新型多通道微波輻射計及大氣觀測分析

朱 磊 盧建平 雷連發(fā) 程桂玉 張北斗

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.蘭州大學 蘭州 730000)

0 引言

微波輻射計是用來測量物體微波輻射能量的設(shè)備，自身不發(fā)射信號，只是被動接收物體輻射的信號，不僅具有很高的靈敏度和良好的保密性［1-2］，而且具有高分辨率、高探測精度、無人值守和操作方便等優(yōu)點［3］，可廣泛用于探測大氣溫度廓線、濕度廓線、液態(tài)水含量和地表溫度、土壤濕度、水面油污染等地表特征［4］。

國外已開發(fā)出基于各種平臺的微波輻射計，不僅集成度高、功能強大，而且在測量精度、穩(wěn)定性、體積等方面都已達到相當高的水平。目前，我國的氣象探測設(shè)備主要立足于跟蹤國際先進水平、國內(nèi)研制，但高端設(shè)備的研制還相對落后，主要依靠進口，不但價格昂貴，而且不便于維護升級，在業(yè)務實踐中存在較大的困難，不利于推廣應用［5，6］。

本文介紹了西安電子工程研究所自主研發(fā)的MWP967KV型微波輻射計的主要功能、工作原理，并與進口輻射計在不同天氣條件下的輸出數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果表明該設(shè)備具有優(yōu)良的工作性能。

1 MWP967KV型微波輻射計介紹

1.1 功能介紹

MWP967KV型微波輻射計是一款地基多通道微波輻射計，完全以被動接收的方式探測5毫米(V頻段)和13毫米(K頻段)波段特定頻點的微弱大氣輻射噪聲，測量其信號強度。系統(tǒng)具有人工標定和周期性自動標定功能。并采用蘭州大學大氣科學學院開發(fā)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［7］，依據(jù)歷史探空資料，實時反演出從地面到垂直10km上空高分辨率的大氣溫濕廓線，而且能探測路徑氣柱上的水汽和液態(tài)水積分總量，并能夠結(jié)合紅外高溫計反演出云層液態(tài)水廓線，為中小尺度天氣預報和人工影響天氣作業(yè)提供重要的觀測數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

該設(shè)備包括兩個頻段系統(tǒng)，分別是K頻段和V頻段，它們共享同一天線和定位系統(tǒng)。在K頻段有21個通道，用于測量水汽密度廓線;在V頻段有14個通道，用于測量溫度廓線。MWP967KV型微波輻射計共產(chǎn)生了三種類型的數(shù)據(jù)文件，分別是LV0、LV1和LV2。其中LV0數(shù)據(jù)是最原始、未經(jīng)處理的觀測輸出電壓;LV1為根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)對LV0進行處理后得到的大氣輻射強度譜數(shù)據(jù);LV2是經(jīng)反演后所得的大氣特性數(shù)據(jù)。MWP967KV型微波輻射計信息流見圖1。

圖1 微波輻射計信息流圖

1.2 工作原理

輻射計工作的物理基礎(chǔ)來自于近代量子理論:無論任何物質(zhì)，只要處在絕對零度以上，那么任何時刻都不可避免向外輻射電磁波。絕對溫度為T的黑體輻射譜強度Bf(T)為:

其中:h稱為普朗克常數(shù);k是波爾茲曼常數(shù);c是真空中的光速;f是所研究的輻射頻率;T為熱力學溫度。

在大氣遙感中，大氣微波輻射特性依賴于大氣對微波的吸收。根據(jù)現(xiàn)代光譜理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)，在微波波段，水汽、氧氣、云中液態(tài)水和降水是微波輻射最主要的吸收物質(zhì)。從圖2［8］可以發(fā)現(xiàn)，在10GHz到100GHz微波頻率范圍內(nèi)，水汽在22GHz附近有一個強吸收帶，氧氣在60GHz附近有一個強吸收帶［9］。

圖2 大氣微波吸收光譜

根據(jù)基爾霍夫定律，輻射體在某波段有強烈吸收，必然在該波段有強烈的輻射。因此通過測量氧氣在60GHz附近的輻射強度或亮溫就可以反演出大氣的溫度分布。在任意高度上氧氣發(fā)射的電磁波強度與該高度的溫度和氧氣密度分布有關(guān)，因此可以得到溫度剖面。水汽的發(fā)射在高緯度地區(qū)顯示為一個很窄的線條，而在低緯度地區(qū)顯示較寬。發(fā)射強度與水汽密度和溫度成正比，通過掃描波譜分布和數(shù)學反演觀測數(shù)據(jù)，可以得到水汽密度廓線［10］。

1.3 大氣輻射傳輸方程

在大氣中，由于微波輻射的波長較長，除降雨外，大氣分子和云內(nèi)液態(tài)水的散射相對于吸收可以忽略不計，只需考慮大氣對微波輻射的放射和吸收過程。對于非散射大氣，按照大氣水平均勻分層，在局地熱平衡情況下，地面接收到的大氣微波輻射強度可表示為［8，11］:

式中，I∞為宇宙背景的微波輻射強度;θ為天頂角;ν為觀測的頻率;Bv(T(z))為黑體輻射強度;T(z)為溫度廓線;α為大氣吸收系數(shù)，計算公式為:

上述大氣微波輻射強度計算公式第一項是宇宙背景輻射經(jīng)大氣衰減后到達地面的輻射，第二項是大氣自身的輻射。在微波頻段中，hv?kT，黑體輻射強度與黑體的絕對溫度成正比，因此公式可以簡化為:

其中T∞一般為2.7K，TB(θ，v)為地面接收到的輻射亮溫。這就是大氣中的微波輻射傳輸方程，是大氣遙感的基本方程。

2 測量數(shù)據(jù)對比

2012年5月，MWP967KV型微波輻射計樣機在北京地區(qū)與進口微波輻射計開展了探空觀測對比試驗。在試驗期間，經(jīng)歷了兩次降雨過程，完整的觀測到晴空、多云、雨前、小雨及雨后等各種天氣情況，獲得了豐富的試驗數(shù)據(jù)。針對晴天和雨天條件下的對空探測數(shù)據(jù)，將MWP967KV型微波輻射計和進口輻射計在同一時刻的輸出結(jié)果進行比較，即進行大氣輻射強度譜數(shù)據(jù)和大氣廓線數(shù)據(jù)對比。

2.1 晴天數(shù)據(jù)對比

由某一時刻特定頻段的大氣輻射強度譜，通過專用的反演算法能夠得到當時的大氣垂直分布特性，即大氣廓線，其中具有參照意義的是地表到天頂方向10km高度的溫度廓線和水汽密度廓線。圖3為北京時間5月14日9:42:56對空觀測所得大氣輻射強度譜的觀測結(jié)果，圖4為據(jù)此數(shù)據(jù)實時反演所得大氣溫度和水汽密度垂直分布情況。

從圖3可以看出，在K頻段，從1～21通道大氣輻射強度呈下降趨勢，MWP967KV型微波輻射計與進口微波輻射計的大氣輻射強度譜一致性較高，趨勢完全相同，各通道的差值大概在0.5K，相對差值4%左右;在V頻段，從22～35通道大氣輻射強度呈上升趨勢，曲線不僅平滑而且擬合的很好，差值最大在8K左右，但相對差值最大不超過3%。從圖4可以看出，MWP967KV與進口輻射計反演出的溫度廓線基本完全重合，一致性非常高，差值基本上小于2K，相對差值1%左右;兩者的水汽密度廓線趨勢相同，在1km以下，差值較大。

圖4 輻射計反演所得大氣廓線

通過晴天數(shù)據(jù)的對比，可以看出MWP967KV型微波輻射計反演出的溫度廓線較準確，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，性能可與進口輻射計相媲美;由于K頻段的亮溫值一般很低，甚至會小于10K，對微波輻射計硬件來講，要獲得如此低的觀測值是一件困難的工作，這就導致了兩臺輻射計所反演出的水汽密度有著較大的差別，但此時并不能判斷出兩者孰優(yōu)孰劣，我們會在后期的試驗中繼續(xù)驗證該問題。

2.2 雨天數(shù)據(jù)對比

MWP967KV型微波輻射計內(nèi)部集成了溫濕壓傳感器，能夠直接給出地表大氣的溫度、濕度和大氣壓力，而波束范圍內(nèi)的大氣水汽含量和液態(tài)水含量，仍然是通過大氣輻射強度反演得出。在試驗期間，北京時間5月13日下午16:45～17:00和18:42～19:05下過兩場陣雨，雨量較大，對比MWP967KV與進口輻射計實時反演出的水汽總量和液態(tài)水總量，分別如圖5和圖6所示。

圖5 水汽總量演變曲線

圖6 液水總量演變曲線

從圖5和圖6可以看出，MWP967KV與進口輻射計反演出的水汽總量和液態(tài)水總量基本相同，兩臺微波輻射計在非降雨狀態(tài)下的水汽和液態(tài)水反演方面性能相當。兩次陣雨過程在水汽總量和液態(tài)水總量演變曲線中很好的表現(xiàn)了出來，在陣雨過程中，兩者含量急劇增加，在圖中表現(xiàn)為陡峭的尖峰。第一個尖峰對應時間為16:52，第二個尖峰對應時間為18:52，與下雨時間完全吻合，即時、準確反映出了大氣中的水汽和液態(tài)水含量變化。下雨時，MWP967KV型微波輻射計反演出的總量數(shù)據(jù)與進口輻射計反演出的數(shù)據(jù)有較大差別，雨停后10min左右，兩者曲線趨于一致;而在不下雨時，兩臺設(shè)備的總量數(shù)據(jù)差別不大。通過數(shù)據(jù)分析和兩臺設(shè)備的對比，我們發(fā)現(xiàn)引起這一現(xiàn)象的原因如下:MWP967KV與進口輻射計的天線罩材料不同，因此在雨雪條件下，設(shè)備天線罩的浸濕程度、水滴附著厚度等均不相同，而雨雪又是強輻射體，這就會使兩臺輻射計在雨雪條件下測量的亮溫出現(xiàn)較大的差別，從而導致反演結(jié)果的差異。所以，在下雨時兩臺設(shè)備反演出的水汽和液水總量的優(yōu)劣已無法判斷，只能通過其它測量水汽和液水總量更加精確的設(shè)備來檢驗。這項工作會在后期的試驗中進行。

3 結(jié)論

本文對國產(chǎn)MWP967KV型微波輻射計的功能和工作原理進行了詳細的論述，并與進口輻射計在不同天氣條件下的輸出數(shù)據(jù)進行了對比。觀測試驗表明該設(shè)備具有實時連續(xù)剖視大氣溫度、水汽密度廓線、水汽和液態(tài)水總量信息的能力，填補了我國在高精度、高靈敏度微波毫米波大氣遙感高端設(shè)備的空白，為天氣預報、人工影響天氣、防汛指揮決策等領(lǐng)域提供了有力的技術(shù)支持。

在今后的工作中，我們會選擇具有探空資料和進口輻射計的氣象站進行長期的觀測對比試驗，首先檢驗水汽密度廓線反演的精度，并解決雨雪條件下天線罩對反演結(jié)果影響的問題;其次對輻射計的自動標定、絕對標定展開細致的研究，以提高輻射計工作的長期穩(wěn)定性和標定精度;同時展開試驗數(shù)據(jù)的深度對比分析，對MWP967KV型微波輻射計的功能和指標進行細致的考核，以實現(xiàn)對設(shè)備進一步的改進和完善。

［1］張祖蔭，林士杰.微波輻射測量技術(shù)及應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1995.

［2］ 李興國.毫米波近感技術(shù)及應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1991.

［3］劉朝順，呂達仁，杜秉玉.地基遙感大氣水汽總量和云液態(tài)水總量的研究［J］.南京氣象學院學報，2006，29(5):606-612.

［4］劉紅燕，李炬，曹曉彥，熊斌.遙感大氣結(jié)構(gòu)的12通道微波輻射計測量結(jié)果分析［J］.遙感技術(shù)與應用，2007，22(2):222-229.

［5］JAN I.H.，ASKNE Ed R.WESTWATER.A Review of Ground-Based Remote Sensing of Temperature and Moisture by Passive Microwave Radiometers［J］.Geoscience And Remote Sensing，1986，24(3):340-352.

［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.

［7］Maria P.Cadeddu，David D.Turner，and James C.Liljegren.A Neural Network for Real-Time Retrievals of PWV and LWP From Arctic Millimeter-Wave Ground-Based Observations［J］.Geosciences and Remote Sensing，2009，47(7):1887-1900.

［8］朱元競，胡成達，甄進明，趙柏林.微波輻射計在人工影響天氣研究中的應用［J］.北京大學學報，1994，30(5):597-606.

［9］張培昌，王振會.大氣微波遙感基礎(chǔ)［M］.北京:氣象出版社，1995.

［10］周秀驥，呂達仁，黃潤恒等.大氣微波輻射及遙感原理［M］.北京:科學出版社，1982.

［11］F.T.烏拉比，R.K.穆爾，馮健超.微波遙感第一卷 微波遙感基礎(chǔ)和輻射測量學［M］.北京:科學出版社，1988.