基微波輻射計系統設計

陳林菲，卞真穩

（安徽四創電子股份有限公司，合肥 230088）

地基微波輻射計通過被動接收一定距離外大氣水汽和氧氣分子的輻射信息，應用反演的方法獲取大氣參數的一種探測技術和方法。微波輻射計是被動無源探空設備，無源探測設備是大氣探測的重要組成，與常規的地基探空雷達相比，成本低，功耗低，可靠性高，且無電磁污染；與探空氣球相比，具有可以進行連續不間斷觀測的優點，能夠對其觀測覆蓋區域內的氣象要素進行常年不間斷監測。可應用于探測大氣云水含量、水汽、降水和大氣成分、大氣溫度廓線以及濕度廓線等重要大氣參數。同時在氣候預報模式、在數值天氣、人工影響天氣、航空飛行保障以及災害性天氣監測等許多領域都有著重要的應用。

大氣微波遙感不但能夠彌補普通常規探測資料的不足和探測手段的應用局限性，而且還能夠獲得很多有利于研究大氣物理結構等方面新穎而有價值的氣象觀測資料。各種形式的星載輻射計在太陽觀測和地球大氣觀測領域都有著廣泛的應用，并得到了廣泛的認可。但是星載輻射計對于對流層以下的近地面氣象目標的觀測能力受到地球大氣層的嚴重阻礙，同時氣象衛星對于某地觀測的時空分辨率也非常低，因而對于短時天氣變化趨勢的預測力不從心。

地基微波輻射計具有對流層大氣廓線長期連續探測、功耗低、體積小、可靠性高以及可以實現常年無人值守等優點，是無線探空氣球的有效補充。目前，美歐發達國家率先將微波輻射計原理用于地面氣象探測領域，成功開發出專用的地基微波輻射計產品，并成功轉入商業化。在整機系統上來說，我國早在上世紀七、八十年代就由北京大學完成輻射計樣機的研制，然而目前國內在該領域的工程實踐與國外先進國家還是存在一定的差距。因此，本文通過繼承安徽四創電子股份有限公司早期開發的雙通道毫米波輻射計的工程設計經驗和借鑒國外先進的設計理念，開展地基微波輻射計的國產化系統設計開發工作。

1 多通道毫米波輻射計方案設計

1.1 系統構成

微波輻射計主要由天饋分系統、接收分系統、伺服分系統、數據采集與轉換、監控與恒溫控制分系統、標定分系統、終端數據處理分系統和電源分系統。其系統組成框圖如圖1所示。

圖1 多通道毫米波輻射計系統組成框圖

1.2 工作原理

氧分子在2.52mm及5mm（頻率60GHz屬V波段）波段有強吸收帶。如圖2所示，水汽分子在1.35cm及1.6mm波段（頻率22GHz-32GHz屬K波段），有強吸收帶。據基爾霍夫定律，這些波段吸收強，輻射也強。上層大氣發射該波段輻射向著地面的某一方向傳輸時，它一方面會受到所經氣層的削弱，另一方面，所經氣層也會按自身溫度放射該波段的熱輻射，僅是當各氣層溫度不同時，所放射的該波段的輻射強度也不同。地面接收到的該波段的輻射強度，與該氣層中的溫度、壓力（密度）分布有關，我們就是根據地面上接收到的該波段輻射情況，來反演出大氣溫度、壓力層結情況的。式（1）是地基微波大氣遙感的基本方程，其右邊第一項是大氣層向下的輻射貢獻，第二項是宇宙背景輻射，一般Tcλ=2.7K，有時可以忽略。

對于非降水云的有云大氣，式中αλ為有云大氣的吸收系數，它包括三項即 αλ=αH2O+αO2+αc，αH2O，αO2和 αc分別為水汽、氧氣和云的吸收系數。對降水云層αλ為雨云大氣的吸收系數，它包括四項即

式中αr為雨的吸收系數。所以，地基遙測到輻射亮溫為頻率λ和天頂角θ，大氣的溫度T（z），壓強P（z）和水汽密度ρv（z）參數以及云雨等大氣信息的函數，即知道以上參數就可以計算出亮溫的值，這個過程稱為正向或前向問題。與此相反的，用測量到的幾個頻率v或天頂角θ上的幾個值作為反演算法的輸入變量而得到感興趣的大氣參數變量的過程稱為反演過程。根據上述探測原理，微波輻射計應能通過探測大氣亮溫，結合使用物理方法和統計方法建立反演方法，能長期、自動、連續的提供0km～10km的溫濕度廓線，并進而反演得出大氣柱積分水汽量、大氣柱積分云水含水量等多種應用產品，滿足氣象業務和科研的實際使用需求。

圖2 典型中緯度大氣在兩個不同海拔高度下的吸收光譜

1.3 系統主要設計指標

表1 系統主要設計指標

1.4 主要參數分析設計

1.4.1 天饋系統設計要求

理想的天線是在天線觀測主波束內有著固定的增益，而在主波束之外增益為零。實際的天線不僅在主波束內有增益，在主波束外也存在增益。同時在主波束內天線的波束形狀也不是理想的銳截止，往往存在一定的寬度。在工程上通常定義波束的-3dB點對應的波束寬度為天線的波束寬度，即從增益最大點下降-3dB對應的波束寬度，我們稱之為主波束。主波束之外的稱之為副瓣。天線的設計主要關注的就是波束寬度和效率。天線的主要形式有三種：喇叭天線，相控陣天線，反射面天線。其中，反射面天線是一種常用的天線類型。喇叭天線增益作為一種低增益設備一般不會應用在較遠距離的遙感系統中；較為常見的是其應用在實驗室標定、機載系統以及作為反射面天線的饋源。相控陣天線由于其造價高，相對損耗大，毫米波天線設計一般也不會選用。反射面天線的類型有前饋型、卡塞格倫天線（后饋式）和偏饋型。前饋型天線會導致系統有較長的波導走線，在毫米波波段損耗會比較大。卡塞格倫天線由于反射副面的遮擋，天線的效率會降低，副瓣抬升嚴重。偏饋型反射面天線沒有副面的遮擋，是微波輻射計的理想選擇，同時饋源直接和輻射計的接收機相連減少了系統的損耗；饋源采用波紋饋電喇叭，波紋饋電喇叭的反射損失小，結構緊湊，可以提供一個較寬的帶寬、低的交叉極化電平和旋轉對稱的波束形式。

因此，微波輻射計的天饋系統采用偏饋型型反射面天線和波紋饋電喇叭的組合，實現高增益、低副瓣和旋轉對稱。具體設計上天線在輻射方向的投影直徑為250mm的圓，饋源偏饋角90°。為保證天線副瓣穿過太陽時亮溫誤差小于0.2°，拋物面反射面天線和波紋饋電喇叭的副瓣電平必須低于-30dB。同時考慮到設備的空間分辨率和結構的緊湊性，系統將-3dB波束寬度定義在3°左右。天線的參數如表2所示：

表2 天線的參數

1.4.2 接收機系統靈敏度

天線輸出端口的負載是傳輸線和接收機，傳輸線使總能量損失，定義傳輸線輸入端功率與輸出端功率之比為損耗因子L。傳輸線自身熱輻射使功率增加（設傳輸線的溫度與天線的物理溫度相同）。接收機可等效為一個無噪聲接收機和一個位于接收機輸入端溫度為Tr的熱噪聲源。噪聲源輸出功率為kTrB。即接收機輸入端口總功率為

其中，

微波輻射計系統的靈敏度可以由式（4）確定。

式中，Tsys由系統損耗天線溫度和接收機噪聲溫度組成；ι為系統的積分時間。

設系統損耗天線溫度為230k，接收機噪聲溫度K通道為400K，V通道為700K。傳輸線損耗因子L為1.01，天線物理溫度為300K，圖3為K通道接收機靈敏度與積分時間仿真結果，圖4為V通道接收機靈敏度與積分時間仿真結果。1.4.3 反演算法選擇

圖3 K通道接收機靈敏度與積分時間的關系

圖4 V通道接收機靈敏度與積分時間的關系

溫度、濕度、云液態水廓線等的反演問題，即把地基微波輻射計所測亮溫值和外部傳感器所測參數代入網絡反推溫度、濕度、云液態水廓線。依據輻射計的系統設計，反演使用的主要方法來有：牛頓迭代統計回歸法；貝葉斯最大似然法；經驗正交函數展開法；Smith迭代；線性迭代回歸法；Chedin等提出的改進的初始化反演法；神經網絡反演算法。這些反演方法基本可以分為統計反演方法和非統計反演方法。統計反演方法是統計大量歷史探空資料，建立起亮溫值與反演大氣參數之間的統計關系。統計反演方法獲得的方程固定，計算速度快，但反演精度不夠；非統計反演是根據大氣輻射傳輸方程進行求解，解法復雜。綜合考慮我國微波輻射計溫濕廓線反演方法的實際情況和工程的可實現性。神經網絡反演算法是一種常見且比較成熟的非線性統計反演方法，具有很多傳統方法不具備的優點，其中最大的一個優點是理論上可以逼近任意復雜的非線性關系，且不需要專門設計特別復雜反演算法。

2 外場試驗結果分析

四創公司地基多通道毫米波輻射計與2017年5月18日前，完成公司內測試和調試工作；2017年5月18日到達安慶國家基本氣象站，截至2017年10月，共獲得168組探測數據。其中5月～6月50組數據，7月依據前期數據對設備的算法進行改進，無有效數據；8月份58組數據，8月17、18日設備跳閘，未收集到數據；9月份60組數據。初步完成8月和9月份118組輻射計反演的溫濕度廓線與安慶場站的GTS1型數字式探空儀獲取的探空數據比對分析。探空氣球受氣象條件的影響，數據在時間和空間上存在不規律的變化，而微波輻射計獲取的數據是在固定的觀測點上垂直上空56個高度層上的數據。為了使探空資料和和微波輻射計的資料可比，本文采用將探空資料的溫度和相對濕度數據進行線性插值，以得到與微波輻射計數據相同高度上的溫度和相對濕度值。分析中采用相關系數R，平均偏差Tbias和均方根誤差Tstd分別描述微波輻射計資料與探空資料的趨勢吻合度、系統偏差和觀測值精度，其計算公式為：

式中，TS為探空觀測值；TR為微波輻射計觀測值；N為觀測樣本數。

通過對8月份和9月份微波輻射計獲取的數據與探測氣球獲的數據分析我們得出：微波輻射計和探空氣球獲取的溫度數據相關性達到99%，平均氣溫垂直遞減率為0.57K/100m，溫度的平均誤差是-1.33°，溫度的標準差為1.87°；濕度數據的相關性為67%，相對濕度的平均誤差是-9.28%，標準差為21.14%。

3 結束語

針對國內外目前地基微波輻射計的研究和開發現狀，本文初步提出了一種國產14通道地基微波輻射計的系統設計方法，通過對關鍵技術參數的計算和仿真分析，論證了系統工程化實現的可行性。系統采用多通道濾波器組并行接收技術和系統自動標校技術，實現多通道毫米波輻射計系統對大氣溫濕廓線同時高精度探測；同時針對大氣溫濕廓線的非線性特點，終端信號處理采用BP神經網絡反演算法實現對溫濕廓線的反演。經過在安慶國家基本氣象站的近5個月的連續觀測試驗，驗證了設備的穩定性和可靠性，通過與安慶場站的探空數據對比分析，初步驗證了設備的探測能力。但同時也可以看到，微波輻射計獲取的數據與探空獲取的數據還存在著一定的不一致性，后期仍需在應用過程中通過不斷地提升設備性能、優化反演算法來進一步完善設備。