Дистанционное измерение влажности почвы при помощи ридберговских атомов и сигналов со спутников
В статье
📖 Arumugam, D., Park, J.-H., Feyissa, B., Bush, J., & Mysore Nagaraja, S. P. (2024). Remote sensing of soil moisture using Rydberg atoms and satellite signals of opportunity. Scientific Reports, 14(1). https://doi.org/10.1038/s41598-024-68914-6
авторы поднимают важную проблему современных методов дистанционных измерений в микроволновом диапазоне: из-за узкополосной микроволновой электроники невозможно настраивать параметры сенсоров в широком диапазоне спектра. Приходится ограничиваться измерением какой-то одной величины. Например, для изучения таких взаимосвязанных характеристик как количество выпавших осадков и влажность почвы, необходимы отдельные спутниковые радары, работающие в разных диапазонах. Это существенно ограничивает возможности изучения динамически связанных процессов в земной системе. Чтобы иметь возможность измерять одновременно (или спустя короткий промежуток времени) несколько характеристик, необходим радар широкого спектра. Необходима перестраиваемая радарная система, не зависящая от конкретного диапазона микроволновой электроники.
В качестве сенсоров для такой системы предлагается использовать атомные датчики Ридберга.
Атомные датчики Ридберга — это высокочувствительные квантовые детекторы широкого спектра, которые можно настраивать для работы с волнами от микро- до миллиметрового диапазона. При этом нет необходимости в использовании электроники, специфической для радиодиапазона. Атомные датчики Ридберга могут использовать для дистанционного зондирования уже существующие сигналы, например, от навигационных и коммуникационных спутников.
Датчики Ридберга основаны на использовании ридберговских атомов. Ридберговские атомы — это водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней порядка 1000). Размер ридберговского атома может превышать размер находящегося в основном состоянии того же самого атома почти в 106 раз.
Ридберговские атомы обладают рядом специфических свойств, включая повышенную реакцию на электрические и магнитные поля. Эти свойства позволяют использовать их в качестве сенсоров сверхслабых электромагнитных полей.
В работе ⬆️ представлен метод дистанционного определения влажности почвы при помощи наземной радарной рефлектометрии на основе атомных датчиков Ридберга. Для измерений использовались радиосигналы спутников XM-радио (2,320–2,345 ГГц).
Построенная экспериментальная установка не позволяет настраивать широкий спектр частот из-за использования антенны и фильтра. Однако авторы посвятили отдельный раздел статьи описанию пути к созданию систем микроволнового дистанционного зондирования в широком диапазоне: Roadmap to broad-spectrum remote sensing.
📊 Схема дистанционного зондирования влажности почвы на основе отраженных спутниковых сигналов и датчиков Ридберга.
Популярно о ридберговских атомах:
📖 Зеленер Б.Б., Зеленер Б.В., Зеленер Е.Б. (2018). Удивительный мир ридберговских атомов. Энергия: Экономика, Техника, Экология, 10, 2–9. https://doi.org/10.31857/s023336190002438-7
#микроволны
В статье
📖 Arumugam, D., Park, J.-H., Feyissa, B., Bush, J., & Mysore Nagaraja, S. P. (2024). Remote sensing of soil moisture using Rydberg atoms and satellite signals of opportunity. Scientific Reports, 14(1). https://doi.org/10.1038/s41598-024-68914-6
авторы поднимают важную проблему современных методов дистанционных измерений в микроволновом диапазоне: из-за узкополосной микроволновой электроники невозможно настраивать параметры сенсоров в широком диапазоне спектра. Приходится ограничиваться измерением какой-то одной величины. Например, для изучения таких взаимосвязанных характеристик как количество выпавших осадков и влажность почвы, необходимы отдельные спутниковые радары, работающие в разных диапазонах. Это существенно ограничивает возможности изучения динамически связанных процессов в земной системе. Чтобы иметь возможность измерять одновременно (или спустя короткий промежуток времени) несколько характеристик, необходим радар широкого спектра. Необходима перестраиваемая радарная система, не зависящая от конкретного диапазона микроволновой электроники.
В качестве сенсоров для такой системы предлагается использовать атомные датчики Ридберга.
Атомные датчики Ридберга — это высокочувствительные квантовые детекторы широкого спектра, которые можно настраивать для работы с волнами от микро- до миллиметрового диапазона. При этом нет необходимости в использовании электроники, специфической для радиодиапазона. Атомные датчики Ридберга могут использовать для дистанционного зондирования уже существующие сигналы, например, от навигационных и коммуникационных спутников.
Датчики Ридберга основаны на использовании ридберговских атомов. Ридберговские атомы — это водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии (вплоть до уровней порядка 1000). Размер ридберговского атома может превышать размер находящегося в основном состоянии того же самого атома почти в 106 раз.
Ридберговские атомы обладают рядом специфических свойств, включая повышенную реакцию на электрические и магнитные поля. Эти свойства позволяют использовать их в качестве сенсоров сверхслабых электромагнитных полей.
В работе ⬆️ представлен метод дистанционного определения влажности почвы при помощи наземной радарной рефлектометрии на основе атомных датчиков Ридберга. Для измерений использовались радиосигналы спутников XM-радио (2,320–2,345 ГГц).
Построенная экспериментальная установка не позволяет настраивать широкий спектр частот из-за использования антенны и фильтра. Однако авторы посвятили отдельный раздел статьи описанию пути к созданию систем микроволнового дистанционного зондирования в широком диапазоне: Roadmap to broad-spectrum remote sensing.
📊 Схема дистанционного зондирования влажности почвы на основе отраженных спутниковых сигналов и датчиков Ридберга.
Популярно о ридберговских атомах:
📖 Зеленер Б.Б., Зеленер Б.В., Зеленер Е.Б. (2018). Удивительный мир ридберговских атомов. Энергия: Экономика, Техника, Экология, 10, 2–9. https://doi.org/10.31857/s023336190002438-7
#микроволны
Media is too big
VIEW IN TELEGRAM
Как спутники TROPICS следили за ураганом “Хелен”
Американские спутники группировки TROPICS наблюдали за ураганом “Хелен” (Helene) на протяжении всего его жизненного цикла. Собранные данные показывают 📹, как тропическая депрессия сформировалась в ураган 4-й категории*, который обрушился на Флориду. Затем ураган продолжил движение вглубь США, постепенно ослабевая до уровня тропической депрессии, но при этом вызвал катастрофические наводнения в западной части штата Северная Каролина.
Миссия NASA TROPICS (Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats) состоит из четырех космических аппаратов форм-фактора CubeSat 3U, каждый из которых оснащен 12-канальным пассивным микроволновым радиометром. TROPICS обеспечивает съемку в диапазонах 91 и 205 ГГц, зондирование температуры в диапазоне 118 ГГц и зондирование влажности в диапазоне 183 ГГц. Пространственное разрешение в надире составляет около 27 км для температуры и 17 км для влажности и осадков, а ширина полосы обзора — около 2000 км. Основная научная цель миссии TROPICS — связать структуру температуры, влажности и осадков с эволюцией интенсивности тропических циклонов.
Наноспутники TROPICS измеряют температуру, влажность воздуха и осадки с пространственным разрешением, сопоставимым с разрешением современных “больших” микроволновых радиометров, но с беспрецедентным временным разрешением: среднее время повторного посещения составляет 60 минут.
TROPICS — это краткосрочная демонстрационная миссия, которая поддерживает концепцию метеорологических наблюдений с высокой периодичностью при помощи малых спутников. Подобные группировки малых спутников могут быть гораздо более экономически эффективными, чем их “большие” аналоги, а запуск группировки малых спутников может обеспечить более частое покрытие по сравнению с одиночным “большим” космическим аппаратом.
📖 Материалы семинара по совместному использованию данных TROPICS и CYGNSS — 2023 Joint Applications Workshop on NASA's TROPICS and CYGNSS Satellite Missions.
*См. шкалу ураганов Саффира — Симпсона.
#микроволны #погода #GNSSR
Американские спутники группировки TROPICS наблюдали за ураганом “Хелен” (Helene) на протяжении всего его жизненного цикла. Собранные данные показывают 📹, как тропическая депрессия сформировалась в ураган 4-й категории*, который обрушился на Флориду. Затем ураган продолжил движение вглубь США, постепенно ослабевая до уровня тропической депрессии, но при этом вызвал катастрофические наводнения в западной части штата Северная Каролина.
Миссия NASA TROPICS (Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats) состоит из четырех космических аппаратов форм-фактора CubeSat 3U, каждый из которых оснащен 12-канальным пассивным микроволновым радиометром. TROPICS обеспечивает съемку в диапазонах 91 и 205 ГГц, зондирование температуры в диапазоне 118 ГГц и зондирование влажности в диапазоне 183 ГГц. Пространственное разрешение в надире составляет около 27 км для температуры и 17 км для влажности и осадков, а ширина полосы обзора — около 2000 км. Основная научная цель миссии TROPICS — связать структуру температуры, влажности и осадков с эволюцией интенсивности тропических циклонов.
Наноспутники TROPICS измеряют температуру, влажность воздуха и осадки с пространственным разрешением, сопоставимым с разрешением современных “больших” микроволновых радиометров, но с беспрецедентным временным разрешением: среднее время повторного посещения составляет 60 минут.
TROPICS — это краткосрочная демонстрационная миссия, которая поддерживает концепцию метеорологических наблюдений с высокой периодичностью при помощи малых спутников. Подобные группировки малых спутников могут быть гораздо более экономически эффективными, чем их “большие” аналоги, а запуск группировки малых спутников может обеспечить более частое покрытие по сравнению с одиночным “большим” космическим аппаратом.
📖 Материалы семинара по совместному использованию данных TROPICS и CYGNSS — 2023 Joint Applications Workshop on NASA's TROPICS and CYGNSS Satellite Missions.
*См. шкалу ураганов Саффира — Симпсона.
#микроволны #погода #GNSSR
Данные о концентрации ледового покрова
Обновлены данные о концентрации морского льда 🧊Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS Passive Microwave Data, Version 2.
Набор данных сформирован на основе информации о яркостной температуре, полученной с помощью микроволновых радиометров Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) спутника Nimbus-7, Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) и Special Sensor Microwave Imager Sounder (SSMIS). Данные представлены в полярной стереографической проекции (север — EPSG:3411, юг — EPSG:3412) с размером ячейки сетки 25 км x 25 км. Временной охват данных — с 26 октября 1978 года по 31 декабря 2023 года.
Вышла четвертая версия данных 🧊Bootstrap Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS, Version 4, которая содержит данные для северной и южной полярных областей с временным охватом от 1 ноября 1978 года до 31 декабря 2023 года.
Набор данных состоит из ежедневных и ежемесячных значений концентрации морского льда, полученных на основе измерений яркостной температуры указанными приборами. Данные представлены в полярной стереографической проекции (север — EPSG:3411, юг — EPSG:3412) на сетке с размерами ячейки 25 км x 25 км в двухбайтовом целочисленном формате.
#данные #лед #микроволны
Обновлены данные о концентрации морского льда 🧊Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS Passive Microwave Data, Version 2.
Набор данных сформирован на основе информации о яркостной температуре, полученной с помощью микроволновых радиометров Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) спутника Nimbus-7, Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) и Special Sensor Microwave Imager Sounder (SSMIS). Данные представлены в полярной стереографической проекции (север — EPSG:3411, юг — EPSG:3412) с размером ячейки сетки 25 км x 25 км. Временной охват данных — с 26 октября 1978 года по 31 декабря 2023 года.
Вышла четвертая версия данных 🧊Bootstrap Sea Ice Concentrations from Nimbus-7 SMMR and DMSP SSM/I-SSMIS, Version 4, которая содержит данные для северной и южной полярных областей с временным охватом от 1 ноября 1978 года до 31 декабря 2023 года.
Набор данных состоит из ежедневных и ежемесячных значений концентрации морского льда, полученных на основе измерений яркостной температуры указанными приборами. Данные представлены в полярной стереографической проекции (север — EPSG:3411, юг — EPSG:3412) на сетке с размерами ячейки 25 км x 25 км в двухбайтовом целочисленном формате.
#данные #лед #микроволны
Спутники ДЗЗ, запущенные в составе миссии SpaceX Bandwagon-2
21 декабря 2024 года в 11:34 всемирного времени с площадки SLC-4E Базы Космических сил США “Ванденберг” (штат Калифорния, США) в рамках миссии Bandwagon-2 осуществлен пуск ракеты-носителя Falcon-9FT Block-5 (F9-413) компании SpaceX с 30 малыми космическими аппаратами из 8 стран.
Космические аппараты успешно выведены на околоземную орбиту. Это вторая миссия SpaceX по выводу космических аппаратов на низкие околоземные орбиты со средним наклонением (45°). Первая была выполнена в апреле нынешнего года.
Крупнейшей полезной нагрузкой миссии стал третий южнокорейский разведывательный радарный спутник 🛰 “425 Project”. Первый такой спутник был запущен ракетой Falcon 9 в декабре прошлого года, второй — миссией Bandwagon-1 в апреле нынешнего. Следующий запуск подобных спутников ожидается в миссии Bandwagon-3.
Сообщается, что в декабре 2018 года Thales Alenia Space подписала два контракта с компаниями Korea Aerospace Industries и Hansha Systems Corporation на разработку радарных спутников высокого разрешения для Корейского агентства оборонного развития. Thales Alenia поставляет радар и элементы системы наведения космических аппаратов. Радар использует развертываемую 5-метровую антенну.
В транспортно-пусковом контейнере Exolaunch разместились 22 спутника — 15 CubeSat’ов и 7 более крупных аппаратов. Среди них:
🛰🛰 Радарные спутники ICEYE X47 и X49, массой около 90 кг каждый.
🛰🛰 🛰 Три спутника радиочастотного наблюдения компании Hawkeye 360 — 11A, 11B и 11C. Каждый спутник массой около 30 кг.
🛰 Космический аппарат LizzieSat-2 компании Sidus Space, масса которого составляет около 100 кг. Среди полезной нагрузки — камеры, система для граничных вычислений и камера Holmes-004, которая будет использоваться для наблюдения за другими объектами на орбите.
Среди другой полезной нагрузки к ДЗЗ относятся:
🛰🛰Спутники Tomorrow-S3 и S4 компании Tomorrow.io — пара CubeSat’ов 6U с 📸 микроволновыми радиометрами для сбора метеорологических данных.
🛰 Спутник XCUBE-1, CubeSat 6U от Xplore, с гиперспектральной камерой.
Среди полезной нагрузки, не относящейся к ДЗЗ, нам показались интересными:
🛰 Спутник Jackal 3/TAANSAAFL-002 компании True Anomaly должен продемонстрировать возможности сближения на орбите, а также внеземной съемки. Спутник имеет массу 275 кг. Первая пара спутников True Anomaly, запущенная в марте миссией Transporter 10, вышла из строя вскоре после развертывания.
🛰 Спутник SC1 компании GITAI — CubeSat 16U, предназначенный для отработки новой спутниковой платформы. Кроме того, SC1 должен развернуть на орбите тросовую систему и наблюдать за ней с помощью камер, лидара и лазерного дальномера. Общая масса SC1 — около 20 кг, масса второго концевого тела — около 1 кг. GITAI создает автономных сервисных космических роботов. Компания основана в Японии, а в конце 2023 года переехала в США.
На 🛰 спутнике Flight-2 компании Think Orbital предполагается провести эксперимент по электронно-лучевой сварке, резке и рентгеновскому контролю за состоянием металла. Аппарат массой 45 кг передаст полученные данные на Землю и отключится примерно через сутки после запуска.
Большая часть полезной нагрузки выведена на орбиту высотой 510 км, а южнокорейский разведспутник — на высоту 570 км.
#SAR #SIGINT #микроволны #гиперспектр #оптика
21 декабря 2024 года в 11:34 всемирного времени с площадки SLC-4E Базы Космических сил США “Ванденберг” (штат Калифорния, США) в рамках миссии Bandwagon-2 осуществлен пуск ракеты-носителя Falcon-9FT Block-5 (F9-413) компании SpaceX с 30 малыми космическими аппаратами из 8 стран.
Космические аппараты успешно выведены на околоземную орбиту. Это вторая миссия SpaceX по выводу космических аппаратов на низкие околоземные орбиты со средним наклонением (45°). Первая была выполнена в апреле нынешнего года.
Крупнейшей полезной нагрузкой миссии стал третий южнокорейский разведывательный радарный спутник 🛰 “425 Project”. Первый такой спутник был запущен ракетой Falcon 9 в декабре прошлого года, второй — миссией Bandwagon-1 в апреле нынешнего. Следующий запуск подобных спутников ожидается в миссии Bandwagon-3.
Сообщается, что в декабре 2018 года Thales Alenia Space подписала два контракта с компаниями Korea Aerospace Industries и Hansha Systems Corporation на разработку радарных спутников высокого разрешения для Корейского агентства оборонного развития. Thales Alenia поставляет радар и элементы системы наведения космических аппаратов. Радар использует развертываемую 5-метровую антенну.
В транспортно-пусковом контейнере Exolaunch разместились 22 спутника — 15 CubeSat’ов и 7 более крупных аппаратов. Среди них:
🛰🛰 Радарные спутники ICEYE X47 и X49, массой около 90 кг каждый.
🛰🛰 🛰 Три спутника радиочастотного наблюдения компании Hawkeye 360 — 11A, 11B и 11C. Каждый спутник массой около 30 кг.
🛰 Космический аппарат LizzieSat-2 компании Sidus Space, масса которого составляет около 100 кг. Среди полезной нагрузки — камеры, система для граничных вычислений и камера Holmes-004, которая будет использоваться для наблюдения за другими объектами на орбите.
Среди другой полезной нагрузки к ДЗЗ относятся:
🛰🛰Спутники Tomorrow-S3 и S4 компании Tomorrow.io — пара CubeSat’ов 6U с 📸 микроволновыми радиометрами для сбора метеорологических данных.
🛰 Спутник XCUBE-1, CubeSat 6U от Xplore, с гиперспектральной камерой.
Среди полезной нагрузки, не относящейся к ДЗЗ, нам показались интересными:
🛰 Спутник Jackal 3/TAANSAAFL-002 компании True Anomaly должен продемонстрировать возможности сближения на орбите, а также внеземной съемки. Спутник имеет массу 275 кг. Первая пара спутников True Anomaly, запущенная в марте миссией Transporter 10, вышла из строя вскоре после развертывания.
🛰 Спутник SC1 компании GITAI — CubeSat 16U, предназначенный для отработки новой спутниковой платформы. Кроме того, SC1 должен развернуть на орбите тросовую систему и наблюдать за ней с помощью камер, лидара и лазерного дальномера. Общая масса SC1 — около 20 кг, масса второго концевого тела — около 1 кг. GITAI создает автономных сервисных космических роботов. Компания основана в Японии, а в конце 2023 года переехала в США.
На 🛰 спутнике Flight-2 компании Think Orbital предполагается провести эксперимент по электронно-лучевой сварке, резке и рентгеновскому контролю за состоянием металла. Аппарат массой 45 кг передаст полученные данные на Землю и отключится примерно через сутки после запуска.
Большая часть полезной нагрузки выведена на орбиту высотой 510 км, а южнокорейский разведспутник — на высоту 570 км.
#SAR #SIGINT #микроволны #гиперспектр #оптика