微波輻射計及其應(yīng)用

微波輻射計及其應(yīng)用微波輻射計是用微波進行遙感，從而對地物進行探測的微波接收機，在探測大氣、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的重要組成部分，承擔(dān)了所有的驅(qū)動及控制功能，對時序及精度要求十分嚴格。由于系統(tǒng)對可靠性要求較高，故采用單片機作為220GHz微波輻射計數(shù)控單元的核心，通過精確的時序控制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、天線控制、狀態(tài)提取、串口通信等功能。同時，該數(shù)控單元具有功耗低，采樣精度高，接口簡便等特點。微波輻射計，是利用被動的接收，各個高度傳來的溫度輻射的微波信號來判斷溫度、溫度曲線，是一款被動式地基微波遙感設(shè)備，微波遙感起步晚于可見光和紅外遙感。但相對于可見光和紅外遙感而言，微波輻射計能全天候、全天時工作?？梢姽膺b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。微波輻射計是一種用于測量物體微波熱輻射的高靈敏度接收機。通過測量天線接收到的輻射功率反演被觀測目標(biāo)的亮度溫度；測量的物理量為亮度溫度（K）。工作原理：輻射計天線接收的輻射能量來自地面物體的發(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)射特性用輻射測量亮度溫度表征。表征微波輻射計性能的主要參數(shù)是溫度分辨率（靈敏度）和空間分辨率（角分辨率）。微波輻射計主要用于中小尺度天氣現(xiàn)象，如暴風(fēng)雨、閃電、強降雨、霧、冰凍及邊界層紊流。對于短時間內(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)測過程中，探空氣球和天氣雷達是常用的手段。探空氣球會受到使用時間和空間的限制；天氣雷達資料基本局限于降雨過程無降水時的欠缺；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。被動式地基微波輻射計的出現(xiàn)，填補上述研究方法監(jiān)測方面的空白，是其有效的補充手段。微波輻射具有獨立工作能力，能在幾乎各種環(huán)境條件工作，非常適合于自動天氣站。用于反演完整的大氣廓線，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，臨近預(yù)報大氣穩(wěn)定性（災(zāi)害性天氣檢測），溫度反演檢測、霧、空氣污染，絕對校準(zhǔn)云雷達，濕/干延遲改正VLBI。下面以微波輻射計反演海表面溫度為例做一介紹：微波輻射計測量海表面溫度的原理：微波的波長為0.1~100cm，微波又可細分為毫米波、厘米波和分米波等。微波的特點是能穿透云霧，具有全天候工作特點。微波遙感分為主動微波遙感和被動微波遙感。在不考慮大氣中各種粒子的貢獻時，微波輻射計探測到的海面亮溫Tb(f)與海表面溫度TS有簡單關(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)代表微波輻射計探測到的海面亮溫；TSST是海表面一個薄層海水的溫度，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足夠高度的平臺例如飛機或衛(wèi)星上，還要考慮大氣校正，即在公式(1)中還要補充大氣層空氣自發(fā)輻射項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eHV(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為觀測的天頂角，它代表衛(wèi)星的觀測方向與海面法線之間的夾角，簡稱為觀測角或入射角；φ為方位角，它代表輻射計觀測方向與風(fēng)向的夾角。平靜海面的菲涅爾反射率ρ的表達式是

（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)，它的絕對值平方等于菲涅爾反射率ρ。εr為海水的復(fù)相對電容率。海水的復(fù)相對電容率εr可由德拜方程(DebyeEquation)計算，即

（5）式中：εr為復(fù)相對電容率；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∞為無限高頻相對電容率；εS為靜態(tài)相對電容率；τ為張弛時間；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量海表面鹽度、海表面溫度、海面風(fēng)速等。在小于10GHz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，并通過對水溶液樣本的實驗測量獲得了對德拜方程中各參數(shù)的估計公式。在3~20GHz頻率范圍，Ellison等(1998)通過對溫度為-2℃~30℃、鹽度為20~40的大洋海水樣本的實驗測量提出了類似的估計公式。根據(jù)德拜方程(6)和參數(shù)估計公式可以獲得海水的相對電容率。在6~7GHz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，可以近似地認為海面發(fā)射率e在6~7GHz不是海表面溫度和鹽度的函