Коррекция спектров радиотеплового излучения атмосферы, регистрируемых в нестационарных гидрометеорологических условиях

В ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН осуществляются долговременные натурные измерения спектра атмосферного микроволнового излучения в диапазоне частот от 18,0 до 27,2 ГГц со спектральным разрешением 200 МГц с помощью прибора Р22М, изготовленного СКБ ИРЭ РАН. Регистрация спектра основана на супергетеродинной схеме приема сигнала с программируемым синтезатором частот, что позволяет получать до 47 частотных каналов с шагом 0,2 ГГц внутри указанного частотного диапазона. Измерения проводятся одновременно на двух заданных частотах, разнесенных на 3,2 ГГц. Для регистрации полного спектра необходимо последовательное сканирование на 31 рабочей частоте гетеродина, что занимает около 11 секунд. При этом 15 частотных каналов в середине диапазона дублируются, то есть измерения на частотах 21,2 ГГц – 24,0 ГГц выполняются дважды: в начале и в конце каждого цикла измерений.
Метеорологические условия наблюдений часто таковы, что измерения спектра, выполненные за один рабочий цикл, следует считать существенно несинхронными, то есть, не характеризующими одно и то же состояние атмосферы на всех частотах. Это, в частности, относится к случаю разрывной облачности. Критерием существенной несинхронности является взаимный сдвиг низко- и высокочастотной ветвей измеренного спектра. В результате резко снижается точность восстановления атмосферных параметров, основанного на вариационных алгоритмах согласования измеренных и модельных спектров. Возникает необходимость коррекции спектров по временным сериям наблюдений для удовлетворительно точного описания одного и того же «мгновенного» состояния атмосферы во всех измерительных каналах.
В работе предложен подход к восстановлению «мгновенных» спектров собственного СВЧ-излучения атмосферы в нестационарных состояниях по данным измерений радиометра Р22М в диапазоне частот 18 – 27,2 ГГц. Подход основан на алгоритме временной интерполяции измерений, эффективно приводящем данные цикла измерений во всех частотных каналах к единому моменту времени, и критерии качества интерполяции, основанном на сравнении независимо измеренных низко- и высокочастотных ветвей спектра. На примерах обработки данных сеансов калибровки и наблюдений атмосферы показано высокое качество работы предложенного алгоритма. Остаточные средние невязки между двумя ветвями спектра сопоставимы с погрешностью измерений в отдельных каналах (около 0,1 – 0,3 К). Тем самым открыта возможность изучения «мгновенных» спектров собственного микроволнового излучения атмосферы в диапазоне 18 – 27,2 ГГц в сложных, быстро меняющихся гидрометеорологических условиях с высоким спектральным разрешением и удовлетворительной радиометрической погрешностью.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (темы «Мониторинг», гос. регистрация № 122042500031-8 и «Космос-2», гос. регистрация № 075-01133-22-00), а также РФФИ (проект № 20-07-00200 А).