2015年2月1日

圖注：NASA土壤濕度主－被動探測衛(wèi)星（SMAP）將提供高分辨率全球土壤濕度圖，跟蹤全球范圍可用的水資源，為決策提供指導(dǎo)。

　　圖像來源：NASA/噴氣推進實驗室（JPL）－加利福尼亞理工學(xué)院

　　無論是一片炎熱土地還是沼澤濕地，地面都會自然地發(fā)射微波能量。雖然能量不多，但是這足以使美國國家航空航天局（NASA）最新型的輻射計從太空監(jiān)測到它，科研人員可以通過監(jiān)測結(jié)果來研究土壤中的含水量。

　　土壤濕度對于天氣預(yù)報、干旱、洪水預(yù)測以及農(nóng)業(yè)等方面是一個重要的測量值。不同類型的土壤發(fā)射出的微波射線量不同，微波釋放量隨含水量大小而變化。土壤越干，微波能量越大。反之，能量越小。通過輻射計測量這種輻射，科學(xué)家便可利用這些數(shù)據(jù)來計算含水量。

　　本周，一個安裝在SMAP衛(wèi)星上的新輻射計將被發(fā)射到軌道。SMAP搭載兩個儀器來測量土壤中的含水量。除了輻射計將接收土壤中發(fā)出能量的數(shù)據(jù)，利用一個微波雷達，把與土壤相互作用的衛(wèi)星信息發(fā)射到地面并傳輸回衛(wèi)星。

　　為了接收輻射計和雷達的地表信號，SMAP配備了一個每分鐘旋轉(zhuǎn)14次、20英寸（50公分）寬的網(wǎng)狀天線（空間最大的旋轉(zhuǎn)天線）。一個接收器將解譯這兩組信號。

　　美國馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心輻射計研究專家Jeff Piepmeier指出，這個接收器非常靈敏。假設(shè)在月球上放置一個移動電話，與接收器同一個頻率工作，可以看到這個東西打開和關(guān)閉的情況。類似于夜視鏡檢測熱紅外波段，這個輻射計可測量土壤中的“亮度溫度”，一個地表面溫度和土壤濕度結(jié)合的測量值。通過計算機模型分解溫度因素，科學(xué)家能夠計算出土壤的濕度?？茖W(xué)家已經(jīng)花費了幾十年的時間解譯土壤水分輻射計數(shù)據(jù)，結(jié)果已是非常準(zhǔn)確了。

　　但是，SMAP衛(wèi)星輻射計的分辨率為25英里（40公里），覆蓋相對較大的區(qū)域。為了滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尺度需要的更為精確的數(shù)據(jù)，科學(xué)家綜合了SMAP的雷達儀器數(shù)據(jù)，此雷達儀由加州帕薩迪納市NASA噴氣推進實驗室開發(fā)和建造。

　　這個雷達收發(fā)信號的分辨率達到0.6－1.9英里（0.96－3.04公里）。但由于雷達對植被與土壤表層其他特性更為靈敏，使之無法達到輻射計同樣的準(zhǔn)確率。

　　因此，兩個儀器可以彼此互補。輻射計提供較大面積土地的精確測量結(jié)果，同時雷達提供更小地塊土壤濕度的詳細(xì)結(jié)果。

　　SMAP副項目科學(xué)家Peggy O'Neill聲稱，將兩個儀器結(jié)合在一起使用，發(fā)揮出彼此最好的功能，就可以在一個6英里（9.6公里）空間分辨率基礎(chǔ)上，提供相當(dāng)準(zhǔn)確的土壤濕度測量產(chǎn)品。

　　輻射儀檢測到的高質(zhì)量信號也會帶有噪音。射頻干擾，或者說是會發(fā)生RFI，比如空中交通管制雷達或閉路電視、同一或相鄰的頻率廣播等都會產(chǎn)生干擾。噪音干擾已調(diào)好的輻射計頻率并毀壞數(shù)據(jù)。這就像無線電廣播，當(dāng)一個音樂頻道竄擾新聞廣播頻道，就會產(chǎn)生幾次點擊撥號聲。

　　O'Neill指出，SMAP運行在1萬4千兆赫茲頻率下，將不受地球和空間中監(jiān)聽的科學(xué)儀器干擾。但是，監(jiān)聽這個頻率的早期儀器會遇到射頻干擾信號。為了鬧中取靜，SMAP輻射計具備新型反RFI增強功能。O'Neill同時指出，噪音是一個問題，戈達德的工程師們必須設(shè)計出檢測RFI的方法，盡可能的過濾掉數(shù)據(jù)噪音。

　　基于分諧頻率和時間，該技術(shù)將來自衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分離后放進不同盒子。如果出現(xiàn)異常值，這種情況只出現(xiàn)過一次或一個狹窄波段，計算機軟件能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)摘出，與來自土壤的自然信號隔離，這將可以從一個更寬頻段獲得更為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。

　　Piepmeier指出，戈達德輻射計研究團隊與大學(xué)科學(xué)家和工程師合作以判斷RFI的破壞力和其對科學(xué)方法的潛在影響。如果沒有目前的技術(shù)，SMAP就不能滿足它的科學(xué)需求。

　　自衛(wèi)星發(fā)射約11天后，甚至在為接收來自地球的信號的網(wǎng)狀天線部署之前，SMAP輻射計將被打開。反之，在起初的這些日子里，輻射計將面向太空。

　　此目標(biāo)是將校準(zhǔn)的測量值來調(diào)整儀器。射電天文學(xué)家擁有詳細(xì)的空間冷微波背景輻射溫度地圖，因此SMAP將用這些數(shù)據(jù)驗證輻射計，并按照需要隨時進行調(diào)正。

　　在任務(wù)進展中，衛(wèi)星將進行定期翻轉(zhuǎn)，從正常的地球指向模式翻轉(zhuǎn)到指向太空深處的校準(zhǔn)測量模式，這樣可以確保輻射儀的精度長期不變?；谶@些精確測量方法，科學(xué)家希望通過對土壤情況的更好了解幫助農(nóng)民、應(yīng)急管理者及天氣預(yù)報人員等。

　　原文題目：NASA's New Radiometer Tunes In to Soil's Frequency

　　來源：http://www.spacedaily.com/reports/NASAs_New_Radiometer_Tunes_In_to_Soils_Frequency_999.html

　　（王化編譯，殷永元審核）