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

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能要求、技术性能指标和检测要求等，适用于气象业务使用的地基多通道微波辐射计的研制、考核、生产和产品验收。

2. 系统原理和组成

2.1 系统原理

地基微波辐射计的测量原理是，根据大气对于不同频率微波频段辐射吸收的差异，选择不同微波通道探测大气的亮度温度（亮温）的变化，通常使用微波遥感反演是对大气在22GHz至200GHz的频率带中的微波辐射进行测量。其中，22.2GHz附近和183GHz附近的特征表现为一个水汽谐振带，即根据水汽分布的气压高度表现的压力加宽；60GHz附近的特征表现为大气氧气谐振带；而在此波段云液态水的发射光谱无谐振，并近似与频率的二次方成正比。

通过测量氧气在60GHz附近的辐射强度或亮度温度得出温度分布。谱线峰值中心位置由于不透明性很强，所有信号均仅仅来源于天线上方附近；在此峰值中心两侧的频率位置吸收减弱，辐射计则会“看”得远一些。从此峰值向谱线两侧下方扫描，仪器则可通过此方法获得高度信息。在任意高度上的氧气发射电磁波都与当地的温度和氧气密度分布成正比，因此可以得到温度廓线。

通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射的强度和形状的信息，可以得到水汽廓线。22GHz附近适合进行相对潮湿地区的地基廓线反演；较敏感的183GHz适合干旱环境的地基水汽廓线反演。水汽的发射物在高纬度地区显示为一个很窄的线条，而在低纬度地区显示较宽。发射强度与水蒸气密度和温度成正比。通过扫描光谱分布和数学

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反演观测数据，可以得到水汽廓线。

式(1)是地基微波大气遥感的基本方程，其右边第一项是大气层向下的辐射贡献，第二项是宇宙背景辐射，一般λc T =2.7K ，有时可以忽略。

λ?αλλλθαθc 0'sec 0sec )()0,(T dz e z T l

dz B T +?=?∞-↓

(1) 对于非降水云的有云大气，式中λα为有云大气的吸收系数，它包

括三项即c O O H ααααλ++=22，O H 2α、2

O α和c α分别为水汽、氧气和云的吸收系数。对降水云层λα为雨云大气的吸收系数，它包括四项即

r c O O H αααααλ+++=2

2，式中r α为雨的吸收系数。 所以，地基遥测到辐射亮温)0,(θλT B ↓

为频率λ和天顶角θ，大气

的温度T(z)，压强P(z)和水汽密度)(z v ρ参数以及云雨等大气信息的函数，即知道以上参数就可以计算出亮温)0,(θλT

B ↓

的值，这个过程称为正向或前向问题。与此相反的，用测量到的几个频率v 或天顶角θ上的几个)0,(θλT B ↓

值作为反演算法的输入变量而得到感兴趣的大气参数变

量的过程称为反演过程。

根据上述探测原理，地基多通道微波辐射计应能通过探测大气亮温，结合使用物理方法和统计方法建立反演方法，能长期、自动、连续的提供0～10km 的温湿度廓线，并进而计算得出大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等多种应用产品，满足气象业务和科研的实际使用需求。

2.2 系统组成

地基多通道微波辐射计硬件由主体设备和外围设备两部分组成，

组成结构如图1所示。其中，主体设备包含微波辐射接收单元、数据采集与系统控制管理单元、内部定标单元和辅助单元。其中辅助单元包括外部液氮定标组件、防雨雾干燥组件、地面气象要素观测组件、时间同步组件、红外辐射仪组件、机体和支架等；外围设备包括计算机和供电电源。地基多通道微波辐射计的控制管理应用软件安装于外部计算机中。

图1 微波辐射计组成示意图

2.2.1 主体设备

2.2.1.1微波辐射接收单元

微波辐射接收单元包含天线组件和接收器组件。

1）天线组件，包括微波天线、仰角转动器件和其他辅助器件。

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2）接收器组件。包括滤波和检测等器件的接收电路，输出为数字信号。

2.2.1.2内部定标单元

内部定标单元包括内部黑体定标组件和噪声源定标组件等内部定标组件，具备实现包括黑体、噪声源、多点非线性自动定标等多种内部定标功能。

2.2.1.3数据采集与系统控制管理单元

数据采集与系统控制单元由嵌入式处理器及其配套电路组成，实现仪器控制、恒温控制、探测数据接收与储存等。在嵌入式处理器中安装内部控制管理软件，实现对设备硬件控制和数据采集，并负责与外部控制器之间的指令和数据交换。

2.2.1.4 辅助单元

辅助单元包括外部液氮定标组件、防雨雾干燥组件、地面气象要素观测组件、时间同步组件、红外辐射仪组件、机体、支架等组成。

外部液氮定标组件：包括液氮容器和主机附着支架等，安装于主体设备外部，数据输出到数据采集与系统控制单元。

地面气象要素观测组件：包括温度、湿度、气压和雨雪传感器及其采集电路，安装于主体设备外部，数据输出到数据采集与系统控制单元。

防雨雾干燥组件：包括鼓风机和加热器件。根据地面气象要素观测组件观测信息，工作状态受数据采集与系统控制单元控制。

时间同步组件：安装于主体设备外部，授时或定位数据输出到数

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据采集与系统控制单元。

红外辐射仪组件：安装于主体设备外部，数据输出到数据采集与系统控制单元。

机体，包括底板、机壳盖和微波辐射窗口防护罩（即天线罩）等，防护罩材料为疏水材质。

支架。

2.2.2 外围设备

包括计算机和供电电源。

1）供电电源：包括主机供电电源、防雨雾干燥组件和外部计算机供电电源。

2）外部计算机：包括主机、显示屏和相关通用配件，计算机安装控制管理应用软件控制主体设备进行探测、定标和数据交换。

2.3 管理应用软件

是安装于外部计算机的控制管理应用软件，实现微波辐射计的控制、管理和数据采集，数据存储、查询、检索、显示和分析，并具备打印、窗口查看、快捷操作和帮助查询等通用功能。

3. 总体要求

微波辐射计应测量准确，工作稳定、可靠和易维护维修。满足以下总体要求：

1）能全天候、自动长期稳定运行，在中雨以下可进行有效探测。

2）具备对对流层范围内的大气温度廓线、湿度廓线、大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量、云底温度和高度的探测能力。

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3）能开展边界层大气温度廓线的探测。

4）日常运行过程中能实时内部自动定标，并具备不定期进行绝对定标的能力。

5）采用模块化结构设计，运行稳定可靠，易于安装和调校，维修维护方便，可根据实际需要进行功能扩充。

6）外部计算机应用软件设计符合要求，控制管理和数据处理功能完备，操作界面简明，使用方便，能够满足操作人员对仪器和探测结果进行控制管理和产品显示应用等要求。

7）具备抗外界电磁干扰能力，不受电台和手机等射频信号干扰。

8）设备环境适应能力强，机体结构合理，具被抗风和耐潮等的能力。

9）整体构件和电气性能应满足防雷等安全规范要求。

10）具备设备运行状态远程监控及报警等功能。

4. 功能要求

4.1 主体设备

4.1.1微波辐射接收单元

能实现对大气微波水汽窗口和氧气窗口各通道亮温的探测。

1）天线组件：实现对0～180°范围内微波辐射的扫描和接收，微波天线对准仪器内部黑体探测时实现自动黑体定标。

2）接收器组件：完成大气水汽和大气氧气微波辐射信号的接收及处理。

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4.1.2定标功能

1）黑体定标功能：定标组件内置于微波辐射计，在进行外部液氮定标时，在软件控制下，内部黑体作为绝对定标过程中的热点；不进行液氮定标时，内部黑体实现仪器日常自动相对定标。

2）噪声源定标功能: 噪声源集成在接收器组件内部，实现仪器全自动定标。设置两个噪声源，两个绝对标准（冷/热）定标后确定噪声二极管的等效噪声温度，实现仪器日常自动相对定标。

3）外置液氮定标功能：采用液氮作为绝对定标过程中的冷点，配合内部定标黑体，通过软件自动实现液氮绝对定标。

4）多点非线性定标功能：在天空条件充分透明的条件下，水汽通道可以穿透大气，通过对不同天顶角大气路径的探测及外推，利用宇宙背景亮度为2.7K的已知条件，以及大气亮度和光学厚度的关系，实现各水汽探测通道的绝对定标。系统也可采用探测其他已知亮温目标的方式实现多点非线性定标功能。

4.1.3数据采集与系统控制单元

数据采集与系统控制单元实现以下功能：

1）微波辐射计功能状态检测：检测各组件的运行状态参数。

2）组件参数设置和控制：对各组件的参数进行设置和控制。

3）恒温控制：通过控制温控组件（集成在接收器组件内），实施冷却和温度微调，实现接收器组件的温度稳定。

4）数据采集：采集接收机通道电压数据、地面气象观测数据、时间同步模块授时或定位数据、红外辐射仪探测数据等。

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5）自动定标功能。

6）数据储存和数据处理：实现探测数据和状态参数等的存储。

7）指令接收和数据传输：接收外部主机发出的指令，完成仪器参数设置和控制指令执行，向外部计算机提交探测亮温数据用于产品反演。

8）断电自动恢复。

4.1.4辅助单元

微波辐射计通过辅助单元实现对地面气象要素和云特征等环境变量进行探测，为反演提供初始值和算法修正参数；实现时间同步；实现外部定标，配合内部定标组件实现绝对定标；实现对微波辐射窗口防护罩雨雾的干燥洁净，减小水滴对于探测的影响等功能。具体包括：

1）微波辐射窗口防护罩干燥功能：采用风机和加热模块去除微波辐射窗口防护罩（带有疏水涂层）上附着的水滴。在低湿无降水时采用间歇鼓风方式以节省电力；在高湿和降水时，自动启加热系统，确保探测数据连续不间断。

2）地面气象要素探测功能：实现系统地面温度、气压、湿度和降水降雪的观测。

3）时间同步功能：能通过网络或导航卫星获取授时或定位信息，实现在气象业务网中与其他各类业务系统的时间同步。

4）红外辐射探测功能：实现云底温度和云底高度的探测。

5）外置液氮定标功能。

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4.2 外围设备

1）供电电源：实现单元防雨雾干燥组件和其他组件的单独供电。

2）计算机：安装操作系统和应用管理软件，通过电缆和接口与微波辐射计连接。

4.3 管理应用软件

微波辐射计管理应用软件实现计算机和数据采集与系统控制单元的数据交换，实现对系统的功能控制管理和、探测模式编辑、运行状态监控，原始探测数据采集、数据的质量监控，探测产品的生成、存储、备份，各种探测产品的查询、检索和显示分析。此外还具有打印、窗口查看、快捷操作和帮助查询等功能。

1）功能控制管理功能：实现对微波辐射计参数采集和设置：包括各组件工作参数设置和读取本地定位信息并设置探测站的区站号、纬度、经度、海拔等台站参数的功能。

2）运行状态监控功能：提供各组件运行状态、通信状态、供电电压等信息显示，状态不正常时进行报警，并提供接口实现对系统各组件的功能控制和管理。

3）探测模式编辑功能：可以定义包括垂直天顶探测、固定仰角探测、定标模式和其他复杂扫描模式探测和定时探测等探测模式。其中，通过探测模式编辑可以实现多仰角分时观测，结合反演算法模型，实现边界层大气温度高分辨率准确探测，即边界层探测模式；通过定标模式的设置，可以开展包括黑体定标、噪声源定标和多点非线性自动定标等内部定标功能。

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4）原始探测数据采集功能：通过通信电缆接收数据采集与系统控制单元输出的原始探测信息，包括地面气象要素和红外辐射仪等辅助组件提供的探测数据。

5）数据质量监控功能：实现对探测数据质量的自动检测并进行相关标识的标注和显示。

6）探测产品生成功能：利用原始探测数据，通过反演算法获得探测产品。产品包括：

①亮温：生成包含所有通道亮温数据序列产品。

②垂直廓线：生成包含对流层温度廓线、边界层温度廓线（边界层探测模式）、绝对和相对湿度廓线等数据产品。

③时间序列产品：大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量、地面气象数据、云底温度和高度等产品。

7）探测数据存储、查询、检索、显示和分析功能：实现各级探测数据的存储、并实现各种探测数据和产品的条件查询检索和图形显示，并可根据用户需求扩充统计分析功能。

8）内部数据文件存储和备份功能：根据用户需求对系统状态信息数据、控制管理日志和其他内部数据文件进行存储和备份。

9）打印、窗口查看、快捷操作和帮助查询等通用辅助功能。

10）具有开放性和灵活性，具有标准化接口，可以提供业务观测和状态数据的传输接口。

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5. 技术性能指标及要求

5.1 基本探测性能

根据气象业务的需求，微波辐射计基本探测性能应满足表1要求。

表1 微波辐射计基本探测性能指标

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5.2 天线组件

1）温度天线波束：≤5°；

2）湿度天线波束：≤7°；

3）旁瓣电平：<-20 dB；

4）最低探测高度角：≤10°；

5）角度分辨率：≤5°（用户可调）；

6）天线角度误差：±0.5°。

5.3 微波辐射接收单元

5.3.1单元设计

温度和湿度接收通道个数分别不少于5个。

5.3.2接收单元性能

1）接收灵敏度(亮温)：湿度≤0.2K （1s积分时间），温度≤0.3K （1s积分时间）。

2）受太阳高度角影响范围：≤8°。

5.4 定标

1）内置黑体温度均匀性：≤0.5K；

2）黑体内置温度传感器误差：±0.1K。

5.5 数据采集与系统控制单元

1）内部处理单元采用嵌入式处理器，具备操作系统和多线程处理能力，存储容量大于1G。

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2）数据传输速率：≥115200bps。

5.6 辅助单元

1）防雨雾干燥组件：风机功率：≥130W；加热模块功率：≥1.8 kW；

2) 红外辐射仪：波段：10.2μm ~12.8 μm；测量误差：±1K。

3）地面气象要素观测组件：

气温：量程：-50℃～50℃；±1℃；

气压：600hPa～1100hPa；±3hPa；

湿度：10%～100%RH；±5%RH；

雨雪传感器灵敏阈:≤0.03mm。

5.7 电源

1）电源电压单相220V、频率50Hz，在电源电压变化＋10％～－15％，频率变化±3％时，系统能正常工作。

2）配有在线式UPS电源，维持系统常规工作时间不少于2h。

5.8 数据线缆

计算机与微波辐射计之间线缆不小于50m。

5.9 计算机

计算机应至少满足以下要求：

1）硬件基本配置

CPU ：Pentium M 2.6GHz；

内存：2GB DDR DRAM；

硬盘：500G/7200/SATA2；

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集成主板：2×USB；RJ45 LAN接口；

2）系统环境

操作系统：Windows XP中文版或Windows 7，及其后续视窗操作系统；

3）软件配置

能安装且稳定运行微波辐射计的管理应用软件。

5.10 连续工作时间

长期连续工作。

5.11 平均功耗

≤300W（未开启防雾干燥系统加热模块）。

5.12 可靠性

系统平均故障间隔时间MTBF（1 ）：2500h。

5.13 环境适应性

1）使用环境：

气温：－50℃～50 ℃；

相对湿度：0﹪～100﹪RH；

大气压力：650 hPa～1100 hPa；

抗风能力：≥35 m/s；

降水强度：满足中雨条件下的使用要求。

2）生物环境：

采取适当的措施防止昆虫、动物等的影响，如蜘蛛网、鼠咬、蚁啃等。

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