Language
Country/Area
No result found
Siêu năng lực của radar sóng milimet: Làm thế nào để nắm bắt được bí mật của những giọt nước nhỏ và mưa lớn?
Radar sóng milimet hay còn gọi là radar đám mây được thiết kế đặc biệt để giám sát các đám mây và hoạt động ở dải tần từ 24 đến 110 GHz. Tần số đặc biệt như vậy làm cho bước sóng của radar sóng milimet khoảng 1 mm đến 1,11 cm, ngắn hơn khoảng 10 lần so với radar băng tần S truyền thống như NEXRAD. Mục đích cốt lõi của công nghệ này là nghiên cứu bản chất của các đám mây và sự tiến hóa của chúng.
Các hệ thống radar này thường hoạt động ở băng tần Ka ở tần số 35 GHz và băng tần W ở tần số 94 GHz, có hiệu suất truyền khí quyển cao nhất.
Radar sóng milimet có độ phân giải khoảng cách và thời gian rất cao. Độ phân giải thời gian thường có thể điều chỉnh được, dao động từ 1 giây đến 10 giây, trong khi độ phân giải phạm vi phụ thuộc vào thiết kế và mục đích của radar. Nói chung, phạm vi phát hiện tối đa của radar đám mây có thể đạt tới 14 đến 20 km và độ phân giải vận tốc Doppler của nó là vài cm mỗi giây.
Rađa đám mây chủ yếu là hệ thống đo phân cực, cho phép chúng đo độ bất thường của hạt thông qua Tỷ lệ khử cực tuyến tính (LDR). Các radar thường hướng thẳng tới thiên đỉnh, nhưng với sự tiến bộ của công nghệ, nhiều radar đã bổ sung thêm bộ phận quét. Các bộ phận này cho phép radar quét ở các góc khác nhau ở tốc độ cao hơn để thu được thông tin bổ sung, chẳng hạn như cấu hình gió thẳng đứng và thông tin về thể tích không gian. .
Radar bước sóng dài ít bị suy giảm bởi các hạt mưa nhỏ và lượng mưa, trong khi radar bước sóng ngắn nhạy hơn với các hạt nhỏ hơn, điều đó có nghĩa là việc chọn radar phù hợp trong các điều kiện thời tiết khác nhau là đặc biệt quan trọng.
Hiện nay, radar sóng milimet được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm phát hiện ranh giới của các đám mây (như chân mây và đỉnh mây) và ước tính các đặc tính vi vật lý của mây (như kích thước hạt và hàm lượng khối lượng). dữ liệu giúp hiểu được các đám mây phản xạ, hấp thụ và biến đổi năng lượng bức xạ truyền qua khí quyển như thế nào. Radar cũng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu sương mù và đã được sử dụng trong nghiên cứu côn trùng học trong hơn 40 năm, đặc biệt là để phát hiện những mục tiêu hầu như chỉ có côn trùng vào những ngày nắng ấm. Ngoài ra, gần đây người ta còn phát hiện ra rằng radar sóng milimet có thể được sử dụng để nghiên cứu các sol khí khổng lồ.
Môi trường hoạt động của radar đám mây không chỉ giới hạn ở mặt đất mà còn có thể ở trên không hoặc trong không gian. Ví dụ về các hệ thống trên không bao gồm các radar được lắp đặt trên HALO (Máy bay nghiên cứu tầm cao và tầm xa) và máy bay nghiên cứu KingAir của Wyoming. Radar định hình đám mây trong không gian đã hoạt động trên vệ tinh CloudSAT từ năm 2006. Nhiệm vụ Earth Clouds, Aerosols và Radiation Explorer (EarthCARE), dự kiến được phóng vào tháng 3 năm 2023, sẽ mang theo radar định hình đám mây không gian đầu tiên có khả năng Doppler.
Đo bằng radar: từ IQ đến quang phổ
Hệ thống radar xung được coi là thiết bị đo chủ động vì khả năng phát sóng điện từ vào khí quyển và nhận tín hiệu phản xạ trở lại. Radar được tạo thành từ các thành phần phần cứng khác nhau, mỗi thành phần chứa các thành phần khác nhau. Sóng điện từ được tạo ra bởi bộ tạo dao động trong bộ phát được truyền qua các ống dẫn sóng đến ăng-ten, tỏa chúng vào khí quyển.
Khi mỗi xung truyền đi bị phân tán bởi một lượng không khí chứa hơi nước, tín hiệu phản hồi sẽ được ăng-ten radar thu thập và số hóa sau khi được lọc, tăng cường và chuyển đổi xuống.
Mặc dù mức phát xạ của mỗi tín hiệu phản hồi thay đổi theo thời gian nhưng điện trường phản ánh trong tín hiệu có nguồn gốc từ sự trộn lẫn một lượng lớn hơi nước. Do đó, tín hiệu thu được bao gồm tiếng vang từ nhiều hạt hơi nước và những tiếng vang này không thể được giải quyết riêng lẻ. Do đó, bằng cách thu thập các mẫu tín hiệu, chúng ta có thể chứng minh khoảng cách của sóng tại một thời điểm trễ cụ thể để tập trung vào sự đa dạng của tiếng vang.
Ngoài ra, khi thực hiện xử lý Doppler radar, phổ thu được từ tín hiệu phản hồi sẽ được tạo tự động thông qua tính toán tín hiệu I/Q, do đó có thể đo được tần số Doppler của tiếng vang. Điều này giúp các nhà khoa học đánh giá phạm vi vận tốc của các hạt khác nhau trong một thể tích mẫu.
Đặc điểm của phổ Doppler
Trong khối lượng mẫu của radar thường có nhiều mục tiêu phân tán. Mỗi mục tiêu có độ lệch tần số cụ thể riêng, cho phép phân tích phổ Doppler bằng cách đo công suất phản hồi. Độ phản xạ có thể được tính toán từ phổ. Thông qua việc tích hợp phổ, chúng ta có thể thu được dữ liệu khí tượng liên quan và sau đó suy ra những thay đổi của thời tiết.
Động lượng đầu tiên của phổ biểu thị vận tốc Doppler trung bình, phản ánh vận tốc hướng tâm trong toàn bộ thể tích mẫu, trong khi động lượng thứ hai biểu thị độ rộng Doppler, cung cấp mức độ biến thiên trong phạm vi vận tốc được phát hiện.
Chúng ta nên chú ý điều gì trong số rất nhiều thông số?
Độ rộng và độ lệch của Doppler cũng như độ nhọn là những thông số chính trong việc mô tả phổ Doppler. Nghiên cứu các thông số này giúp phát hiện những thay đổi động và vi mô trong cấu trúc đám mây, điều này rất quan trọng để dự đoán sự thay đổi thời tiết. Ngoài ra, các phép đo phân cực radar cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn, cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế tạo mưa và tác động của biến đổi khí hậu.
Với sự tiến bộ của công nghệ, phạm vi ứng dụng của radar sóng milimet ngày càng mở rộng, nhưng trong hành trình khám phá không ngừng nghỉ này, liệu chúng ta có thể nắm bắt và hiểu đầy đủ các nguyên lý vật lý đằng sau những công nghệ này hay không?
