|
|
|
| Een scatterometer of diffusiemeter is een wetenschappelijk instrument om de terugkeer te meten van een lichtbundel of radargolven die worden verstrooid door diffusie in een medium zoals lucht. Diffusiemeters die gebruik maken van zichtbaar licht zijn te vinden op luchthavens of langs wegen om de horizontale zichtbaarheid te meten. Radarverstrooiingsmeters gebruiken radio of microgolven om de genormaliseerde radardwarsdoorsnede (σ0, "sigma zero" of "sigma nul") van een oppervlak te bepalen. Ze worden vaak op weersatellieten gemonteerd om de windsnelheid en -richting te bepalen, en worden in de industrie gebruikt om de ruwheid van oppervlakken te analyseren. |
| |
| Optische diffusiemeters zijn apparaten die in de meteorologie worden gebruikt om het optische bereik of de horizontale zichtbaarheid te bepalen. Ze bestaan uit een lichtbron, meestal een laser, en een ontvanger. Beide zijn in een hoek van 35° naar beneden geplaatst, gericht op een gemeenschappelijke ruimte. Laterale verstrooiing door de lucht langs de lichtbundel wordt gekwantificeerd als een verzwakkingscoëfficiënt. Elke afwijking van de uitdovingscoëfficiënt bij heldere lucht bijvoorbeeld bij mist wordt gemeten en is omgekeerd evenredig met de zichtbaarheid, hoe groter het verlies, hoe lager de zichtbaarheid. |
| |
Deze apparaten zijn te vinden in automatische weerstations voor algemene zichtbaarheid, langs start- en landingsbanen van luchthavens voor het visuele bereik van de start- en landingsbaan, of langs wegen
voor visuele omstandigheden. Hun grootste nadeel is dat de meting wordt uitgevoerd over het zeer kleine luchtvolume tussen de zender en de ontvanger. Het gerapporteerde zicht is daarom alleen representatief voor de algemene omstandigheden rondom het instrument onder algemene omstandigheden bijvoorbeeld synoptische mist. Dit is niet altijd het geval bijvoorbeeld bij fragmentarische mist. |
|
|
 |
| Airport scatterometer (or diffusometer) |
|
| |
| Radar-verstrooiingsmeter |
| |
Een radarverstrooiingsmeter werkt door een puls microgolfenergie naar het aardoppervlak te zenden en de gereflecteerde energie te meten.
Er wordt een afzonderlijke meting van het alleen-ruisvermogen uitgevoerd en afgetrokken van de signaal+ruis-meting om het terugverstrooiingssignaalvermogen te bepalen. Sigma-0 (σ⁰) wordt berekend op basis van de signaalvermogenmeting met behulp van de gedistribueerde doelradarvergelijking. Scatterometer-instrumenten zijn zeer nauwkeurig gekalibreerd om nauwkeurige terugverstrooiingsmetingen
uit te voeren. |
| |
| De voornaamste toepassing van scatterometrie in de ruimte zijn metingen van winden aan het oppervlak boven de oceaan.mDergelijke instrumenten staan bekend als windverstrooiingsmeters. Door sigma-0-metingen vanuit verschillende azimuthoeken te combineren, kan de windvector aan het oppervlak over het oceaanoppervlak worden bepaald met behulp van een geofysische modelfunctie (GMF) die wind en terugverstrooiing met elkaar in verband brengt. |
| |
| Boven de oceaan
is de terugverstrooiing van de radar het gevolg van verstrooiing door door de wind gegenereerde capillaire zwaartekrachtgolven, die over het algemeen in evenwicht zijn met de wind aan het oppervlak boven de oceaan. Het verstrooiingsmechanisme staat bekend als Bragg-verstrooiing,
dat ontstaat door de golven die in resonantie zijn met de microgolven. |
|
|
 |
| Radar scatterometer |
|
|
| |
Het terugverstrooide vermogen is afhankelijk van de windsnelheid en -richting. Gezien vanuit verschillende azimuthoeken varieert de waargenomen terugverstrooiing van deze golven. Deze variaties kunnen worden benut om de zeewind aan het oppervlak te schatten, dat wil zeggen de snelheid
en richting ervan. Dit schattingsproces wordt ook wel 'wind retrieval' of 'model function inversion' genoemd. Dit is een niet-lineaire inversieprocedure gebaseerd op nauwkeurige kennis
van de GMF (in een empirische of semi-empirische vorm) die de terugverstrooiing van de scatterometer en de vectorwind in verband brengt. Voor het ophalen zijn metingen van de hoekdiversiteitsverstrooiingsmeter met de GMF nodig, die wordt geleverd doordat de verstrooiingsmeter verschillende terugverstrooiingsmetingen uitvoert van dezelfde plek op het oceaanoppervlak vanuit verschillende azimuthoeken. |
| |
Scatterometer-windmetingen worden gebruikt voor lucht-zee-interactie en klimaatstudies en zijn vooral nuttig voor het monitoren van orkanen. Scatterometer-backscatter gegevens worden toegepast bij de studie van vegetatie, bodemvocht, poolijs, het volgen van Antarctische ijsbergen
en mondiale veranderingen. Er zijn verstrooiingsmetermetingen gebruikt om de wind over zand-
en sneeuwduinen vanuit de ruimte te meten. Niet-terrestrische toepassingen omvatten onder
meer de studie van manen in het zonnestelsel met behulp van ruimtesondes. Dit is vooral het
geval bij de Cassini-missie van NASA/ESA naar Saturnus en zijn manen. |
| |
NASA, ESA en NASDA hebben verschillende generaties windverstrooiingsmeters in de ruimte gevlogen. De eerste operationele windverstrooiingsmeter stond bekend als de Seasat Scatterometer (SASS) en werd gelanceerd in 1978. Het was een fan-beam-systeem dat werkte
op de Ku-band (14 GHz). |
| |
| In 1991 lanceerde ESA de European Remote-Sensing Satellite ERS-1 Advanced Microwave Instrument (AMI)-verstrooiingsmeter, gevolgd door de ERS-2 AMI-verstrooiingsmeter in 1995. Beide AMI-waaierbundelsystemen werkten op de C-band (5,6 GHz) |
| |
| In 1996 lanceerde NASA de NASA Scatterometer (NSCAT), aan boord van de NASDA ADEOS I-satelliet, een Ku-band fan-beam-systeem. NASA lanceerde in 1999 de eerste scanning-verstrooiingsmeter, bekend als SeaWinds, op QuikSCAT. Deze werkte op de Ku-band. Een tweede SeaWinds-instrument werd in 2002 op de NASDA ADEOS-2 gevlogen. |
|
|
 |
| Een momentopname van tyfoon Soulik terwijl hij een intensiteit van categorie 4 had. Eumetsat's ASCAT-instrument (Advanced Scatterometer), Metop-A-satelliet |
|
| |
De Indian Space Research Organization lanceerde in 2009 een Ku-band scatterometer op hun Oceansat-2-platform. ESA en EUMETSAT lanceerden
in 2006 de eerste C-band ASCAT aan boord van Metop- EEN. Het Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), gelanceerd in 2016, is een constellatie van acht kleine satellieten die een bistatische benadering gebruiken door de reflectie van het aardoppervlak van GPS-signalen (Global Positioning System) te analyseren, in plaats van een ingebouwde radarzender te gebruiken. |
| |
| Voor-en nadelen |
| |
Scatterometrische metingen zijn niet-destructieve en contactloze methoden. Voor gebruik in de procescontrole bij de productie van halfgeleiderproducten worden ze gekenmerkt door een hoge gevoeligheid, zelfs voor kleine materiële of structurele veranderingen, en zijn ze doorgaans relatief eenvoudig te implementeren in termen van systeemtechnologie. Vergeleken met alternatieve methoden zoals atomic force microscopen is de scatterometrische bepaling van profieldiepten aanzienlijk sneller, minder gevoelig voor interferentie bij hoge doorvoer en biedt het ook de mogelijkheid om aanvullende profielparameters te bepalen, zoals lijnbreedte, zijwandhoek en laagdikte . Het nadeel is echter dat de metingen van de gewenste materiaal- en geometriegegevens indirect worden uitgevoerd, wat betekent dat ze een aanpassingsberekening vereisen voor een vooraf gedefinieerd model. Een directe bepaling van de materiële gegevens van een onbekend systeem is meestal niet mogelijk. Nog grotere afwijkingen kunnen alleen worden vastgesteld met grotere foutwaarden. Bovendien is ook de bepaling van geïsoleerde lijnbreedten, zoals vaak
vereist voor procescontrole bij fotolithografie, niet mogelijk. |
| |
|
|
|
|
|
|
