微波辐射计应用场合与任务

目录1微波辐射计应用场合与任务 12微波辐射计组成与关键技术 23微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计） 64关于微波辐射计发展的思考建议 8参考文献 91微波辐射计应用场合与任务微波辐射计（\o"英语"英语：microwaveradiometer，缩写为“MWR”）也称为“微波辐射仪”，是一种用于测量亚\o"毫米"毫米级到\o"厘米"厘米级\o"波长"波长（\o"频率"频率约为1-1000\o"赫兹"GHz）的\o"电磁波"电磁波（\o"微波"微波）的\o"辐射计"辐射计。微波辐射仪能接收\o"大气"大气中的某些成分在一定频率上强烈辐射的微波，经过一定的转换方法，得到大气在垂直和水平方向上的\o"气象"气象要素分布，并且还可以探测到云状、云高以及目力无法观测到的晴空\o"湍流"湍流。此仪器携带方便，可增加探空网在\o"时间"时间和\o"空间"空间上的\o"密度"密度，能观测到大气的连续变化，不致漏掉范围较小但变化剧烈的天气系统。微波辐射计是一款被动式微波遥感设备，微波遥感起步晚于可见光和红外遥感。但相对于可见光和红外遥感器而言，微波辐射计能全天候、全天时工作。可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。微波辐射计主要用于中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害性较大。在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的手段。探空气球会受到使用时间和空间的限制；天气雷达资料基本局限于降雨过程无降水时的欠缺；在离地面5公里范围内卫星遥感数据存在较大的误差。被动式地基微波辐射计的出现，填补上述研究方法监测方面的空白，是其有效的补充手段。微波辐射具有独立工作能力，能在几乎各种环境条件工作，非常适合于自动天气站。用于反演完整的大气廓线，反演数据和原始数据全部保存。提供完备的顾客定制或全球标准算法。主要应用如下：对流层剖面的温度、湿度和液态水，天气和气候模型研究，卫星追踪（GPS，伽利略）湿/干延迟和湿度廓线，临近预报大气稳定性（灾害性天气检测），温度反演检测、雾、空气污染，绝对校准云雷达，湿/干延迟改正VLBI技术。微波辐射计是用微波进行遥感，从而对地物进行探测的微波接收机，在探测大气、海洋、植被和土壤等方面有广泛应用，而数据处理与控制单元作为微波辐射计的重要组成部分，承担了所有的驱动及控制功能，对时序及精度要求十分严格。由于系统对可靠性要求较高，故采用单片机作为220GHz微波辐射计数控单元的核心，通过精确的时序控制，实现了数据采集、天线控制、状态提取、串口通信等功能。同时，该数控单元具有功耗低，采样精度高，接口简便等特点。微波辐射计，是利用被动的接收，各个高度传来的温度辐射的微波信号来判断温度、温度曲线，是一款被动式地基微波遥感设备，微波遥感起步晚于可见光和红外遥感。但相对于可见光和红外遥感而言，微波辐射计能全天候、全天时工作。可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。通过测量天线接收到的辐射功率反演被观测目标的亮度温度;测量的物理量为亮度温度(K)。工作原理：辐射计天线接收的辐射能量来自地面物体的发射辐射和反射辐射，根据瑞利-金斯公式，物体发射的功率与温度成正比。物体的发射特性用辐射测量亮度温度表征。表征微波辐射计性能的主要参数是温度分辨率(灵敏度)和空间分辨率(角分辨率)。2微波辐射计组成与关键技术早起的微波辐射计技术采用单检测器变频技术，目前国际上新成熟的技术为并行多检测器多通道直接测量技术，二种技术都采用K波段和V波段的水汽和氧气通道观测反演大气的水汽和温度信息。由于基于并行技术的微波辐射计探测速度和稳定性大大高于前者，已经成为当今微波辐射计发展的重要方向。并行技术微波辐射计的各通道带宽独立，积分时间充足的条件下可采用边界层多角度扫描捕捉到边界层1K的微小亮温变化，大大提高了边界层温度垂直分辨率。并行多通道也使得快速全天空扫描和方位-时间扫描得以实现，特别有助于监测天空快速水汽变化和云天变化。现在较常见的微波辐射仪最初是由\o"美国"美国\o"物理学家"物理学家\o"罗伯特·亨利·迪克（页面不存在）"罗伯特·亨利·迪克（RobertH.Dicke）于1946年采用的。成熟的微波辐射计技术具有单检测器变频技术和并行多检测器技术，都采用K波段和V波段的水汽和氧气通道观测反演大气的水汽和温度信息。由于基于并行技术的微波辐射计探测速度和稳定性大大高于前者，已经成为当今微波辐射计发展的重要方向。并行技术微波辐射计的各通道带宽独立，积分时间充足的条件下可采用边界层多角度扫描捕捉到边界层1K的微小亮温变化，大大提高了边界层温度垂直分辨率。并行多通道也使得快速全天空扫描和方位-时间扫描得以实现，特别有助于监测天空快速水汽变化和云天变化。单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图1所示。图1微波辐射计接收通道原理框图双极化微波辐射计利用双极化接收天线同时接收目标的微波辐射信息，由线性极化分离器分别获取水平极化和垂直极化信息，经两路接收通道进行处理。数字控制单元完成射频开关的控制，并将测量得到的原始数据通过串行通讯送到主计算机。L、S波段属于微波遥感应用频率的低端，极易受到其它电磁辐射源的影响，因此需要在通道中增加高精度滤波器。L波段采用了7阶契比雪夫带通介质滤波器，工作频带为1400MHz～1427MHz，过渡带宽15MHz,带内损耗为1dB，过渡带损耗大于60dB；S波段采用了5阶契比雪夫腔体滤波器，工作频带为2.65GHz～2.85GHz，过渡带宽20MHz,带内损耗为2dB，过渡带损耗大于60dB。系统原理框图如图2所示。参考源H参考源H射频开关（H）带通滤波器低噪声放大器射频开关（H）带通滤波器低噪声放大器极化分离器接收天线接收天线射频开关（V）带通滤波器低噪声射频开关（V）带通滤波器低噪声放大器参考源V本振参考源V本振低噪声放大器可变增益放大器低噪声前置中频放大器可变增益放大器低噪声前置中频放大器混频器低噪声放大器混频器低噪声放大器可变增益放大器低噪声前置中频放大器混频器可变增益放大器低噪声前置中频放大器混频器本振本振数字控制单元平方律检波器A/D数字控制单元平方律检波器A/D转换视频放大器A/D转换视频放大器A/D转换视频放大器平方律检波器图2双极化微波辐射计接收通道原理框图为了提高L波段双极化微波辐射计的抗干扰性，采用了电源与接收机分离的技术方案，即二者为两个独立结构的箱体单元。接收机技术：根据Planck辐射定律，处于绝对零度以上的任何物体在所有的频率上均辐射电磁能。一般认为，物体在微波波段向外辐射能量是由分子旋转和反转以及电子自转与磁场之间的相互作用产生的。物体的微波辐射能量强弱首先与其本身性质有关，还与物体的温度和表面状态、频率、极化、传播方向等因素有关。接收机采用数字增益自动补偿技术方案，系统框图如图4所示。数字增益自动补偿微波辐射计是将一个基准参考源信号通过微波辐射计系统，在输出端检测出系统增益的变化量，用专门设计的数字单元控制系统，按此变化量去修正所接收目标的辐射量，达到系统增益不变的目的。数字增益自动补偿微波辐射计由天线、射频开关，微波基准源，接收组件（射频放大器、中频放大器、平方律检波器、视频放大器及积分器）,A/D变换，数字控制单元及显示等电路组成。数字控制单元给出输入开关的控制信号，数字控制单元按此信号同步地分别采集基准源和天线接通时辐射计的输出信号进行处理。当系统增益稳定时，基准源T1及天线与接收机相连时所对应的微波辐射计输出电压分别为：（1）（2）当系统增益变化时，基准源T1及天线与接收机相连接所对应的微波辐射计输出电压分别为：（3）（4）利用基准源T1通过系统后的输出电压检测系统增益的变化，对系统增益变化时天线输入所对应的输出电压进行补偿，其补偿式为：（5）如果，说明系统增益变大，将小于1。用它乘以因系统增益变大而升高的，达到系统增益补偿的目的，反之亦然。将（1）、（3）及（4）代入（5），可得补偿后的电压值为：（6）比较（6）式和（2）式可知，无论系统增益如何变化，经过补偿后系统的增益始终保持不变，从而达到稳定系统增益的目的。图4数字增益自动补偿微波辐射计系统框图微波辐射计的最小可检测信号由系统噪声的不确定性和系统增益的不确定性共同决定，而系统增益起主要作用。数字增益自动补偿微波辐射计能很好地实现增益补偿，使系统增益波动引起的不确定性趋于零，起到稳定系统增益的作用，从而达到提高微波辐射计灵敏度的目的。在高灵敏度的需求下，为了避免控温装置电流切换引起的脉冲扰动，且在夏日太阳照射下机箱环境温度难以控制，数字增益自动补偿微波辐射计没有采用恒温源和控温方案，而采用与机箱具有相同温度的匹配负载作为参考源。因此当辐射计长时间处于一个温度变化的环境中，当机箱温度随着环境温度发生变化时，辐射计参考源的噪声温度也会随着机箱温度的变化而改变，辐射计输出数据会随环境温度变化而变化，导致测量误差。传统方法是采取环境温度变化修正方法对测量数据进行修正，从而保持系统的稳定。在本系统的实施方案中采用计算机数字补偿技术。该种型式的微波辐射计结构简单、工作稳定、调试方便，由于存储了多种原始数据便于进一步的数据处理，解决了其它型式微波辐射计存在的慢漂移问题，实现了高稳定、高灵敏度测量。在辐射计输出的数据文件中，存储原始数据、修正后数据和辅助数据。在接收机的设计中采用了温度补偿算法，确保了仪器的温度稳定性。3微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计）我国1980年研制成机载10cm微波辐射计,同年6月参加京津唐地区环境遥感调查飞行试验。获得了沿航线目标的微波辐射强度曲线,给出了典型地物(海水、河水、盐田、沼泽、不同农田、建筑物、桥梁、船只等)对应的亮度温度。1983年研制成机载8mm成像微波辐射计,经过几次对海冰、海上油污染和黄河流域航空遥感飞行试验,获得海冰、海上油膜及黄河的微波辐射图像〔6〕。1985年研制成机载1.35cm微波辐射计,1988年研制成机载21cm微波辐射计,分别在河南封丘、广州南海、胶州湾、宁波东海、渤海湾、辽东湾等地进行过多次航空遥感飞行试验,都取得了有科学意义和应用价值的图像和数据。北京大学、中国科学院大气物理所、华中理工大学、山东大学、华东师范大学等单位相继研制成陆基微波辐射计,进行了大气探测和地基遥感基础理论研究。航天部504所研制成10cm、8mm微波辐射计,并利用10cm微波辐射计进行了乳线癌探测研究。目前正在研制气象卫星搭载的5mm微波辐射计。微波辐射计已进入星载多频段微波辐射计和微波成像仪的工程和预研阶段。微波辐射计有多种类型，主要有全功率微波辐射计、Dicke型微波辐射计、零平衡Dicke型微波辐射计、负反馈零平衡Dicke型微波辐射计、双参考温度自动增益控制微波辐射计、Graham型微波接收机、数字增益，自动补偿微波辐射计等。目前星载微波辐射计大多是全功率型微波辐射计。全功率型周期定标微波辐射计由天线子系统（包括反射面、馈源和天线罩）、分极化分频器、接收机子系统（包括高频通道和中低频通道）、信息处理和控制单元、热辐射定标源子系统（包括辐射体、温度控制器和测温电路）、扫描伺服机构等组成。全功率微波辐射计原理图星载微波辐射计具有功耗低、体积小、质量轻和工作稳定可靠等特点，应用领域非常宽广。从大的方面来说，星载微波辐射计主要应用于大气探测、海洋观测、对地观测微波遥感3个方面[4~24]；从具体探测目标来说，星载微波辐射计主要应用于气象、农林、地质、海洋环境监测和军事侦察等；还可用于天文、医疗和导弹的末制导等方面。从空间对大气进行探测已经有40多年的历史。具有代表性的有1968年前苏联发射的Cosmos243卫星，装载有4通道（3.5,8.8,22.2,37.0GHz）微波辐射计，用以测大气水汽、液态水、地表温度、水；第一颗业务卫星是1978年美国发射的Tiros-N极轨气象卫星，装载有微波探测仪MSU，用以探测大气垂直温度。最近十年，主要有美国DMSP（美国气象卫星计划）系列卫星装载的微波辐射计SSM/T、SSM/I[10]和NOAA（美国海洋和大气局）系列卫星装载的AMSU等。星载微波辐射计在海洋观测方面主要用于观测海洋温度、海面风速、海水盐度、海面油污染及海冰厚度、面积、冰山、冰龄等。具有代表性的有SEASAT卫星装载的SMMR微波辐射计[11,12]、ERS-1/2卫星装载的ATSR-M轨迹扫描辐射计ENVISAT-1卫星装载的AATSR微波辐射计、ADEOS-2卫星装载的AMSR微波扫描辐射计。该类微波辐射计主要用于探测土壤温度、降水、大气水汽含量、积雪、土壤成分、海面温度,还可以得到植被生长情况，对农作物进行估产，监测水、旱、林火、雪暴等自然灾害和生态环境的动态变化，进行作物估产等服务。通过对国内外星载微波辐射计发展历程和技术现状分析研究，星载微波辐射计主要有以下几方面发展趋势：（1）向高频段发展。从上世纪90年代开始，微波辐射计探测频段已拓展到亚毫米波段，表现在向200GHz波段以上发展，主要用以探测大气温度和大气湿度。（2）向一体化方向发展。微波辐射计为了提高分辨率，其天线尺寸必然较大，但不可能同时装备几副天线；同时由于微波辐射计的工作频率较宽，必须进行多频、多极化共用设计，从而减小微波辐射计的体积、质量。（3）向高分辨率方向发展。通过提高观测频率或增大天线尺寸来提高地面分辨率。（4）向多通道及精细通道探测方向发展。（5）向综合孔径微波辐射计方向发展。根据将一个大口径天线等效分割成若干个小口径天线的思想，通过基线设计和组合干涉测量得到所有的小口径天线组合，并通过对这些干涉测量结果的反演得到与大口径天线相同的观测分辨率。（6）向全极化微波辐射计方向发展。4关于微波辐射计发展的思考建议我国微波辐射计的技术水平和国外有很大差距，主要表现在：微波遥感科学基础和基础技术能力薄弱，特别是在毫米波、亚毫米波器件研制方面；技术水平和用户需求差距十分突出；空间遥感数据缺乏，无法摆脱对国外的依赖；目前的载荷还处于试验应用阶段。我国在星载微波辐射计方面发展思考建议：（1）做好发展规划。从应用需求出发，开展极轨轨道微波辐射计、同步轨道微波辐射计（工作在200GHz以上的亚毫米波频段）、多通道多极化全波段微波辐射计技术研究和产品研制。（2）须重点突破以下几项关键技术：多频多极化共用天线和圆锥扫描技术；小型化周期定标全功率接收机技术；亚毫米波微波辐射计技术;全极化微波辐射计技术；综合孔径微波辐射计技术。（3）积累空间遥感数据，发展观测目标反演技术。参考文献[1]姜景山[1],吴一戎[2],刘和光[1],董晓龙[1].中国微波遥感发展的新阶段新任务[J].中国工程科学,[2]年丰,杨于杰,陈云梅,徐德忠,王伟.中国星载微波辐射计地面定标技术的研究进展[J].宇航计测技术,[3]朱建炳,潘雁频.HYPERLINK"/zlf/articles/article_detail.aspx?id=766