Оперативная методика восстановления атмосферных профилей влажности по данным наземного СВЧ спектрометра диапазона 18,0 - 27,2 ГГц
Abstract
A method for analyzing the previously obtained long series of round-the-clock measurements of the radio-thermal continuous spectrum of the atmosphere from the Earth's surface in the MW range of 18 - 27.2 GHz, aiming at restoration of vertical humidity profiles, was proposed and implemented. One of the main goals of the work was to enable the operational application of the established methodology for processing experimental data in real time. This opens up the prospect of informational support of remote users with both current and archival data on the state of the atmosphere (its temperature and humidity profiles). For this purpose, a variation of the method of successive approximations based on the Levenberg-Marquardt algorithm has been used. This algorithm offers a variant of the regularization of the solution obtained by the gradient descent method, without using a-priori statistical information about the natural variability and correlation of atmospheric parameters (as opposed to the statistical regularization method). The paper describes the Levenberg-Marquardt algorithm in the context of the problem of retrieving the atmospheric humidity profile and provides a general flowchart of experimental data processing. The overall software implementation makes it possible to achieve a processing speed exceeding the data accumulation rate (units of seconds per one experimental radiothermal spectrum). Trial processing of data of field measurements of the atmospheric radiothermal spectrum under various observation conditions was carried out. Analysis of the results showed the possibility of retrieving atmospheric humidity profiles from the available experimental data. At the next stage of the work, mass processing of the accumulated experimental data and comparison of the results with independent measurements (first of all, radiosonde) are planned.
- СВЧ спектрометр
- непрерывный спектр
- атмосферный профиль
- влажность
- восстановление
- MW spectrometer
- continuous spectrum
- atmospheric profile
- humidity
- restoration
Аннотация (на русском)
Оперативная методика восстановления атмосферных профилей влажности по данным наземного СВЧ спектрометра диапазона 18,0 - 27,2 ГГц
Предложена и реализована методика анализа полученных ранее и продолжающихся в настоящее время длительных серий круглосуточных измерений непрерывного радиотеплового спектра атмосферы с поверхности Земли в СВЧ диапазоне 18 - 27,2 ГГц, направленная на восстановление вертикальных профилей влажности. Одной из основных целей работы было обеспечение возможности оперативного применения созданной методики для обработки экспериментальных данных в режиме реального времени. Это открывает перспективу информационного обеспечения удаленных пользователей как текущими, так и архивными данными о состоянии атмосферы (ее температурно-влажностного профиля). С этой целью использована разновидность метода последовательных приближений на основе алгоритма Левенберга-Марквардта. Указанный алгоритм предлагает вариант регуляризации решения, получаемого методом градиентного спуска, без использования априорной статистической информации о естественной изменчивости и корреляционных связях атмосферных параметров (в отличие от метода статистической регуляризации). В работе описан алгоритм Левенберга-Марквартда в контексте задачи восстановления влажностного профиля атмосферы и приведена общая блок-схема обработки экспериментальных данных. Осуществленная программная реализация позволяет достичь скорости обработки, превышающей скорость накопления данных (единицы секунд на один экспериментальный радиотепловой спектр). Осуществлена пробная обработка данных натурных измерений радиотеплового спектра атмосферы в различных условиях наблюдений. Анализ результатов показал возможности восстановления профилей влажности атмосферы по имеющимся экспериментальным данным. На следующем этапе работы запланированы массовая обработка накопленных экспериментальных данных и сопоставление результатов с независимыми измерениями (в первую очередь, радиозондовыми).
For citation
Ermakov D.M., Savorskii V.P., Danilychev M.V., Kutuza B.G., Panova O.I., Smirnov M.T., Chernushich A.P. Оперативная методика восстановления атмосферных профилей влажности по данным наземного СВЧ спектрометра диапазона 18,0 - 27,2 ГГц // Journal of Radio Electronics. – 2018. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.12.2
References
- Кутуза Б.Г., Данилычев М.В., Яковлев О.И. Спутниковый мониторинг Земли: Микроволновая радиометрия атмосферы и поверхности. М.: ЛЕНАНАД. 2016. 336 с.
- Данилычев М.В., Ермаков Д.М., Кутуза Б.Г., Саворский В.П. Многолучевые системы в составе бортового СВЧ- радиометрического комплекса //Физические основы приборостроения. 2018. Т.7. № 1(27). С.37-45.
- Levenberg K. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares // Quarterly of Applied Mathematics. 1944. V.2. P. 164-168.
- Marquardt D. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // SIAM Journal of Appllied Mathematics. 1963. V. 11. N. 2. P. 431-441.
- ARTS. The Atmospheric Radiative Transfer Simulator. http://radiativetransfer.org/