FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

郭 杨卢乃锰谷松岩何杰颖王振占

1）（南京信息工程大学，南京210044）

2）（国家卫星气象中心 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京100081）

3）（中国科学院空间科学与应用中心，北京100190）

FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

郭 杨1）2）卢乃锰2）*谷松岩2）何杰颖3）王振占3）

1）（南京信息工程大学，南京210044）

2）（国家卫星气象中心 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京100081）

3）（中国科学院空间科学与应用中心，北京100190）

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星，其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道，在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用，卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理，并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明：FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求，各通道观测亮温间相对独立，定标准确度优于1.6 K，真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。

FY-3C气象卫星；微波湿温探测仪；辐射特性；热真空定标试验

引 言

FY-3气象卫星是我国第2代极轨业务系列气象卫星，其中A星和B星在轨业务运行后，已经获取了丰富的地球大气探测数据，被广泛应用于国内外天气、气候、环境和灾害监测中［1-4］。FY-3卫星上装载的3个大气垂直探测仪器（微波湿度计MWHS、微波温度计MWTS、红外分光计IRAS）和1个微波成像仪MWRI是数值天气预报同化直接关注的仪器。在ECMWF（欧洲中期天气预报中心）集成预报系统（IFS）中同化MWHS资料效果与同化微波湿度计（MHS）资料效果相当［5］。MWHS资料在大气水汽反演、台风路径预报和定量降水估计等方面的应用也取得了很好的效果［6-9］。FY-3C气象卫星已经于2013年9月23日发射成功，其上装载的微波湿温探测仪是超外差式接收机的全功率型微波辐射计。与FY-3A和FY-3B微波湿度计相比，微波湿温探测仪的探测频点设置了1个118 GHz大气温度探测通道，同时通道数由5个增加到15个。其中118 GHz探测频点是目前国际上业务卫星首次使用的大气探测应用频点，可获得高精度的大气温度廓线信息，与183 GHz大气湿度探测频点联合探测，将提高大气参数廓线探测精度。

国际上在轨运行的、用于探测大气温度和湿度的微波探测器包括美国NOAA系列卫星上装载的AMSU-A，AMSU-B，MHS 和 Soumi／NPP 上 的ATMS等，这些微波载荷的资料已经成功应用于数值预报［10-14］。为了保证微波探测器升空后能够获得可靠资料，发射前了解星载微波辐射计定标特性，真空试验是目前唯一的技术途径。鉴于此，国际上对此类微波探测载荷在发射前均开展了地面真空定标试验。真空定标试验均在真空罐中进行，控制仪器温度在未来在轨时最可能出现的温度条件下（－10℃到＋30℃），测试仪器输出对输入信号的响应，从而了解仪器基本性能，确定星载定标系统基础参数（非线性订正系数），在轨后根据实时得到的定标观测数据，结合定标系统基础参数，实现在轨定标［15-17］。

FY-3C微波湿温探测仪已于2013年2月进行了地面热真空试验，本文利用地面热真空定标试验数据，分析了微波湿温探测仪的基本辐射性能，为遥感资料的在轨定量应用奠定了基础。

1 微波湿温探测仪热真空试验设计

FY-3C微波湿温探测仪的通道设计指标如表1所示，其真空定标试验在上海航天科技集团509所的KM2真空定标试验场地进行。热真空试验为微波湿温探测仪提供在轨定标所需要的基础参数，建立系统定标方程，进行定标误差分析并确定在不同环境温度下微波湿温探测仪的灵敏度、线性度、定标准确度等主要技术指标。

微波湿温探测仪热真空定标试验部分继承了FY-3A／B星微波湿度计热真空定标试验方法［18-20］，对载荷升降机构进行了改进，设计了远程智能可控升降机构，可远程操控调整微波湿温探测仪高度，使两组天线分别对准冷源和变温源。

表1 微波湿温探测仪主要应用目的和通道特性参数①风云三号02批气象卫星遥感探测仪器技术指标要求.北京：国家卫星气象中心，2009.Table 1 The microwave humidity and temperature sounder channel characteristics

真空试验过程中为模拟仪器在轨运行的温度变化，分别设置微波湿温探测仪工作温度在5℃，15℃和25℃；变温源位置固定在仪器天底点，温度变化范围在95～330 K内用以模拟地气系统的温度变化；使用液氮系统制冷，使得冷定标源温度稳定在95 K左右，用来模拟冷空；热定标源采用微波湿温探测仪内部黑体。具体放置位置如图1所示。

图1 真空罐内微波湿温探测仪和冷源及变温源之间的位置关系Fig.1 Facility for thermal vacuum test of the microwave humidity and temperature sounder

FY-3C微波湿温探测仪热真空试验中，89 GHz和118 GHz共用一副天线和热定标源，150 GHz和183 GHz共用一副天线和热定标源，两副天线共用同一冷源和变温源。两副天线对应高度不同，因此在试验中两组频率分别进行定标试验。

2 微波湿温探测仪辐射特性

2.1 热真空试验基础数据

微波湿温探测仪热真空定标试验的基础数据主要包括利用铂电阻温度计（platinum resistance thermometer，PRT）测量得到的热定标源、冷定标源和变温源温度数据，微波湿温探测仪对热源、冷源和变温源的观测计数值。图2给出了100条扫描线上，微波湿温探测仪正样产品在89／118 GHz（图2a）和150／183 GHz（图2b）频点PRT对热定标源的测温结果。由图2a可见，在89／118 GHz频点，除PRT4以外的4个PRT的测温值比较一致，相差约0.7 K；由于PRT4的安装位置在定标体下方，受底板温度和周围温度的影响，测温值最高，与最低测温值（PRT2）相差约1.5 K。PRT4的测温结果对源表面温度的代表性不强，在本文研究中只取前3个PRT值。对于150／183 GHz频点而言，由于PRT2和PRT5的安装位置接近且离发热部件的位置相对较远，所以这两个测温电阻的温度比其他3个电阻低，5个PRT测量的温度差异不超过0.7 K。在变温源从95 K变化到315 K的各温度点试验过程中，5个PRT的测温关系与图2类似（图略），表明热平衡后，热定标源温度分布特性稳定。

图2 微波湿温探测仪热定标源PRT测温结果（a）89／118 GHz，（b）150／183 GHzFig.2 PRT temperature distribution of 89／118 GHz（a）and 150／183 GHz（b）warm target

图3 微波湿温探测仪热源、冷源和变温源观测计数值（a）89／118 GHz，（b）150／183 GHzFig.3 Accordance analysis of warm，cold and variable target view in scan lines（a）89／118 GHz，（b）150／183 GHz

在真空定标试验中，微波湿温探测仪在每个扫描周期，得到3个热源观测数据，3个冷源观测数据和98个对地（对变温源）观测数据。任意选取一个扫描周期，依次给出热源、冷源和变温源的观测记录结果（如图3所示）。总的来说，微波湿温探测仪15个通道在各扫描周期工作性能稳定，观测结果有很好的一致性。在通道2和通道14对地的第96个观测点后计数值有所上升，因此要选取观测计数值稳定点进行定标计算。对89／118 GHz通道而言（图3a），通道4观测计数值最高，通道6最低；而对于150／183 GHz通道（图3b）来说，通道11和通道12计数值最高，通道13最低。

2.2 热真空试验定标结果

通过两点定标方法对真空试验的基础数据进行处理［14］，即利用每个扫描周期内PRT测得的冷、热定标源温度和微波湿温探测仪观测冷、热源的计数值，计算出每个扫描周期内的两点定标系数a和b，进而计算出各通道观测变温源的亮温。仪器温度为15℃时，利用PRT直接测量和各通道观测得到的亮温差结果见图4。由图4可以看出，微波湿温探测仪的通道1和通道9的偏差最大，分别为1.5 K和－1.8 K，这是由于这两个通道接收机工作点在线性区边缘，受仪器自身非线性特性影响使得两点定标后通道观测亮温和PRT测量亮温相差最大。微波湿温探测仪其他通道的温度偏差都在1 K以内。各通道的定标偏差具有非线性的特征，因此在轨时要进行非线性订正来提高定量应用精度。当仪器温度分别为5℃和25℃时，微波湿温探测仪15个通道的定标偏差结果分布与图4相近。

图4 微波湿温探测仪各通道两点定标结果偏差分布特征Fig.4 The calibration bias distribution of the microwave humidity and temperature sounder

为了对两点定标结果进行非线性偏差订正，在轨定标方程是形如式（1）的二次方程［19］，

式（1）中，C为辐射计观测计数值，a0，a1和a2分别为在轨定标方程的系数。这3个系数与非线性项和增益有关，可由式（2）～（4）求得，增益g和非线性项q如式（5）和式（6）所示。

式（2）～式（6）中，Rw和Cw分别为冷空辐射量和辐射计观测的冷空计数值，Rc和Cc分别为热源的辐射量和辐射计观测的热源计数值，Rs和Cs分别为变温源辐射量和辐射计观测的变温源计数值，Rm为由两点定标方法得到的变温源辐射量。通过发射前热真空试验，可由式（5）、式（6）计算得到u，进而可以求出在轨定标方程的3个系数。

采用式（1）进行微波湿温探测仪定标后，各通道在不同仪器温度下的最大亮温偏差由表2给出。经非线性订正后，两点定标亮温差较大的通道1和通道9的亮温差与其他通道达到同一水平。15个通道的最大偏差小于0.6 K。其中，通道11，13，15是FY-3A微波湿度计已有探测通道。这3个通道的最大亮温偏差为0.28 K，优于FY-3A的0.37 K的偏差［18］，即仪器性能有所提升。

表2 非线性订正后微波湿温探测仪各通道最大亮温偏差Table 2 Max bias of brightness temperature after nonlinear correction

2.3 通道灵敏度和相关性

微波湿温探测仪的灵敏度（或称等效噪声温度）反映了接收机可探测的最小天线亮温变化，灵敏度ΔNet由式（7）给出［16］。

式（7）中，Tsys为系统噪声温度，Bp为带宽，τs和τc分别为观测地球和定标体的积分时间，τc为连续定标体之间的时间间隔，w为权重，G和ΔG分别为增益和增益变化量。具体来看，表示由地球目标造成的接收机随机噪声；表示由定标体产生的接收机随机噪声，其中包括了相邻扫描数据的加权平均；表示增益波动。

在仪器工作状态稳定后，利用线性定标的方法将仪器观测变温源的计数值转化为亮温，对10条连续扫描线的亮温数据求标准差，连续100条扫描线可以求得10个标准差，计算10个标准差的平均值得到系统灵敏度［16］。在不同的仪器温度下，变温源温度接近300 K时，分析微波湿温探测仪各通道的灵敏度得到表3。结果表明，在各个仪器温度下，微波湿温探测仪的灵敏度测试结果都达到了设计指标。对于183 GHz湿度探测通道而言，灵敏度也达到了美国NPP卫星上ATMS的指标要求［17］。根据温度反演误差的统计结果，当观测亮温误差为1.5 K时，能够保证温度反演误差在1 K之内［21］。除通道2外，118 GHz各通道都能满足温度反演的要求。通道2最靠近氧气吸收峰，权重高度为20～30 hPa，通道设计带宽窄会影响反演结果。

表3 微波湿温探测仪各通道灵敏度Table 3 Radiometric sensitivity values for the microwave humidity and temperature sounder

对微波湿温探测仪数据进行平滑处理会影响仪器的灵敏度，平滑处理时扫描线计数值的计算见式（8）。

式（8）中，n为所选平滑窗的长度，i为平滑窗内扫描线所在位置，Cn为平滑处理后的计数值，Ci为第i条扫描线的技术值。

选择不同的平滑窗长度，对微波湿温探测仪进行平滑处理后所得灵敏度如图5所示。可见平滑处理会使各通道灵敏度提高，特别是在通道2，平滑窗长度为3时，灵敏度提高了0.8 K。若平滑窗长度大于13，则微波湿温探测仪各通道等效噪声温差值趋于稳定，单独考虑微波湿温探测仪的数据预处理时，在轨定标周期的长度应取13条线。FY-3A和FY-3B微波湿度计最佳平滑窗长度为14［18］，相比之下，微波湿温探测仪性能有所提升。

图5 仪器灵敏度随平滑窗长度的变化Fig.5 The variation ofΔNetwith the number of scan lines included in the average windows

微波湿温探测仪的观测资料用于温湿度反演时，各通道观测亮温间的相关性对反演算法有很大影响［22］。因此，利用真空试验数据，分析了各通道间亮温的相关系数（表4）。可见微波湿温探测仪15个通道间观测亮温的相关性很低，各通道观测信息具有独立性，有效信息量有利于资料在大气参数反演中的应用。

表4 微波湿温探测仪各通道观测亮温的相关系数Table 4 Correlation maxrtix for the microwave humidity and temperature sounder

2.4 真空试验定标误差

微波湿温探测仪的定标误差ΔTcal由式（9）给出：

式（9）中，ΔTw为热定标源的不确定性，ΔTc为冷定标源的不确定性，ΔTNL为系统非线性引起的不确定性，ΔTSYS为仪器随机波动的不确定性。其中，X＝和Tw分别表示场景辐射亮温、冷定标源辐射亮温和热定标源辐射亮温。

微波湿温探测仪的定标源辐射率均在0.9992以上，不确定度小于0.0003，如果冷定标源按100 K计算，变温源按300 K计算，则由冷定标源和变温源引起的误差为0.12 K；根据微波湿温探测仪内部热定标源发射率指标，当热定标源为300 K时，由发射率不确定引起的误差为0.13 K。根据对定标源的验收测试结果，真空试验中所用热源、冷源和变温源的温度梯度均达到0.15 K的设计指标；定标源温度稳定性和定标源温度测量的不确定性可达到0.1 K的源验收指标。因此，由定标源的不确定性带来的误差为0.12＋0.13＋0.15×3＋0.1×3＝1 K。

真空试验中，经过非线性订正以后的最大偏差为0.5 K（表2），相当于接收机特性引起的定标误差和天线特性引起的定标误差的综合结果。

如果不考虑系统噪声，微波湿温探测仪真空定标的最大误差约为满足定标精度设计指标1.3 K（不考虑灵敏度）的要求。但国外同类载荷真空定标精度能达到1.0 K。这是由于国内真空试验条件与国外相比有一定差距，如试验中所用真空罐小，温度控制精度较国外低，热定标源和冷定标源的稳定性比国外差，黑体发射率精度也较国外低造成的。

3 小 结

与FY-3A和FY-3B气象卫星装载的微波湿度计相比，FY-3C微波湿温探测仪在设计上增加了118 GHz大气温度探测通道，在183 GHz水汽探测频点也新增了两个通道，这将提升我国星载微波大气温湿度的探测能力。通过对微波湿温探测仪正样产品发射前的热真空定标试验结果进行分析，得到以下结论：

1）微波湿温探测仪15个探测通道灵敏度即等效噪声温度均满足设计指标要求。与在轨运行的微波辐射计相比，183 GHz水汽探测通道的灵敏度也达到ATMS的要求。除118 GHz最靠近氧气吸收峰的通道2，118 GHz探测通道的灵敏度能够满足温度反演要求。通道2由于带宽窄，受制作工艺限制，会对20～30 hPa温度探测产生影响。

2）探测通道灵敏度会随着平滑窗长度的增加而提高，真空试验条件下，当平滑窗长度达到13个扫描周期后，系统噪声水平趋于稳定。

3）利用真空试验数据，定标得到微波湿温探测仪各通道亮温之间具有足够的信息独立性，确保在FY-3C气象卫星发射后，微波湿温探测仪观测数据能够用于大气参数反演。

4）真空试验条件下，经过非线性偏差订正后，微波湿温探测仪15个探测通道定标准确度优于1.12K，达到设计指标。

5）对于首次使用的118 GHz频点8个探测通道，其在真空试验的观测数据稳定，灵敏度和定标准确度均满足设计指标。

FY-3C气象卫星发射后，微波湿温探测仪具有对大气温度和湿度垂直分布进行探测的能力。为保证微波湿温探测仪在轨业务运行后的定量应用，发射前开展仪器热真空试验，分析微波湿温探测仪15个探测通道的辐射特性，得到的微波湿温探测仪非线性定标修正结果，为仪器在轨辐射定标处理奠定基础。

致 谢：对中国科学院空间科学与应用中心设计完成此次热真空定标试验，并为本文提供热真空试验数据深表感谢。

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Radiometric Characteristics of FY-3C Microwave Humidity and Temperature Sounder

Guo Yang1）2）Lu Naimeng2）Gu Songyan2）He Jieying3）Wang Zhenzhan3）

1）（Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing210044）
2）（Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites，National Satellite Meteorological Center，CMA，Beijing100081）
3）（Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190）

The microwave humidity sounder（MWHS）is a five channel microwave radiometer in the range of 150－191 GHz onboard FY-3A and FY-3B.FY-3A and FY-3B are successfully launched in 2008 and 2010，respectively.The next generation of MWHS is a microwave humidity and temperature sounder.This sensor is developed to fly on the third satellite of new generation polar orbit meteorological satellite of China（FY-3C）is launched in September 2013.

The microwave humidity and temperature sounder has 15 channels in the range of 89－191 GHz.Eight temperature sounding channels with central frequency of 118.75 GHz oxygen gas line and five humidity sounding channels with central frequency of 183.31 GHz water vapor line.Two window channels center at 89 GHz and 150 GHz.118 GHz channel is first used to detect atmosphere on current operationalsatellite.Channels in the oxygen band are at around 54 GHz used by AMSU-A （advanced microwave sounding unit-A）and ATMS（advanced technology microwave sounder）.Channels in the next oxygen absorption band are at around 118.75 GHz，which can well detect atmosphere temperature in the lower troposphere.The temperature sounding channels around 118.75 GHz detect the atmosphere temperature from 900 hPa to 25 hPa.The microwave humidity and temperature sounder adds two humidity sounding channels compared with MWHS that can obtain fine vertical distribution structure of atmosphere humidity.

In order to determine the radiometric performance and the on-orbit use of the microwave humidity and temperature sounder，an extensive test is performed before launch.The microwave humidity and temperature sounder is placed in a thermal-vacuum chamber where the cold and earth targets are installed at fixed position.The instrument temperature is controlled at 5℃，15℃and 25℃ which is expected in orbit.The temperature of earth target maintains from 95 K to 330 K and space target is controlled at 95 K.Temperatures of these whole targets are measured by PRT （platinum resistance thermometer）and the temperature measurement accuracy is better than 0.1 K.The test database include counts of internal blackbody，earth and cold targets are obtained by the new microwave radiometer and the temperature measured by PRT.

The sounder is calibrated with the thermal-vacuum chamber test method，and test data are quantitatively analyzed.Results for noise equivalent differential temperatures of fifteen channels show that all fifteen channel measured sensitivities meet requirements of indicators.Noise equivalent differential temperatures of humidity channels are all below 0.5 K which are also at the same level of indicators from ATMS.The channels around 118.75 GHz except channel 2 are all below 1 K，and that means observations from these channels used for temperature retrieval are well.Because the narrow bandwidth of channel 2，the noise equivalent differential temperature of this channel is about 1.7 K that maybe affects retrieval precision.Correlations between all channels are independent.After correcting all biases，the calibration accuracy is well below 1.12 K.Calibration results of microwave humidity and temperature sounder are stability for each channel.The radiometric characteristic analysis of all channels provide useful reference for in-orbit application of the new microwave radiometer sounder on FY-3C.

FY-3C meteorological satellite；microwave humidity and temperature sounder；radiometric characteristics；thermal-vacuum chamber test

郭杨，卢乃锰，谷松岩，等.FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性.应用气象学报，2014，25（4）：436-444.

2013-08-27收到，2014-04-08收到再改稿。

公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206002），国家高技术863计划（2011AA12A104），国家自然科学基金项目（41201360）

*通信作者，email：lunm＠cma.gov.cn