地基16通道并行體制微波輻射計系統(tǒng)特點

摘 要 QFW-6000型微波輻射計是中國電波傳播研究所自主研發(fā)的國內(nèi)首款地基16通道并行體制微波輻射計，可實時監(jiān)測大氣柱積分水汽量、大氣柱積分云水含水量，連續(xù)輸出0-10km高度的高分辨率大氣溫濕廓線。本文介紹了QFW-6000微波輻射計的工作原理、系統(tǒng)組成、輸出產(chǎn)品精度及并行體制工作特點，表明該設(shè)備具有優(yōu)良的工作性能。

【關(guān)鍵詞】微波輻射計 并行體制 接收機(jī)

地基微波輻射計是一種用于測量場景（目標(biāo)）微波熱輻射的高靈敏度接收機(jī)，主要用于射電天文研究和大氣遙感測量。射電天文主要用于測量反演大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)，測量大氣和降雨對電波的衰減，還可以用于電波折射誤差實時高精度修正；大氣遙感主要用于測量反演對流層大氣溫度廓線，水汽廓線，大氣總水汽含量，云中液態(tài)水含量，邊界層區(qū)域逆溫及大氣不穩(wěn)定度、大氣不透明度等，應(yīng)用于天氣預(yù)報和指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)，霧霾環(huán)境氣象監(jiān)測，預(yù)報飛機(jī)飛行潛在積冰區(qū)和積冰等級等。

中國電波傳播研究所，早在1982年就自行研制了工作在23.75GHz的微波輻射計，從單通道到多通道、從K波段到THz波段，已形成QFW系列微波輻射計，尤其是QFW-6000型微波輻射計產(chǎn)品，作為國內(nèi)首款地基16通道并行體制微波輻射計，已應(yīng)用于氣象、環(huán)保、導(dǎo)航、遙感等多個領(lǐng)域。

1 QFW-6000型微波輻射計介紹

1.1 工作原理

QFW-6000型微波輻射計選擇合適的工作頻率，通過遙感測量大氣輻射亮度溫度的方法來測量反演大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)，選用22.235GHz水汽吸收線附近的大氣輻射亮溫測量反演大氣水汽廓線和水汽總含量，選用50～60GHz氧吸收帶的大氣輻射亮溫測量反演溫度廓線，而選用31～35GHz頻段的大氣輻射亮溫測量反演云中液態(tài)水含量。

1.2 系統(tǒng)組成

微波輻射計系統(tǒng)主要由接收天線、微波前端及接收機(jī)、信號處理終端、測量控制和反演軟件等幾部分所組成。

微波輻射計接收機(jī)工作體制主要有串行體制和并行體制兩種。串行體制接收機(jī)工作流程：輸入的信號，被RF低噪聲放大并饋進(jìn)混頻器中。混頻器和可調(diào)本地振蕩器進(jìn)行混頻處理，得到中頻信號。中頻信號然后進(jìn)過放大、濾波、放大、檢波處理，進(jìn)過視頻放大部分放大處理進(jìn)入AD采集部分后進(jìn)行數(shù)字處理。串行體制接收機(jī)核心部分是可調(diào)本地振蕩器（TLO）。它包含了一個參考振蕩信號，從而產(chǎn)生一個穩(wěn)定的頻率輸出，同時需要多級倍頻器和諧波濾波器，以便濾除不需要的諧波成分。串行接收機(jī)主要缺點是占空比低，即每次只能完成一個頻率通道的探測，因此需要多次才能掃描完一周期。而且探測通道數(shù)目越多，工作效率越低。

并行體制接收機(jī)工作流程：低噪聲放大器放大輸入進(jìn)來的信號，被分成多路信號同時探測，頻率的分離是依靠帶通濾波器組實現(xiàn)的。每個通道都有自己獨立的檢波器，從而允許并行的檢波和積分處理。優(yōu)點是占空比高（達(dá)100%），即一次即可完成所有多通道的探測，工作效率高，這意味著更快的掃描得到水汽和氧氣廓線。缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

總體上，并行體制接收機(jī)技術(shù)難度大、工藝要求高，但輸出實時性高、精度好，在微波輻射計應(yīng)用具有重要優(yōu)勢，代表當(dāng)前微波輻射計技術(shù)發(fā)展方向。

1.3 輸出產(chǎn)品

QFW-6000型微波輻射計設(shè)備主要輸出產(chǎn)品：

（1）探測頻率：22～32（GHz），51～59（GHz）；

（2）溫度廓線測量誤差：≤1.0K；

（3）水汽廓線測量誤差：≤8%；

（4）亮溫誤差：≤0.2K.

1.4 工作特點

微波輻射計需要高精度地捕獲大氣微波輻射信息。實踐中所有儀器的測量都產(chǎn)生噪聲而制約測量精度。噪聲通常來自白噪聲（與頻率無關(guān)），其基本降噪技術(shù)就是最大化積分時間。測量的積分時間越長，噪聲就越低而精度就越高。噪聲的振幅（用于衡量噪聲大小）與積分時間的平方根成反比，而高的占空比就意味著高的積分時間，所以并行體制不僅在探測效率上有著無可比擬的先天優(yōu)勢，而且比串行體制的輻射計探測精度更高。

這種并行體制帶來的探測速度、探測精度上的優(yōu)勢可以具體體現(xiàn)為：

1.4.1 邊界層逆溫

輻射計的一個重要應(yīng)用是探測邊界層逆溫現(xiàn)象。近地層逆溫影響熱通量（阻止熱量和空氣向上方傳導(dǎo)）、降低氣溶膠和化學(xué)物質(zhì)從地面進(jìn)入高層大氣的能力。QFW-6000可以通過增加不同俯仰角度掃描來提高氧氣譜線通道的獨立信息量，獲得20米的高垂直分辨率，而僅通過通道數(shù)目增加并不能提高邊界層逆溫垂直結(jié)構(gòu)解析能力。因此，單進(jìn)行天頂方向觀測獲得高垂直分辨率的能力有限，而并行體制輻射計在俯仰掃描，數(shù)據(jù)高精度采集方面具有獨特優(yōu)勢。

1.4.2 快速全天空成像

在掃描得到水汽、液態(tài)水、云結(jié)構(gòu)及云變化二維空間分布上，并行體制技術(shù)也有巨大的優(yōu)勢。它可以在5min時間內(nèi)完成一個2維區(qū)域的空間掃描。而串行體制輻射計無法給出這樣的信息。

2 結(jié)論

本文對地基16通道并行體制微波輻射計的工作原理、系統(tǒng)組成、輸出產(chǎn)品及工作特點等進(jìn)行了詳細(xì)的論述，表明其可正確描述大氣狀況的動態(tài)變化，可應(yīng)用于中小尺度天氣監(jiān)測，可為短時臨近天氣預(yù)報、人工增雨作業(yè)有效降水時機(jī)選擇及霧霾立體監(jiān)測提供必要依據(jù)。

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作者簡介

于永杰（1984-），男，山東省威海市乳山市人。碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)為中國電波傳播研究所工程師.主要研究方向為被動遙感。

作者單位

1.中國電波傳播研究所 山東省青島市 266107

2.山東省榮成市成山頭氣象站 山東省威海市 264300