第七章微波辐射计
微波辐射计在现代大气探测中的应用
的 探 测 。被 探 测 到 的微 波 频段 。 其 电磁 能信 号 一般 很 微 弱 ， 远 远 小 于辐 射 计 的 噪 声功 率 。
图 １微波辐射计接收通道原理图
１ ． ２ 微波辐射计
微 波 辐 射 计 实质 上 是 指 宽 频 带 、 高增 益和 高 灵敏 度 的被 动微波遥感仪器 ， 主要 由 天 线 、 数 据 记 录存 储 装 置 和 宽 带接 收
及 气候 的影 响 ． 使 福 建省 的 气候 变 化 万 千 ， 如 强 台风 “ 凤凰 ” 和
机组成， 通 过 对 数 据 信 号 的 处理 ， 将 背 景 噪 声 中微 弱 信 号 进 行 量化 ， 实 现 信 号 的提 取 ， 具有很 强的 穿透力 ， 能 够 穿透 云 雾 和 雨雪 ， 并 且 能 够 进 行 全 天 候 的信 号 处 理 和 获取 ， 足 以 证 实微 波 辐 射 计 显著 优 于 红 外 遥 感 器 。 微 波 辐 射 计 的 微 波 频 率 可 以划
综合论 述
Ｌ ０ Ｗ Ｃ Ａ Ｒ Ｂ ｏ Ｎ Ｗ ｏ Ｒ Ｌ Ｄ ２ ０ １ ６ ／ １ ２
微 波辐射 计 在现代大 气探 测 中的应 用
黄丽芬 ， 马海波 ｚ
（ １ ． 福建 省气象 台， 福建 福州 ３ ５ ０ ０ ０ １ ； ２ ． 永安市气象局 ， 福建 三 明 ３ ６ ６ ０ ０ ０ ）
分 为 Ｌ、 Ｓ、 Ｃ、 Ｘ、 Ｋｕ 、 Ｋ和 Ｋ ａ， 对 应 的 频 率 分 别 为 １ ． ４ ＧＨｚ 、
． ６ ５ ＧＨｚ 、 ６ ． ６ ＧＨｚ 、 １ ０ ． ６ ５ ＧＨｚ 、 １ ３ ． ９ ＧＨｚ 、 １ ８ ． ７ Ｇ Ｈｚ 、 ３ ７ ＧＨｚ 。 根 据 “ 海 贝思” ， 不但 危机 到福 建本 地区人 民的人 身安全 。 还 危机 到 ２
微波辐射计
运行mpv.exe,进入Manul Mode。进入主菜单，按3即开始标 定。直到用户按“Q” 退出。如果天气比较干燥，标定时间最好在1-1.5小时。如果 天气比较潮湿，箱体底部 有凝结现象，那么标定时间在半小时以内。
标定后
• 两种方法看结果 一、mp.cfg是最新的，自动将标定结果保存了， 旧的cfg文件名为日期时间.cfg.对比两者，看 12通道的温度差别（Tnd应该比较接近，12%的偏差） 二、打开yyyy-mm-dd_hh-mm-ss_ln2.csv，画 出各通道温度Tnd随时间变化。如果数值比较 稳定，没怎么变化，说明标定是好的
运行时的图像
• • • • • • 以下四个字母键对应不同的图像切换 P 看的是液水、温度、水汽的廓线 R 相对湿度的廓线 O TIP标定结果(K band Tnd and Opacity graphs) B 12个通道的亮温 廓线等都是实时的图像，横坐标为时间，纵坐标 为高度 • 按字母Q为退出运行程序
显示软件Vizmet
一些应用
• 了解作业高度的温度 • 云中液态含水量的多少 • 与卫星资料对比（云光学厚度，一小 时一次，看是否和总液态水量有关系 吗？） • 云底高度与云顶高度
2006年7月24日暴雨过程
微波辐射计 微波辐射计
主要内容
• • • • • 仪器的安装 基本操作方法 仪器的标定 显示软件 一些应用
仪器的安装
仪器的基本情况
• 重量29公斤 • 大小：50*28*76cm（加上了17cm的IRT高度） • 电源：微波辐射计100-250V /50-60Hz 200瓦 吹风机100-125V / 50-60Hz 100瓦 • 数据接口：RS232 38.4k波特 • 数据格式：ASCII CSV(逗号隔开文件，可以 用excel直接打开)
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。
遥感第七章 辐射计
第七章辐射计§7.1辐射计(radiometer)辐射计是被动遥感（passively remote sensing）传感器。
辐射计只接收海面或大气的辐射，从中提取物理信息，而不发射探测电磁波。
辐射计包括可见光和红外波段辐射计以及微波辐射(Microwave Radiometer)。
可见光和近红外波段辐射计（Visible and Near-infrared Radiometer）在水色卫星上用来遥感海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度以及海水光学衰减系数等。
热红外波段辐射计（Thermal Infrared Radiometer)在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面温度。
微波辐射计在海洋卫星上用来遥感海面温度、海面风速和风向、海面上空水汽浓度、降水率等，在航空遥感飞机上用来遥感海面盐度。
目前正在运行的可见光和红外波段宽带辐射计包括我国风云1号装载的多通道可见光和红外扫描辐射计MVISR（Multi-function Visible and Infrared Scanning Radiometer），美国NOAA卫星装载的改进型甚高分辨率辐射计A VHRR（Advanced Very High resolution Radiometer）。
目前正在运行的可见光和红外波段窄带辐射计包括我国海洋1号装载的中国水色和温度传感器COCTS（Chinese Ocean Color & Temperature Scanner）、美国SeaStar装载的宽视场海洋观测传感器SeaWiFS（Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor）和美国卫星EOS-AM（Terra）和EOS-PM（Aqua）装载的中等分辨率成像光谱仪MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer)。
其中，A VHRR、COCTS和MODIS包括热红外波段；此外，欧空局卫星的ERS装载的沿轨迹扫描辐射计ATSR（Along-Track Scanning Radiometer）也属于热红外波段辐射计。
第七章微波遥感
航天雷达遥感。
航天飞机成像雷达：可穿梭于地面与外空之间，高度在200300km之间，美国1981年发射SIR-A，1984年SIR-B，1994年 SIR-C，最初使用HH极化，后来多极化，视角可变可调整。
海洋卫星的特点
要求大面积、连续、同步或准同步探测，扫描宽度要大。 分辨率不能太低，近极地太阳同步轨道卫星，地面覆盖周期
理论计算表明，合成孔径雷达的方位分辨率
r =L/2 L为每个小天线的长度
与小天线组成，总长度为1km，每一小天 线长10m，所发射微波的波长为15cm，目标距天线1000km(斜 距)。 如是10m天线，目标地物的方位分辨率为？m 如是1km天线，目标地物的方位分辨率为？m
五、某些地物的雷达影像实例： 土壤：可用于考古和土壤含水量的测定。 对于植被：探测植被含水量，含水量高的植被，后向散射系
数比含水少的植被？。在繁密覆盖区，短波（2-6cm）能较好
探测农作物和树叶冠层，而土壤信息较少；较长的波段（1030cm）则较好地探测树干树枝，再长则可探察地表土壤信息。
遥感导论
第七章 微波遥感 Microwave RS
波长在1mm-1m的电磁波。在这一区间，按照波长由短 到长，又可分为毫米波、厘米波和分米波，统称做微 波波段。
微波有被动和主动之分。被动式接收地物辐射的微
波，可用于测地物温度，但微波辐射弱而？分辨率
低。
一般用主动式，天线向下方或侧下方发射强微波，
被地物吸收和反射，接收来自地物反射的180方向的
微波，也被叫做后向散射波，不同物体，后向散射
系数不同。
微波在发射和接收时常常仅用很窄的波段，所以按地物 反射特点和水汽吸收特点可分为：
微波辐射计在一次稳定性强降水天气监测中的应用
微波辐射计在一次稳定性强降水天气监测中的应用摘要：本文利用微波辐射计探测资料，分析了2020年3月9日浦东机场一次稳定性强降水天气过程，结果表明在降水发生之前十二小时以上高空底层的水汽密度就已经开始逐渐增加，整层大气的相对湿度也出现显著的增加。
而液态水含量的出现和增加主要发生在降水发生时段，尤其是强降水期间。
微波辐射计对稳定性强降水的发生可以在数小时甚至十几个小时之前提供预报参考，对提高此类天气预报准确性具有积极意义。
关键词：稳定性强降水；浦东机场；微波辐射计引言不论是对流性降水还是稳定性降水，一旦瞬时降水达到中雨及以上强度，就会对机场航班运行会造成严重影响，尤其是在发生强降水时，对起降航班的操纵性能和水平及垂直能见度都会造成严重影响，从而危及航班的安全和正常。
强降水的预报具有一定的不确定性，现有的数值预报产品经常出现时间和空间上的偏移，造成预报失败。
微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，是利用被动地接收各个高度传来的温度辐射的微波信号来判断温度、湿度变化曲线，能全天候、全天时工作。
微波辐射计可以提供设置点上空0-10km高度层的温度、相对湿度、水汽密度、液态水等要素的时空剖面，高时空分辨率的数据可全天候监测天气过程的演变，对提高预报水平尤其是短临预报具有独特优势和较高的应用价值。
2020年3月9日浦东机场一次强降水天气过程，此次降水发生在初春的后半夜，由底层西南倒槽和高空暖湿切变共同导致，无明显对流发展，属于典型的稳定性降水。
较长时间的强降水对当日航班造成了一定影响，也增加了预报员工作难度。
现利用浦东机场微波辐射计资料对本次过程进行回顾分析，以期获得微波辐射计在稳定性强降水天气过程中的应用经验和技术。
1 天气过程简介3月9日浦东机场一次强降水天气过程，本次降水过程是从凌晨00时开始出现小雨，到02:12分开始出现中到大雨，04:30转为小雨，直到中午12:30阈值转阴天，蒸锅降水过程持续大12个小时以上，且出现两个多小时的中到大雨，全天降水量达到了27.2mm。
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。
微波辐射计在一次强对流天气过程中的运用
微波辐射计在一次强对流天气过程中的运用摘要：本文利用地基多通道微波辐射计反演计算的大气对流参数对温州机场2021年6月18日下午的强对流伴飑天气过程的大气状态进行了分析。
结果表明：强对流发生前，副高外围下沉增温作用，中层以上干侵入为此次强对流提供了较好的抬升条件。
通过微波辐射计的观测数据计算分析了对流有效位能(CAPE)和综合水汽含量（IWV）参数，对比各参数在强对流天气过程发生前后的变化特征，其中对流有效位能的累积已经达到了强雷暴发生的标准，综合水汽含量的增长在强降水发生前30分钟左右有较好的指示作用。
关键词：微波辐射计强对流天气飑对流有效位能综合水汽含量1 引言在强对流天气区中飞行，除了云中飞行的一般困难外，还会遇到强烈的颠簸、积冰、雷击、阵雨、风切变和龙卷。
而依据《民用航空气象地面观测规范》中对飑的定义：“突然发生的持续时间短促的强风。
常伴随雷雨出现。
出现时常伴有风向突变、气温剧降、气压急升等现象”。
因此可见，强对流天气和飑都十分剧烈，可能会对飞行造成无法估量的重大后果，尽管现代民用航空器的安全性能已有了很高的保障，但作为航空器起飞、降落的航站范围内的预报准确与否仍然直接影响到航空安全生产。
强对流天气发生发展过程中常常通过一些强对流参数进行分析，目前获取对流参数常用的手段是通过无线电探空获取大气温湿度等垂直分布参数进行计算得到的，但是现有探空每天仅有两次探空无法提供实时连续的大气状态垂直分布数据用来分析大气层结，难以对强对流天气过程进行监测和预报。
实践证明，只有通过大气遥感探测才是最经济、最快捷、实现连续监测大气状态变化的最佳途径[1]。
微波辐射计是一款被动式地基微波遥感设备，能够实时探测反演大气温度、湿度廓线，能全天候、全天时工作[2-3]。
2 资料和方法本文采用我国自主研制的MWP967KV型地基多通道微波辐射计进行大气状态参数遥感探测。
微波辐射计是用于地表上空大气状态连续监测的精密探测仪器，系统通过被动接收大气在K频段（22-30GHz）和V频段（51-59GHz）的大气微波辐射亮温。
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表1：各种卫星携带的微波辐射计的名称和波段特征
卫星
Nimbus-7 & Seasat-A
美国雨云7号和海洋 卫星A
传感器
SMMR (Scanning Multi-frequency Microwave
Radiometer) [美国] 多频率扫描微波辐射计
DMSP (Defense Meteorological Satel含云中的液
态水
不同波段的微波辐射计有不同的专长和用 途
按测量目的区分，微波辐射计可分为探测 仪和成像仪:
➢ 探测仪主要应用在气象卫星上，波段多选 择在氧气和水汽吸收带和附近频率，用于 测量大气垂直温度和湿度廓线，要求大尺 度低分辨率，通常采用垂直轨道扫描方式
➢ 成像仪主要应用在海洋卫星上，波段（C、 X、K波段）频率通常较低，分辨率要求较 高，通常采用圆锥形扫描方式。
10.7 (v,h) 19.4 (v,h) 21.3 (v,h) 37.0 (v,h) 89.0 (v,h)
6.8 (v,h) 10.7全极化 18.7全极化 23.8 (v,h) 37.0全极化
350 100 200 400 1,000 3,000
75 x 43 51 x 29 27 x 16 32 x 18 14 x 8 6x4
89.0 5km 3,000
1.1K
表4：AMSR Characteristics
Frequency(GHz)
6.9 10.65 18.7 23.8 36.5 89.0 50.3 52.8
Ground Resolution
50km
25km
15km
Bandwidth (MHz)
350 100 200 400 1,000
Radiometer for EOS) EOS携带的日本高级微波扫描辐射计
TMI (TRMM Microwave Imager) 热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission）微波成像仪
WindSat
6.925 (v,h) 10.65 (v,h) 18.7 (v,h) 23.8 (v,h) 36.5 (v,h) 89.0 (v,h)
图1 卫星观测的圆锥形扫描几何的示意图
卫星观测方向与垂线的夹角θ被称为卫星的 天顶角（zenith angle）或观测角（view angle），微波辐射计接收到的海面辐亮度 的大小受观测角θ影响很大。
对被动微波雷达（辐射计），人们通常称θ 为观测角；对主动微波雷达（高度计和散 射计），人们通常称θ为入射角（incidence angle）。为了方便，有时统称之为观测角 或者入射角。
0.3K - 1.0K
Quantization
12bit
10bit
5km 3,000
10 200 400
Vertical
2K
理论和实验表明，在6 GHz附近，盐度对卫星 传感器探测到的亮温的影响很小，卫星传感器 探测到的亮温Tb对海表面温度Ts非常敏感，即 变化率dTb/dTs比较大；在6 .63GHz 波段和49 度观测角附近，在垂直极化状态通道探测的亮 温几乎与风速无关。
地球表面的自发辐射的微波能量水平比热红外 波段还低，这就要求微波辐射计的设计水平和 工艺水平更高，以达到足够的灵敏度；
电磁波波长远大于大气所含粒子的粒径，散射 的贡献不是很大；微波能够穿透较薄的云层， 故被称为全天候卫星探测器
影响微波探测的因素
水汽和氧气的吸收、海表面的粗糙度、电离 层、宇宙背景微波辐射等；
6.925 10.65 18.7 23.8
50km
25km
350
100
200 400
horizontal and vertical
55 deg.
less than -20 dB
more than 1,450 km
2.7-340K
1K
0.3K
0.6K
12bit 10bit
36.5 15km 1,000
表2 SSM/I对地球物理参数观测使用的波段
传感器
地球物理参数
使用的波段 (GHz)
SSM/I (DMSP)
海表面温度
19.35v, 19.35h, 22.235v, 37.0v, 37.0h D-矩阵方法反演SST
海表面风速
19.35v, 22.235v, 37.0v, 37.0h D-矩阵方法反演海表面风速
Polarization
horizontal and vertical
Inclination
About 55 deg
Cross polarization
under -20dB
Swath
1,600km
Dynamic Range
2.7-340K
Precision
1K
Sensitivity [NEΔT(K)]
水汽 冰云、冰、雪
19.35v, 22.235v, 37.0v 85.5v, 85.5h
植被监测
19.35v, 19.35h
表3 AMSR-E Characteristics
Frequency(GHz) Ground Resolution Bandwidth (MHz) Polarization Inclination Cross polarization Swath Dynamic Range Precision Sensitivity [NEΔT(K)] Quantization
美国国防气象卫星
SSM/I
(Special Sensor Microwave/Imager) [美国]专用传感器微波成像仪
频率(GHz)
6.63 (v,h) 10.69 (v,h) 18.00 (v,h) 21.00 (v,h) 37.00 (v,h)
19.35 (v,h) 22.235 (v) 37.00 (v,h) 85.50 (v,h)
带宽(MHz)
250 250 250 250 250
500 500 2000 2000
分辨率(km)
121 74 44 38 21
41 36 22 10
EOS-PM (Aqua) 美国
JERS-1 日本
Coriolis 美国NAVY
AMSR-E (Advanced Microwave Scanning
第八章 微波辐射计
2010.4.30
§8.1 微波辐射计
（Microwave Radiometer）
8.1.1 微波辐射计简介
8.1.2 在微波波段的辐射传输方程
§8.1.1 微波辐射计简介
微波波段范围：1mm-1m，0.3-300GHz
图0： 太阳和 地球自 发辐射 的辐照 度随波 长的分 布