【技术创新】美国国家航空航天局新辐射计调准土壤卫星频率

2015年2月1日

图注：NASA土壤湿度主－被动探测卫星（SMAP）将提供高分辨率全球土壤湿度图，跟踪全球范围可用的水资源，为决策提供指导。

　　图像来源：NASA/喷气推进实验室（JPL）－加利福尼亚理工学院

　　无论是一片炎热土地还是沼泽湿地，地面都会自然地发射微波能量。虽然能量不多，但是这足以使美国国家航空航天局（NASA）最新型的辐射计从太空监测到它，科研人员可以通过监测结果来研究土壤中的含水量。

　　土壤湿度对于天气预报、干旱、洪水预测以及农业等方面是一个重要的测量值。不同类型的土壤发射出的微波射线量不同，微波释放量随含水量大小而变化。土壤越干，微波能量越大。反之，能量越小。通过辐射计测量这种辐射，科学家便可利用这些数据来计算含水量。

　　本周，一个安装在SMAP卫星上的新辐射计将被发射到轨道。SMAP搭载两个仪器来测量土壤中的含水量。除了辐射计将接收土壤中发出能量的数据，利用一个微波雷达，把与土壤相互作用的卫星信息发射到地面并传输回卫星。

　　为了接收辐射计和雷达的地表信号，SMAP配备了一个每分钟旋转14次、20英寸（50公分）宽的网状天线（空间最大的旋转天线）。一个接收器将解译这两组信号。

　　美国马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心辐射计研究专家Jeff Piepmeier指出，这个接收器非常灵敏。假设在月球上放置一个移动电话，与接收器同一个频率工作，可以看到这个东西打开和关闭的情况。类似于夜视镜检测热红外波段，这个辐射计可测量土壤中的“亮度温度”，一个地表面温度和土壤湿度结合的测量值。通过计算机模型分解温度因素，科学家能够计算出土壤的湿度。科学家已经花费了几十年的时间解译土壤水分辐射计数据，结果已是非常准确了。

　　但是，SMAP卫星辐射计的分辨率为25英里（40公里），覆盖相对较大的区域。为了满足农业生产尺度需要的更为精确的数据，科学家综合了SMAP的雷达仪器数据，此雷达仪由加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室开发和建造。

　　这个雷达收发信号的分辨率达到0.6－1.9英里（0.96－3.04公里）。但由于雷达对植被与土壤表层其他特性更为灵敏，使之无法达到辐射计同样的准确率。

　　因此，两个仪器可以彼此互补。辐射计提供较大面积土地的精确测量结果，同时雷达提供更小地块土壤湿度的详细结果。

　　SMAP副项目科学家Peggy O'Neill声称，将两个仪器结合在一起使用，发挥出彼此最好的功能，就可以在一个6英里（9.6公里）空间分辨率基础上，提供相当准确的土壤湿度测量产品。

　　辐射仪检测到的高质量信号也会带有噪音。射频干扰，或者说是会发生RFI，比如空中交通管制雷达或闭路电视、同一或相邻的频率广播等都会产生干扰。噪音干扰已调好的辐射计频率并毁坏数据。这就像无线电广播，当一个音乐频道窜扰新闻广播频道，就会产生几次点击拨号声。

　　O'Neill指出，SMAP运行在1万4千兆赫兹频率下，将不受地球和空间中监听的科学仪器干扰。但是，监听这个频率的早期仪器会遇到射频干扰信号。为了闹中取静，SMAP辐射计具备新型反RFI增强功能。O'Neill同时指出，噪音是一个问题，戈达德的工程师们必须设计出检测RFI的方法，尽可能的过滤掉数据噪音。

　　基于分谐频率和时间，该技术将来自卫星的数据分离后放进不同盒子。如果出现异常值，这种情况只出现过一次或一个狭窄波段，计算机软件能够将这些数据摘出，与来自土壤的自然信号隔离，这将可以从一个更宽频段获得更为统一的数据。

　　Piepmeier指出，戈达德辐射计研究团队与大学科学家和工程师合作以判断RFI的破坏力和其对科学方法的潜在影响。如果没有目前的技术，SMAP就不能满足它的科学需求。

　　自卫星发射约11天后，甚至在为接收来自地球的信号的网状天线部署之前，SMAP辐射计将被打开。反之，在起初的这些日子里，辐射计将面向太空。

　　此目标是将校准的测量值来调整仪器。射电天文学家拥有详细的空间冷微波背景辐射温度地图，因此SMAP将用这些数据验证辐射计，并按照需要随时进行调正。

　　在任务进展中，卫星将进行定期翻转，从正常的地球指向模式翻转到指向太空深处的校准测量模式，这样可以确保辐射仪的精度长期不变。基于这些精确测量方法，科学家希望通过对土壤情况的更好了解帮助农民、应急管理者及天气预报人员等。

　　原文题目：NASA's New Radiometer Tunes In to Soil's Frequency

　　来源：http://www.spacedaily.com/reports/NASAs_New_Radiometer_Tunes_In_to_Soils_Frequency_999.html

　　（王化编译，殷永元审核）