新型多通道微波辐射计及大气观测分析

朱 磊 卢建平 雷连发 程桂玉 张北斗

(1.西安电子工程研究所 西安 710100;2.兰州大学 兰州 730000)

0 引言

微波辐射计是用来测量物体微波辐射能量的设备，自身不发射信号，只是被动接收物体辐射的信号，不仅具有很高的灵敏度和良好的保密性［1-2］，而且具有高分辨率、高探测精度、无人值守和操作方便等优点［3］，可广泛用于探测大气温度廓线、湿度廓线、液态水含量和地表温度、土壤湿度、水面油污染等地表特征［4］。

国外已开发出基于各种平台的微波辐射计，不仅集成度高、功能强大，而且在测量精度、稳定性、体积等方面都已达到相当高的水平。目前，我国的气象探测设备主要立足于跟踪国际先进水平、国内研制，但高端设备的研制还相对落后，主要依靠进口，不但价格昂贵，而且不便于维护升级，在业务实践中存在较大的困难，不利于推广应用［5，6］。

本文介绍了西安电子工程研究所自主研发的MWP967KV型微波辐射计的主要功能、工作原理，并与进口辐射计在不同天气条件下的输出数据进行了对比，结果表明该设备具有优良的工作性能。

1 MWP967KV型微波辐射计介绍

1.1 功能介绍

MWP967KV型微波辐射计是一款地基多通道微波辐射计，完全以被动接收的方式探测5毫米(V频段)和13毫米(K频段)波段特定频点的微弱大气辐射噪声，测量其信号强度。系统具有人工标定和周期性自动标定功能。并采用兰州大学大气科学学院开发的人工神经网络算法［7］，依据历史探空资料，实时反演出从地面到垂直10km上空高分辨率的大气温湿廓线，而且能探测路径气柱上的水汽和液态水积分总量，并能够结合红外高温计反演出云层液态水廓线，为中小尺度天气预报和人工影响天气作业提供重要的观测数据和决策依据。

该设备包括两个频段系统，分别是K频段和V频段，它们共享同一天线和定位系统。在K频段有21个通道，用于测量水汽密度廓线;在V频段有14个通道，用于测量温度廓线。MWP967KV型微波辐射计共产生了三种类型的数据文件，分别是LV0、LV1和LV2。其中LV0数据是最原始、未经处理的观测输出电压;LV1为根据系统参数对LV0进行处理后得到的大气辐射强度谱数据;LV2是经反演后所得的大气特性数据。MWP967KV型微波辐射计信息流见图1。

图1 微波辐射计信息流图

1.2 工作原理

辐射计工作的物理基础来自于近代量子理论:无论任何物质，只要处在绝对零度以上，那么任何时刻都不可避免向外辐射电磁波。绝对温度为T的黑体辐射谱强度Bf(T)为:

其中:h称为普朗克常数;k是波尔兹曼常数;c是真空中的光速;f是所研究的辐射频率;T为热力学温度。

在大气遥感中，大气微波辐射特性依赖于大气对微波的吸收。根据现代光谱理论和实验研究发现，在微波波段，水汽、氧气、云中液态水和降水是微波辐射最主要的吸收物质。从图2［8］可以发现，在10GHz到100GHz微波频率范围内，水汽在22GHz附近有一个强吸收带，氧气在60GHz附近有一个强吸收带［9］。

图2 大气微波吸收光谱

根据基尔霍夫定律，辐射体在某波段有强烈吸收，必然在该波段有强烈的辐射。因此通过测量氧气在60GHz附近的辐射强度或亮温就可以反演出大气的温度分布。在任意高度上氧气发射的电磁波强度与该高度的温度和氧气密度分布有关，因此可以得到温度剖面。水汽的发射在高纬度地区显示为一个很窄的线条，而在低纬度地区显示较宽。发射强度与水汽密度和温度成正比，通过扫描波谱分布和数学反演观测数据，可以得到水汽密度廓线［10］。

1.3 大气辐射传输方程

在大气中，由于微波辐射的波长较长，除降雨外，大气分子和云内液态水的散射相对于吸收可以忽略不计，只需考虑大气对微波辐射的放射和吸收过程。对于非散射大气，按照大气水平均匀分层，在局地热平衡情况下，地面接收到的大气微波辐射强度可表示为［8，11］:

式中，I∞为宇宙背景的微波辐射强度;θ为天顶角;ν为观测的频率;Bv(T(z))为黑体辐射强度;T(z)为温度廓线;α为大气吸收系数，计算公式为:

上述大气微波辐射强度计算公式第一项是宇宙背景辐射经大气衰减后到达地面的辐射，第二项是大气自身的辐射。在微波频段中，hv≪kT，黑体辐射强度与黑体的绝对温度成正比，因此公式可以简化为:

其中T∞一般为2.7K，TB(θ，v)为地面接收到的辐射亮温。这就是大气中的微波辐射传输方程，是大气遥感的基本方程。

2 测量数据对比

2012年5月，MWP967KV型微波辐射计样机在北京地区与进口微波辐射计开展了探空观测对比试验。在试验期间，经历了两次降雨过程，完整的观测到晴空、多云、雨前、小雨及雨后等各种天气情况，获得了丰富的试验数据。针对晴天和雨天条件下的对空探测数据，将MWP967KV型微波辐射计和进口辐射计在同一时刻的输出结果进行比较，即进行大气辐射强度谱数据和大气廓线数据对比。

2.1 晴天数据对比

由某一时刻特定频段的大气辐射强度谱，通过专用的反演算法能够得到当时的大气垂直分布特性，即大气廓线，其中具有参照意义的是地表到天顶方向10km高度的温度廓线和水汽密度廓线。图3为北京时间5月14日9:42:56对空观测所得大气辐射强度谱的观测结果，图4为据此数据实时反演所得大气温度和水汽密度垂直分布情况。

从图3可以看出，在K频段，从1～21通道大气辐射强度呈下降趋势，MWP967KV型微波辐射计与进口微波辐射计的大气辐射强度谱一致性较高，趋势完全相同，各通道的差值大概在0.5K，相对差值4%左右;在V频段，从22～35通道大气辐射强度呈上升趋势，曲线不仅平滑而且拟合的很好，差值最大在8K左右，但相对差值最大不超过3%。从图4可以看出，MWP967KV与进口辐射计反演出的温度廓线基本完全重合，一致性非常高，差值基本上小于2K，相对差值1%左右;两者的水汽密度廓线趋势相同，在1km以下，差值较大。

图4 辐射计反演所得大气廓线

通过晴天数据的对比，可以看出MWP967KV型微波辐射计反演出的温度廓线较准确，数据质量较好，性能可与进口辐射计相媲美;由于K频段的亮温值一般很低，甚至会小于10K，对微波辐射计硬件来讲，要获得如此低的观测值是一件困难的工作，这就导致了两台辐射计所反演出的水汽密度有着较大的差别，但此时并不能判断出两者孰优孰劣，我们会在后期的试验中继续验证该问题。

2.2 雨天数据对比

MWP967KV型微波辐射计内部集成了温湿压传感器，能够直接给出地表大气的温度、湿度和大气压力，而波束范围内的大气水汽含量和液态水含量，仍然是通过大气辐射强度反演得出。在试验期间，北京时间5月13日下午16:45～17:00和18:42～19:05下过两场阵雨，雨量较大，对比MWP967KV与进口辐射计实时反演出的水汽总量和液态水总量，分别如图5和图6所示。

图5 水汽总量演变曲线

图6 液水总量演变曲线

从图5和图6可以看出，MWP967KV与进口辐射计反演出的水汽总量和液态水总量基本相同，两台微波辐射计在非降雨状态下的水汽和液态水反演方面性能相当。两次阵雨过程在水汽总量和液态水总量演变曲线中很好的表现了出来，在阵雨过程中，两者含量急剧增加，在图中表现为陡峭的尖峰。第一个尖峰对应时间为16:52，第二个尖峰对应时间为18:52，与下雨时间完全吻合，即时、准确反映出了大气中的水汽和液态水含量变化。下雨时，MWP967KV型微波辐射计反演出的总量数据与进口辐射计反演出的数据有较大差别，雨停后10min左右，两者曲线趋于一致;而在不下雨时，两台设备的总量数据差别不大。通过数据分析和两台设备的对比，我们发现引起这一现象的原因如下:MWP967KV与进口辐射计的天线罩材料不同，因此在雨雪条件下，设备天线罩的浸湿程度、水滴附着厚度等均不相同，而雨雪又是强辐射体，这就会使两台辐射计在雨雪条件下测量的亮温出现较大的差别，从而导致反演结果的差异。所以，在下雨时两台设备反演出的水汽和液水总量的优劣已无法判断，只能通过其它测量水汽和液水总量更加精确的设备来检验。这项工作会在后期的试验中进行。

3 结论

本文对国产MWP967KV型微波辐射计的功能和工作原理进行了详细的论述，并与进口辐射计在不同天气条件下的输出数据进行了对比。观测试验表明该设备具有实时连续剖视大气温度、水汽密度廓线、水汽和液态水总量信息的能力，填补了我国在高精度、高灵敏度微波毫米波大气遥感高端设备的空白，为天气预报、人工影响天气、防汛指挥决策等领域提供了有力的技术支持。

在今后的工作中，我们会选择具有探空资料和进口辐射计的气象站进行长期的观测对比试验，首先检验水汽密度廓线反演的精度，并解决雨雪条件下天线罩对反演结果影响的问题;其次对辐射计的自动标定、绝对标定展开细致的研究，以提高辐射计工作的长期稳定性和标定精度;同时展开试验数据的深度对比分析，对MWP967KV型微波辐射计的功能和指标进行细致的考核，以实现对设备进一步的改进和完善。

［1］张祖荫，林士杰.微波辐射测量技术及应用［M］.北京:电子工业出版社，1995.

［2］ 李兴国.毫米波近感技术及应用［M］.北京:国防工业出版社，1991.

［3］刘朝顺，吕达仁，杜秉玉.地基遥感大气水汽总量和云液态水总量的研究［J］.南京气象学院学报，2006，29(5):606-612.

［4］刘红燕，李炬，曹晓彦，熊斌.遥感大气结构的12通道微波辐射计测量结果分析［J］.遥感技术与应用，2007，22(2):222-229.

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［6］Ed R.Westwater，Susanne Crewell，Christian Matzler，and Domenico Cimini.Principles of Surface-based Microwave and Millimeter wave Radiometric Remote Sensing of the Troposphere［J］.Quaderni Della Societa Italiana Di Elettormagnetism，2005，1(3):50-90.

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