Part II_微波辐射计基本原理
微波辐射加热过程与机理研究
微波辐射加热过程与机理研究微波辐射加热是一种现代加热技术，具有快速、节能、高效、环保等优点。
因此，微波辐射加热在食品加工、医疗、纺织、化工等领域得到广泛应用。
在微波辐射加热过程中，微波能量会被物质吸收，并转换为热能，使得物质产生温度升高。
本文将介绍微波辐射加热过程的基本原理，微波与物质的相互作用机理，以及微波辐射加热在食品加工中的应用。
一、微波辐射加热基本原理微波是一种高频电磁波，在300MHz~300GHz频率范围内，具有特殊的物理特性。
当微波通过物质时，会产生电场和磁场，导致物质内部分子和离子的微观运动，产生能量转换。
微波辐射加热是利用微波的这种特性，将微波能量传递给物质，使其产生热效应，从而实现加热过程。
微波辐射加热的机理基于物质内部分子和离子的微观运动和热效应。
当微波通过物质时，物质会吸收微波能量，使得分子和离子的振动频率加快，产生摩擦和碰撞，加热物质。
此外，微波也可以使水分子在物质内部快速旋转，形成内部摩擦，并转化为热能，促进物质加热。
因此，微波辐射加热比传统的对流加热方式更加快速高效。
二、微波与物质的相互作用机理微波与物质的相互作用机理是微波辐射加热的重要基础。
通过对微波与物质的相互作用机理的研究，可以更好地理解微波辐射加热的基本原理，进一步探讨微波辐射加热的工艺参数和优化方法。
1. 电磁场作用微波通过物质时，会产生变化的电场和磁场。
由于物质有电导率，电场作用会使物质中的自由电子发生振荡和摩擦，产生电流，并将微波能量转化为热能。
磁场作用会使物质内部的磁性物质发生旋转或振荡，也会转化为热能。
2. 分子摩擦作用当微波通过物质时，会使水分子、蛋白质等极性物质发生快速的定向旋转运动。
在旋转运动中，分子之间会发生摩擦，产生热能。
这种分子摩擦作用是微波辐射加热中重要的加热机理之一。
3. 温度效应物质的温度是微波与物质相互作用的另一个重要因素。
温度升高会导致物质分子振动频率的增加，加强微波与物质之间的相互作用，促进微波辐射加热效果。
第七章微波辐射计
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
微波辐射计原理及硬件架构设计
微波辐射计原理及硬件架构设计发表时间：2019-05-27T10:21:00.000Z 来源：《电力设备》2018年第35期作者：蒋村溪[导读](南京大桥机器有限公司江苏南京 211000)1基本工作原理1.1 总述温度、湿度、风向和风速的大气廓线通常由国家气象服务部门利用无线电探空仪来测得。
这些设备价格昂贵、运行成本高、空间分辨率（几百公里范围）和时间分辨率（每天约两次）低。
虽然卫星测得的温度和湿度廓线有更好的空间覆盖能力，尤其是在海洋和人口稀少的地区，但是所获得的水平分辨率和时间分辨率都很低。
由于观测的方位，其垂直分辨率在对流层上部的上部比较高，但是越靠近地球表层其分辨率也越低。
由于云在红外光谱部分有很强的吸收能力，有些卫星（如先进的微波探测装置AMSU和特殊的微波/温度传感器仪SSM/T）的运行设计在微波部分，而云对于微波来说是半透明的。
廓线的获得是通过测量沿大气压力增宽的谱线的大气吸收作用。
温度廓线是通过测量60GHz处氧气的吸收作用，而湿度廓线是通过测量183GHz处的水汽线来获得的。
由于大气在两个波段处的吸光度很高（不透明度），未知表面的吸收作用可以忽略不计。
地基微波辐射计在反演大气温度和湿度廓线方面的作用在很久前已经被证实[e.g.Westwater et al, 1965; Askne etal, 1986]。
由于微波辐射计运行成本低，可获取连续的大气温湿度廓线，并且廓线在靠近行星边界层表面具有最高的垂直分辨率。
这种特性对于评价高分辨率的天气预报数值模型特别重要。
由于技术的发展，加上寻求探空仪替代品需求的加强，用于反演大气温度和湿度的多通道微波辐射计在过去几年内已经发展起来[Del Frate et al, 1998; Solheim et al, 1998]。
地基多通道的另外一个优点是其对云液态水的高敏感性。
被动式微波辐射计是迄今为止除个别昂贵的飞行器原位观测之外，观测垂直液态水含量（液态水路径，LWP）最准确的方法。
微波辐射计的工作原理
微波辐射计的工作原理
首先，微波辐射计的接收器用于接收周围的微波辐射。
接收器通常由
一根长天线构成，它可以接收到从周围物体辐射出来的微波辐射。
微波辐
射的频率通常在1到300GHz之间。
接下来，接收器将接收到的微波辐射转化为电信号。
这是通过将微波
辐射能量转化为电磁能量来实现的。
特别是，微波辐射的电磁波与接收器
内的电磁场相互作用，从而在接收器内部产生感应电流。
这个感应电流被
传输到接收器后面的探测器。
然后，通过放大器对感应电流进行放大。
由于微波辐射的信号较弱，
所以需要使用放大器将信号放大到可测量的范围。
放大器通常由一个或多
个晶体管组成，它们可以增加信号的幅度。
最后，微波辐射计的探测器进行测量。
探测器用于测量放大后的电信
号的强度和频率。
探测器通常由一个或多个传感器组成，它们可以测量电
信号的强度和频率，并将这些数据转化为可读的数字或图形。
除了这些基本的工作原理之外，微波辐射计还可能包括其他组件和功能，如滤波器、校正器、电源等。
滤波器可以用于过滤掉非微波辐射的噪声。
校正器可以用于校正仪器的测量误差。
电源则为微波辐射计提供所需
的电能。
总之，微波辐射计的工作原理主要包括接收微波辐射、转化为电信号、放大和测量等步骤。
通过这个过程，微波辐射计可以精确地测量和检测周
围的微波辐射能量，以实现对微波辐射的监测和分析。
微波辐射技术的研究与应用
微波辐射技术的研究与应用微波辐射技术是一种基于低频电磁波的辐射技术，它可以迅速深入材料内部，对材料进行快速加工和处理。
微波辐射技术在食品加工、化学制品、医疗器械、电子产品等领域得到了广泛的应用。
该技术相对于传统的热处理技术具有快速、高效、节能、环保等优点。
一、微波辐射技术的原理微波的频率在1GHZ到300GHZ之间，其波长约为1mm到1m之间。
微波辐射技术是基于微波的非接触性热处理技术，实现方式通常是通过微波器件产生微波场，使得材料受到微波能量的影响，从而进行预定目的的处理。
微波热传导的过程分为两个部分，一个部分是由电场引起的电性极化，另一个部分是由于磁场的磁性极化。
在微波照射下，物体分子中的水分子发生摆动，从而摩擦发热，利用这种发热的方式可以达到加热的目的。
二、微波辐射技术的应用1. 食品加工微波辐射技术在食品加工领域具有广泛的应用，能够有效地加快食品加工速度，提高生产效率。
微波辐射技术可以用于蒸煮、烘焙、烤面包、烤肉和烤鱼等食品的加热和灭菌，还可以用于烘干、烤箱、速冻等生产工序。
2. 化学制品微波辐射技术可以在无溶剂、无催化剂的情况下通过快速加热进行还原、羰基化、酰化等化学反应，提高了化学反应的速度和效率。
微波化学的反应时间通常比传统方法短10倍以上，化学反应的产率也有大幅提高。
3. 医疗器械微波辐射技术也可用于医疗器械制造过程中，例如利用微波热加工方式制造人工骨骼等医疗器械，可以快速完成器械的制造，并更好地保持其原有功能，在一定程度上可以提高器械的使用效率。
4. 电子产品微波辐射技术在电子产品中广泛应用，例如通过利用微波辐射技术加热来实现超薄膜屏幕的制造，从而提高产能和终端产品的质量和使用效果；此外还可以用于各类微电子元件的受控加温和半导体制造等衍生技术。
三、微波辐射技术的未来微波辐射技术是一种具有广阔前景的研究方向，未来随着微波器件技术的不断发展和微波加热技术的深入研究，人们对于微波辐射技术的需求和应用也将逐步加大。
第二章 被动微波辐射计
第二章被动微波遥感原理及微波辐射计1.黑体热辐射的Planck定律Rayleigh－Jeans定律a)Planck定律，Rayleigh－Jeans定律b)亮温，视温2.微波辐射计系统a)天线系统，天线温度b)热噪声，噪声温度，噪声系数c)理想微波辐射计，迪克型辐射计d)微波辐射计空间分辨率，微波辐射计成像，不确定性原理3.微波辐射计的遥感应用a)微波辐射测量模型，极化效应，观测角效应，大气效应，表面粗糙度效应b)土壤湿度，海温，海面盐度，冰雪辐射测量基础()521,exp 1hc B T hc kT λλλ=⎛⎞−⎜⎟⎝⎠前面的是以波长为自变量以频率为自变量二者如何转换？Stefan －Boltzmann 定律400f B B d B df T λλσ∞∞===∫∫Wien位移定律）对应的频率最大辐射（Bf最大辐射（B）对应的波长λ换算回频率二者不同！微波辐射计部分微波辐射计：MSR：Microwave Scanning Radiometer，MOS－1，2波段Dicke辐射计。
AMSR：Advanced Microwave Scanning Radiometer，ADEOS－II上，6波段，4极化，5-60KM，NE d T:0.3K, 精度：1K。
SSMR，Scanning Multi-channel Microwave Radiometer, Nimbus-7,AIMR, Airborne Imaging Microwave Radiometer, JPLSSM/I, Special Sensor Microwave/Imager, DMSP, 4波段，分辨率15－45KM地物的发射率（或叫比辐射率）实际地物不是黑体，与电磁波作用存在吸收、反射和透射Kirchhoff定律，在热平衡状态下，不透明物体，吸收率等于发射率1.能量守恒定律，吸收率＋反射率＋透过率＝12.一般不透明物体（半无限），透过率＝0，结合1，有发射率＝吸收率＝1－反射率4.反射率与地表粗糙度有关。
微波辐射计的原理应用
微波辐射计的原理应用1. 简介微波辐射计是一种用于测量大气中微波辐射能量的仪器。
它基于微波辐射与大气中的水汽、气溶胶等物质的相互作用而工作。
本文将探讨微波辐射计的原理和应用领域。
2. 原理微波辐射计的原理基于以下几点：2.1 微波辐射的产生微波辐射是指电磁波频率范围在300 MHz到300 GHz之间的波长。
微波辐射可由天体、地表和大气等产生，其中大气中的微波辐射主要来自太阳辐射、地表反射和大气散射。
2.2 微波辐射与大气的相互作用微波辐射在大气中与水汽和气溶胶等物质相互作用，产生吸收、散射和反射等现象。
这些相互作用受大气中的温度、湿度、气压等因素影响。
2.3 微波辐射计的测量原理微波辐射计通过向大气发送微波辐射，并测量其经过大气后的剩余能量来确定大气中的水汽含量、云的特性以及地表温度等。
测量原理基于微波辐射在大气中吸收和散射的特性。
3. 应用领域微波辐射计在以下领域有广泛的应用：3.1 大气科学研究微波辐射计可用于观测大气中的水汽含量、云的特性和温度等参数。
这对于气象预报、气候研究和大气模型验证等方面具有重要意义。
3.2 地表监测通过测量微波辐射在地表的反射和散射特性，可以获得地表的温度、植被覆盖度、土壤湿度等信息。
这对于农业、生态环境和水资源管理等方面具有重要应用价值。
3.3 卫星遥感微波辐射计可以搭载在卫星上，利用微波波段的辐射进行地球观测。
通过卫星遥感技术，可以实时、全球范围内获取大气和地表的微波辐射信息，为气象学、地球科学和环境监测等领域提供数据支持。
3.4 水文水资源监测微波辐射计可以用于监测水文水资源，例如测量大气中的水汽含量，预测降雨量和雪深等。
这对于水资源管理、洪涝灾害预警和水文模型的建立等有重要意义。
3.5 太空通信微波辐射计可以用于研究和优化卫星通信系统中的微波信号传输。
通过测量和分析大气中的微波辐射特征，可以提高卫星通信系统的可靠性和性能。
4. 总结微波辐射计是一种重要的大气和地球观测仪器，应用广泛。
PartII微波辐射计基本原理
传输线：物理温度通常也是 Tp ，信号损耗
Pin 因子L Pout
1。理想传输线L=1;
接收机： 现实接收机＝无噪声接收机＋等效热噪声源
bo.qian@, Dept. of Atmos. Sounding, Nanjing Univ. of Info. Sci.& Tech. (NUIST)
全功率辐射计与Dicke辐射计
2)Dicke辐射计:
脉冲式的接收外来辐射。
Dicke开关交替地接通1、2两端， 在已知参考负载温度TR的情况下， （2）解决接收机内部噪声Tr和增益不稳定性 的影响。 VOA=kGs (TA+Tr) 利用两个输出VOA和VOB来 VOB=kGs (TR+Tr) （1）解决增益不稳定性的影响。 假设在一个开关周期内稳定，则 两信号之差 VOA=kGsTA， VOB=kGsTR， 与增益是否稳定有关! D= k(TA-TR) 假设在一个开关周期内稳定，则 与噪声 Tr无关，可以从中获得被测TA。若能 调整TR的值，使得两信号之差D=0，则得 TA = TR* VOA /VOB， TA =TR ，则与增益是否稳定无关！ 则与增益是否稳定无关！ 称此为平衡式Dicke辐射计。
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• 天线方向性函数
1 F ( , ) 0 , 当在很小的主瓣立体角 M内
不在 M内
主瓣内，TB ( , ) 与方向无关，可用 TB ( 0 ,0 ) 表示。
Ar r R
2
或
r
Ar
R
2
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max f f 0
或者 Pr
f B f , F , Ar ddf
4
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• 天线方向性函数
1 F ( , ) 0 , 当在很小的主瓣立体角 M内
不在 M内
主瓣内，TB ( , ) 与方向无关，可用 TB ( 0 , 0 ) 表示。
V2 V1 G (T2 T1 ) V2 V1 G T2 T1 O V2 GT2 V1 G T1
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传输线输入口）放在恒温槽内，则，观测P随T的
变化，可得 P aTB b 的关系。
• （2）晴空外场法\自然定标法: 把天线放在外场,
取晴朗夜晚、静风，施放探空仪得Ｔ(Z)、( Z)。
由辐射传输方程（后面介绍）可计算出在不同仰
角时的值。改变天线仰角可得相应的读数,计算回
归系数,即可得 P aTB b 。
4
F ( , )d
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辐射计系统： ——天线＋传输线＋接收机
天线：物理温度，有损耗即“有吸
收就有热辐射”，功率透射系数。 天线端口输出功率：
全功率辐射计与Dicke辐射计
2)Dicke辐射计:
脉冲式的接收外来辐射。
Dicke开关交替地接通1、2两端， 在已知参考负载温度TR的情况下， （2）解决接收机内部噪声Tr和增益不稳定性 的影响。 VOA=kGs (TA+Tr) 利用两个输出VOA和VOB来 VOB=kGs (TR+Tr) （1）解决增益不稳定性的影响。 假设在一个开关周期内稳定，则 两信号之差 VOA=kGsTA， VOB=kGsTR， 与增益是否稳定有关! D= k(TA-TR) 假设在一个开关周期内稳定，则 与噪声 Tr无关，可以从中获得被测TA。若能 调整TR的值，使得两信号之差D=0，则得 TA = TR* VOA /VOB， TA =TR ，则与增益是否稳定无关！ 则与增益是否稳定无关！ 称此为平衡式Dicke辐射计。
' (A Pout ) l P (1 l )k TP f kTAf
其中， A' lTA (1 l )TP T
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f0
天线温度与气象信号
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天线温度 Te
Pn kT f
P kTe f
在电子线路中，温度为T的电阻, 产生输入到系统的热噪声功 率为 Pn kT f 。天线输出其后端接收机的功率 P kTe f , 相 当于一个温度为Te的电阻所产生的热噪声功率。所以，Te就称 为“天线温度”。
Gs 称之为辐射计系统的增益。
系统的灵敏度
Tsys
Tsys B
B 为辐射计系统的带宽，
为积分时间。
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全功率辐射计与Dicke辐射计
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辐射计的定标
• 辐射计接收机所得功率Ｐ(或 Psys )与 T（即 TB ） A 成线性关系：
P aTB b
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• 天线温度：天线温度不是天线自身的物理温度，而是
代表外来能量。
TA
4
T
B
( , ) F ( , )d
天线接收到的功率为：
Pr F , B , Ar dt
4
F , 为天线的方向性函数
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（0，0）为天线指向。由天线温度表达式可知，
1 TA M
M
T ( , )d TB ( 0 , 0 )
B
即，天线温度 T A 成为从天线所指方向射入天线的亮温度 TB 。 这就是我们所要的信息，代表（0，0）方向上被测目标物的 辐射状态（如物理温度，辐射物质含量等）。
辐射计本振频率
f0
，中频为 f I f 0 f1 ，因此进入天线
可以被测量的微波频率可以是 f1 f 0 f I ，或是 f1 f 0 f I
单信道接收机：
射频单元（天线到射放）只工作在 f 1 或 f 2 双信道接收机：
射频单元需同时工作在 f1 & f 2 这样，接收功率大但对射放要求高
微波辐射计被动地测量目标物在某个频率附近 发射的热辐射功率 。
接收机
地基微波辐射计系统框图
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大气物理学院大气探测系
微波辐射计的工作频率
传输线：物理温度通常也是 T p ，信号损耗
Pin 因子L Pout
1。理想传输线L=1;
接收机： 现实接收机＝无噪声接收机＋等效热噪声源
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辐亮度与天线
• 接收面元：
• 辐亮度B (Radiance)：单位辐射源表面积、单位时间、向单位立 体角所辐射的能量，单位为 Wm-2sr-1 .
在 r内的发射功率为
P BAt r t
定义辐射强度 Pt It BAt r
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地基微波辐射计的基本原理
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天线的频率响应：频响函数
定义带宽 天线接收到的功率为：
f 0 f /2
1 max 2
时的频率范围 ，
Pr
f 0 f /2
f
f 0 f
B f , F , Ar d df
4
接收面元： 设想在距离R处，有一接收面，如下图左半，刚好卡 在内
Ar r R
2
或
r
Ar
R2
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接收面所接收到的功率
Pt BAt r Pr
BAt Ar Pr Pt BAt r BArt 2 R
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天线接收功率的计算
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Typical Antenna Power Patterns
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记接收机等效热噪声温度Tr, 则在接收机输入端口处的功率 可表示为：
P 1 ( A) 1 1 Pout (1 )kTP f kTr f kTsys f L L L
其中， 称
Tsys l TA ( L l )TP LTr
Tsys 为系统噪声温度
称 Psys k Tsys f 为系统噪声功率，相当于在传输线的 输入端口（就是天线的输出端口）输入的总功率。
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系统的增益