканальный корреляционный спектрометр со сканированием поперек направления движения спутника. Аппаратура разработана Канадским космическим агентством и позволяет определять на основе измерений характеристик уходящего инфракрасного излучения вертикальные профили CO и общее содержание CH4 в тропосфере. Оба эти соединения образуются в результате сжигания биомассы, в результате хозяйственной деятельности, производятся океанами и существенным образом влияют на перенос излучения в атмосфере.

59

Другой пример – это усовершенствованная модель спектромет-

ра SAGE III (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment), позволяю-

щая измерять характеристики уходящего излучения в диапазоне длин волн 280–1550 нм со спектральным разрешением около 1 нм, с пространственным разрешением 2×1°. Основными научными задачами третьей миссии аппаратуры SAGE III на российском метеорологическом спутнике "Метеор-М" является получение высококачественных данных о ключевых составляющих земной атмосферы и их долговременной изменчивости в глобальном масштабе.

Уникальные возможности восстановления вертикальных профилей озона и аэрозоля в верхней тропосфере и стратосфере, восстановления вертикальных профилей температуры, содержания водяного пара и двуоксида азота в стратосфере и нижней мезосфере, определяющих радиационные и химические процессы в атмосфере, позволят получить новые знания об основных климатообразующих факторах. Использование новых газокорреляционных методов дает возможность выделять из общего профиля информацию о тропосфере, об изменении ее химического и аэрозольного состава. Анализируя эти данные можно с большой вероятностью судить о характере загрязнений в нижних слоях атмосферы.

Литература

1.Дистанционное зондирование в метеорологии, океанографии

игидрологии. М.: Мир, 1984. 532 с.

2.Кондратьев К.Я., Бузников А.А., Покровский О.М. Глобальная экология: Дистанционное зондирование // Итоги науки и техники. Сер. Атмосфера, Океан, Космос. Программа «Разрезы».

Т. 14. М.: ВИНИТИ, 1992. С. 1–312.

3.Получение и использование спутниковых данных о природных ресурсах Земли и окружающей среде / Под. ред. А.М. Волкова: Труды НИЦ Изучения природных ресурсов. Вып. 45. СПб.: Гидрометеоиздат, 1999. 200 с.

4.Боярчук К.А., Карелин А.В., Широков Р.В. Базовая модель кинетики ионизированной атмосферы, М.: ВНИИЭМ, 2006. 203 с.

5.Соколов В.Е., Криволуцкий Д.А., Усачев В.Л. Дикие животные в глобальном радиоэкологическом мониторинге. М.: Наука, 1989. 150 с.

60