【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
来源: http://www.spacedaily.com/reports/NASAs_New_Radiometer_Tunes_In_to_Soils_Frequency_999.html
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2015-04-02

 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

 

(王化编译,殷永元审核)