DE69627804T2

DE69627804T2 - Mikrowellensensorsystem mit variabler frequenz für die messung der tropopause und verfahren dazu

Info

Publication number: DE69627804T2
Application number: DE69627804T
Authority: DE
Inventors: C. Richard SAVAGE; L. James PEIRCE
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-30
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2016-07-31
Also published as: JPH09511840A; US5724043A; EP0783673B1; DE69627804D1; WO1997005460A1; EP0783673A1; JP3241738B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung der Eigenschaften der Atmosphäre und, insbesondere, die Messung der Eigenschaften der Tropopause.
Die Tropopause ist eine von den Meteorologen definierte Grenze zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre. Die Troposphäre ist derjenige Teil der Erdatmosphäre, welcher an die Erdoberfläche angrenzt, und ist durch abnehmende Temperatur bei zunehmender Höhe charakterisiert. Die Stratosphäre ist der Teil der Erdatmosphäre oberhalb der Tropopause und ist durch zunehmende Temperatur mit zunehmender Höhe charakterisiert. Die Höhe der Tropopause ändert sich abhängig von der Zeit und vom Ort, liegt aber typischerweise im Bereich von 10 bis 20 Kilometern oberhalb der Erdoberfläche. Die Temperatur der Tropopause ändert sich auch abhängig von der Zeit und dem Ort, liegt aber typischerweise im Bereich von 180°K bis 215°K.
Der Jetsstream der Erde fließt in oder nahe der Tropospause. Das Verhalten des Jetstream und andere Faktoren, welche das Wetter auf der Erde beeinflussen, sind in wesentlichem Maße abhängig von der Höhe und der Temperatur der Tropopause und ihrer Änderungen abhängig von Zeit und Ort. Demgemäß ist es von Wichtigkeit, Kenntnis über den genauen Zustand und Änderungen der Tropopause zu haben, um bei dem Verständnis und der Vorhersage des Wetters eine Unterstützung zu erfahren.
Daten über die Temperaturverteilung in der Atmosphäre wurden herkömmlich durch Raketensonden, Ballons oder Instrumente gewonnen, welche unmittelbar in die Atmosphäre eingebracht wurden. Diese Techniken sind bezüglich ihrer Fähigkeiten zur Gewinnung von Daten auf regelmäßer Basis und über einen weiten Bereich von Örtlichkeiten begrenzt. In jüngerer Zeit wurden Infrarot-Radiometer und Mikrowel len-Radiometer entwickelt, um eine Ferndetektierung atmosphärischer Temperaturen, entweder von der Erde aus, oder von einem Raumfahrzeug aus vorzunehmen, das über der Atmosphäre umläuft. Im allgemeinen messen solche Radiometer die Leistung, die in einem ausgewählten Energieband von der Konzentration aktiver Arten innerhalb eines Bereiches der Erdatmosphäre abgestrahlt wird. Von diesen Leistungsdaten und einer Kenntnis der Dämpfungseigenschaften der Atmosphäre können Temperaturen der Atmosphäre bestimmt werden.
Atmosphärische Radiometer werden weithin verwendet, um wichtige Wetterinformationen zu erzeugen, haben jedoch in ihrer gegenwärtigen Form Nachteile. Infrarot-Radiometer können nicht durch eine überlagernde Wolkendecke messen. Mikrowellenradiometer können nicht durch Niederschlag hindurch messen. Zusätzlich arbeiten Mikrowellenradiometer typischerweise bei einer Mehrzahl fester Mikrowellenfrequenzen, etwa 60 GHz in vorhandenen Systemen. Bei den existierenden Systemen werden etwa 10 bis 20 Kanäle verwendet, und es laufen Studien, Radiometer zu entwickeln, welche nicht weniger als 100 Kanäle haben. Die Verwendung von vielfachen Kanälen erhöht das Gewicht, das Volumen, die Leistungsanforderungen und die Kosten des Radiometersystems, wobei dies alles für ein auf einem Raumfahrzeug betriebenes Radiometer unerwünscht ist.
Die DE-1648287 offenbart eine Einrichtung zur Messung der gewichteten Mitteltemperatur eines Volumens der Atmosphäre. Die Einrichtung enthält ein Radiometer mit einer Richtantenne, welche so angeordnet ist, das sie die Intensität der Strahlung mißt, welche bei Frequenzen empfangen werden, die in einem Sauerstoffresonanzfrequenzband oder beiden Sauerstoffresonanzfreuenzbändern, zentriert bei etwa 60.000 MHz und bei etwa 119.000 MHz gelegen sind, sowie mit Mitteln zur Korrektur der gemessenen Intensität bezüglich Antennenstrahlbreite und Frequenzabhängigkeit des Radiometeransprechens, um eine Maß der gewichteten Mitteltemperatur der Sauerstoffmoleküle in einem Kegel konstanten Scheitelwinkels zu erhalten.
Die Veröffentlichung "Atmospheric radio brightness characteristics in the 2,53 millimetre line", I. B. Kotlyar E. A., SOV. J. Remote Sensing, Band 7, no. 1, 1990, UK, Seiten 61 bis 71, offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines atmosphärischen Temperaturprofils.
Es besteht Bedarf an einer verbesserten Lösung zur Messung der Eigenschaften, insbesondere der equivalenten Höhe und der Temperatur, der Tropopause. Die vorliegende Erfindung befriedigt diesen Bedarf und bietet weiter zugehörige Vorteile.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Messung der Eigenschaften der Tropopause. Es werden sowohl Höhe als auch Temperatur bestimmt. Die Lösung basiert auf Mikrowellen-Radiometrie, was es ermöglicht, daß die Messungen mit dem Instrument in einer großen Entfernung durchgeführt werden, beispielsweise in einem umlaufenden Raumfahrzeug. Die Eigenschaften der Tropopause können bis auf innerhalb weniger hundert Fuß von Höhe und einiger weniger Grade der Temperatur gemessen werden.
Gemäß der Erfindung enthält eine Einrichtung zur Messung von Eigenschaften der Tropopause ein frequenzvariables Mikrowellen-Radiometer, das über einen Frequenzbereich von etwa 118 bis etwa 119 GHz arbeitet. Das Radiometer empfängt als einen ersten Eingang eine Mikrowellensignal und als einen zweiten Eingang ein Frequenzauswahlsignal und erzeugt als einen Ausgang einen gemessenen Leistungspegel bei einer Meßfrequenz entsprechend dem angegebenen Frequenzauswahlsignal. Die Einrichtung enthält weiterhin eine Rückkopplungssteuerung, welche als Eingang den gemessenen Leistungspegel aufweist und als Ausgang das Frequenzauswahlsignal erzeugt. Die Rückkopplungssteuerung hat die Aufgabe, das Frequenzauswahlsignal zu einer Zielfrequenz hin zu verändern, um einen Minimalwert in dem gemessenen Leistungspegel zu erzeugen. Eine Tropopausen-Equivalenthöhe wird aus der Zielfrequenz bestimmt.
Das Radiometer enthält vorzugsweise eine Mikrowellenempfangsantenne, einen Verstärker, welcher einen Ausgang der Antenne aufnimmt, Mittel zur Filterung eines Ausgangs des Verstärkers bei der Meßfrequenz zur Erzeugung eines gefilterten Ausgangs, sowie Mittel zur Bestimmung der Leistung des gefilterten Ausgangs. In der bevorzugten Anwendung ist die Mikrowellenantenne an einer auf Erdumlaufbahn befindlichen Plattform oder anderen Mitteln montiert, um zu ermöglichen, daß die Antenne nach abwärts in Richtung auf die Erdatmosphäre gerichtet wird.
Ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften der Tropopause enthält den Schritt der Messung der abgestrahlten Leistung für ein Volumen der Erdatmosphäre in einem Bereich, welcher die Tropopause enthält, bei einer Meßfrequenz innerhalb des Bereiches von etwa 118,0 bis etwa 119,0 GHz, bei welcher die abgestrahlte Leistung einen Minimalwert hat, wobei diese Meßfrequenz die Zielfrequenz ist. Eine tropopausen-äquivalente Höhe wird aus der Zielfrequenz bestimmt. Zusätzlich kann das Verfahren die Messung einer Mehrzahl von abgestahlten Leistungenswerten bei einer Mehrzahl von Frequenzen innerhalb des Bereiches von etwa 118,0 bis 119,0 GHz, und das Bestimmen der Tropopausentemperatur aus der tropopausen-äquivalenten Höhe und der Mehrzahl von abgestrahlten Leistungswerten enthalten.
Es ist bekannt, Mikrowellenradiometer zu bauen, welche eine Reihe von diskreten Frequenzen der Sauerstoffmolekül-Mikrowellenemissionslinien (Absorbtionslinien) innerhalb des Bereichs von etwa 50 bis 60 GHz verwenden. Die von diesen Radiometern gemessene Leistung ist ein integriertes Produkt des vertikalen Temperaturprofils und einer Gewichtungsfunktionkurve. Es ist nicht möglich, die Tropopausenhöhe oder die Temperatur aus diesen Messungen zu ermitteln.
Bei der Erfindung andererseits wird das Mikrowellen-Radiometer nahe an der Sauersoffabsorptionslinie bei 118,75 GHz, und insbesondere im Bereich von etwa 118,0 bis 119,0 GHz betrieben. Die Verwendung diese Messfrequenzbereiches im Un terschied zu dem Bereich von 50 bis 60 GHz hat verschiedene Vorteile. Erstens wird eine Reihe von Messungen bei einzelnen gefilterten Meßfrequenzen innerhalb des Bereiches von 118,0 bis 119,0 GHz anstatt in Beziehung zu einer Serie von Sauersoffabsorptionslinien wie in dem 50 bis 60 GHz-Bereich gemacht, was in einer weniger komplizierten, weniger kostspieligen und geringeren Leistungsverbrauch aufweisenden Einrichtung resultiert. Zweitens gehört in dem Mikrowellenfrequenzbereich nahe 118,75 GHz zu einer monotonen Frequenzänderung eine monotone Änderung in der Höhe der Ansprechfunktion, da eine einzige Sauersoffabsorptionslinie vorliegt. Diese Eigenschaft vereinfacht die Konstruktion der Rückkopplungssteuerung. Die monotone Änderung findet sich nicht in dem 50 bis 60 GHz-Mikrowellenfrequenzbereich, wo viele Sauersoffabsorptionslinien vorhanden sind. Drittens finden sich die Spitzen in den bekannten Mikrowellenansprechfunktionen im Frequenzbereich von 118,0 bis 119,0 GHz etwa in den Höhen, bei den die Tropopause ganz typisch beobachtet wird, nämlich 10 bis 20 Kilometer. Eine verhältnismäßig kleine Änderung in der Frequenz kann als unabhängige Variable bei der Bestimmung der minimalen Energieimmission entsprechend der minimalen Temperatur verwendet werden, was die Instumentenkonstruktion vereinfacht. Dies ist nicht der Fall für mehrfache Sauerstoffemissionslinien im Bereich von 50 bis 60 GHz, deren Spitzen der Mikrowellenanspruchfunktion sich in ihren Höhen weithin unterscheiden und es herrscht eine Störung bei der Messung der Energieänderungen, resultierend aus Änderungen der Meßfrequenz aufgrund des Vorhandenseins benachbarter Sauersoffabsorptionsspitzen.
Die vorliegende Lösung stellt einen Fortschritt auf dem Gebiet der Messung der Eigenschaften der Atmosphäre dar. Die äquivalente Höhe und die Temperatur der Tropopause wird mit einem aus der Ferne detektierenden Mikrowellenradiometer gemessen, welches bei den meisten Bedingungen arbeitet, die bei Tropopausenmessungen angetroffen werden. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen die Grundsätze der Erfindung beispielsweise erläutert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung der Messung von Eigenschaften der Tropopause unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung;
2 ist eine Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems;
3 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist ein Block-Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 ist eine schematische Graphik der Mikrowellen-Ansprechfunktionen in Abhängigkeit von der Höhe für verschiedene Mikrowellenfrequenzen; und
6 ist eine schematische Graphik der gemessenen Mikrowellenleistung in Abhängigkeit von der Meßfrequenz.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch die Örtlichkeit, die Eigenschaften und die Messung der Eigenschaften der Troposphäre unter Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung. Unmittelbar oberhalb der Erdoberfläche 20 befindet sich eine Schicht der Atmosphäre, welche als Troposphäre 22 bezeichnet wird. Oberhalb der Troposphäre 22 befindet sich eine weitere Schicht der Atmosphäre, welche als Stratosphäre 24 bezeichnet wird. Die Trennlinie, welche von den Meteorologen zwischen der Troposphäre 22 und der Stratosphäre 24 definiert wird, ist die Tropopause 26. Wie in der schematischen Darstellung auf der linken Seite von 1 gezeigt ist, nimmt die Temperatur der Atmosphäre all mählich mit zunehmender Höhe über der Erdoberfläche in der Troposphäre 22 ab, erreicht einen Minimalwert an der Tropopause 26 und steigt dann allmählich mit zunehmender Höhe über der Erdoberfläche in demjenigen Teil der Stratosphäre 24 an, welche nahe der Tropopause 26 liegt.
Die Tropopause 26 wird daher durch eine Höhe charakterisiert, auf welcher sie sich befindet, nämlich die Höhe, in welcher die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur mit zunehmender Höhe sich von einem negativen zu einem positiven Wert ändert und durch einen minimalen Temperaturwert in dieser Höhe. Die Höhe der Tropopause und die Temperatur ändern sich von Ort zu Ort über die Erdoberfläche hin, doch ist diese Veränderung relativ gering. Die Höhe der Tropopause variiert typischerweise im Bereich von 10 bis 20 Kilometern über der Erdoberfläche. Die Temperatur der Tropopause ändert sich typischerweise im Bereich von 180°K bis 215°K.
Die vorliegenden Erfindung befaßt sich mit der Fernmessung der Höhe und der Temperatur der Tropopause 26. Diese Information, insbesondere in Gestalt einer Aufzeichnung der Höhe und der Temperatur der Tropopause als Funktion der Lage, ist für Meteorotogen für das Verständnis und die Vorhersage des Wetters wertvoll.
Sowohl die Troposphäre als auch die Stratosphäre enthalten Sauerstoffmoleküle 28. Sauerstoffmoleküle strahlen Energie bei einer Vielfalt von Frequenzen einschließlich Mikrowellenfrequenzen ab. Der Leistungspegel der abgestrahlten Energie ändert sich mit der örtlichen Temperatur und dem Partialdruck des Sauerstoff. Gleichbedeutend kann gesagt werden, daß sich die Strahlungsenergie mit der örtlichen Temperatur und mit der Höhe ändert, soweit sich der Partialdruck des Sauerstoff in bekannter Weise mit der Höhe ändert. Gemäß dem hier verwendeten Sprachgebrauch bedeutet "äquivalente Höhe" einen Abstand über der Erdoberfläche oder ihre meteorologische Äquivalenz, den entsprechenden Druck bei der betreffenden Höhe.
Um die Eigenschaften der Tropopause zu gewinnen, ist eine Messeinrichtugn 30 vorzugsweise auf einer Raumplattform 32 angeordnet, die über der Oberfläche der Erde umläuft, beispielsweise auf einem Satelliten im Orbit. Die Verwendung eines umlaufenden Satelliten ist bevorzugt, da sie eine regelmäßige Aufzeichnung der Tropopauseneigenschaften über eine ausgedehnte Zeitdauer ermöglicht. Die Messeinrichtung kann anstelle dessen auch beispielsweise auf dem Boden, in einem Flugzeug oder in einem Ballon angeordnet sein.
Wie in 2 dargestellt enthält die Einrichtung 30 ein Mikrowellen-Radiometer 40 veränderlicher Frequenz und eine Rückkopplungssteuerung 42, welche die Meßungsfrequenz des Radiometers 40 steuert. Das Radiometer 40 enthält eine Antenne 44, die auf die Tropopause 26 gerichtet ist, so daß die Antenne Mikrowellenstrahlung von den strahlenden Sauerstoffmolekülen 28 aufnimmt. Die Antenne 44 kann so optimiert sein, daß die Mikrowellenstrahlung im Bereich von etwa 118,0 bis 119,0 GHz empfängt, da der Leisturngsausgang in diesem Bereich in der vorliegenden, erfindungsgemäßen Lösung benutzt wird. Eine Antenne allgemeinerer Aufgabenstellung kann auch verwendet werden, solange sie in der Lage ist, Mikrowellenstrahlung im Bereich von etwa 118,0 bis 119,0 GHz zu empfangen.
Das Ausgangssignal der Antenne 44 wird durch ein veränderliches Filter 46 gefiltert, dessen Ausgang diejenige Komponente des Antennensignales der Antenne 44 ist, welche innerhalb eines Frequenzbereiches liegt, der durch die Rückkopplungssteuerung 42 bestimmt ist. Das gefilterte Signal wird durch einen Detektor 48 detektiert, wobei das gefilterte Signal dazu verwendet wird, die Eigenschaften der Tropopause festzustellen, siehe Bezugszahl 50. In der Eigenschaften-Bestimmungseinrichtung 50 wird die Leistung des Signales aus dem Detektor 48 durch Quadrieren des Ausgangssignales aufgefunden und dann in einer Art und Weise verarbeitet, wie dies weiter unten im einzelnen diskutiert wird.
Der Leistungspegel, wie er durch die Eigenschaften-Bestimmungseinrichtung 50 ermittelt wird, dient auch für die Rückkopplungssteuerung 42 zur Einstellung des Wertes eines Eingangsfrequenz-Auswahlsiganles 52, das zu dem veränderbaren Filter 46 geliefert wird. Gemäß der vorliegenden Lösung wird die äquivalente Höhe der Tropo pause aus dem Minimum des gemessenen Mikrowellen-Leisungspegels als eine Funktion der Meßfrequenz innerhalb des Bereiches von etwa 118,0 bis etwa 119,0 GHz bestimmt. Zum Identifizieren einer Ziel-Meßfrequenz, welche den minimalen gemessenen Mikrowellen-Leistungspegel hervorbringt, verändert die Rückkopplungssteuerung 42 das eingegebene Fregeuenzauswahlsignal in Richtung auf die Ziel-Meßfrequenz durch irgend eine wirksame Technik. Die bevorzugte Lösung ist die Technik der endlichen Differenz, bei welcher die Leistungsänderung als Funktion der Frequenz bestimmt wird und die Frequenz so geändert wird, daß ein Nullwert der Änderung der Leistung als Funktion der Frequenz erreicht wird (d. h. eine Steigung Null). In äquivalenter Weise kann die Rückkopplungssteuerung ein digitaler Rechner sein, der so programmiert ist, daß er den Leistungspegel des gefilterten Antennenausgangs von der Eigenschaften-Bestimmungseinrichtung 50 überwacht und das eingegebene Frequenzauswahlsignal 52 so einstellt, daß der Minimalwert des Leistungspegels erreicht wird.
Die Verwirklichung dieser Lösung in der Praxis kompliziert sich durch die im vorliegenden Stande der Technik festzustellende Unfähigkeit, direkt Mikrowellensignale im Bereich von 118,0 bis 119,0 GHz in der Weise zu verarbeiten, wie dies im Zusammenhang mit 2 diskutiert wurde. 3 zeigt die bevorzugte Hardware-Verwirklichung zur Verarbeitung der Signale, wobei das Signal mit Mikrowellenfrequenz für die Verarbeitung auf eine niedrigere Frequenz herabgesetzt wird.
Wie in 3 gezeigt, wird das Ausgangssignal der Antenne 44 durch einen Mikrowellenfrequenzverstärker 60 verstärkt. Das verstärkte Signal wird, siehe Bezugszahl 62, auf eine Zwischenfrequenz herabgesetzt, typischerweise im Bereich von 500 MHz gemäß dem vorliegenden Stand der Technik, wobei ein Oscillator 64 mit fester Ausgangsfrequenz verwendet wird. Das abwärts versetzte Signal von dem Abwärtsumformer 62 wird durch eine ZF-Verstärker 66 auf einen für die Verarbeitung geeigneten Leistungspegel verstärkt.
Es geschieht eine weitere Abwärtsversetzung durch einen veränderbaren Abwärts-Umformer 68, unter Verwendung eines Oscillators 70 mit veränderbarem Aus gang, wobei dieser Ausgang als ein Frequenzauswahlsignal für den veränderlichen Abwärtsumformer 68 dient. Der Ausgang des Abwärtsumformers 68 wird durch ein festes ZF-Filter 72 gefiltert, um seine Bandbreite zu begrenzen. Der Ausgang des festen Filters 72 entspricht dem Ausgang des Filters 46 von 2, wobei der veränderliche Abwärtsumformer 68 und das feste Filter 72 zusammen als das Filter 46 wirksam sind. Das Ausgangssignal des festen Filters 72 wird durch eine Digitalisierungseinrichtung 74 digitalisiert, vorzugsweise durch einen Analog-Digital-Umformer, und durch einen Detektor 76 detektiert, dessen Ausgang an die Eigenschaften-Bestimmungseinrichtung 50 geliefert wird.
4 stellt ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Mikrowellenstrahlungsleistung wird bei Meßfrequenzen innerhalb des Bereiches von etwa 118,0 bis 199,0 GHz gemessen (siehe Bezugszahl 80). Die Meßfrequenz wird variiert, um innerhalb des Bereiches die Zielfrequenz zu erreichen, welche in der minimalen Mikrowellenstrahlungs-Leistungsmessung resultiert (siehe Bezugszahl 82). Die Tropopauseneigenschaften werden aus der gemessenen Mikrowellenleistungsinformation bestimmt (siehe Bezugszahl 86).
5 zeigt schematisch eine Reihe von Mikrowellen-Anspechfunktionen R_A im Bereich von 118,0 bis 119,0 GHz unter den Bedingungen einer Temperaturverteilung, wie sie schematische in 1 dargestellt ist. 6 ist eine schematische Graphik der Mikrowellenleistung P, errechnet als das Integral der Temperaturverteilung, multipliziert mit der entsprechenden Ansprechfunktion R_A von 5 für die gewählte Meßfrequenz, als eine Funktion von der Meßfrequenz. Das Minimum in dieser Kurve von 6 ist die Frequenz, welche der Lage (Höhe) der Tropopause zugeordnet ist, nämlich F_T.
Die Beziehung zwischen den 5 und 6 zeigt die zugrundeliegende Basis der Kurve der Mikrowellenleistung als Funktion der Frequenz, doch wird praktisch die Mikrowellenleistungskurve von 6 aus den Messungen bestimmt, welche unter Verwendung des Radiometers 40 bei der Frequenz erhalten werden, welche im Bereich zwischen etwa 118,0 und etwa 119,0 GHz verändert wird. Diese gemessenen Datenpunkte werden durch die Kreise in 6 repräsentiert, und es kann eine Kurve durch diese Datenpunkte der dargestellten Weise eingezeichnet werden. Der Minimalwert in der Kurve von 6 wird entweder unter Verwendung der Rückkopplungssteuerung aufgefunden, um die Frequenz auf den Minimalwert einzustellen, was die bevorzugte Lösung ist, welche unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist, oder durch das Einzeichnen der Kurve durch die experimentell ermittelten Punkte in 6 und Ortung des Minimus aus der gezeichneten Kurve. Aus dem Wert F_T, der in dieser experimentellen Weise bestimmt wird, wird die Höhe der Tropopause A_T durch Rückkehr zu den Kurven von 5 aufgefunden. In 5 entspricht die Ansprechfunktion R_AT, welche durch gestrichelte Linien markiert ist, dem minimalen Leistungspegel, und der Scheitel dieser Kurve tritt bei der Tropopausenhöhe A_T auf (,oder in äquivalenter Weise bei einem Druck, welcher der Höhe A_T zugeordnet ist, wie oben diskutiert wurde).
Die Tropopausentemperatur T_T wird aus den gemessenen Datenpunkten von 6 durch Auffinden einer Temperaturverteilung T_A (welche eine Funktion der Tropopausentemperatur T_T ist) bestimmt, welche am besten zu den gemessenen Leistungsdatenpunkten von 6 paßt. Die Leistung P_Ci, welche gemäß Berechnung an dem i-ten Meßpunkt entsprechend einer bestimmten Meßfrequenz R_Ai; gemessen werden soll, ist per Definition PCi = ∫[TA – RAi]dA.
T_A ist für sämtliche der Meßfrequenzen dieselbe (anfänglich jedoch unbekannt), und R_Ai ist die Ansprechkurve aus 5 für die i-te Meßfrequenz. T_A ist die Temperaturverteilung, welche den Wert (P-P_Ci) für die gemessenen Datenpunkte von 6 minimiert. In der Praxis stellt sich heraus, daß das Feststellen der Minimum-Differenz-Lösung durch herkömmliche Techniken für fünf gemessene Leistungsdatungspunkte ausreichend ist, um T_A aufzufinden. T_T ist der Minimalwert der Kurve T_A.
Die vorliegende Lösung liefert eine Technik zum Auffinden der Höhe und der Temperatur der Tropopause durch eine Mikrowellen-Ferndetektierungstechnik auf eine Genauigkeit von einigen wenigen hundert Fuß in der Höhe und weniger als 1°K in der Temperatur. Untersuchungen haben gezeigt, daß jede Leistungsmessung bei einer gewählten Frequenz in etwa 200 Millisekunden durchgeführt werden kann, mit einer Temperaturfehlerstörung von etwa 0,2°K unter Verwendung eines Meßsystems, wie es in den 2 und 3 dargestellt ist. Durch Betreiben des Meßsystems in einem im Umlauf befindlichen Raumfahrzeug wird eine Aufzeichnung der Tropopausenhöhe und der Tropopausentemperatur über einen weiten Bereich der Erdoberfläche hin in einer wirkungsvollen Weise erzeugt.

Claims

Einrichtung (30), welche folgendes enthält: ein frequenzvariables Mikrowellen-Radiometer (40), das über einen Frequenzbesreich von etwa 118,0 bis etwa 119,0 GHz arbeitet und welches als ein erstes Eingangssignal ein Mikrowellensignal, und als ein zweites Eingangssignal ein Frequenzauswahlsignal (52) aufnimmt, und das als Ausgang einen gemessenen Leistungspegel bei einer gemessenen Frequenz erzeugt, welche dem eingegebenen Frequenzauswahlsignal (52) entspricht; gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Einrichtung (30), daß sie Eigenschaften der Tropopause (26) mißt; und eine Rückkopplungsteuerung (42), welche als Eingang den gemessenen Leistungspegel aufweist und als Ausgang das Frequenzauswahlsignal erzeugt, wobei die Rückkopplungssteuerung (42) so ausgebildet ist, daß sie das Frequenzauswahlsignal auf eine Zielfrequenz so verändert, daß ein Minimalwert des gemessenen Leistungspegels erzeugt wird.
Einrichturg nach Anspruch 1, bei welchem das Radiometer (40) folgendes enthält: eine Mikrowellenempfangsantenne (44); einen Verstärker (60), welcher den Antennenausgang aufnimmt; Mittel (42, 72) zur Filterung des Ausgangs des Verstärkers bei der Meßfrequenz zur Erzeugung eines gefilterten Ausganges; und Mittel (50) zur Bestimmung der Leistung des gefilterten Ausganges.
Einrichtung nach Anspruch 2, welche weiter Mittel zur Ausrichtung der Mikrowellenempfangsantenne nach abwärts durch die Erdatmosphäre enthält.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welche weiter eine auf Erdumlaufbahn befindliche Plattform (32) enthält, auf welcher das Radiometer (40) angeordnet ist.
Einrichtung nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, welche weiter folgendes enthält: Mittel (86) zur Bestimmung einer der Tropopause entsprechenden Höhe aus der Zielfrequenz.
Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften der Tropopause, welches folgende Schritte aufweist: Messen (80) der abgestrahlten Leistung eines Volumens der Erdatmosphäre in einem Bereich, welcher die Tropopause enthält, bei einer gemessenen Fregenz innerhalb des Bereiches von 118,0 bis etwa 119,0 GHz; Variieren (82) der Messfrequenz derart, daß diese innerhalb des Bereiches von etwa 118,0 bis etwa 119,0 GHz für einen Minimalwert der abgestrahlten Leistung bestimmt wird, wobei die Meßfrequenz, bei welcher die abgestrahlte Leistung ein Minimum ist, die Zielfrequenz ist; und Bestimmen (86) einer der Tropopause entsprechenden Höhe aus der Zielfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Schritt des Messens den Schritt des Vorsehens eines Radiometers (40) enthält, welches folgendes aufweist: eine Mikrowellenempfangsantenne (44); einen Verstärker (60), welcher den Ausgang der Antenne (44) aufnimmt; Mittel zum Filtern (42, 72) eines Ausgangs des Verstärkers bei der Meßfrequenz zur Erzeugung eines gefilterten Ausganges; und Mittel (50) zur Bestimmung der Leistung des gefilterten Ausgangs
Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter folgenden zusätzlichen Schritt enthält: Ausrichten der Mikrowellenempfangsantenne nach abwärts durch die Erdatmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 7, welches weiter folgenden zusätzlichen Schritt enthält: Vorsehen des Radiometers (40) auf einer auf Erdumlaufbahn befindlichen Plattform (32)
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, welches folgende zusätzliche Schritte aufweist: Messen einer Mehrzahl von Werten der abgestrahlten Leistung bei einer Mehrzahl von Frequenzen innerhalb des Frequenzbereiches von etwa 118,0 bis etwa 119,0 GHz; und Bestimmen der Temperatur der Tropopause aus der der Tropopause entsprechenden Höhe und der Mehrzahl von Werten der abgestrahlten Leistungen.