新型多通道微波輻射計(jì)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(xué) 蘭州 730000)

0 引言

微波輻射計(jì)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(diǎn)［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(jì)，不僅集成度高、功能強(qiáng)大，而且在測量精度、穩(wěn)定性、體積等方面都已達(dá)到相當(dāng)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(jìn)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(jìn)口，不但價(jià)格昂貴，而且不便于維護(hù)升級，在業(yè)務(wù)實(shí)踐中存在較大的困難，不利于推廣應(yīng)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(jì)的主要功能、工作原理，并與進(jìn)口輻射計(jì)在不同天氣條件下的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)介紹

1.1 功能介紹

MWP967KV型微波輻射計(jì)是一款地基多通道微波輻射計(jì)，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(diǎn)的微弱大氣輻射噪聲，測量其信號強(qiáng)度。系統(tǒng)具有人工標(biāo)定和周期性自動標(biāo)定功能。并采用蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)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(shí)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(jì)反演出云層液態(tài)水廓線，為中小尺度天氣預(yù)報(bào)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(jì)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(jìn)行處理后得到的大氣輻射強(qiáng)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(jì)信息流見圖1。

圖1 微波輻射計(jì)信息流圖

1.2 工作原理

輻射計(jì)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(qiáng)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(xué)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)吸收帶，氧氣在60GHz附近有一個強(qiáng)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(qiáng)烈吸收，必然在該波段有強(qiáng)烈的輻射。因此通過測量氧氣在60GHz附近的輻射強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度與水汽密度和溫度成正比，通過掃描波譜分布和數(shù)學(xué)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(jì)，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?zé)崞胶馇闆r下，地面接收到的大氣微波輻射強(qiáng)度可表示為［8，11］:

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

上述大氣微波輻射強(qiáng)度計(jì)算公式第一項(xiàng)是宇宙背景輻射經(jīng)大氣衰減后到達(dá)地面的輻射，第二項(xiàng)是大氣自身的輻射。在微波頻段中，hv?kT，黑體輻射強(qiáng)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(jì)樣機(jī)在北京地區(qū)與進(jìn)口微波輻射計(jì)開展了探空觀測對比試驗(yàn)。在試驗(yàn)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(yàn)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(jì)和進(jìn)口輻射計(jì)在同一時刻的輸出結(jié)果進(jìn)行比較，即進(jìn)行大氣輻射強(qiáng)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(qiáng)度譜，通過專用的反演算法能夠得到當(dāng)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(qiáng)度譜的觀測結(jié)果，圖4為據(jù)此數(shù)據(jù)實(shí)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(qiáng)度呈下降趨勢，MWP967KV型微波輻射計(jì)與進(jìn)口微波輻射計(jì)的大氣輻射強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)口輻射計(jì)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(jì)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(jì)反演出的溫度廓線較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，性能可與進(jìn)口輻射計(jì)相媲美;由于K頻段的亮溫值一般很低，甚至?xí)∮?0K，對微波輻射計(jì)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(dǎo)致了兩臺輻射計(jì)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(yàn)中繼續(xù)驗(yàn)證該問題。

2.2 雨天數(shù)據(jù)對比

MWP967KV型微波輻射計(jì)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(qiáng)度反演得出。在試驗(yàn)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(jìn)口輻射計(jì)實(shí)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(jìn)口輻射計(jì)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(jì)在非降雨?duì)顟B(tài)下的水汽和液態(tài)水反演方面性能相當(dāng)。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(yīng)時間為16:52，第二個尖峰對應(yīng)時間為18:52，與下雨時間完全吻合，即時、準(zhǔn)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(jì)反演出的總量數(shù)據(jù)與進(jìn)口輻射計(jì)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(jìn)口輻射計(jì)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(qiáng)輻射體，這就會使兩臺輻射計(jì)在雨雪條件下測量的亮溫出現(xiàn)較大的差別，從而導(dǎo)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(yàn)。這項(xiàng)工作會在后期的試驗(yàn)中進(jìn)行。

3 結(jié)論

本文對國產(chǎn)MWP967KV型微波輻射計(jì)的功能和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并與進(jìn)口輻射計(jì)在不同天氣條件下的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。觀測試驗(yàn)表明該設(shè)備具有實(shí)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(bǔ)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(yù)報(bào)、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(jìn)口輻射計(jì)的氣象站進(jìn)行長期的觀測對比試驗(yàn)，首先檢驗(yàn)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(jì)的自動標(biāo)定、絕對標(biāo)定展開細(xì)致的研究，以提高輻射計(jì)工作的長期穩(wěn)定性和標(biāo)定精度;同時展開試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深度對比分析，對MWP967KV型微波輻射計(jì)的功能和指標(biāo)進(jìn)行細(xì)致的考核，以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

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