微波辐射计应用场合与任务
目录
1微波辐射计应用场合与任务 (2)
2微波辐射计组成与关键技术 (3)
3微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计） (7)
4关于微波辐射计发展的思考建议 (9)
参考文献 (10)
微波辐射计（英语：microwave radiometer，缩写为“MWR”）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1-1000GHz）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，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)。
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。
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1400MHz～1427MHz，过渡带宽15MHz,带内损耗为1dB，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2.65GHz～2.85GHz，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。
图2 双极化微波辐射计接收通道原理框图
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：
)(11REC S T T G V += （1）
)(REC A S A T T G V += （2）
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：
)(1'
'1
REC S T T G V += （3） )(''REC A S A
T T G V += （4） 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：
''11''A A V V V V =
（5） 如果1'1V V >，说明系统增益变大，'
11/V V 将小于1。用它乘以因系统增益变大而升高的'
A V ，达到系统增益补偿的目的，反之亦然。
将（1）、（3）及（4）代入（5），可得补偿后的电压值''A V 为：
)('
'REC A S A T T G V += （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。
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, 进行了大气探测和地基遥感基础理论研究。航天部504 所研制成10 cm、8 mm 微波辐射计, 并利用10 cm 微波辐射计进行了乳线癌探测研究。目前正在研制气象卫星搭载的5mm 微波辐射计。微波辐射计已进入星载多频段微波辐射计和微波成像仪的工程和预研阶段。
微波辐射计有多种类型，主要有全功率微波辐射计、Dicke 型微波辐射计、零平衡 Dicke 型微波辐射计、
负反馈零平衡 Dicke 型微波辐射计、双参考温度自动增益控制微波辐射计、Graham 型微波接收机、数字增益，自动补偿微波辐射计等。
目前星载微波辐射计大多是全功率型微波辐射计。全功率型周期定标微波辐射计由天线子系统（包括反射面、馈源和天线罩）、分极化分频器、接收机子系统（包括高频通道和中低频通道）、信息处理和控制单元、热辐射定标源子系统（包括辐射体、温度控制器和测温电路）、扫描伺服机构等组成。
全功率微波辐射计原理图
星载微波辐射计具有功耗低、体积小、质量轻和工作稳定可靠等特点，应用领域非常宽广。从大的方面来说，星载微波辐射计主要应用于大气探测、海洋观测、对地观测微波遥感3 个方面[4~24]；从具体探测目标来说，星载微波辐射计主要应用于气象、农林、地质、海洋环境监测和军事侦察等；还可用于天文、医疗和导弹的末制导等方面。从空间对大气进行探测已经有 40 多年的历史。具有代表性的有 1968 年前苏联发射的 Cosmos243 卫星，装载有 4 通道（3.5, 8.8, 22.2, 37.0 GHz）微波辐射计，用以测大气水汽、液态水、地表温度、水；第一颗业务
卫星是 1978 年美国发射的 Tiros-N 极轨气象卫星，装载有微波探测仪 MSU，用以探测大气垂直温度。最近十年，主要有美国 DMSP（美国气象卫星计划）系列卫星装载的微波辐射
计 SSM/T、SSM/I[10]和 NOAA（美国海洋和大气局）系列卫星装载的 AMSU 等。
星载微波辐射计在海洋观测方面主要用于观测海洋温度、海面风速、海水盐度、海面油污染及海冰厚度、面积、冰山、冰龄等。
具有代表性的有 SEASAT 卫星装载的 SMMR 微波辐射计[11,12]、ERS-1/2 卫星装载的ATSR-M 轨迹扫描辐射计ENVISAT-1 卫星装载的 AATSR 微波辐射计、ADEOS-2 卫星装载的AMSR 微波扫描辐射计。该类微波辐射计主要用于探测土壤温度、降水、大气水汽含量、积雪、土壤成分、海面温度,还可以得到植被生长情况，对农作物进行估产，监测水、旱、林火、雪暴等自然灾害和生态环境的动态变化，进行作物估产等服务。
通过对国内外星载微波辐射计发展历程和技术现状分析研究，星载微波辐射计主要有以下几方面发展趋势：
（1）向高频段发展。从上世纪 90 年代开始，微波辐射计探测频段已拓展到亚毫米波段，表现在向 200 GHz
波段以上发展，主要用以探测大气温度和大气湿度。
（2）向一体化方向发展。微波辐射计为了提高分辨率，其天线尺寸必然较大，但不可能同时装备几副天线；
同时由于微波辐射计的工作频率较宽，必须进行多频、多极化共用设计，从而减小微波辐射计的体积、质量。
（3）向高分辨率方向发展。通过提高观测频率或增大天线尺寸来提高地面分辨率。
（4）向多通道及精细通道探测方向发展。
（5）向综合孔径微波辐射计方向发展。根据将一个大口径天线等效分割成若干个小口径天线的思想，通
过基线设计和组合干涉测量得到所有的小口径天线组合，并通过对这些干涉测量结果的反演得到与大口径
天线相同的观测分辨率。
（6）向全极化微波辐射计方向发展。
4关于微波辐射计发展的思考建议
我国微波辐射计的技术水平和国外有很大差距，主要表现在：微波遥感科学基础和基础技术能力薄弱，
特别是在毫米波、亚毫米波器件研制方面；技术水平和用户需求差距十分突出；空间遥感数据缺乏，无法摆脱
对国外的依赖；目前的载荷还处于试验应用阶段。
我国在星载微波辐射计方面发展思考建议：
（1）做好发展规划。从应用需求出发，开展极轨轨道微波辐射计、同步轨道微波辐射计（工作在 200 GHz
以上的亚毫米波频段）、多通道多极化全波段微波辐射计技术研究和产品研制。
（2）须重点突破以下几项关键技术：多频多极化共用天线和圆锥扫描技术；小型化周期定标全功率接收
机技术；亚毫米波微波辐射计技术; 全极化微波辐射计技术；综合孔径微波辐射计技术。（3）积累空间遥感数据，发展观测目标反演技术。
参考文献
?[1]姜景山[1],吴一戎[2],刘和光[1],董晓龙[1].中国微波遥感发展的新阶段新任务[J].中国工程科学, [2]年丰,杨于杰,陈云梅,徐德忠,王伟.中国星载微波辐射计地面定标技术的研究进展[J].宇航计测技术,
?[3]朱建炳,潘雁频.空间制冷技术在星载红外遥感器中的应用与发展[J].真空与低温,
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?
HY-2A卫星校正微波辐射计数据用户手册
HY-2A卫星校正微波辐射计数据 用户手册 国家卫星海洋应用中心 2011年5月
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目录 1 数据产品介绍 (1) 1.1 产品级别划分 (1) 1.2 产品文件命名 (1) 1.2.1 一级产品文件命名 (1) 1.2.2 二级产品文件命名 (1) 2 一级数据产品 (2) 2.1 数据处理流程 (2) 2.2 L 1A数据格式 (3) 2.2.1 产品数据结构 (3) 2.2.2 产品头文件 (4) 2.2.3 产品科学数据 (6) 2.2.4 科学数据各参数介绍 (9) 2.3 L 1B数据格式 (14) 2.3.1 产品数据结构 (14) 2.3.2 产品头文件 (14) 2.3.3 产品科学数据 (16) 2.3.4 科学数据各参数介绍 (19) 3 二级数据产品 (19) 3.1 数据产品制作流程 (19) 3.2 L 2A数据格式 (20) 3.2.1 产品数据结构 (20) 3.2.2 产品头文件 (20) 3.2.3 产品科学数据 (23) 3.2.4 科学数据各参数介绍 (25) 3.3 L 2B数据格式 (25) 3.3.1 产品数据结构 (25) 3.3.2 产品头文件 (26) 3.3.3 产品科学数据 (28) 3.3.4 科学数据各参数介绍 (31) 3.4 L 2C数据格式 (31) 3.4.1 产品数据结构 (31) 3.4.2 产品科学数据 (31)
1数据产品介绍 国家卫星海洋应用中心将载荷的HY-2卫星校正辐射计0级数据经过预处理、重采样和数据反演分别生成1级、2级产品。 1.1 产品级别划分 一级产品 1A：经过时间标识和地理定位后的数据。包括扫描时间，每扫描点地理定位；存储观测、定标计数的数据；天线温度校正系数，轨道运行状态、平台姿态等辅助信息；记录质量信息等。 1B：经过分pass，亮温计算，以及带有定位信息及描述信息的数据。 二级产品 2A：经过亮温重采样的数据，将1B中观测亮温平均成每秒一次。 2B：经过反演计算，将2A数据反演成海洋大气物理产品，并且包含2A的亮温产品。 2C：经过格式转换，将hdf格式转换为二进制格式的产品。 1.2 产品文件命名 1.2.1 一级产品文件命名 L 1A级：H2A_RC1ALnnnnn.yyyydddhhmm.h5 L 1B级：H2A_RC1Byyyymmdd_ccc_pppp.h5 其中： H2A：HY-2卫星 RC1：校正辐射计 L：拼站（含延时和实时数据拼接）数据 nnnnn：轨道号 yyyy：观测开始时间的年 mm：观测开始时间的月 dd：观测开始时间的日 ccc：CYCLE 号 pppp：PASS 号 1.2.2二级产品文件命名 L 2A级：H2A_RC1_000_2Av_ccc_pppp.h5 L 2B级：H2A_RC1_000_2Bv_ccc_pppp.h5 其中： H2A：HY-2卫星
微波辐射计技术手册
地基多频段微波辐射计 技术手册 （HSMR） 长春市海思电子信息技术有限责任公司 2011年10月
目录 1 技术概况 (1) 2 接收机的原理与设计 (4) 3.1 技术要求和试验方法 (6) 3.2 接收机通道的测试 (7) 3.2.1噪声系数（A） (7) 3.2.2 接收机线性度测量（A） (7) 3.2.3 接收机灵敏度测量（A） (8) 3.2.4 接收机中频带宽测试（A） (9) 3.2.5 接收机工作频率测试 (9) 3.2.6系统抽样进行环境试验 (10) 3.3 设备检验 (10) 3.3.1 常规检验 (10) 3.3.2 交收检验 (10) 4 标志、保管和运输 (10) 5 软件技术条件 (11) 5.1 软件平台 (11) 5.2 软件功能 (11) 6 微波辐射计电缆连接标识 (12) 7 系统电磁兼容 (13) 8 系统的可靠性设计 (13)
9 系统接地要求 (14) 10 探测环境条件要求 (14) 10.1探测环境条件的要求 (14) 10.2探测场地的要求 (15) 10.3工作室要求及设备安置 (15)
1 技术概况 微波辐射计是宽频带、高增益、高灵敏度的被动微波遥感仪器，能够在很强的背景噪声中提取微弱的信号变化量。通过接收被测目标自身的微波辐射获取相应的物理特性，经过有效的数据反演进行定量分析。 本套产品的微波辐射计主要包括7个频率的仪器，在微波频率划分上分别是L、S、C、X、Ku、K和Ka，具体设计对应频率为1.4GHz，2.65GHz，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz。其中1.4GHz和2.65GHz为双极化天线，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz为喇叭天线，可以旋转机身转换极化测量，以求对岩石加载过程中微波多个频率点有深入细致的了解。 单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图1所示。 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，
微波辐射计应用场合与任务
目录 1微波辐射计应用场合与任务 (2) 2微波辐射计组成与关键技术 (3) 3微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计） (7) 4关于微波辐射计发展的思考建议 (9) 参考文献 (10)
微波辐射计（英语：microwave radiometer，缩写为“MWR”）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1-1000GHz）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，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)。
微波辐射测量基础知识
微波辐射测量基础知识 （为方便查询，以词条的形式展现） 一、引论 1、微波：频率为300MHz-300GHz的电磁波，即波长在1m(不含1m)到1mm之间的电磁波。 2、微波辐射测量学：又称为被动微波遥感，是关于微波频段内非相干辐射电磁能量的一门科学和技术。 3、遥感应用微波的三个理由： （1）微波具有穿透云层和在某种程度上穿透雨区的能力，不依赖于太阳作为辐射源； （2）比光波能更深入地穿入植被； （3）用微波可得到与用可见光、红外波段可得到的信息不同。三者结合运用，能更好更全面地分析研究对象。 二、被动微波遥感的电磁学基础 1、电导率：是电阻率的导数σ=1/ρ。其物理意义表示物质导电的性能，电导率 越大，导电性能越强。 2、介电常数：又称电容率，符号ε。介电常数是被动微波遥感的一个重要物理参数。特此做详尽说明。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(permittivity),又称相对电容率，以εr表示。则介质介电常数ε=εrε0，其中，ε0是真空绝对介电常数。对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。 在一些工具书或学术文献上的解释： 指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电
场中贮存静电能的相对能力。介电常数愈小绝缘性愈好。空气和CS2的ε值分 别为1.0006和2.6左右，而水的ε值特别大，10℃时为 83.83。 3、波阵面：空间相位相同的点构成的曲面，即等相位面。 4、平面波：等相位面为无限大平面的电磁波。 5、均匀平面波：等相位面上电场和磁场的方向、振幅都保持不变的平面波。其 电场强度和磁场强度都垂直于波的传播方向（TEM 波）。 6、电磁波的三种重要模式： 7、时谐电磁场：如果场源以一定的角频率随时间呈时谐（正弦或余弦）变化， 则所产生电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。这种以一定角频率作时谐 变化的电磁场，称为时谐电磁场或正弦电磁场。 8、本征阻抗：电场与磁场的复振幅之比，记为η，单位为Ω。在理想介质中， 本征阻抗为实数，电场和磁场同相位。在非理想介质中，本征阻抗为复数，电场 和磁场有相位差。 9、电磁波的几个传播参数： 角频率ω ：表示单位时间内的相位变化，单位为rad /s ； 周期T ：时间相位变化 2π的时间间隔，即T=2π/ω； 频率f:周期的倒数f=1/T ； 波长λ ：空间相位差为2π 的两个波阵面的间距； 相位常数 k ：表示波传播单位距离的相位变化，k=2π/λ,k 的大小等于空间距 离2π内所包含的波长数目，因此又称为波数。‘ 相速（波速）：电磁波的等相位面在空间中的移动速度。 10、波的极化：在电磁波传播空间给定点处，电场强度矢量的端点随时间变化的 轨迹。波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性, 是 电磁理论中的一个重要概念。极化分类如下： TE 波，电矢量与波的传播方向垂直 TM 波，磁矢量与波的传播方向垂直 TEM 波，电矢量和磁矢量都波的与传播方向垂直 线极化，电场强度矢量的端点轨迹为一直线段 圆极化，电场强度矢量的端点轨迹为一个圆 椭圆极化，电场强度矢量的端点轨迹为一个椭圆
微波辐射计定标
Comparison of Calibration Techniques for Ground-Based C-Band Radiometers Kai-Jen C.Tien,Student Member,IEEE,Roger D.De Roo,Member,IEEE,Jasmeet Judge,Senior Member,IEEE, and Hanh Pham,Student Member,IEEE Abstract—We quantify the performance of three commonly used techniques to calibrate ground-based microwave radiometers for soil moisture studies,external(EC),tipping-curve(TC),and internal(IC).We describe two ground-based C-band radiometer systems with similar design and the calibration experiments con-ducted in Florida and Alaska using these two systems.We compare the consistency of the calibration curves during the experiments among the three techniques and evaluate our calibration by com-paring the measured brightness temperatures(T B’s)to those estimated from a lake emission model(LEM).The mean absolute difference among the T B’s calibrated using the three techniques over the observed range of output voltages during the experiments was1.14K.Even though IC produced the most consistent calibra-tion curves,the differences among the three calibration techniques were not signi?cant.The mean absolute errors(MAE)between the observed and LEM T B’s were about2–4K.As expected,the utility of TC at C-band was signi?cantly reduced due to transparency of the atmosphere at these frequencies.Because IC was found to have a MAE of about2K that is suitable for soil moisture applications and was consistent during our experiments under different environmental conditions,it could augment less frequent calibrations obtained using the EC or TC techniques. Index Terms—Calibration,microwave radiometry,soil moisture. I.I NTRODUCTION G ROUND-BASED microwave radiometers have been used extensively to measure upwelling terrain emission in ?eld experiments for hydrology,agriculture,and meteorology [1]–[7].The total-power radiometer is of the simplest design compared to other designs such as Dicke and noise injection[8] and[9].The stability and consistency of the relation between the output voltage and the antenna temperature,i.e.,system gain and offset,are critical for radiometer operations.The system gain is highly sensitive to?uctuations in the physical tempera- Manuscript received June5,2006;revised September29,2006.This work was supported in part by the National Aeronautics and Space Administration’s ESS Graduate Student Fellowship(ESSF03-0000-0044)and in part by the University of Florida,Institute of Food and Agricultural Sciences. K.-J.C.Tien and J.Judge are with the Center for Remote Sensing,De-partment of Agricultural and Biological Engineering,University of Florida, Gainesville FL32611USA(e-mail:ktien@u?.edu;jasmeet@u?.edu). R. D.De Roo is with the Department of Atmospheric,Oceanic,and Space Sciences,University of Michigan,Ann Arbor,MI48109USA(e-mail: deroo@https://www.360docs.net/doc/3113722452.html,). H.Pham is with the Department of Electrical Engineering and Com-puter Science,University of Michigan,Ann Arbor,MI48109USA(e-mail: hpham@https://www.360docs.net/doc/3113722452.html,). Color versions of one or more of the?gures in this paper are available online at https://www.360docs.net/doc/3113722452.html,. Digital Object Identi?er10.1109/LGRS.2006.886420ture inside the radiometer requiring frequent calibration during radiometer operation for reliable and accurate observations. Many calibration techniques have been developed for mi-crowave radiometers for spaceborne and airborne[10]–[16] and ground-based radiometers[17]–[21].In general,calibration techniques include observations of radiometer output voltages for cold and hot targets with known brightness temperatures [8],[9].For radiometers operating at low frequencies away from the water vapor and oxygen absorption bands,such as C-band(6.7GHz),commonly used cold targets are liquid nitrogen or the sky.Hot targets include microwave absorbers or matched loads inside the radiometers.For a C-band ground-based microwave radiometer,the conceptually simplest cal-ibration technique using a microwave absorber at ambient temperature as a hot target is called“external calibration”(EC). Another widely used calibration technique that utilizes the sky measurements at different angles to calculate the optical depth of the atmosphere and the brightness temperatures of the sky is called“tipping curve calibration”(TC)[18],[19],[21].Either EC or TC can be used exclusively,or TC could be used to provide a better estimate of the sky measurement for EC.Both techniques are inconvenient to perform frequently for long-term soil moisture studies using ground-based C-band radiometers. Moreover,the utility of TC at C-band might be hampered by the high atmospheric transparency at low microwave frequencies [8].Another technique,“internal calibration”(IC),uses an internal matched load as the hot target.This technique has been used for spaceborne microwave radiometers,e.g.,SMMR [10],TMR[13],[14],and JMR[15],airborne radiometers [16],and ground-based radiometers[17].Unlike EC and TC, IC can be performed faster than gain?uctuation.Also,IC is neither sensitive to operator technique,to weathering of the delicate microwave absorber,nor does it require any additional hardware exclusively for the purpose of calibration.However, IC does not account for the losses in the antenna and trans-mission lines before the internal switch used to observe the matched load. In this letter,we quantify the performance of IC and validate it using EC and TC for long-term observations of soil moisture using two ground-based C-band radiometers.Our analysis is re-stricted to horizontal polarization(H-pol)because of its higher sensitivity to soil moisture than vertical polarization(V-pol)[8]. We describe two ground-based total-power radiometers with similar design:the University of Florida C-band Microwave Radiometer(UFCMR)and the C-band unit on the Truck Mounted Radiometer System3(TMRS-3C),as well as the calibration experiments conducted under signi?cantly different 1545-598X/$25.00?2007IEEE
微波辐射计使用手册范本
地基多频段微波辐射计 使用手册 （HSMR）
市海思电子信息技术有限责任公司 2011年10月
目录 1．产品简介 (1) 2.接收机的原理与设计 (5) 3. 操作步骤和软件使用 (7) 3.1 软件功能 (8) 3.2 单极化微波辐射计控制软件 (8) 3.2 S波段双极化微波辐射计控制程序 (11) 3.3 L波段双极化微波辐射计控制程序 (12) 4．微波辐射计的定标 (15) 5. 微波辐射计电缆连接标识 (15) 6.微波辐射计安装与使用注意事项 (16) 6.1 接收机安装与电缆连接 (17) 6.2 数据采集器与电源的安装 (17) 6.3 系统接地要求 (17) 7. 探测环境条件要求 (18) 7.1探测环境条件的要求 (18) 7.2探测场地的要求 (18) 7.3工作室要求及设备安置 (19) 8. 常见故障分析 (19)
1．产品简介 微波辐射计是宽频带、高增益、高灵敏度的被动微波遥感仪器，能够在很强的背景噪声中提取微弱的信号变化量。通过接收被测目标自身的微波辐射获取相应的物理特性，经过有效的数据反演进行定量分析。 本套产品的微波辐射计主要包括7个频率的仪器，在微波频率划分上分别是L、S、C、X、Ku、K和Ka，具体设计对应频率为1.4GHz，2.65GHz，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz。其中1.4GHz和2.65GHz为双极化天线，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz为喇叭天线，可以旋转机身转换极化测量，以求对岩石加载过程中微波多个频率点有深入细致的了解。 单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图1所示。 图1 微波辐射计接收通道原理框图
地基多通道微波辐射计功能规格需求书(试行)
地基多通道微波辐射计功能规格需求书 （试行） 中国气象局 2013年5月
目录 1. 概述 (1) 2. 系统原理和组成 (2) 2.1 系统原理 (2) 2.2 系统组成 (3) 2.3 管理应用软件 (6) 3. 总体要求 (6) 4. 功能要求 (7) 4.1 主体设备 (7) 4.2 外围设备 (10) 4.3 管理应用软件 (10) 5. 技术性能指标及要求 (12) 5.1 基本探测性能 (12) 5.2 天线组件 (13) 5.3 微波辐射接收单元 (13) 5.4 定标 (13) 5.5 数据采集与系统控制单元 (13) 5.6 辅助单元 (14) 5.7 电源 (14) 5.8 数据线缆 (14) 5.9 计算机 (14) 5.10 连续工作时间 (15) 5.11 平均功耗 (15) 5.12 可靠性 (15) 5.13 环境适应性 (15) 5.14 安全性 (16)
5.15 结构和外观要求 (16) 5.16 基本探测产品 (17) 5.17 探测数据文件要求 (17) 5.18 运行状态监控 (18) 5.19 数据文件及格式说明 (18) 6. 性能检测 (19) 6.1 考核与评估 (19) 6.2 探测误差评估方法 (19) 6.3 强制评估内容 (19) 附件产品数据文件格式 (20)
1. 概述 为规范地基微波辐射计的研制和生产，制定本功能规格需求书。 地基微波辐射计（Microwave Radiometer）是基于大气微波遥感技术的气象观测设备，可实现对中尺度强天气系统大气层结的监测和预警、云物理特征的监测和人工影响天气科研及业务的应用、雾霾天气等边界层大气环境质量的监测，同时可作为常规高空观测的有益补充，为下一步实现无球探空技术打下基础。 地基微波辐射计在典型的微波V波段大气氧气窗口（51GHz-59GHz）和微波K波段大气水汽窗口（22GHz-31GHz）内选择合适的频率（在寒冷干旱的低水汽密度条件下也可选用微波183GHz的水汽窗口反演水汽），通过对大气微波辐射的遥感测量，反演获得对流层大气温度、湿度廓线、大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等信息。 氧气和水汽大气窗口中的不同微波通道，具有不同的谱宽和衰减特性，采用多通道进行同时或分时探测，可以更全面地得到大气微波背景的辐射特性，通过综合分析和反演，减小大气垂直温度和湿度测量的误差。因此，本功能规格需求书要求地基微波辐射计采用多通道测量的方案设计。 由于云水对于天气和人工影响天气作业具有重要意义，本功能规格需求书要求地基微波辐射计配置红外辐射仪，以获取云底温度等探测数据，为产品提供验证，提高探测数据的准确性。 本功能规格需求书规定了地基多通道微波辐射计的系统组成、功 —1 —
微波辐射计埃玛图绘制方法
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/3113722452.html, 微波辐射计埃玛图绘制方法 作者：刘毅杨丽丽王艳侠 来源：《电子技术与软件工程》2017年第05期 摘要本文阐述了一种埃玛图的绘制方法，用绘图展示大气状态的温湿特征量、不稳定能量以及特征高度等，为辐射计在气象领域的应用提供更多的产品展示。本文给出了该方法在VC++6.0下的实现方式。实验结果证明，该埃玛图的绘制方法具有可操作性和实用性。 【关键词】埃玛图微波辐射计 VC++6.0 1 引言 埃玛图是一种由温度和对数气压组成的具有正交或外交坐标的热力学图解。我国普遍采用正变坐标系，横坐标为温度，纵坐标为对数气压，图的面积标示能量。 随着微波辐射计在气象领域的推广，辐射计软件对埃玛图的展示需求越来越高。本文介绍一种基于微波辐射计温度廓线、相对湿度廓线和当前压强的埃玛图绘制方法，能够直观地显示大气状态，为用户对未来天气的变化预测提供直观的依据。 2 绘图步骤 本文介绍的绘图输入是压强、温度廓线、相对湿度廓线等辐射计基础和反演数据，而显示的主要数据元素为状态曲线、露点温度曲线、温度廓线等，所以中间要经过一系列运算。 首先，根据压高公式，计算压强坐标。 第二步，根据温度和相对湿度的关系，计算露点温度曲线； 第三步，根据地面压强、温度曲线、露点温度曲线，计算状态曲线。 第四步，计算温度廓线和状态曲线的交点数据。 第五步，根据压强、温度跟绘图坐标的映射关系，进行绘图。 2.1 压强计算方法 本方法利用压高公式计算压强。 压高公式是描述气压随高度变化规律的公式。假设大气相对于地面处于静止状态，则某一点的气压值等于该点单位面积上所承受铅直气柱的重量。在大气柱中截取面积为1平方厘米，