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微波辐射计
来源:深圳市气象局 更新时间:2019年4月18日

  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、湿度曲线,能定量测量目标(如地物和大气各成分)的低电平微波辐射的高灵敏度接收装置。

  微波辐射计实质上就是一个高灵敏度、高分辨率的微波接收机。

  简介

  表面辐射率为 (0≤ ≤1)、绝对温度为 ( >0 K)的物体在整个电磁波的频谱上都会辐射出电磁波,其频谱与噪声相似,这种辐射称为热辐射,不同物体具有不同的热辐射频谱,有些物体辐射连续频谱,有些物体辐射离散频谱,通过测量和分析其辐射频谱,就可以区分不同物体。

  微波辐射计作为一种无源微波遥感仪器,正是根据自然界中所有物体都有辐射电磁波的原理而制成的。

  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。

  微波辐射计主要由三部分组成,即提供空间分辨能力,能收集能量的天线;将收到的噪声功率转换为电压的接收机部分,记录和显示设备等。使用最多的是锐方向束天线,共分反射天线、透镜天线和阵列天线三种。主要技术性能表现在温度分辨力和空间分辨力上。空间分辨力主要取决于天线孔径和波长。

  1946年,狄克(Dicke,R.H.)首先研制成第一台测量微波辐射的装置,称为狄克式辐射计,现在各种微波辐射计都是在狄克型接收机基础上改进而成的,有零平衡型辐射计、双参考温度辐射计、自动反馈型辐射计、相关型辐射计、扫描型辐射计等。

  分类

  微波辐射计分两类:频谱式和连续式,前者频率窄,工作于微波谐振线上,后者用于遥感具有宽广频谱特性的目标,微波辐射计在军事侦察、气象学、海洋学和天文学等领域中得到广泛应用。

原理图

  微波辐射计还可以分为图像型和非图像型,其中采用扫描天线的扫描微波辐射计就是图像型辐射计,其特点是天线可以对地面目标进行扫描探测,获取地面目标的微波辐射信息,把所获取的信息转换成以灰度等级显示的物体图像,扫描方式有两类:

  (1)电扫描,如雨云5号和6号气象卫星上的电扫描微波辐射计;

  (2)机械扫描,如雨云7号和海洋卫星1号上的扫描多通道微波辐射计和泰罗斯N号上的微波探测器。

  优点

  用微波辐射计对各种物体发射的自然辐射信号进行被动接收具有相当多的优点: [3]

  (1)由于是被动接收.所以不容易被发现从而有良好的保密性,同时辐射计的体积功耗都很小;

  (2)由于微波具有穿透云层、小雨、雾和抗太阳辐射的影响,所以具有较强的全天候全天时工作能力此优点强于可见光和红外;

  (3)微波具有一定的穿透被测物体的能力;

  (4)微波遥感具有一定定量测量的能力。

  用途

  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。

  主要应用

  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。

  主要技术

  微波辐射计的主要技术指标是频段和温度分辨率、空间分辨率。

  目前机载微波辐射计实测温度分辨率达0.02K,星载微波辐射计温度分辨率达0.2~1K。

  早期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。

  发展方向

  我国微波辐射计的研究工作始于70年代初,已经历了从地基到空载,从单频到多频的发展进程,并取得一系列有价值的成果。尽管如此,星载微波辐射计的研究工作刚刚列入日程,目前,仍处在论证、研制、机械样机的试验阶段。并且都局限于传统微波辐射计的工作模式,与国外的先进技术相比,还相差很远。

  当前,微波传感器正处在研究开发和向实用化发展的阶段。它正以前所未有的步伐向前发展,其发展趋势预示着微波遥感技术在地学各个应用领域中占据越来越重要的地位。

  90年代是世界遥感技术发展的黄金时代,如果我们不抓住目前国际发展的大趋势,有效布署和规划各类微波传感器的发展,我们将陷于被动,与国际水平的差距还将加大。

  为此,在发展我国空间平台的同时,应加速星载微波辐射计系统的研究,同时,组织力量,紧跟国际发展的动向,研究和发展最新的星载微波辐射计系统。为我国未来发射的卫星提供更加先进的遥感设备,使我国在微波遥感技术领域早日跻身于国际先进行列。