Un radiómetro de microondas es un instrumento de detección remota que mide energía en el rango de microondas (en frecuencias de 1 a 1000 GHz ). La mayoría de los radiómetros de microondas están equipados con múltiples canales receptores para caracterizar efectivamente la radiación recibida de la atmósfera o de los objetos en el espacio . En la actualidad, los radiómetros de microondas se utilizan ampliamente en diversos campos de la actividad humana, desde la investigación científica en el campo de la geofísica y la radioastronomía hasta los estudios de ingeniería.
El análisis de la radiación de microondas en el rango de 1-300 GHz permite utilizar información adicional en los rangos visible e infrarrojo . La atmósfera y la vegetación son translúcidas en el rango de microondas , mientras que los componentes atmosféricos como los gases secos, el vapor de agua o las precipitaciones interactúan activamente con la radiación de microondas . Sin embargo, incluso una atmósfera nublada en un rango de frecuencia dado transmite una cierta cantidad de radiación [1] .
Los radiómetros de microondas se utilizan tanto en tierra como en el espacio para la investigación meteorológica y climática , y para la vigilancia atmosférica [1] [2] . Los radiómetros de microondas modernos están fabricados para operar en modo automático ininterrumpido. Además, algunos tipos de radiómetros se están diseñando para usarse junto con otros instrumentos de teledetección atmosférica, como lidars o radares . Los radiómetros brindan información invaluable sobre características meteorológicas tales como: temperatura , humedad relativa , contenido integral de vapor de agua en la columna atmosférica, contenido de vapor de agua en gotas líquidas . Todas las características son leídas por radiómetros en alta resolución temporal y espacial en tiempo real en casi cualquier condición climática [3] .
Los primeros desarrollos de radiómetros de microondas destinados al estudio de la radiación cósmica se remontan a las décadas de 1930 y 1940. Robert Dicke en 1946 desarrolló y puso en funcionamiento uno de los tipos más comunes, como resultó más tarde, de radiómetros de microondas. Este radiómetro, diseñado para medir la temperatura de la radiación de fondo de microondas , fue fabricado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts , en el Laboratorio de Investigación de Radiación. El rango de operación de este radiómetro se ubicó en una longitud de onda de 1,25 cm. Posteriormente, utilizando tres radiómetros diferentes (las longitudes de onda de estos radiómetros eran iguales a 1, 1,25 y 1,5 cm), Dicke pudo detectar la absorción atmosférica débil en el rango de microondas [4] .
Poco después de que se lanzaran los primeros satélites al espacio , los radiómetros de microondas se convirtieron en una parte integral del equipo orbital. En 1962, empleados de la NASA enviaron al espacio el satélite Mariner 2 , equipado con un radiómetro de microondas para medir el contenido de vapor de agua y la temperatura , para estudiar la superficie de Venus . En 1968, los científicos soviéticos lanzaron el primer radiómetro multifrecuencia del mundo a bordo del satélite Kosmos-243, diseñado para el sondeo radiométrico del planeta Tierra. El espectrómetro de radio a bordo del satélite Kosmos-243 incluía canales dirigidos al nadir con longitudes de onda de 0,8, 1,35, 3,4 y 8,5 cm. En los años siguientes, se instalaron muchos radiómetros de microondas en varios satélites . Uno de los puntos más importantes en la historia de la radiometría de microondas fue el lanzamiento del Radiómetro de Microondas Multicanal de Barrido a bordo del satélite Nimbus en 1978. Una característica de este radiómetro era el modo de barrido cónico, que se usaba para tomar fotografías de la Tierra con un ángulo de visión constante. El factor ángulo fue clave en este asunto, ya que las propiedades radiantes de la superficie terrestre tienen una dependencia angular. A principios de la década de 1980, se desarrollaron nuevas variedades de radiómetros de microondas que eran capaces de operar en múltiples frecuencias y tenían polarización bipolar . Se lanzaron dos nuevos tipos de radiómetros como parte de las misiones espaciales Nimbus-7 y Seasat . El Nimbus-7 ha abierto nuevos caminos en el monitoreo geofísico al tomar mediciones de microondas de océanos , suelos cubiertos de nieve y glaciares. Actualmente, los radiómetros de microondas se utilizan no solo en el espacio a bordo de satélites, sino también en tierra.
Los radiómetros de microondas terrestres, construidos para la elaboración de perfiles de temperatura atmosférica , se desarrollaron y pusieron en servicio por primera vez en la década de 1960. Los avances y desarrollos tecnológicos en el campo de la radiometría de microondas han hecho avances significativos en el desarrollo de radiómetros. Actualmente, los estudios atmosféricos que utilizan radiómetros de microondas están bien coordinados y automatizados debido a la presencia de varias redes de seguimiento terrestres [5] .
Las sustancias en estado sólido , líquido y gaseoso (es decir, la superficie terrestre, los océanos , el hielo polar, la nieve y la vegetación ) emiten y absorben radiación de microondas. La cantidad de radiación que registra un radiómetro se suele expresar utilizando la temperatura de brillo , una especie de equivalente a la temperatura de un cuerpo negro . En el rango de microondas, hay varios gases atmosféricos a la vez que tienen una línea de absorción rotacional. Cada gas tiene propiedades de absorción únicas, en base a las cuales es posible juzgar la cantidad de un gas particular en la atmósfera y su estructura vertical. Una de las líneas de absorción de oxígeno , por ejemplo, está en la región de los 60 GHz . Las propiedades de absorción de las moléculas de oxígeno son causadas por transiciones de dipolos magnéticos. Usando estas propiedades, se pueden calcular las características de temperatura de la atmósfera . Una fuerte línea de absorción de vapor de agua se encuentra en la región de 22,235 GHz y se puede utilizar para caracterizar la humedad atmosférica. Hay muchas líneas de absorción importantes en otras frecuencias , entre las que cabe destacar la segunda línea de absorción de oxígeno (118,72 GHz ) y otra línea de absorción de vapor de agua (183,31 GHz ). Existen otras líneas de absorción más débiles, como las del ozono , que se utilizan para medir su concentración estratosférica y para medir la temperatura en la estratosfera .
Las precipitaciones , como las gotas de agua líquida o las partículas de hielo congeladas, se pueden utilizar como fuentes de microondas de información atmosférica en bandas de absorción molecular débiles . La radiación del agua líquida aumenta con la frecuencia , lo que significa que las mediciones de microondas en dos frecuencias (una de las cuales está cerca del centro de absorción y la otra está más cerca de la zona transparente) nos permiten obtener la información más importante sobre el contenido vertical de vapor de agua y gotas de agua líquida . Esta tecnología de medición se utiliza en radiómetros equipados con dos o más canales. Por lo general, la banda alrededor de 22,235 GHz se elige como la línea cercana a la banda de absorción , mientras que la banda alrededor de 31 GHz se elige como la zona transparente. Además, existe un patrón de dispersión creciente de la radiación de microondas en función del crecimiento de la precipitación a altas frecuencias (más de 90 GHz ). Este efecto de mejora de la dispersión se utiliza en las observaciones atmosféricas utilizando mediciones de microondas de polarización para separar la lluvia y las nubes con alta eficiencia en los parámetros deseados [6] . Además, este efecto se puede utilizar para vincular el contenido del perfil de las partículas de nieve o hielo cuando se mide desde el espacio [7] o desde la Tierra [8] .
Un radiómetro de microondas consta de una antena, componentes de RF de microondas y un sistema de procesamiento de señales de frecuencia intermedia . La señal que proviene de la atmósfera suele ser muy débil y necesita amplificarse del orden de 80 dB. Para la amplificación, a menudo usan una técnica heterodina, con su ayuda, la señal se convierte a frecuencias más bajas . Para evitar ruidos innecesarios en la unidad receptora, las condiciones de temperatura dentro del sistema deben mantenerse estables.
La mayoría de los radiómetros de microondas terrestres están equipados con sensores meteorológicos externos que son sensibles a los cambios de temperatura y humedad en la atmósfera . Además, ahora está muy extendido el uso de sensores GPS , que se acoplan al cuerpo del radiómetro desde el exterior y permiten registrar la hora y la ubicación. La antena, en la mayoría de los casos, se encuentra dentro del radiómetro. Las medidas se toman a través de un orificio relleno con un material de espuma que es transparente a la radiación de microondas . Este material está diseñado para proteger la antena del polvo, el agua líquida o la nieve . El radiómetro también se puede equipar con un ventilador diseñado para proteger la abertura del instrumento del radiómetro de la acumulación de rocío , nieve o hielo.
Una vez en la antena durante la recepción, la frecuencia de la señal cambia hacia frecuencias de radio intermedias. Este proceso se lleva a cabo utilizando un oscilador instalado dentro del radiómetro. Luego, con la ayuda de un amplificador, se aumenta la intensidad de la señal . En esta etapa, el sistema registra la señal en modo de máxima potencia . La señal se registra dividiéndola en varias bandas de frecuencia mediante un espectrómetro . En los casos en que se requiere calibración de instrumentos de alta frecuencia, se utiliza un interruptor Dicke.
La calibración es uno de los procesos de ajuste del radiómetro más importantes y es la base para las posteriores mediciones de temperatura de brillo de alta precisión . Por tanto, la calidad de los datos resultantes, como perfiles de humedad, perfiles de temperatura o contenido de vapor de agua atmosférico , dependerá de la calidad del proceso de calibración . La forma más fácil de calibrar un radiómetro es la llamada calibración "caliente y fría". Con este método, dos cuerpos absolutamente negros con diferentes temperaturas se utilizan como muestras : un cuerpo es "caliente", el segundo es "frío". Los valores físicos de la temperatura de estas muestras son conocidos, en base a ellos es posible calcular la temperatura de brillo , la cual está linealmente relacionada con el voltaje de salida del radiómetro.
Como cuerpo negro para la calibración, los radiómetros terrestres suelen utilizar un "objetivo" externo como cuerpo "caliente". El papel de un cuerpo "frío" puede ser otro objeto enfriado por nitrógeno líquido a una temperatura de 77 K o un segmento de cielo despejado, al que se dirige el radiómetro en el modo de medición "cenital". En el segundo caso, es necesario aplicar la teoría de la transferencia de calor para calcular la temperatura de brillo del segmento celeste seleccionado [9] . En los radiómetros satelitales, el cuerpo "caliente" es un "objetivo" calentado, y la radiación cósmica de fondo se usa simplemente como "fría". Para mejorar la precisión y la estabilidad de las calibraciones del radiómetro de microondas, se pueden utilizar como "objetivos" interruptores Dick o fuentes de ruido interno provenientes del propio radiómetro.
El cálculo de características físicas de la atmósfera como la temperatura y el contenido de vapor de agua mediante radiometría de microondas es una tarea nada trivial, para la que se han desarrollado varios algoritmos de cálculo matemático (por ejemplo, la técnica de estimación óptima). Los perfiles de temperatura se calculan a partir de mediciones en frecuencias cercanas a los 60 GHz, donde se encuentra la banda de absorción de la radiación de microondas por parte del oxígeno. La radiación a cualquier altitud es casi directamente proporcional a la temperatura y la densidad de oxígeno. A diferencia del vapor de agua, el oxígeno se distribuye uniformemente en la atmósfera de todo el mundo. Debido a que el perfil de concentración de oxígeno vertical se conoce a priori, las señales basadas en la temperatura de brillo se pueden usar directamente para calcular los perfiles de temperatura física.
El principio de cálculo se basa en el hecho de que la señal en el centro de la línea de absorción proviene principalmente de partes de la atmósfera ubicadas más cerca del radiómetro (generalmente, esto no es más que unos pocos cientos de metros). A medida que nos alejamos de la línea de absorción hacia la zona transparente, se observa la superposición de la señal y la señal comienza a provenir de capas más distantes de la atmósfera. Así, combinando varios canales de microondas, es posible calcular información sobre la distribución vertical de la temperatura en la atmósfera. Se utiliza un principio similar cuando se calculan los perfiles verticales del vapor de agua, en este caso, la línea de absorción a 22,235 GHz sirve como fuente de datos.
Los radiómetros de microondas están instalados en varios satélites en órbita . La tarea principal de tales radiómetros es monitorear la superficie terrestre y la atmósfera . Algunos radiómetros funcionan en modo de cono, ejemplos de tales instrumentos son AMSR , SSMI, WINDSAT. Otros radiómetros operan en el modo de disparo perpendicular a la superficie terrestre. El segundo tipo de radiómetro se usa para monitorear la salinidad de los mares y océanos , la humedad del suelo , la temperatura de la superficie del agua , la velocidad del viento sobre los océanos y para observar la precipitación y la nieve .
Ejemplos de radiómetros que operan a bordo de varios satélites son SSMI (Sensor especial de microondas/Imager) , radiómetro de microondas de barrido multicanal , WindSat , unidad de sondeo de microondas, sonda de humedad de microondas , serie japonesa de radiómetro de barrido de microondas avanzado . En 2011, se lanzó al espacio la nave espacial Juno , cuyo objetivo principal es estudiar la atmósfera de Júpiter utilizando un conjunto de radiómetros de microondas [10] .
Actualmente existe una gran red de monitorización basada en el uso de radiómetros de microondas, se denomina MWRnet . La red fue fundada en 2009 por un grupo internacional de científicos especializados en radiómetros de microondas. Dentro de esta red, existe un intercambio de experiencias entre científicos de diferentes países, en un futuro cercano se planea desarrollar software y procedimientos comunes para monitorear la calidad de los datos de microondas, lo que acercará la red MWRnet a redes de monitoreo similares, como como AERONET , CWINDE , EARLINET .