微波輻射計(jì)及其應(yīng)用

 微波輻射計(jì)是用微波進(jìn)行遙感，從而對(duì)地物進(jìn)行探測(cè)的微波接收機(jī)，在探測(cè)大氣、海洋、植被和土壤等方面有廣泛應(yīng)用，而數(shù)據(jù)處理與控制單元作為微波輻射計(jì)的重要組成部分，承擔(dān)了所有的驅(qū)動(dòng)及控制功能，對(duì)時(shí)序及精度要求十分嚴(yán)格。由于系統(tǒng)對(duì)可靠性要求較高，故采用單片機(jī)作為220 GHz微波輻射計(jì)數(shù)控單元的核心，通過(guò)精確的時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、天線(xiàn)控制、狀態(tài)提取、串口通信等功能。同時(shí)，該數(shù)控單元具有功耗低，采樣精度高，接口簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。 微波輻射計(jì)，是利用被動(dòng)的接收，各個(gè)高度傳來(lái)的溫度輻射的微波信號(hào)來(lái)判斷溫度、溫度曲線(xiàn)，是一款被動(dòng)式地基微波遙感設(shè)備，微波遙感起步晚于可見(jiàn)光和紅外遙 感。但相對(duì)于可見(jiàn)光和紅外遙感而言，微波輻射計(jì)能全天候、全天時(shí)工作?？梢?jiàn)光遙感只能在白天工作，紅外遙感雖可在夜晚工作，但不能穿透云霧。 微波輻射計(jì)是一種用于測(cè)量物體微波熱輻射的高靈敏度接收機(jī)。通過(guò)測(cè)量天線(xiàn)接收到的輻射功率反演被觀(guān)測(cè)目標(biāo)的亮度溫度;測(cè)量的物理量為亮度溫度(K)。工作原 理：輻射計(jì)天線(xiàn)接收的輻射能量來(lái)自地面物體的發(fā)射輻射和反射輻射，根據(jù)瑞利-金斯公式，物體發(fā)射的功率與溫度成正比。物體的發(fā)射特性用輻射測(cè)量亮度溫度表 征。表征微波輻射計(jì)性能的主要參數(shù)是溫度分辨率(靈敏度)和空間分辨率(角分辨率)。 微波輻射計(jì)主要用于中小尺度天氣現(xiàn)象，如暴風(fēng)雨、閃 電、強(qiáng)降雨、霧、冰凍及邊界層紊流。對(duì)于短時(shí)間內(nèi)生成或消散的中小尺度天氣災(zāi)害，雖然只是地區(qū)性的，但部分事件危害性較大。在目前中尺度天氣現(xiàn)象監(jiān)測(cè)過(guò)程 中，探空氣球和天氣雷達(dá)是常用的手段。探空氣球會(huì)受到使用時(shí)間和空間的限制;天氣雷達(dá)資料基本局限于降雨過(guò)程無(wú)降水時(shí)的欠缺;在離地面5公里范圍內(nèi)衛(wèi)星遙 感數(shù)據(jù)存在較大的誤差。被動(dòng)式地基微波輻射計(jì)的出現(xiàn)，填補(bǔ)上述研究方法監(jiān)測(cè)方面的空白，是其有效的補(bǔ)充手段。 微波輻射具有獨(dú)立工作能力，能 在幾乎各種環(huán)境條件工作，非常適合于自動(dòng)天氣站。用于反演完整的大氣廓線(xiàn)，反演數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)全部保存。提供完備的顧客定制或全球標(biāo)準(zhǔn)算法。主要應(yīng)用如 下：對(duì)流層剖面的溫度、濕度和液態(tài)水，天氣和氣候模型研究，衛(wèi)星追蹤(GPS，伽利略)濕/干延遲和濕度廓線(xiàn)，臨近預(yù)報(bào)大氣穩(wěn)定性(災(zāi)害性天氣檢測(cè))，溫 度反演檢測(cè)、霧、空氣污染，絕對(duì)校準(zhǔn)云雷達(dá)，濕/干延遲改正VLBI。下面以微波輻射計(jì)反演海表面溫度為例做一介紹： 微波輻射計(jì)測(cè)量海表面溫度的原理： 微波的波長(zhǎng)為0.1~100 cm，微波又可細(xì)分為毫米波、厘米波和分米波等。微波的特點(diǎn)是能穿透云霧，具有全天候工作特點(diǎn)。微波遙感分為主動(dòng)微波遙感和被動(dòng)微波遙感。 在不考慮大氣中各種粒子的貢獻(xiàn)時(shí)，微波輻射計(jì)探測(cè)到的海面亮溫Tb(f)與海表面溫度TS有簡(jiǎn)單關(guān)系。將瑞利-金斯定律代入公式，獲得 T(f，θ，φ，TSST)=e (f，θ，φ) TSST (1) 式中：T(f，θ，φ，TSST)代表微波輻射計(jì)探測(cè)到的海面亮溫;TSST是 海表面一個(gè)薄層海水的溫度，它代表海表面的熱力學(xué)溫度，當(dāng)然它與常規(guī)水桶采水法在一定深度取水測(cè)得的海表面溫度略有差別。如果傳感器位于海表面之上某一個(gè) 足夠高度的平臺(tái)例如飛機(jī)或衛(wèi)星上，還要考慮大氣校正，即在公式(1)中還要補(bǔ)充大氣層空氣自發(fā)輻射項(xiàng)和大氣透射率因子等。 根據(jù)基爾霍夫定律，平靜海面的發(fā)射率e與菲涅爾反射率ρ之間的關(guān)系是 e HV(f，θ，φ)=1-ρHV(f，θ，φ) (2) 式中：下標(biāo)H和V分別表示電磁波的水平極化狀態(tài)和垂直極化狀態(tài);f為微波頻率;θ為觀(guān)測(cè)的天頂角，它代表衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)方向與海面法線(xiàn)之間的夾角，簡(jiǎn)稱(chēng)為觀(guān)測(cè)角或入射角;φ為方位角，它代表輻射計(jì)觀(guān)測(cè)方向與風(fēng)向的夾角。平靜海面的菲涅爾反射率ρ的表達(dá)式是

(3)

(4) 式中：Rhh(θ)和Rvv(θ)分別代表水平和垂直極化狀態(tài)下的菲涅爾反射系數(shù)，它的絕對(duì)值平方等于菲涅爾反射率ρ。εr為海水的復(fù)相對(duì)電容率。海水的復(fù)相對(duì)電容率εr可由德拜方程(Debye Equation)計(jì)算，即

(5) 式中：εr為復(fù)相對(duì)電容率;ω=2πf為電磁波的角頻率;TS為海表面溫度;SS為θ海表面鹽度;ε∞為無(wú)限高頻相對(duì)電容率;εS為靜態(tài)相對(duì)電容率;

τ為張弛時(shí)間;σ為離子電導(dǎo)率;ε0為 真空中的電容率。利用海水復(fù)相對(duì)電容率在微波各波段的某些特殊性質(zhì)，可以使用特定的波段測(cè)量海表面鹽度、海表面溫度、海面風(fēng)速等。在小于10 GHz的微波頻率范圍，Klein和Swift(1977)采用各種濃度的NaCl水溶液代替海水作為樣本，并通過(guò)對(duì)水溶液樣本的實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了對(duì)德拜方 程中各參數(shù)的估計(jì)公式。在3~20 GHz頻率范圍，Ellison等(1998)通過(guò)對(duì)溫度為-2℃~30℃、鹽度為20~40的大洋海水樣本的實(shí)驗(yàn)測(cè)量提出了類(lèi)似的估計(jì)公式。根據(jù)德拜方 程(6)和參數(shù)估計(jì)公式可以獲得海水的相對(duì)電容率。在6~7 GHz之間的頻率范圍，菲涅爾反射率ρ隨鹽度變化很小，隨溫度變化也很小。這樣，可以近似地認(rèn)為海面發(fā)射率e在6~7 GHz不是海表面溫度和鹽度的函數(shù)，而是一個(gè)常數(shù)。這時(shí)，利用微波輻射計(jì)接收到的海面亮溫Tb (λ)=e ?t ?TS，如果知道大氣透射率t，就可以計(jì)算海表面溫度TS。實(shí)際反演應(yīng)用時(shí)需要考慮海面粗糙度效應(yīng)，將前述平靜海面發(fā)射率表達(dá)式略作修正。