微波辐射计原理及硬件架构设计

微波辐射计原理及硬件架构设计

蒋村溪

(南京大桥机器有限公司江苏南京211000)

1基本工作原理

1.1总述

温度、湿度、风向和风速的大气廓线通常由国家气象服务部门利用无线电探空仪来测得。这些设备价格昂贵、运行成本高、空间分辨率（几百公里范围）和时间分辨率（每天约两次）低。虽然卫星测得的温度和湿度廓线有更好的空间覆盖能力，尤其是在海洋和人口稀少的地区，但是所获得的水平分辨率和时间分辨率都很低。由于观测的方位，其垂直分辨率在对流层上部的上部比较高，但是越靠近地球表层其分辨率也越低。由于云在红外光谱部分有很强的吸收能力，有些卫星（如先进的微波探测装置AMSU和特殊的微波/温度传感器仪SSM/T）的运行设计在微波部分，而云对于微波来说是半透明的。廓线的获得是通过测量沿大气压力增宽的谱线的大气吸收作用。温度廓线是通过测量60GHz处氧气的吸收作用，而湿度廓线是通过测量183GHz处的水汽线来获得的。由于大气在两个波段处的吸光度很高（不透明度），未知表面的吸收作用可以忽略不计。

地基微波辐射计在反演大气温度和湿度廓线方面的作用在很久前已经被证实[e.g.Westwateretal,1965;Askneetal,1986]。由于微波辐射计运行成本低，可获取连续的大气温湿度廓线，并且廓线在靠近行星边界层表面具有最高的垂直分辨率。这种特性对于评价高分辨率的天气预报数值模型特别重要。由于技术的发展，加上寻求探空仪替代品需求的加强，用于反演大气温度和湿度的多通道微波辐射计在过去几年内已经发展起来[DelFrateetal,1998;Solheimetal,1998]。

地基多通道的另外一个优点是其对云液态水的高敏感性。被动式微波辐射计是迄今为止除个别昂贵的飞行器原位观测之外，观测垂直液态水含量（液态水路径，LWP）最准确的方法。在二十年前[Westwater,1978]，双通道微波辐射计已经被证明能高精度反演LWP和综合水汽含量（IWV）。

在过去几年中，通过增加额外通道、将微波辐射计与其他地基仪器联合等方法，LWP反演技术得到进一步发展[HanandWestwater,1995]。为了反演云液态水廓线，而不仅仅是垂直含量，Solheim建议使用多通道测量。

基于卫星遥感的海洋上空LWP的观测是成熟的方法[Grody,1993]，但是在卫星观测范围内（一般为几公里），云的分布是不均匀的，这就有可能导致严重的错误。而地基辐射计可弥补这一缺陷，因为其观测方式为垂直光束观测，尽管云在时间上和空间上的变化很快，甚至低于很多辐射计的分辨率[RogersandYau,1989]。对于波长为1cm的传统辐射计，出于对天线孔径大小的实际考虑，半功率波束宽度为2～4°。此波束宽度适用于几百米范围的云底高度的廓线。

大气对微波具有选择吸收和透明（即所谓大气窗）的特性。由分子光谱与热辐射理论可知，大气本身能够放射微波辐射。根据基尔霍夫定律，大气作为辐射体，在某波段有强烈吸收，必然在该波段有强烈的辐射。图1给出液态水，水汽和氧气的大气发射。

图1液态水，水汽和氧气的大气发射

蓝色线标注的频率是微波辐射计用以获取LRP,IWV和温湿度廓线的（对流层全部和边界层）部分

大气中水汽廓线的信息是来源于相对较弱的水汽线，处于跨度为6GHz的高频率线性增宽频道范围(22-28GHz)。大气压力的增宽系数约为3MHz/hPa，约300-1000hPa范围的信息可以用于光谱测量。在氧气吸收复合线的中心是大气光学厚度和靠近辐射计区域的测量辐射源。对于远离线性中心的频率，大气透明度增强，通道能接受到离辐射计较远距离的辐射，由于已知的混合比和温度对氧气消光系数的依赖性，温度垂直分布的信息包含在低频率处8GHz范围内。

对于指向天顶方向的地基辐射计来说，每个频道的加权函数的峰值都能清楚的观测到（如图2）。如果仰角降低（这样也增长了大气路径），峰值会出现在低海拔处。这也证实了辐射计在反演行星表面温度方便的优越性。

云液态水发射的微波信号随频率平方的增大而增强。这依赖于温度，并且与微粒半径的三次方成正比。因此，选用两个通道测量，一个主要受水汽线的影响，另一个在30GHz窗口通道处，可以很好的测量LWP和IWV[如Westwater,1978]。

图2氧气线组合频道的权重函数

1.2简要工作过程

微波辐射计的天线接收到大气中气体、云粒子所发射和散射的微波信号，结合云底温度、高度信息以及天线附近的温度、湿度和气压，使用不同反演算法可以获得大气中总水汽量、总液态水量、以及温度、湿度、水汽和液态水的廓线（此过程常被称为反演）。使用双通道算法可以得到与仪器垂直的方向上的水汽总量PW（或液态水总量LWP）。工作过程图见图3所示。

图4微波辐射计原理框图

1.3微波辐射计工作方式

微波辐射计支持两种温度廓线模式：天顶观测（氧气线的频率扫描）和边界层扫描（54.9和58GHz处的高度扫描）。因为水汽线在22.4GHz.处没有透明的通道，所以22.4GHz的WVL湿度廓线只适用于天顶观测模式。

图5应用于边界层温度廓线的高度扫描

为了得到边界层温度廓线，辐射计的光束通常在5°到天顶角之间进行扫描（见图6）。在所使用的频率上，大气具有足够的光学厚度。频率加权函数的峰值出现在500m(58GHz)和1000m(54.9GHz)处，如图2。在高度扫描模式中，必须解决亮温变化非常小的问题，这就要求优化接收机的稳定性和精确性。对于微波辐射计，在整个工作温度范围内（-60℃～60℃），接收机物理温度的稳定性优于30mK，以确保在整个测量过程中保持较高的增益稳定性(>200s)。接收机的温度噪声被降低到由于700k，从而也降低了整体的噪声水平。

2技术性能设计

在电磁波谱中，把频率在0.3～300GHz（波长从1m～1mm）范围的电磁波称作微波，微波辐射以光速传播。

在温度＜0K（即-273.15℃）情况下，所有物质都向外辐射电磁能量。当电磁辐射入射到不透明物体的表面上时，一部分入射辐射被物体表面反射，另一部分入射辐射透过表面进入物体内部而被完全吸收。从能量守恒的观点看，入射辐射的能量应等于被反射的辐射能量和被吸收的辐射能量之和。定义被反射的辐射功率与入射总功率之比值为物体表面的反射率；被吸收的功率与入射总功率之比值为物体的吸收率。显然，对于这种不透明物体而言，反射率与吸收率之和为1。如果有一个物体，它在任何温度下都能够吸收任何频率的全部入射辐射而无丝毫反射，则此物体称为绝对黑体（简称黑体）。黑体的吸收率为1，而其反射率为0。黑体是一种理想的纯吸收体。

式中：是波长，单位为米。

在热力学平衡条件下，处于某一温度下的物体，在某一波长下的出射率（从物体单位表面积向上半空间辐射的谱功率）与该物体吸收率的比值，等于黑体在同一温度和波长下的出射率。这一规律被称为基尔霍夫定律。

大气对微波具有选择吸收和透明（即所谓大气窗）的特性。由分子光谱与热辐射理论可知，大气本身能够放射微波辐射。根据基尔霍夫定律，大气作为辐射体，在某波段有强烈吸收，必然在该波段有强烈的辐射。

由上图1可以看出，在频率22.235GHz（其波长为1.35cm）处，大气水汽分子具有强烈的吸收作用，而60GHz处氧气分子有很强的吸收作用。所以可以用22～30GHz之间频段的微波辐射计来遥感反演大气水汽廓线，因为任何高度上的辐射与该高度上的温度与水汽分子密度有关。大气温度遥感监测中使用的微波辐射计选用51～59GHz之间的频段，因为任何高度的辐射与该高度处的温度和氧气密度有关。

因此，微波辐射计遥感观测就是利用普朗克辐射方程，将高光谱的微波探测转换成亮温，在利用辐射传输方程，由亮温计算地表参数、大气温度、湿度和液态水结构，称之为反演。