AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES

AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES

Subject and Purpose. The work has been aimed at developing and implementing a novel method of aeronomic observations in the Earth's stratosphere, applicable in the microwave range of the electromagnetic spectrum. The research is centered on a study of the measurement errors arising when the met...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2023
Автори: Korolev, A. M., Karelin, Yu. V., Antyufeyev, O. V., Shulga, V. M., Myshenko, V. V., Chechotkin, D. I., Shulga, D. V., Patoka, O. M., Marynko, K. V.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім «Академперіодика» 2023
Теми:
Онлайн доступ:http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1396
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Radio physics and radio astronomy

Репозитарії

Radio physics and radio astronomy
id oai:ri.kharkov.ua:article-1396
record_format ojs
institution Radio physics and radio astronomy
collection OJS
language Ukrainian
topic

spellingShingle

Korolev, A. M.
Karelin, Yu. V.
Antyufeyev, O. V.
Shulga, V. M.
Myshenko, V. V.
Chechotkin, D. I.
Shulga, D. V.
Patoka, O. M.
Marynko, K. V.
AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES
topic_facet

format Article
author Korolev, A. M.
Karelin, Yu. V.
Antyufeyev, O. V.
Shulga, V. M.
Myshenko, V. V.
Chechotkin, D. I.
Shulga, D. V.
Patoka, O. M.
Marynko, K. V.
author_facet Korolev, A. M.
Karelin, Yu. V.
Antyufeyev, O. V.
Shulga, V. M.
Myshenko, V. V.
Chechotkin, D. I.
Shulga, D. V.
Patoka, O. M.
Marynko, K. V.
author_sort Korolev, A. M.
title AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES
title_short AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES
title_full AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES
title_fullStr AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES
title_full_unstemmed AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES
title_sort aeronomic radio spectrometry with calibration by signals from virtual sources
title_alt АЕРОНОМІЧНА РАДІОСПЕКТРОМЕТРІЯ З КАЛІБРУВАННЯМ ЗА ВІРТУАЛЬНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ
description Subject and Purpose. The work has been aimed at developing and implementing a novel method of aeronomic observations in the Earth's stratosphere, applicable in the microwave range of the electromagnetic spectrum. The research is centered on a study of the measurement errors arising when the method proposed is employed for observations of the ozone spectral line (142 GHz).Methods and Methodology. The method is based on a simplified calibration procedure, in what concerns the hardware and the technology employed. In contrast to the common calibration techniques using special-purpose sources of the reference signal, we suggest resorting to natural sources, like internal noise of the receiver and the thermal radiation from the Earth's surface and the lower atmospheric layer. The measurement errors (both calculated and evaluated experimentally) have been analyzed within standard mathematical statistics techniques.Results. The tests performed during observations of the spectral line (142 GHz) of atmospheric ozone allow considering the new method as a success. The estimated magnitude of the relative error specific to the observation method proposed does not exceed 1.5%. The experimental estimate accounting for all potential error sources does not exceed 5% (with a 1 hour accumulation period), which result corresponds to the current state of the art.Conclusions. The possibility of an essential simplification of the radio optical part of the spectrometer has been demonstrated. The novel calibration technique, as well as the technical implementation thereof, can be recommended as a basis for prospective spectrometers at microwave frequencies.Keywords: aeronomy, ozone, calibration, millimeter wavelengths.Manuscript submitted 05.05.2022Radio phys. radio astron. 2022, 27(3): 219-228REFERENCES1. Buehler, S.A., Eriksson, P., Kuhn, T., von Engeln, A., Verdes, C., 2005. ARTS, the Atmospheric Radiative Transfer Simulator.J. Quant. Spectrosc. Ra., 91(1), pp. 65—93. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.05.0512. Straub, C., Espy, P., Hibbins, R., and Newnham, D, 2013. Mesospheric CO above Trollstation, Antarctica observedby a groundbased microwave radiometer. Earth Syst. Sci. Data, 5(1), pp. 199—208. DOI:https://doi.org/10.5194/essd-5-199-20133. Forkman, P., Christensen, O.M., Eriksson, P., Urban, J. and Funke, B., 2012. Six years of mesospheric CO estimated from ground-based frequency-switched micro wave radiometry at 57° N compare dwith satellite instruments. Atmos. Meas. Tech., 5(11),pp. 2827—2841. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-5-2827-20124. Hagen, J., Murk, A., Rüfenacht, R., Khaykin, S., Hauchecorne, A., Kämpfer, N., 2018. WIRA-C: a compact 142-GHz-radiometerfor continuous middle-atmospheric wind measurements. Atmos. Meas. Tech., 11(9), pp. 5007—5024. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-11-5007-20185. Karelin, Yu.V., Antyufeyev, O.V., Myshenko, V.V., Shulga, V.M., 2017. An FPGA-based Fourier FFTS-160 spectrometer foratmospheric molecular radiation research. Telecommunications and RadioEngineering, 76(4), pp. 305—313. DOI:https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i4.306. Rufenacht, R., Kampfer, N., Murk, A., 2012. First middle-atmospheric zonal wind profile measurements with a new ground-basedmicrowave Doppler-spectro-radiometer. Atmos. Meas. Tech., 5(11), pp. 2647—2659. DOI: https://doi.org/10.5194/amt-5-2647-20127. Myshenko, V.V., Shulga, V.M., Korolev, O.M., Karelin, Yu.V., Chechotkin, D.L., Antyufeyev, O.V., Patoka, O.M., 2019. Localoscillatorsfor mm-wavelength aeronomic receivers. Radio Phys. Radio Astron., 24(2), pp. 144—153 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/rpra24.02.1448. Piddyachiy, V., Korolev, A., Myshenko, V., Shulga, V., 2015. The 2-mm range receiving module for observations of atmosphericozone emissionlineat 142.2 GHz. Radio Phys. Radio Astron., 20(3), pp. 261—268 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/rpra20.03.2619. Piddyachiy, V., Shulga, V., Myshenko, V., Korolev, A., Myshenko, A., Antyufeyev, A., Poladich, A., and Shkodin, V., 2010. 3-mmwave spectroradiometer for studies of atmospheric trace gases. Radiophys. Quantum Electron., 53(5–6), pp. 326—333. DOI:https://doi.org/10.1007/s11141-010-9231-y10. Kraus, G.D., 1973. Radioastronomy. Transl. from English ed. V.V. Zheleznyakov. Moscow, USSR: Sov. Radio Publ. (in Russian).11. Ingold, T., Peter, R., Kämpfer, N., 1998. Weighted mean tropospheric temperature and transmittance determination at millimeter-wave frequencies for ground-based applications. Radio Sci., 33(4), pp. 905—918. DOI: https://doi.org/10.1029/98RS01000
publisher Видавничий дім «Академперіодика»
publishDate 2023
url http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1396
work_keys_str_mv AT korolevam aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT karelinyuv aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT antyufeyevov aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT shulgavm aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT myshenkovv aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT chechotkindi aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT shulgadv aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT patokaom aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT marynkokv aeronomicradiospectrometrywithcalibrationbysignalsfromvirtualsources
AT korolevam aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT karelinyuv aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT antyufeyevov aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT shulgavm aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT myshenkovv aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT chechotkindi aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT shulgadv aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT patokaom aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
AT marynkokv aeronomíčnaradíospektrometríâzkalíbruvannâmzavírtualʹnimidžerelami
first_indexed 2024-05-26T06:28:50Z
last_indexed 2024-05-26T06:28:50Z
_version_ 1802895109276041216
spelling oai:ri.kharkov.ua:article-13962023-06-20T14:17:41Z AERONOMIC RADIO SPECTROMETRY WITH CALIBRATION BY SIGNALS FROM VIRTUAL SOURCES АЕРОНОМІЧНА РАДІОСПЕКТРОМЕТРІЯ З КАЛІБРУВАННЯМ ЗА ВІРТУАЛЬНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ Korolev, A. M. Karelin, Yu. V. Antyufeyev, O. V. Shulga, V. M. Myshenko, V. V. Chechotkin, D. I. Shulga, D. V. Patoka, O. M. Marynko, K. V. Subject and Purpose. The work has been aimed at developing and implementing a novel method of aeronomic observations in the Earth's stratosphere, applicable in the microwave range of the electromagnetic spectrum. The research is centered on a study of the measurement errors arising when the method proposed is employed for observations of the ozone spectral line (142 GHz).Methods and Methodology. The method is based on a simplified calibration procedure, in what concerns the hardware and the technology employed. In contrast to the common calibration techniques using special-purpose sources of the reference signal, we suggest resorting to natural sources, like internal noise of the receiver and the thermal radiation from the Earth's surface and the lower atmospheric layer. The measurement errors (both calculated and evaluated experimentally) have been analyzed within standard mathematical statistics techniques.Results. The tests performed during observations of the spectral line (142 GHz) of atmospheric ozone allow considering the new method as a success. The estimated magnitude of the relative error specific to the observation method proposed does not exceed 1.5%. The experimental estimate accounting for all potential error sources does not exceed 5% (with a 1 hour accumulation period), which result corresponds to the current state of the art.Conclusions. The possibility of an essential simplification of the radio optical part of the spectrometer has been demonstrated. The novel calibration technique, as well as the technical implementation thereof, can be recommended as a basis for prospective spectrometers at microwave frequencies.Keywords: aeronomy, ozone, calibration, millimeter wavelengths.Manuscript submitted 05.05.2022Radio phys. radio astron. 2022, 27(3): 219-228REFERENCES1. Buehler, S.A., Eriksson, P., Kuhn, T., von Engeln, A., Verdes, C., 2005. ARTS, the Atmospheric Radiative Transfer Simulator.J. Quant. Spectrosc. Ra., 91(1), pp. 65—93. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.05.0512. Straub, C., Espy, P., Hibbins, R., and Newnham, D, 2013. Mesospheric CO above Trollstation, Antarctica observedby a groundbased microwave radiometer. Earth Syst. Sci. Data, 5(1), pp. 199—208. DOI:https://doi.org/10.5194/essd-5-199-20133. Forkman, P., Christensen, O.M., Eriksson, P., Urban, J. and Funke, B., 2012. Six years of mesospheric CO estimated from ground-based frequency-switched micro wave radiometry at 57° N compare dwith satellite instruments. Atmos. Meas. Tech., 5(11),pp. 2827—2841. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-5-2827-20124. Hagen, J., Murk, A., Rüfenacht, R., Khaykin, S., Hauchecorne, A., Kämpfer, N., 2018. WIRA-C: a compact 142-GHz-radiometerfor continuous middle-atmospheric wind measurements. Atmos. Meas. Tech., 11(9), pp. 5007—5024. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-11-5007-20185. Karelin, Yu.V., Antyufeyev, O.V., Myshenko, V.V., Shulga, V.M., 2017. An FPGA-based Fourier FFTS-160 spectrometer foratmospheric molecular radiation research. Telecommunications and RadioEngineering, 76(4), pp. 305—313. DOI:https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i4.306. Rufenacht, R., Kampfer, N., Murk, A., 2012. First middle-atmospheric zonal wind profile measurements with a new ground-basedmicrowave Doppler-spectro-radiometer. Atmos. Meas. Tech., 5(11), pp. 2647—2659. DOI: https://doi.org/10.5194/amt-5-2647-20127. Myshenko, V.V., Shulga, V.M., Korolev, O.M., Karelin, Yu.V., Chechotkin, D.L., Antyufeyev, O.V., Patoka, O.M., 2019. Localoscillatorsfor mm-wavelength aeronomic receivers. Radio Phys. Radio Astron., 24(2), pp. 144—153 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/rpra24.02.1448. Piddyachiy, V., Korolev, A., Myshenko, V., Shulga, V., 2015. The 2-mm range receiving module for observations of atmosphericozone emissionlineat 142.2 GHz. Radio Phys. Radio Astron., 20(3), pp. 261—268 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/rpra20.03.2619. Piddyachiy, V., Shulga, V., Myshenko, V., Korolev, A., Myshenko, A., Antyufeyev, A., Poladich, A., and Shkodin, V., 2010. 3-mmwave spectroradiometer for studies of atmospheric trace gases. Radiophys. Quantum Electron., 53(5–6), pp. 326—333. DOI:https://doi.org/10.1007/s11141-010-9231-y10. Kraus, G.D., 1973. Radioastronomy. Transl. from English ed. V.V. Zheleznyakov. Moscow, USSR: Sov. Radio Publ. (in Russian).11. Ingold, T., Peter, R., Kämpfer, N., 1998. Weighted mean tropospheric temperature and transmittance determination at millimeter-wave frequencies for ground-based applications. Radio Sci., 33(4), pp. 905—918. DOI: https://doi.org/10.1029/98RS01000 Предмет і мета роботи. Метою роботи є розробка та практичне впровадження нового методу аерономічних спостережень у стратосфері Землі в мікрохвильовому діапазоні електромагнітного спектра. Предмет досліджень — похибки вимірювань за цим методом стосовно до спостережень спектральної лінії озону (142 ГГц).Методи і методологія. Метод базується на розробленій авторами, спрощеній в апаратурно-технічному аспекті, калібрувальній процедурі. На відміну від поширених калібрувальних методів (із застосуванням штучних спеціальних джерел опорного сигналу), нами використовуються віртуальні природні джерела — власні шуми приймача і тепловий шум (випромінювання) земної поверхні та приземного прошарку атмосфери. Похибки вимірювань (розрахункові та експериментальні) аналізувалися стандартними методами математичної статистики.Результати. Натурні випробування при спостереженнях спектральної лінії атмосферного озону на частоті 142 ГГц можна вважати вдалими. Розрахункове значення відносної похибки, обумовленої особливостями запропонованого методу спостережень, не перевищує 1.5 %. Експериментальне значення похибки, обумовленої всіма чинниками, не перевищує 5 % (термін накопичення — 1 година), що в цілому відповідає наявному світовому рівню.Висновок. Продемонстровано можливість значного спрощення радіооптичної частини спектрометра, а новий калібрувальний метод і його технічне втілення можна рекомендувати як основу при створенні мобільних перспективних мікрохвильових спектрометрів.Ключові слова:аерономія, озон, калібрування, міліметрові хвиліСтаття надійшла до редакції 05.05.2022Radio phys. radio astron. 2022, 27(3): 219-228БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК1. Buehler S.A., Eriksson P., Kuhn T., von Engeln A., Verdes C. ARTS, the Atmospheric Radiative Transfer Simulator. J. Quant. Spectrosc. Ra. 2005. Vol. 91, Iss. 1. P. 65—93. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.05.0512. Straub C., Espy P., Hibbins R., and Newnham D. Mesospheric CO above Trollstation, Ant arctica observed by a ground based microwave radiometer. Earth Syst. Sci. Data. 2013. Vol. 5, Iss. 1. P.199—208. DOI:https://doi.org/10.5194/essd-5-199-20133. Forkman P., Christensen O. M., Eriksson P., Urban J. and Funke B. Six years of mesospheric CO estimated from ground-based frequency-switched microwave radiometry at 57° N compare dwith satellite instruments. Atmos. Meas. Tech. 2012. Vol. 5, Iss. 11. P. 2827—2841. DOI:https://doi.org/10.5194/amt-5-2827-20124. Hagen J., Murk A., Rüfenacht R., Khaykin S., Hauchecorne A., Kämpfer N. WIRA-C: a compact 142-GHz-radiometer for continuous middle-atmospheric wind measurements. Atmos. Meas. Tech. 2018. Vol. 11, Iss. 9. P. 5007—5024. DOI: 10.5194/amt-11-5007-2018.5. Karelin Yu.V., Antyufeyev O.V., Myshenko V.V., Shulga V.M. An FPGA-based fourier FFTS-160 spectrometer for atmospheric molecular radiation research. Telecommunications and RadioEngineering. 2017. Vol. 76, Iss. 4. P. 305—313. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v76.i4.30.6. Rufenacht R., Kampfer N., Murk A. First middle-atmospheric zonal wind profile measurements with a new ground-based microwave Doppler-spectro-radiometer. Atmos. Meas. Tech. 2012. Vol. 5, Iss. 11. P. 2647—2659. DOI: 10.5194/amt-5-2647-2012.7. Мышенко В.В., Шульга В.М., Королев А.М., Карелин Ю.В., Чечеткин Д.Л., Антюфеев А.В., Патока А.Н. Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона. Радиофизика и радиоастрономия. 2019. Т. 24, No2. С. 144–153. DOI: 10.15407/rpra24.02.144.8. Подъячий В.И., Королёв А.М., Мышенко В.В., Шульга В.М. Приёмный модуль 2-мм диапазона для наблюдений линии излучения атмосферного озона на частоте142,2 Гц. Радиофизика и радиоастрономия. 2015. Т. 20, No 3. С. 261—268. DOI: 10.15407/rpra20.03.261.9. Piddyachiy V., Shulga V., Myshenko V., Korolev A., Myshenko A., Antyufeyev A., Poladich A., andShkodin V. 3-mm wave spectroradiometer for studies of atmospheric trace gases. Radiophys. Quantum Electron. 2010. Vol. 53, Iss. 5—6. P. 326—333. DOI: 10.1007/s11141-010-9231-y.10. Краус Дж.Д. Радиоастрономия. Пер. с англ. под ред. В.В. Железнякова. Москва: Советское радио, 1973, 456 с.11. Ingold T., Peter R., and Kämpfer N. Weighted mean tropospheric temperature and transmittance determination at millimeter wave frequencies for ground-based applications. Radio Sci. 1998. Vol. 33, Iss. 4. P. 905—918. DOI: 10.1029/98RS01000 Видавничий дім «Академперіодика» 2023-06-15 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1396 10.15407/rpra27.03.219 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 27, No 3 (2022); 219 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 27, No 3 (2022); 219 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 27, No 3 (2022); 219 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra27.03 uk http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1396/pdf Copyright (c) 2022 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY

Схожі ресурси