Passive Mikrowellenradiometrie

Mit Mikrowellen bezeichnet man allgemein den Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen etwa 1m und 1cm Wellenlänge. Der sich zu kürzeren Wellenlängen hin anschließende Bereich der Millimeterwellen (1cm–1mm) wird wegen der gleichartigen Leitungstechniken meistens dem Mikrowellenbereich zugeordnet. Im Wellenlängenbereich unter 1mm — dem Submillimeterbereich — wird dagegen schon zunehmend mit offenen Strahlengängen und optischen Bauteilen gearbeitet, so daß man hier eine weniger willkürliche Grenze zum Mikrowellenbereich ziehen kann. Aus diesem Grund wird der Submillimeterbereich häufig auch schon dem “fernen Infrarot” (FIR) zugeordnet. Im Wellenlängenbereich über etwa lm Wellenlänge kann man Spannungen, Ströme und Felder meistens als stationär ansehen, da hier die Bauteile i.allg. wesentlich kleiner als die Wellenlänge sind. Der Übergang zwischen den verschiedenen Leitungstechniken ist aber auch hier fließend.

Im Gegensatz zu der Strahlung, die von technischen Sendern zur Nachrichtenübermittlung abgestrahlt wird, ist die Strahlung, mit der man es in der passiven Mikrowellenradiometrie zu tun hat, eine ungeordnete Strahlung. Es handelt sich um ein Gemisch von statistisch voneinander unabhängigen Wellenzügen unterschiedlicher Frequenz und Phasenlage. Man bezeichnet eine solche Strahlung nach dem akustischen Eindruck im hörbaren Niederfrequenzbereich als Rauschstrahlung. Wegen der statistischen Natur der Strahlung muß man zu ihrer Charakterisierung mit zeitlichen Mittelwerten arbeiten.

Ein Empfänger für die passive Mikrowellenradiometrie muß in der Lage sein, extrem kleine Signalleistungen nachzuweisen. Bei einer technisch festgelegten Empfangsbandbreite kann man aufgrund von Gleichung (1–33) auch sagen, daß der Empfänger möglichst kleine Änderungen der Antennentemperatur nachweisen können sollte. Das heißt, man kann die Grenzempfindlichkeit eines Empfängers durch die kleinste gerade noch nachweisbare Temperaturänderung der Antennentemperatur charakterisieren.

Bei einem Teil der Anwendungsbereiche der passiven Mikrowellenradiometrie steht die Messung von Moleküllinienübergängen im Vordergrund. Die genaue Bestimmung des Linienprofils kann Aufschluß über die physikalischen Zustände (z.B. Druck, Temperatur) am Enstehungsort der Strahlung geben (siehe Kap. 1.1.2). Hat das Meßobjekt eine Radialgeschwindigkeitskomponente gegenüber dem Empfangsort, so führt das aufgrund des Doppler-Effekts zu einer Frequenzverschiebung der Linie, d.h. aus der Messung der Verschiebung läßt sich die Radialgeschwindigkeit bestimmen. Zur Messung der Linienform und der Mittenfrequenz muß das vom Radiometer empfangene Frequenzband auf seine spektralen Anteile hin analysiert werden. Hierzu dient das Spektrometer. Um die Meßfehler klein zu halten, sollte dieses möglichst frequenzselektiv sein und eine große absolute Frequenzgenauigkeit sowie ein hohes Temperaturauflösungsvermögen besitzen. Bei starken Linien ist ferner der Dynamikbereich des Spektrometers von Bedeutung.

Die Anwendung der passiven Mikrowellenradiometrie hat in den letzten Jahren eine erhebliche Ausweitung erfahren. Einer der wesentlichen Gründe hierfür ist die Empfindlichkeitssteigerung der Radiometer und der Einsatz von Halbleiterkomponenten bis in den Millimeterwellenbereich hinein. Dies machte schließlich auch den Einbau von passiven Radiometern in Satelliten möglich, wodurch völlig neue Bereiche erschlossen werden konnten. Aus der Vielzahl der Anwendungsbereiche können hier nur wenige etwas eingehender behandelt werden.

Die Mikrowellenradiometrie ist für die experimentelle Plasmaphysik von Bedeutung, da sich mit ihrer Hilfe wichtige Plasmaparameter ermitteln lassen. Dies gilt für astrophysikalische und extraterrestrische, im besonderen aber für Laborplasmen, für welche die rückwirkungsfreie Diagnostik von Wichtigkeit ist. Dieses Kapitel beschränkt sich auf die passive Mikrowellenradiometrie von fusionsrelevanten Laborplasmen. Einige einführende Bemerkungen seien vorangestellt.