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Optical Design and Radiometric Tests for the Multibeam Limb Sounder STEAMR

English title Optical Design and Radiometric Tests for the Multibeam Limb Sounder STEAMR
Applicant Murk Axel
Number 141032
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für angewandte Physik Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Technical Physics
Start/End 01.04.2012 - 31.03.2014
Approved amount 142'515.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Technical Physics
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Electrical Engineering
Astronomy, Astrophysics and Space Sciences

Keywords (6)

radiometer; autocorrelation spectrometer ; quasi-optics; antenna measurements; remote sensing; submillimeter waves

Lay Summary (German)

Lead
Mikrowellen-Radiometer leisten einen wichtigen Beitrag in der Fernerkundung. Mit ihnen lassen sich z.B. vom Boden oder von einem Satelliten aus dem Weltraum die chemische Zusammensetzung und die dynamischen Prozesse in der Erdatmosphäre untersuchen. Die Resultate sind sowohl für die kurzfristige Wetterprognose, sowie auch für ein besseres Verständnis von Klimaveränderungen relevant. Für die Auswertung der Beobachtungen müssen die Eigenschaften der Antenne und Empfänger mit grosser Genauigkeit bekannt sein.
Lay summary

Das STEAMR Instrument ist ein Submillimeter-Wellen Radiometer (325-355GHz)  für den geplanten PREMIER Satelliten der Europäischen Raumfahrt Agentur ESA. Dabei sollten erstmals mit einem mehrkanaligen Multi-Beam Empfänger mehrere Höhenschichten der Atmosphäre zeitgleich beobachtet werden. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Empfindlichkeit sowie der zeitlichen und örtlichen Auflösung im Vergleich zu bisherigen Satelliten, wodurch sich auch kleinskalige Veränderungen an der Grenze zwischen der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre untersuchen lassen. Diese sind insbesondere  wichtig um den Zusammenhang zwischen Wasserdampf, Wolkenbildung und dem Klimawandel zu untersuchen. 

STEAMR wurde in einer internationalen Zusammenarbeit zwischen Schweden, England und der Schweiz entwickelt. Im Rahmen dieses SNF Projektes wurde am IAP das optischen Design von STEAMR optimiert und ein Prototyp der Focal-Plane-Array Optik aufgebaut und getestet. Anhand dieser Antennenmessungen konnten die Vorhersagen der optischen Simulationen im Detail bestätigt werden.  

Als weiterer Forschungsschwerpunkt wurden verschiedene Prototypen der STEAMR Empfänger und der breitbandigen Spektrometer durch radiometrische Messungen im Labor charakterisiert. Dazu wurde unter anderem auch ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem sich um das wichtige Seitenband-Verhältnis und die Querempfindlichkeit der Überlagerungsempfänger bestimmen liess. Für die Überprüfung dieser Resultate und als Demonstration der Leistungsfähigkeit der Empfänger wurden die Prototypen anschliessend in zwei Messkampagnen auf den Hochalpinen Forschungsstationen Jungfraujoch und Gornergrat eingesetzt.  

 

Direct link to Lay Summary Last update: 11.05.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Optical Tolerance Analysis of the Multi-Beam Limb Viewing Instrument STEAMR
Hammar Arvid, Whale Mark, Forsberg Per, Murk Axel, Emrich. Anders, Stake Jan (2014), Optical Tolerance Analysis of the Multi-Beam Limb Viewing Instrument STEAMR, in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 4(6), 714-721.
Sideband characterization and atmospheric observations with various 340 GHz heterodyne receivers
Renker Matthias Murk Axel Rea Simon P. Emrich Anders Frisk Urban (2014), Sideband characterization and atmospheric observations with various 340 GHz heterodyne receivers, in Review of Scientific Instruments, 85(8), 084706-1-084706-10.
Sideband-Ratio and Harmonic Response of Sub-Millimeter Wave Mixers measured with a Martin Puplett Interferometer
Murk A., Renker M., Rea S., Emrich A. (2014), Sideband-Ratio and Harmonic Response of Sub-Millimeter Wave Mixers measured with a Martin Puplett Interferometer, in International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Tucson, AZ, USA.
A Compensating Anastigmatic Submillimeter Array Imaging System for STEAMR
Whale Mark, Murphy Anthony, Murk Axel, Renker Matthias, Frisk Urban, Janson Olle (2013), A Compensating Anastigmatic Submillimeter Array Imaging System for STEAMR, in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 3(1), 110-119.
Verification of Focal Plane Array for STEAMR through CEM Simulations and Quasi-Optical Beam Pattern Measurements
Renker Matthias, Whale Mark, Murk Axel, Blecha Luc, Paciotti Gabriel, Bell Graham, Wylde Richard (2013), Verification of Focal Plane Array for STEAMR through CEM Simulations and Quasi-Optical Beam Pattern Measurements, in 7th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Göteborg, Sweden.
Antenna Simulations and Measurements of Focal Plane Array Facet Reflectors
Renker Matthias, Whale Mark, Murk Axel (2012), Antenna Simulations and Measurements of Focal Plane Array Facet Reflectors, in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61(4), 1722-1732.
First-light atmospheric observations with a 340 GHz sideband-separating schottky diode receiver
Rea S. P., Renker M., Moyna B. P., Gerber D., Whale M., Murk A. (2012), First-light atmospheric observations with a 340 GHz sideband-separating schottky diode receiver, in 37th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Wollongong, Australia.
The STEAMR Instrument: Optical Design, Development & Testing
Whale Mark, Renker Matthias, Murk Axel, Frisk Urban, Janson Olle, Blecha Luc, Paciotti Gabriel, Bell Graham, Wylde Richard, Murphy Anthony (2012), The STEAMR Instrument: Optical Design, Development & Testing, in 23rd International Symposium on Space Terahertz Technology, Tokyo, Japan.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
International Foundation High Altitude Research Stations Jungfraujoch and Gornergrat (HFSJG) Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
Omnisys Sweden (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Rutherford Appleton Laboratory (RAL) Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
URSI Specialist Symposium on Microwave Remote Sensing of the Earth, Oceans, and Atmosphere Talk given at a conference Atmospheric Observations and Laboratory Measurements of a Broadband 340 GHz Receiver System for STEAMR 28.10.2013 Espoo, Helsinki, Finland Renker Matthias;
7th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP) Poster Verification of Focal Plane Array for STEAMR through CEM Simulations and Quasi-Optical Beam Pattern Measurements 08.04.2013 Gothenburg, Sweden Renker Matthias; Murk Axel;
International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) Talk given at a conference Development of Microwave Calibration Targets for Upcoming ESA Missions 23.07.2012 Munich, Germany Murk Axel;
23rd International Symposium on Space Terahertz Technology Poster The STEAMR Instrument: Optical Design, Development & Testing 02.04.2012 Tokyo, Japan Murk Axel;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
130517 Optical Design and Radiometric Tests for the Multibeam Limb Sounder STEAMR 01.04.2010 Project funding (Div. I-III)
133791 R'EQUIP Microwave Vector Network Analyzer 01.02.2011 R'EQUIP
153313 Submillimeter Wave Instrument SWI/JUICE 01.07.2014 Project funding (Div. I-III)
130517 Optical Design and Radiometric Tests for the Multibeam Limb Sounder STEAMR 01.04.2010 Project funding (Div. I-III)
153313 Submillimeter Wave Instrument SWI/JUICE 01.07.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

STEAMR is a 325-355GHz multibeam limb emission sounder for atmospheric research on board of the the proposed ESA Earth Explorer Mission PREMIER. In our previous SNF project we were responsible for the optical design of the instrument and developed a breadboard model of its focal plane array (FPA). In this follow-up project we characterized this FPA breadboard by antenna measurements, which allowed us to investigate manufacturing tolerances and to validated the accuracy of our antenna simulations. In a second part of this project we integrated different receiver prototypes of STEAMR in a functional radiometer testbed. We characterized its radiometric accuracy, channel response and sideband ratio by laboratory measurements and during two atmospheric measurement campaigns at the High Altitude Research Stations Jungfraujoch and Gornergrat.
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