基微波辐射计系统设计

陈林菲，卞真稳

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

地基微波辐射计通过被动接收一定距离外大气水汽和氧气分子的辐射信息，应用反演的方法获取大气参数的一种探测技术和方法。微波辐射计是被动无源探空设备，无源探测设备是大气探测的重要组成，与常规的地基探空雷达相比，成本低，功耗低，可靠性高，且无电磁污染；与探空气球相比，具有可以进行连续不间断观测的优点，能够对其观测覆盖区域内的气象要素进行常年不间断监测。可应用于探测大气云水含量、水汽、降水和大气成分、大气温度廓线以及湿度廓线等重要大气参数。同时在气候预报模式、在数值天气、人工影响天气、航空飞行保障以及灾害性天气监测等许多领域都有着重要的应用。

大气微波遥感不但能够弥补普通常规探测资料的不足和探测手段的应用局限性，而且还能够获得很多有利于研究大气物理结构等方面新颖而有价值的气象观测资料。各种形式的星载辐射计在太阳观测和地球大气观测领域都有着广泛的应用，并得到了广泛的认可。但是星载辐射计对于对流层以下的近地面气象目标的观测能力受到地球大气层的严重阻碍，同时气象卫星对于某地观测的时空分辨率也非常低，因而对于短时天气变化趋势的预测力不从心。

地基微波辐射计具有对流层大气廓线长期连续探测、功耗低、体积小、可靠性高以及可以实现常年无人值守等优点，是无线探空气球的有效补充。目前，美欧发达国家率先将微波辐射计原理用于地面气象探测领域，成功开发出专用的地基微波辐射计产品，并成功转入商业化。在整机系统上来说，我国早在上世纪七、八十年代就由北京大学完成辐射计样机的研制，然而目前国内在该领域的工程实践与国外先进国家还是存在一定的差距。因此，本文通过继承安徽四创电子股份有限公司早期开发的双通道毫米波辐射计的工程设计经验和借鉴国外先进的设计理念，开展地基微波辐射计的国产化系统设计开发工作。

1 多通道毫米波辐射计方案设计

1.1 系统构成

微波辐射计主要由天馈分系统、接收分系统、伺服分系统、数据采集与转换、监控与恒温控制分系统、标定分系统、终端数据处理分系统和电源分系统。其系统组成框图如图1所示。

图1 多通道毫米波辐射计系统组成框图

1.2 工作原理

氧分子在2.52mm及5mm（频率60GHz属V波段）波段有强吸收带。如图2所示，水汽分子在1.35cm及1.6mm波段（频率22GHz-32GHz属K波段），有强吸收带。据基尔霍夫定律，这些波段吸收强，辐射也强。上层大气发射该波段辐射向着地面的某一方向传输时，它一方面会受到所经气层的削弱，另一方面，所经气层也会按自身温度放射该波段的热辐射，仅是当各气层温度不同时，所放射的该波段的辐射强度也不同。地面接收到的该波段的辐射强度，与该气层中的温度、压力（密度）分布有关，我们就是根据地面上接收到的该波段辐射情况，来反演出大气温度、压力层结情况的。式（1）是地基微波大气遥感的基本方程，其右边第一项是大气层向下的辐射贡献，第二项是宇宙背景辐射，一般Tcλ=2.7K，有时可以忽略。

对于非降水云的有云大气，式中αλ为有云大气的吸收系数，它包括三项即 αλ=αH2O+αO2+αc，αH2O，αO2和 αc分别为水汽、氧气和云的吸收系数。对降水云层αλ为雨云大气的吸收系数，它包括四项即

式中αr为雨的吸收系数。所以，地基遥测到辐射亮温为频率λ和天顶角θ，大气的温度T（z），压强P（z）和水汽密度ρv（z）参数以及云雨等大气信息的函数，即知道以上参数就可以计算出亮温的值，这个过程称为正向或前向问题。与此相反的，用测量到的几个频率v或天顶角θ上的几个值作为反演算法的输入变量而得到感兴趣的大气参数变量的过程称为反演过程。根据上述探测原理，微波辐射计应能通过探测大气亮温，结合使用物理方法和统计方法建立反演方法，能长期、自动、连续的提供0km～10km的温湿度廓线，并进而反演得出大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等多种应用产品，满足气象业务和科研的实际使用需求。

图2 典型中纬度大气在两个不同海拔高度下的吸收光谱

1.3 系统主要设计指标

表1 系统主要设计指标

1.4 主要参数分析设计

1.4.1 天馈系统设计要求

理想的天线是在天线观测主波束内有着固定的增益，而在主波束之外增益为零。实际的天线不仅在主波束内有增益，在主波束外也存在增益。同时在主波束内天线的波束形状也不是理想的锐截止，往往存在一定的宽度。在工程上通常定义波束的-3dB点对应的波束宽度为天线的波束宽度，即从增益最大点下降-3dB对应的波束宽度，我们称之为主波束。主波束之外的称之为副瓣。天线的设计主要关注的就是波束宽度和效率。天线的主要形式有三种：喇叭天线，相控阵天线，反射面天线。其中，反射面天线是一种常用的天线类型。喇叭天线增益作为一种低增益设备一般不会应用在较远距离的遥感系统中；较为常见的是其应用在实验室标定、机载系统以及作为反射面天线的馈源。相控阵天线由于其造价高，相对损耗大，毫米波天线设计一般也不会选用。反射面天线的类型有前馈型、卡塞格伦天线（后馈式）和偏馈型。前馈型天线会导致系统有较长的波导走线，在毫米波波段损耗会比较大。卡塞格伦天线由于反射副面的遮挡，天线的效率会降低，副瓣抬升严重。偏馈型反射面天线没有副面的遮挡，是微波辐射计的理想选择，同时馈源直接和辐射计的接收机相连减少了系统的损耗；馈源采用波纹馈电喇叭，波纹馈电喇叭的反射损失小，结构紧凑，可以提供一个较宽的带宽、低的交叉极化电平和旋转对称的波束形式。

因此，微波辐射计的天馈系统采用偏馈型型反射面天线和波纹馈电喇叭的组合，实现高增益、低副瓣和旋转对称。具体设计上天线在辐射方向的投影直径为250mm的圆，馈源偏馈角90°。为保证天线副瓣穿过太阳时亮温误差小于0.2°，抛物面反射面天线和波纹馈电喇叭的副瓣电平必须低于-30dB。同时考虑到设备的空间分辨率和结构的紧凑性，系统将-3dB波束宽度定义在3°左右。天线的参数如表2所示：

表2 天线的参数

1.4.2 接收机系统灵敏度

天线输出端口的负载是传输线和接收机，传输线使总能量损失，定义传输线输入端功率与输出端功率之比为损耗因子L。传输线自身热辐射使功率增加（设传输线的温度与天线的物理温度相同）。接收机可等效为一个无噪声接收机和一个位于接收机输入端温度为Tr的热噪声源。噪声源输出功率为kTrB。即接收机输入端口总功率为

其中，

微波辐射计系统的灵敏度可以由式（4）确定。

式中，Tsys由系统损耗天线温度和接收机噪声温度组成；ι为系统的积分时间。

设系统损耗天线温度为230k，接收机噪声温度K通道为400K，V通道为700K。传输线损耗因子L为1.01，天线物理温度为300K，图3为K通道接收机灵敏度与积分时间仿真结果，图4为V通道接收机灵敏度与积分时间仿真结果。1.4.3 反演算法选择

图3 K通道接收机灵敏度与积分时间的关系

图4 V通道接收机灵敏度与积分时间的关系

温度、湿度、云液态水廓线等的反演问题，即把地基微波辐射计所测亮温值和外部传感器所测参数代入网络反推温度、湿度、云液态水廓线。依据辐射计的系统设计，反演使用的主要方法来有：牛顿迭代统计回归法；贝叶斯最大似然法；经验正交函数展开法；Smith迭代；线性迭代回归法；Chedin等提出的改进的初始化反演法；神经网络反演算法。这些反演方法基本可以分为统计反演方法和非统计反演方法。统计反演方法是统计大量历史探空资料，建立起亮温值与反演大气参数之间的统计关系。统计反演方法获得的方程固定，计算速度快，但反演精度不够；非统计反演是根据大气辐射传输方程进行求解，解法复杂。综合考虑我国微波辐射计温湿廓线反演方法的实际情况和工程的可实现性。神经网络反演算法是一种常见且比较成熟的非线性统计反演方法，具有很多传统方法不具备的优点，其中最大的一个优点是理论上可以逼近任意复杂的非线性关系，且不需要专门设计特别复杂反演算法。

2 外场试验结果分析

四创公司地基多通道毫米波辐射计与2017年5月18日前，完成公司内测试和调试工作；2017年5月18日到达安庆国家基本气象站，截至2017年10月，共获得168组探测数据。其中5月～6月50组数据，7月依据前期数据对设备的算法进行改进，无有效数据；8月份58组数据，8月17、18日设备跳闸，未收集到数据；9月份60组数据。初步完成8月和9月份118组辐射计反演的温湿度廓线与安庆场站的GTS1型数字式探空仪获取的探空数据比对分析。探空气球受气象条件的影响，数据在时间和空间上存在不规律的变化，而微波辐射计获取的数据是在固定的观测点上垂直上空56个高度层上的数据。为了使探空资料和和微波辐射计的资料可比，本文采用将探空资料的温度和相对湿度数据进行线性插值，以得到与微波辐射计数据相同高度上的温度和相对湿度值。分析中采用相关系数R，平均偏差Tbias和均方根误差Tstd分别描述微波辐射计资料与探空资料的趋势吻合度、系统偏差和观测值精度，其计算公式为：

式中，TS为探空观测值；TR为微波辐射计观测值；N为观测样本数。

通过对8月份和9月份微波辐射计获取的数据与探测气球获的数据分析我们得出：微波辐射计和探空气球获取的温度数据相关性达到99%，平均气温垂直递减率为0.57K/100m，温度的平均误差是-1.33°，温度的标准差为1.87°；湿度数据的相关性为67%，相对湿度的平均误差是-9.28%，标准差为21.14%。

3 结束语

针对国内外目前地基微波辐射计的研究和开发现状，本文初步提出了一种国产14通道地基微波辐射计的系统设计方法，通过对关键技术参数的计算和仿真分析，论证了系统工程化实现的可行性。系统采用多通道滤波器组并行接收技术和系统自动标校技术，实现多通道毫米波辐射计系统对大气温湿廓线同时高精度探测；同时针对大气温湿廓线的非线性特点，终端信号处理采用BP神经网络反演算法实现对温湿廓线的反演。经过在安庆国家基本气象站的近5个月的连续观测试验，验证了设备的稳定性和可靠性，通过与安庆场站的探空数据对比分析，初步验证了设备的探测能力。但同时也可以看到，微波辐射计获取的数据与探空获取的数据还存在着一定的不一致性，后期仍需在应用过程中通过不断地提升设备性能、优化反演算法来进一步完善设备。