第４３卷第１期（总第１６７期） ２０ｌ４年３月 火控雷达技术 Ｆｉｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒａｄａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．１（Ｓｅｒｉｅｓ １６７） Ｍａｒ．２０ｌ４ 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） 【摘要】ＭＷＰ９６７ＫＶ型微波辐射计是国内第一台自主研发的地基多通道微波辐射计，能够接收和精 确测量５毫米和ｌ３毫米波段大气辐射强度，可以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。本文介绍了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。 关键词：微波辐射计；遥感；温度廓线；湿度廓线 中图分类号：ＴＮ０１５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—８６５２（２０１４）０１－０８４—０５ Ａ Ｎｅｗ Ｍｕｌｔｉ－Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｚｈｕ Ｌｅｉ ，Ｌｕ Ｊｉａｎｐｉｎｇ ，Ｌｅｉ Ｌｉａｎｆａ ，Ｃｈｅｎｇ Ｇｕｉｙｕ ，Ｚｈａｎｇ Ｂｅｉｄｏｕ （１．Ｘｉ’ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１００； ２．Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ｍｏｄｅｌ ＭＷＰ９６７ＫＶ ｉｓ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｇｒｏｕｎｄ—ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄｉｏｍ— ｅｔｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ ｂｙ Ｃｈｉｎａ．Ｉｔ ｉｓ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｈｅｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｔ ５．ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ａｎｄ １ ３一ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｂａｎｄ．Ｉｔ ｃａｎ ｄｅｄｕｃｅ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅ ｆｒｏｍ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｕｐ ｔｏ １ ０ｋｍ ｈｉｇｈ ｉｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ａｌｓｏ ｄｅｔｅｃｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｖａｐｏｒ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｗａｔｅｒ ｏｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｏｌｕｍｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｔｈ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ＭＷＰ９６７ＫＶ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｃｏｍｐａ— ｒｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄａｔａ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ＭＷＰ９６７ ＫＶ ａｎｄ ｉｍｐｏｒｔｅｄ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＭＷＰ９６７ ＫＶ ｈａｓ ｐｅｒｆｅｃｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ；ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅ；ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅ 国外已开发出基于各种平台的微波辐射计，不 ０ 引言 微波辐射计是用来测量物体微波辐射能量的设 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 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 ，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 ，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 。 收稿日期：２０１３—１１～０６ 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 ’ 。 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 基金项目：公益性行业（气象）科研专项（ＧＹＨＹ２０１００６０３０） 作者简介：朱磊（１９８２一），男，硕士研究生，研究方向为毫米波遥感探测。 第１期 李磊等：新型多通道微波辐射计及大气观测分析 ８５ 了对比，结果表明该设备具有优良的工作性能。 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…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 １ ＭＷＰ９６７ＫＶ型微波辐射计介绍 １．１功能介绍 吸收带 。 １０ 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 ，依据历史探空资 料，实时反演出从地面到垂直１０ｋｉｎ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ｌ４ 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。 大气辐 射噪声 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Ｂ，（ｒ，）为： ‘ 者可 （１） 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；厂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 １０一 １０ ２Ｏ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００ 频率／ＧＨｚ 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¨ 。 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 ’“ ： ｒ∞ Ｉｖ（０， ）＝， ｅｘｐ｛一ｆ ‘ｓｅｃＯｄｚ｝ （２） 一 ＋ｆＪ ０ （ （ ））Ｏｔ・ｓｅｃ０ｅｘｐ｛一ＩＪ ０ ・ｓｅｃＯｄｚ｝ｄｚ 式中，， 为宇宙背景的微波辐射强度；０为天 顶角；１／为观测的频率；Ｂ （Ｔ（ ））为黑体辐射强度； Ｔ（ ）为温度廓线； 为大气吸收系数，计算公式为： Ｏｌ＝Ｏｌ氧气＋Ｏｔ Ｋ汽＋Ｏｔ液态水 （３） ８６ 火控雷达技术 第４３卷 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： ＾∞ Ｂ（ ， ）＝Ｔ ｅｘｐ｛一ｌ ・ｓｅｃＯｄｚ｝ ｄ ０ ． Ｆｚ （４） ＋ＪＪ ０ （ｚ） ・ｓｅｃ０ｅｘｐ｛一ＪＪ ０ ・ｓｅｃＯｄｚ｝ｄｚ 其中 一般为２．７Ｋ，Ｔ８（ ，口）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１０ｋｉｎ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。 通过晴天数据的对比，可以看出ＭＷＰ９６７ＫＶ型 Ｔｓｋｙ０２ Ｔｓｋｙ０３ Ｔｓｋｙ０５ Ｔｓｋｙ０７ Ｔｓｋｙ１０ Ｔｓｋｙｌ３ Ｔｓｋｙ１７ Ｔｓｋｙ２１ 通道 ｆａ）Ｋ频段通道 霞 赠 懈 ｆｂ）Ｖ频段通道 图３ 辐射计观测所得大气辐射强度谱 水汽密度（ｇ／ｍ ） （ｂ）水汽密度廓线 图４ 辐射计反演所得大气廓线 第１期 李磊等：新型多通道微波辐射计及大气观测分析 ８７ 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。 １１ 积分水汽 －ＭＷＰ９６７Ｋｌｏ ｑ ９ ８ ７ ６ 《５ ｝ ４ ３ ２ 一一 ｌ０ ００ １７：００ １ ８：００ ｌ９：００ ２０：００ ２１：００ ２２：００ ２３：００ ２０１２年５月１３日（北京时间） 图５水汽总量演变曲线 ＯＯ ２０１２年５月１ ３日（北京时间） 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１０ｒａｉｎ 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。 参考文献： 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： ８８ 火控雷达技术 第４３卷 （上接第７５页） ［３］ 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