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Mehrkanal-Mikrowellenradiometer für die Meteorologische Fernerkundung

This article discusses the design and construction of a multi-channel microwave radiometer for meteorological remote sensing. It covers technical details, retrieval techniques, testing, and the challenges associated with inversion. The radiometer's low maintenance, low cost, and high-speed capabilities make it suitable for measurement networks.

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Mehrkanal-Mikrowellenradiometer für die Meteorologische Fernerkundung

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Presentation Transcript

  1. Mehrkanal-Mikrowellenradiometer für die Meteorologische Fernerkundung Harald CzekalaRadiometer Physics GmbH RPG Radiometer Physics GmbH

  2. Gliederung • Diese Einleitung • Mikrowellenfernerkundung in der Meteorologie:Wie und warum? • Entwurf und Konstruktion des Radiometers • Technische Details • Retrieval Techniken • Erprobung • Diskussion RPG Radiometer Physics GmbH

  3. Mikrowellenfernerkundungin der Meteorologie (I) • Passive Mikrowellenmessungen (hier: bodengebunden)(thermische Strahlung, keine aktiven Systeme wie Radar...) • Emission, Absorption, Streuung durch die Atmosphäre:Gase (H2O, O2, N2) und Hydrometeore (Wolken, Niederschlag) • Radiometrische Messung:Strahlungstemperaturenbei mehreren Frequenzen(Boundary-Layer: auch mehrere Elevationswinkel) • Meteorologische Variablen:IWV, LWP, Vertikalprofile von Temperatur und Feuchte, Stabilitätsindices (LI, KI, KO, TT) RPG Radiometer Physics GmbH

  4. Mikrowellenfernerkundungin der Meteorologie (II) • Vorwärtsmodell: Berechnung von Strahlungstemperaturen aus einer vorgegebenen Atmosphäre • Retrieval: Invertierung der Vorwärtsrechnung, Berechnung Atmosphärischer Größen aus Strahlungstemperaturen • Vertikale Information:verschiedene Höhen durch variable Frequenzen oder variable Elevation • Probleme: • Invertierung mehrdeutig • Begrenzter Informationsgehalt(14 Kanäle) RPG Radiometer Physics GmbH

  5. Radiometer Konzept für Meßnetze • Wartungsarm (Low Maintenance) • Geringer Preis (Low Cost) • Gleichzeitige Messung aller Kanäle (Konsistenz!)-> Schnell (1s) , 100% duty cycle, variable Bandbreite • Vermeidung von Störsignalen („direct detection“, kein LO!) • Automatisierte Steuerungssoftware und Datenerfassung • Online-Retrieval und direkte Auswertung • Gute Möglichkeiten zur Einbindung in Datennetze • Zugriff auf Rohdaten und Level-2 Daten • Kombination von Geräten möglich: Tandem-Konfiguration, Ansteuerung von IR-Radiometer schon vorgesehen • Lieferung von optimierten Algorithmen(sofern der Kunde passende Radiosonden-Archive liefert) RPG Radiometer Physics GmbH

  6. Radiometer-Typen bei RPG Frequencies: Humidity Profiling (Trop): 22-31.4 GHz Band (7 chan.) RPG-TEMPRO90 RPG-HATPRO LWP/IWV, Wet/Dry Del.:23.8/36.5 (31.4) GHz RPG-LWP Temp. Profiling (Trop&BL): 50-59 GHz Band (7 chan.) 90 GHz 36.5/31.4 GHz 23.8 GHz LWP-Improvement: 90 GHz Channel Humidity Profiling (BL):183 GHz Channel RPG Radiometer Physics GmbH

  7. Oft verwendete Radiometer Frequenzen Radiometer Konfigurationen / Frequenzbereiche • 22.4 - 31.4 GHz • 50.0 - 58.0 GHz • 90.0 GHz • 150 GHz • 183.3 GHz(3 bis 6 Kanäle) RPG Radiometer Physics GmbH

  8. Technische Details RPG Radiometer Physics GmbH

  9. System Layout RPG Radiometer Physics GmbH

  10. General Instrument Concept Weather Station and Time Reference: Rain Sensor:Provides rain flag for measurement documentation, control of shutter system GPS-Clock:Provides time reference standard for synchronization to satellite data Humidity Sensor:Provides input data for retrievals, Dew Blower heating Temperature Sensor:Provides input data for retrievals Humidity Sensor Pressure Sensor:Provides input data for retrievals, LN-target calibration Temp. Sensor Optional IR-Radiometer:Cloud base height detection RPG Radiometer Physics GmbH

  11. Optional Automatic Shutter System: Controlled by Rain Sensor General Instrument Concept Rain, Hail, Snow and Dew Protection System: • Dew Blower: • Removable • Heater controlled by H.-Sensor RPG Radiometer Physics GmbH

  12. Optical Performance 23.8 GHz, HPBW = 3.9°, Sidelobes: <-30 dB 55.0 GHz, HPBW = 1.9°, Sidelobes: <-30 dB RPG Radiometer Physics GmbH

  13. Receiver Thermal Stabilization RPG Radiometer Physics GmbH

  14. Receiver Thermal Stabilization 8 hours 0.1 K +40°C -30°C RPG Radiometer Physics GmbH

  15. Calibration and Error Sources ALL lossy receiver components should be thermally stabilized! RPG Radiometer Physics GmbH

  16. Calibration and Error Sources Ambient Temperature Calibration Target • Cancellation of thermal gradients across the target in vertical and horizontal directions by venting • Self-heating of temperature sensor avoided by airflow • Precision calibrated temperature sensor RPG Radiometer Physics GmbH

  17. Calibration and Error Sources Liquid Nitrogen Cooled Calibration Target • no humidity formation on styrofoam surfaces • Calibration of reflector losses and reflection from liquid surface • Barometric Pressure correction of boiling temperature RPG Radiometer Physics GmbH

  18. New HATPRO Receiver Design Dual Profiler Direct Detection Filterbank Receivers based on MMIC Technology: RPG Radiometer Physics GmbH

  19. New HATPRO Receiver Design Compact Layout 55 dB Pre-Amplifier Splitter and Filter Section Boosters and Detectors Video Amps, MUX, 16 Bit ADC Noise Injection Coupler 51- 59 GHz 7 Channel Filterbank Receiver Corrugated Feedhorn RPG Radiometer Physics GmbH

  20. New HATPRO Receiver Design Compact Layout RPG Radiometer Physics GmbH

  21. Direct Detection Receiver Components 45-65 GHz LNAs, 2.5 dB NF Power Splitter + Bandpass-Filters RPG Radiometer Physics GmbH

  22. HATPRO Receiver Design Summary of Benefits of Direct Detection Filterbank Design: • Simultaneous measurements of all frequency channels • Much higher temporal resolution for all products (LWP/IWV: 1sec, profiles: 20 sec) compared to single detection receivers • 5 times faster calibration procedures than with sequentially scanning receivers • Feasibility of individual channel bandwidth selection (important for boundary layer profiling). One broad band 58 GHz channel to give high radiometric accuracy for boundary layer profiling • No mixer sideband filtering required, no LO drifts • Reduced sensitivity to interfering external signals (mobile phones etc.) due to avoidance of frequency down conversion RPG Radiometer Physics GmbH

  23. Retrieval Algorithmen RPG Radiometer Physics GmbH

  24. Retrieval Algorithmen • Rein Statistische Algorithmen (im Gegensatz zu physikalisch-iterativen, Look-Up Tables oder der Optimal Estimation) • Strahlungstransportsimulation basierend auf Radiosonden • Quadratische Regressionen • Nur Zenith Beobachtungen für volle Troposhäre (bis 10km) • Boundary Layer: 6 Elevationswinkel (bis 5 Grad) für detailliertes Temperaturprofil in den unteren 1000 m • Mögliche Erweiterungen: • EOF Analyse anstelle unabhängiger Schichttemperaturen auf festem Vertikalgitter • Physikalische Retrieval • Probleme: Mehrdeutigkeit der Strahlungsdaten, Inversionen RPG Radiometer Physics GmbH

  25. Simulation • Qualitätskontrolle der Radiosondendaten • Wolkenanalyse: Schwellwerterkennung, modifizierter adiabatischer LWC • Berechnung des IWV, LWP, Stabilitätsindices • VereinfachterStrahlungstransport(unpolarisiert, keine Streuung) • Interpolation auf regelmässiges Vertikalgitter • Zusatz von Rauschen (je nach Radiometer) • Test der Algorithmen an unbenutzten Daten Alternative Erweiterung für regnende Atmosphären • Polarisierter Strahlungstransport mit Mehrfachstreuung • Asphärische Hydrometeore RPG Radiometer Physics GmbH

  26. Wolkenanalyse • Verschiedene Verfahren möglich • Einfluss auf die Retrieval vorhanden • Beurteilung und Überpüfung der verschiedenen Verfahren schwierig TH95, TH90– threshold RH CE – Gradients in T and RH DCM – convective cloud model Mean diagnosed LWC (liquid water content) RPG Radiometer Physics GmbH

  27. Vector radiative transfer equation VRTE Angles and planes of polarization RPG Radiometer Physics GmbH

  28. RPG Radiometer Physics GmbH

  29. RPG Radiometer Physics GmbH

  30. Messprinzip I:Frequenzabhängige Emissionhöhe 54 und 58 GHz sehr gut geeignet für Boundary layer scanning RPG Radiometer Physics GmbH

  31. Messprinzip II:Winkelabhängige Emissionhöhe 58/54.8 GHz Elevation Scanning RPG Radiometer Physics GmbH

  32. Boundary Layer Temperature Profiling Influence of 58 GHz channel sensitivity Integr. Time: 30 s/angle Integr. Time: 30 s/angle RPG Radiometer Physics GmbH

  33. 50-60 GHz Channel Bandwidth Wide bandwidth required (Boundary Layer Profiling) Narrow bandwidth required Radiosonde (Liebe 93) Radiosonde (Rosenkranz) RPG-HATPRO RPG Radiometer Physics GmbH

  34. IWV Retrieval • Customer: University Salford, UK • 18580 hochaufgelöste Radiosonden • Regenfälle sind enthalten • Clear-sky RMS ca. 0.2 kg/m^2 RPG Radiometer Physics GmbH

  35. LWP Retrieval • Universität Salford, UK • 18580 hochaufgelöste Radiosonden • RMS für Wolken-LWP kleiner als bei Berücksichtigung der regnenden Fälle RPG Radiometer Physics GmbH

  36. Vertikalprofile (Temperatur) RPG Radiometer Physics GmbH

  37. Vertikalprofile (Temperatur) RPG Radiometer Physics GmbH

  38. Vertikalprofile (Absolute Feuchte) RPG Radiometer Physics GmbH

  39. Vertikalprofile (Absolute Feuchte) RPG Radiometer Physics GmbH

  40. Boundary Layer Temperatur Profile • A • B • C RPG Radiometer Physics GmbH

  41. Boundary Layer Temperature Profile RPG Radiometer Physics GmbH

  42. Atmosphärische Stabilität: K-Index RPG Radiometer Physics GmbH

  43. Messergebnisse und Vergleiche RPG Radiometer Physics GmbH

  44. Liebe 93 Rosenkranz RPG-HATPRO Liebe 93 Rosenkranz RPG-HATPRO Water Vapour Line (Clear Sky) Verification with Radiosonde Data BBC2 Measurement Campaign in Cabauw/NL (2.5.2003 – 23.5.2003) Oxygen Line (Clear Sky) RPG Radiometer Physics GmbH

  45. Temperature Profiles RS NLR Humidity Profiles RS NLR Verification with Radiosonde Data BBC2 Measurement Campaign in Cabauw/NL Clear Sky Conditions RPG Radiometer Physics GmbH

  46. Humidity Profiles dawn night day Time Series 9600 m 220 m HATPRO Humidity Profile Charts RPG Radiometer Physics GmbH

  47. Humidity Fluctuations VAPIC Campaign in Pallaiseau/France, May 2004 RPG Radiometer Physics GmbH

  48. Humidity Fluctuations 22.35 GHz 4 K 31.4 GHz RMS Noise 0.05 K 1 K RPG Radiometer Physics GmbH

  49. Humidity Fluctuations Altitude:1560 m Radiosonde RPG Radiometer Physics GmbH

  50. HATPRO Brightness Temp. Time Series VAPIC Campaign in Pallaiseau/France, May 2004 Water Vapour Line Center Channel Time Series HATPRO BT @ 22.4 GHz Radiosonde (Rosenkranz) RPG Radiometer Physics GmbH

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