微波濕度計(jì)探測(cè)大氣濕度的原理及應(yīng)用

微波濕度計(jì)探測(cè)大氣濕度的原理及應(yīng)用

1微波濕度計(jì)檢測(cè)頻率風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)新一代極軌氣象衛(wèi)星。有效載荷包括光學(xué)、紅外、微波跟蹤裝置和空間環(huán)境監(jiān)控裝置。其目標(biāo)是全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多光譜、三維定量、云和降水參數(shù)的三維測(cè)量，并對(duì)影響區(qū)域內(nèi)的自然災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用被動(dòng)微波遙感器探測(cè)大氣濕度的垂直分布始于1987年。美國(guó)發(fā)射的軍事氣象衛(wèi)星(DMSP)上裝載了特種微波大氣垂直探測(cè)儀(SSM/T),其中用于大氣濕度探測(cè)的SSM/T-2頻率為91.5,150和183.31GHz。183.31GHz包括三個(gè)探測(cè)通道,頻率分別為183.31±1,183.31±3和183.31±7GHz。DMSP搭載的SSM/T科學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用,使得氣象衛(wèi)星微波遙感儀器有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,并在氣象保障、天氣預(yù)報(bào)、強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)和洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了很大的作用。此后,美國(guó)發(fā)射的NOAA系列氣象衛(wèi)星都裝載了用于大氣濕度垂直探測(cè)的先進(jìn)微波探測(cè)單元(AMSU-B),頻率為89,150和183.31GHz(三通道)。從2005年5月發(fā)射的NOAA-18(NOAA-NN′)開始,先進(jìn)微波探測(cè)單元(AMSU-B)被微波濕度探測(cè)儀(MHS)代替,MHS仍然包括5個(gè)探測(cè)通道,但150GHz通道頻率改為157GHz,183.31±7GHz通道頻率改為190.31GHz。風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)第一顆搭載微波濕度探測(cè)輻射計(jì)的衛(wèi)星,但風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)探測(cè)頻率為150和183.31GHz,其中150GHz為雙極化(水平極化和垂直極化)設(shè)計(jì);183.31GHz包括三個(gè)通道,頻率分別為183.31±1,183.31±3和183.31±7GHz。本文主要介紹風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)的探測(cè)原理與設(shè)計(jì)方案,并對(duì)微波濕度計(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比。2大氣不透明度譜和渠道設(shè)置星載微波輻射計(jì)在對(duì)地觀測(cè)時(shí),穿透地球大氣,測(cè)量來自地球的特定頻率的微波輻射。由于大氣中的濕氣(冰、云、雨、雪等)對(duì)來自地球表面的微波輻射具有衰減作用,因此作為探測(cè)大氣濕度的微波輻射計(jì)之微波濕度計(jì),其不同通道的觀測(cè)數(shù)據(jù)包含了地球大氣層不同高度的濕度信息,從微波濕度計(jì)的亮度溫度中不僅可以反演得到大氣濕度的垂直分布,也可以得到地球表面的溫度信息。大氣微波傳輸?shù)牟煌该鞫茸V如圖1,圖中顯示了氧和水汽的大氣不透明度。在0—280GHz頻率范圍內(nèi),分別有兩條氧氣吸收線和兩條水汽吸收線,氧氣吸收線可用于大氣溫度闊線測(cè)量,而水汽吸收線可用于大氣濕度闊線測(cè)量。其中第一條水汽吸收線中心位于22.235GHz,第二條位于183.31GHz。在這兩條水汽吸收線之間,水汽的連續(xù)能譜隨頻率升高吸收緩慢增加。第一條水汽吸收線對(duì)于進(jìn)行闊線測(cè)量而言衰減太低,而且其部分透明性被用于獲取水汽總量。為了在不同高度上獲取對(duì)濕度的最大敏感度,在183.31GHz吸收線內(nèi)選擇不同的頻率進(jìn)行探測(cè)。SSMT-2和AMSU-B在183.31GHz吸收線上有3個(gè)通道(±1,±3和±7GHz),而且有150GHz和89GHz兩個(gè)窗區(qū)通道,窗區(qū)通道可以給出地球表面和較低大氣的信息。風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)基于相同的探測(cè)原理。通道頻率在圖1中標(biāo)出,窗區(qū)通道為150GHz,可以用來探測(cè)云中含水量和強(qiáng)降雨、卷云等大氣參數(shù);吸收線內(nèi)的頻率與AMSU-B相同,用于探測(cè)大氣濕度的垂直分布。3為微波濕度計(jì)的功能描述和系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的硬件組成風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)是一套基于超外差接收機(jī)的全功率型微波輻射計(jì),水汽垂直廓線,是通過測(cè)量位于183.31GHz水汽吸收線的三個(gè)不同通道的亮度溫度所獲得的。系統(tǒng)由天線與接收機(jī)單元、數(shù)據(jù)處理單元和電源單元組成,系統(tǒng)框圖如圖2。微波濕度計(jì)接收到的信號(hào)來自于地球大氣層的自由空間輻射,通過一個(gè)垂直于衛(wèi)星飛行軌跡進(jìn)行掃描的天線反射面所獲取。為標(biāo)定接收機(jī)的增益與噪聲,消除信道增益波動(dòng)的影響,每個(gè)掃描周期進(jìn)行一次高低溫兩點(diǎn)定標(biāo)。高溫源為濕度計(jì)內(nèi)部的吸收體,其物理溫度由一組高精度的溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量獲得,低溫源為宇宙冷空間背景的微波輻射(約3K)。接收機(jī)采用直接混頻方式,接收到的信號(hào)聚焦于饋源,然后通過本振和混頻器實(shí)現(xiàn)雙邊帶下變頻,由中頻處理器進(jìn)行放大、濾波、檢波和積分。數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與量化處理,并通過1553B總線與衛(wèi)星進(jìn)行通訊。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1生物特性分析天線與掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)集成為一體,掃描是通過旋轉(zhuǎn)反射面實(shí)現(xiàn)的,反射面與軸成45°角,由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)天線反射面進(jìn)行掃描。衛(wèi)星高度、地面順軌方向速度、空間分辨率(足印尺寸)及積分時(shí)間等要素決定了掃描周期為2.667s。為提高對(duì)地觀測(cè)時(shí)間,采用變速掃描方式,其中對(duì)地觀測(cè)入射角范圍相對(duì)于天底點(diǎn)為±53.35°,用時(shí)1.71s,冷空間定標(biāo)角度距天地點(diǎn)為73°,用時(shí)0.1s;熱源定標(biāo)角度位于天頂點(diǎn),0.1s;剩余時(shí)間用于快速空運(yùn)轉(zhuǎn)。天線與掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3。3.2.2硬件系統(tǒng)性能分析接收機(jī)由高頻前端、中頻處理器、檢波和積分電路組成。其中高頻前端包括饋源、混頻器、本振和寬帶低噪聲放大器。由于重量與功耗的條件約束,只選擇了150GHz一個(gè)窗區(qū)通道。150GHz和183.31GHz前端如圖4(a)和(b),高頻前端是輻射計(jì)接收機(jī)的重要組成部分,其性能決定了輻射計(jì)整機(jī)的系統(tǒng)性能。150GHz接收機(jī)框圖如圖5(a),183.31GHz接收機(jī)框圖如圖5(b)。150GHz通道利用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)(極化柵網(wǎng)),將信號(hào)分為水平極化和垂直極化,饋入各自通道與本振進(jìn)行混頻下變頻處理及前置放大,兩個(gè)通道共用一個(gè)本振信號(hào),濾波以后信號(hào)的頻率范圍為0.4—1.4GHz。中頻處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,經(jīng)過檢波及積分處理后,輸出至數(shù)據(jù)處理單元。183.31GHz饋源將天線反射器收集到的自由空間輻射進(jìn)行聚焦,接收到的信號(hào)與本振進(jìn)行混頻之后被前置放大,產(chǎn)生的信號(hào)頻率范圍為0.1—8GHz;功分器將信號(hào)分為三個(gè)中頻通道;中頻處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大,濾波器將三個(gè)通道的信號(hào)頻率分別限制為各通道的標(biāo)稱頻率:1±0.25,3±0.5和7±1GHz;經(jīng)過檢波、低頻放大及積分處理后,輸出至數(shù)據(jù)處理單元。3.2.3測(cè)量方法及溫度測(cè)量微波濕度計(jì)采用在軌實(shí)時(shí)周期定標(biāo),低溫源為宇宙冷空間的背景輻射,而高溫源為儀器內(nèi)部的定標(biāo)體,高低溫定標(biāo)源與目標(biāo)微波輻射信號(hào)經(jīng)過相同光學(xué)路徑進(jìn)入接收機(jī),具有較高的定標(biāo)精度。熱定標(biāo)源由3部分構(gòu)成,即微波定標(biāo)體、測(cè)溫電路和屏蔽罩,天線每旋轉(zhuǎn)一周,定標(biāo)一次。吸收體由高發(fā)射率的單晶硅尖劈陣組成,其面積分布覆蓋天線投影口徑,黑體外有圓筒狀屏蔽罩,消除來自周圍環(huán)境的雜散輻射,屏蔽罩采用復(fù)合材料內(nèi)壁金屬化以減輕重量。定標(biāo)體采用與AMSU-B相同的被動(dòng)溫控方式,溫度測(cè)量采用鉑電阻作溫度傳感器。鉑電阻分別分布在黑體的中心、邊緣等不同位置,根據(jù)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量值及吸收材料的溫度梯度分布,加權(quán)計(jì)算得到黑體的物理溫度。熱定標(biāo)源如圖6。3.2.4數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制電源單元由二次電源變換器(DC/DC變換)和電源分配器兩部分組成。為提高可靠性,采取主/備份冗余設(shè)計(jì),其主要功能是將衛(wèi)星母線電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的直流電壓品種;數(shù)據(jù)處理單元由天線驅(qū)動(dòng)接口、系統(tǒng)測(cè)控模塊和總線通訊模塊組成,通過系統(tǒng)軟件控制天線掃描模式和接收機(jī)工作狀態(tài),完成數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行遙控指令及遙測(cè)數(shù)據(jù)管理;通過1553B總線與衛(wèi)星進(jìn)行通訊,接收衛(wèi)星發(fā)出的遙控指令及衛(wèi)星姿態(tài)、時(shí)間碼等輔助信息,將科學(xué)數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)打包下傳。在物理結(jié)構(gòu)上,風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)由3個(gè)獨(dú)立的單元組成:電源單元如圖7,數(shù)據(jù)處理單元如圖8,天線與接收機(jī)單元如圖9,3個(gè)單元之間通過電纜網(wǎng)連接起來。4濕度計(jì)的工作模式和成像參數(shù)4.1溫度勻速掃描為提高系統(tǒng)工作的靈活性,并滿足某些特定觀測(cè)需求,微波濕度計(jì)掃描模式分為變速掃描、勻速掃描和定點(diǎn)觀測(cè)3種工作模式。勻速掃描模式周期為2.667s,與變速掃描周期相同;定點(diǎn)觀測(cè)模式可以根據(jù)需要固定任意角度進(jìn)行觀測(cè);掃描模式的選擇及切換,通過地面數(shù)據(jù)注入遙控指令完成。變速掃描模式為默認(rèn)的對(duì)地觀測(cè)工作模式。微波濕度計(jì)采用機(jī)械掃描,結(jié)合衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)(順軌方向)和天線窄波束的交軌方向掃描,如圖10(a)。為增加對(duì)地觀測(cè)時(shí)間,電機(jī)帶動(dòng)天線進(jìn)行360°的連續(xù)變速圓周掃描,掃描周期2.667s,對(duì)地觀測(cè)掃描張角為±53.35°(以天底點(diǎn)為中心)。高溫定標(biāo)源位于天頂點(diǎn)位置,冷空定標(biāo)角度287°(距離天底點(diǎn)73°),掃描過程如圖10(b)。為保證足夠小的輻射測(cè)量靈敏度,必須盡可能增加對(duì)地觀測(cè)時(shí)間。因此在對(duì)地觀測(cè)期間降低電機(jī)速度進(jìn)行勻速掃描,對(duì)地觀測(cè)時(shí)間1.71s,此值是根據(jù)衛(wèi)星地面速度、天底點(diǎn)像元尺寸及兩條連續(xù)的掃描線之間天底點(diǎn)像元相鄰而不重疊的要求計(jì)算出來的。變速掃描模式掃描周期時(shí)間分配:(1)對(duì)地觀測(cè):±53.35°,用時(shí)1.71s,勻速掃描;(2)對(duì)地觀測(cè)終止至熱源定標(biāo)起始角:53.35—178°,用時(shí)0.357s,加速/減速;(3)熱源定標(biāo):180±2°,用時(shí)0.1s,勻速掃描;(4)熱源定標(biāo)終止至冷空定標(biāo)起始角:182—285°,用時(shí)0.3s,加速/減速;(5)冷空定標(biāo):287±2°,用時(shí)0.1s,勻速掃描;(6)冷空定標(biāo)終止至對(duì)地觀測(cè)起始角:289—306.65°,用時(shí)0.1s,加速/減速。4.2天線3db波束風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星軌道高度836km,衛(wèi)星地速約7.5km/s,掃描角度范圍(相對(duì)于天底點(diǎn))為±53.35°,天線3dB波束寬度為1.1°。根據(jù)以上參數(shù),微波濕度計(jì)刈幅像元如圖11。(1)切割寬度2645km;(2)圖像源每條掃描線有98個(gè)像元;(3)切割間隔20km;(4)空間分辨率天底點(diǎn)像元為圓形,直徑16km;隨著入射角增大,地面像元逐漸變化為橢圓形,而且尺寸變大,最遠(yuǎn)端像元尺寸41km×27km;(5)每個(gè)圖像源的保留時(shí)間17.4ms。5微波濕度計(jì)測(cè)試結(jié)果微波輻射計(jì)最重要的指標(biāo)是亮溫靈敏度。亮溫靈敏度ΔT(輻射分辨率),又稱“噪聲等效亮溫差NEDT”,定義為微波輻射計(jì)接收機(jī)能夠檢測(cè)到的最小天線溫度的變化,用公式(1)表示:ΔT=Tsys?1Bτ+(ΔGG)2+X2???????????????√(1)ΔΤ=Τsys?1Bτ+(ΔGG)2+X2(1)式中,B為檢波前帶寬,τ為積分時(shí)間,G為檢波前增益,ΔG/G表示一個(gè)掃描周期內(nèi)兩點(diǎn)定標(biāo)之間的增益穩(wěn)定度,Tsys為天線溫度TA與接收機(jī)等效溫度Trec之和。X表示量化處理過程的噪聲貢獻(xiàn)。對(duì)于實(shí)時(shí)兩點(diǎn)定標(biāo)的輻射計(jì)系統(tǒng),增益波動(dòng)的影響基本消除。系統(tǒng)測(cè)試按照微波濕度計(jì)正常在軌運(yùn)行模式進(jìn)行,在一個(gè)掃描周期內(nèi)分別對(duì)高溫參考源、低溫參考源和目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)以及數(shù)據(jù)采集和記錄。其中,微波濕度計(jì)內(nèi)部的吸收體作為高溫參考源,位于天頂點(diǎn)位置;液氮制冷的吸收體作為低溫參考源,置于在軌運(yùn)行時(shí)的冷空定標(biāo)方向;目標(biāo)源為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境狀態(tài)下的吸收體,置于天底點(diǎn)觀測(cè)方向。參考源和目標(biāo)源的發(fā)射率已知,物理溫度在吸收體的多個(gè)不同位置經(jīng)過精密測(cè)量,因此其亮度溫度可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。微波濕度計(jì)的噪聲功率/電壓轉(zhuǎn)換采用平方律檢波方式,因此被觀測(cè)的目標(biāo)亮度溫度與輸出電壓之間為線性關(guān)系,即V=a·T+b,那么:VH=a·TH+b(2)VL=a·TL+b(3)式中,a和b為常數(shù),TH和TL分別為高溫參考源和低溫參考源的亮度溫度,VH和VL為對(duì)應(yīng)輸出。假定目標(biāo)源對(duì)應(yīng)輸出為V0,那么根據(jù)高低溫參考源確定的線性關(guān)系,可以推導(dǎo)出目標(biāo)源的亮度溫度T0:T0=TH?TLVH?VL?V0+TLVH?THVLVH?VL(4)Τ0=ΤΗ-ΤLVΗ-VL?V0+ΤLVΗ-ΤΗVLVΗ-VL(4)對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)源的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其平均值為亮度溫度的測(cè)量值,與亮度溫度計(jì)算值的差即為測(cè)量的準(zhǔn)確度,測(cè)試結(jié)果表明,測(cè)量準(zhǔn)確度小于1.4K;其方差統(tǒng)計(jì)值為σ,那么靈敏度為:ΔT=σ·(TH-TL)/(VH-VL)(5)150GHz接收機(jī)的靈敏度如圖12(a)和(b),183.31GHz接收機(jī)的靈敏度如圖13(a),(b)和(c)。微波濕度計(jì)性能指標(biāo)要