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1、目录1微波辐射计应用场合与任务22微波辐射计组成与关键技术33微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计）74关于微波辐射计发展的思考建议9参考文献101微波辐射计应用场合与任务微波辐射计（英语：microwave radiometer，缩写为“fWR”）也称为“微波辐射仪”， 是一种用于测量亚毫米级到厘米级波长（频率约为ITOOOGHz）的电磁波（微波）的辐射计。 微波辐射仪能接收大气中的某些成分在一定频率上强烈辐射的微波，经过一定的转换方法， 得到大气在垂直和水平方向上的气象要素分布，并且还可以探测到云状、云高以及目力无法 观测到的晴空湍流。此仪器携带方便，可增加探空网在时间和空间上的密度，
2、能观测到大气 的连续变化，不致漏掉范围较小但变化剧烈的天气系统。微波辐射计是一款被动式微波遥感 设备，微波遥感起步晚于可见光和红外遥感。但相对于可见光和红外遥感器而言，微波辐射 计能全天候、全天时工作。可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能 穿透云雾。微波辐射计主要用于中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层 紊流。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害 性较大。在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的手段。探空气球 会受到使用时间和空间的限制；天气雷达资料基本局限于降雨过程无降水时的欠缺；在离地 面5公
3、里范围内卫星遥感数据存在较大的误差。被动式地基微波辐射计的出现，填补上述研 究方法监测方面的空白，是其有效的补充手段。微波辐射具有独立工作能力，能在几乎各种 环境条件工作，非常适合于自动天气站。用于反演完整的大气廓线，反演数据和原始数据 全部保存。提供完备的顾客定制或全球标准算法。主要应用如下：对流层剖面的温度、湿度 和液态水，天气和气候模型研究，卫星追踪GPS，伽利略）湿/干延迟和湿度廓线，临近预 报大气稳定性（灾害性天气检测），温度反演检测、雾、空气污染，绝对校准云雷达，湿/ 干延迟改正VLBI技术。微波辐射计是用微波进行遥感，从而对地物进行探测的微波接收机，在探测大气、海 洋、植被和土壤
4、等方面有广泛应用，而数据处理与控制单元作为微波辐射计的重要组成部分， 承担了所有的驱动及控制功能，对时序及精度要求十分严格。由于系统对可靠性要求较高， 故采用单片机作为220 GHz微波辐射计数控单元的核心，通过精确的时序控制，实现了数据 采集、天线控制、状态提取、串口通信等功能。同时，该数控单元具有功耗低，采样精度高， 接口简便等特点。微波辐射计，是利用被动的接收，各个高度传来的温度辐射的微波信号 来判断温度、温度曲线，是一款被动式地基微波遥感设备，微波遥感起步晚于可见光和红外 遥感。但相对于可见光和红外遥感而言，微波辐射计能全天候、全天时工作。可见光遥感 只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚
5、工作，但不能穿透云雾。微波辐射计是一种用于测 量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。通过测量天线接收到的辐射功率反演被观测目标的亮 度温度;测量的物理量为亮度温度（K）。工作原理：辐射计天线接收的辐射能量来自地面物 体的发射辐射和反射辐射，根据瑞利-金斯公式，物体发射的功率与温度成正比。物体的发 射特性用辐射测量亮度温度表征。表征微波辐射计性能的主要参数是温度分辨率（灵敏度） 和空间分辨率（角分辨率）。2微波辐射计组成与关键技术早起的微波辐射计技术采用单检测器变频技术，目前国际上新成熟的技术为并行多检测 器多通道直接测量技术，二种技术都采用K波段和V波段的水汽和氧气通道观测反演大气的 水汽和温度信
6、息。由于基于并行技术的微波辐射计探测速度和稳定性大大高于前者，已经 成为当今微波辐射计发展的重要方向。并行技术微波辐射计的各通道带宽独立，积分时间充 足的条件下可采用边界层多角度扫描捕捉到边界层1K的微小亮温变化，大大提高了边界层 温度垂直分辨率。并行多通道也使得快速全天空扫描和方位-时间扫描得以实现，特别有助 于监测天空快速水汽变化和云天变化。现在较常见的微波辐射仪最初是由美国物理学家罗伯 特亨利迪克(Robert H. Dicke)于1946年采用的。成熟的微波辐射计技术具有单检测 器变频技术和并行多检测器技术，都采用K波段和V波段的水汽和氧气通道观测反演大气 的水汽和温度信息。由于基于并
7、行技术的微波辐射计探测速度和稳定性大大高于前者，已 经成为当今微波辐射计发展的重要方向。并行技术微波辐射计的各通道带宽独立，积分时间 充足的条件下可采用边界层多角度扫描捕捉到边界层1K的微小亮温变化，大大提高了边界 层温度垂直分辨率。并行多通道也使得快速全天空扫描和方位-时间扫描得以实现，特别有 助于监测天空快速水汽变化和云天变化。单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图1 所示。本振参考源接收天线射频开关低噪声放大器混频器低噪声前置中频放大器数据控制单元数据米集平方率检波主中频放大器图1微波辐射计接收通道原理框图双极化微波辐射计利用双极化接收天线同时接收目标的微波辐射信息，由线性极化分离器分
8、别获取水平极化和垂直极化信息，经两路接收通道进行处理。数字控制单元完成射频开关的控制，并将测量得到的原始数据通过串行通讯送到主计算机。L、S 波段属于微波遥感应用频率的低端，极易受到其它电磁辐射源的影响，因此需要在通道中增加高精度滤波器。 L 波段采用了 7 阶契比雪夫带通介质滤波器，工作频带为 1400MHz1427MHz,过渡带宽15MHz,带内损耗为ldB,过渡带损耗大于60dB； S波段采用了 5阶契比雪夫腔体滤波器，工作频带为2.65GHz2.85GHz,过渡带宽20 MHz,带内损耗为2dB, 过渡带损耗大于60dB。系统原理框图如图2所示。参考源H射频开关（H）低噪声M 1 购极
9、化 分离 器接收天线放人器k射频开关低噪声参考源V可变增益可变增益带通滤波器低噪声低噪声前置* *4混频器4低噪声前置混频器44平方律视频放大器平方律视频放*大器本振A/D转换A/D转换图2 双极化微波辐射计接收通道原理框图低噪声数字控制单元为了提高L波段双极化微波辐射计的抗干扰性，采用了电源与接收机分离的技术方案，即 二者为两个独立结构的箱体单元。接收机技术：根据Planck辐射定律，处于绝对零度以上的任何物体在所有的频率上均辐射电磁能。一般认为，物体在微波波段向外辐射能量是由分子旋转和反转以及电子自转与磁 场之间的相互作用产生的。物体的微波辐射能量强弱首先与其本身性质有关，还与物体的温 度
10、和表面状态、频率、极化、传播方向等因素有关。接收机采用数字增益自动补偿技术方案， 系统框图如图4所示。数字增益自动补偿微波辐射计是将一个基准参考源信号通过微波辐射 计系统，在输出端检测出系统增益的变化量，用专门设计的数字单元控制系统，按此变化量 去修正所接收目标的辐射量，达到系统增益不变的目的。数字增益自动补偿微波辐射计由天 线、射频开关，微波基准源，接收组件（射频放大器、中频放大器、平方律检波器、视频放 大器及积分器），A/D变换，数字控制单元及显示等电路组成。数字控制单元给出输入开关 的控制信号，数字控制单元按此信号同步地分别采集基准源和天线接通时辐射计的输出信号 进行处理。当系统增益稳定
11、时，基准源T1及天线与接收机相连时所对应的微波辐射计输出 电压分别为：V = G （T + T ）（八1 S 1 REC （ 1 ）V = G (T + TA S A REC2）当系统增益变化时，基准源T1及天线与接收机相连接所对应的微波辐射计输出电压分 别为：V二 G (T + T1 S 1 REC3）二 G (T + T )S A REC4）利用基准源T1通过系统后的输出电压检测系统增益的变化，对系统增益变化时天线输 入所对应的输出电压进行补偿，其补偿式为：VV ” = VA V A15）如果 11，说明系统增益变大， 1/ 1将小于1。用它乘以因系统增益变大而升高V的VA,达到系统增益补
12、偿的目的，反之亦然。将（1）、（3）及（4）代入（5）,可得补偿后的电压值VA”为:V ” = G （T + T ）（6）A S A REC（ 6）比较（6）式和（2）式可知，无论系统增益如何变化，经过补偿后系统的增益始终保持 不变，从而达到稳定系统增益的目的。中欣TA/D输入开关V、本振输入_开关信号混频平方律检波器频欣人单片机*积分器射欣显示图 4 数字增益自动补偿微波辐射计系统框图微波辐射计的最小可检测信号由系统噪声的不确定性和系统增益的不确定性共同决定 而系统增益起主要作用。数字增益自动补偿微波辐射计能很好地实现增益补偿，使系统增益 波动引起的不确定性趋于零，起到稳定系统增益的作用，从
13、而达到提高微波辐射计灵敏度的 目的。在高灵敏度的需求下，为了避免控温装置电流切换引起的脉冲扰动，且在夏日太阳照 射下机箱环境温度难以控制，数字增益自动补偿微波辐射计没有采用恒温源和控温方案，而 采用与机箱具有相同温度的匹配负载作为参考源。因此当辐射计长时间处于一个温度变化的 环境中，当机箱温度随着环境温度发生变化时，辐射计参考源的噪声温度也会随着机箱温度 的变化而改变，辐射计输出数据会随环境温度变化而变化，导致测量误差。传统方法是采取 环境温度变化修正方法对测量数据进行修正，从而保持系统的稳定。在本系统的实施方案中 采用计算机数字补偿技术。该种型式的微波辐射计结构简单、工作稳定、调试方便，由于
14、存储了多种原始数据便于 进一步的数据处理，解决了其它型式微波辐射计存在的慢漂移问题，实现了高稳定、高灵敏 度测量。在辐射计输出的数据文件中，存储原始数据、修正后数据和辅助数据。在接收机的设计中采用了温度补偿算法，确保了仪器的温度稳定性。3微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计）我国1980年研制成机载10 cm微波辐射计，同年6月参加京津唐地区环境遥感调查 飞行试验。获得了沿航线目标的微波辐射强度曲线,给出了典型地物（海水、河水、盐田、 沼泽、不同农田、建筑物、桥梁、船只等对应的亮度温度。1983年研制成机载8 mm成像 微波辐射计， 经过几次对海冰、海上油污染和黄河流域航空遥感飞行试验， 获得海冰、海上 油膜及黄河的微波辐射图像6。1985年研制成机载1. 35 cm微波辐射计，1988年研制 成机载21 cm微波辐射计，分别在河南封丘、广州南海、胶州湾、宁波东海、渤海湾、辽 东湾等地进行过多次航空遥感飞行试验，都取得了有科学意义和应用价值的图像和数据。北 京大学、中国科学院大气物理所、华中理工大学、山东大学、华东师范大学等单位相继研制 成陆基微波辐射计，进行了大气探测
