地基16通道并行体制微波辐射计系统特点

摘 要 QFW-6000型微波辐射计是中国电波传播研究所自主研发的国内首款地基16通道并行体制微波辐射计，可实时监测大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量，连续输出0-10km高度的高分辨率大气温湿廓线。本文介绍了QFW-6000微波辐射计的工作原理、系统组成、输出产品精度及并行体制工作特点，表明该设备具有优良的工作性能。

【关键词】微波辐射计 并行体制 接收机

地基微波辐射计是一种用于测量场景（目标）微波热辐射的高灵敏度接收机，主要用于射电天文研究和大气遥感测量。射电天文主要用于测量反演大气结构参数，测量大气和降雨对电波的衰减，还可以用于电波折射误差实时高精度修正；大气遥感主要用于测量反演对流层大气温度廓线，水汽廓线，大气总水汽含量，云中液态水含量，边界层区域逆温及大气不稳定度、大气不透明度等，应用于天气预报和指导人工影响天气作业，雾霾环境气象监测，预报飞机飞行潜在积冰区和积冰等级等。

中国电波传播研究所，早在1982年就自行研制了工作在23.75GHz的微波辐射计，从单通道到多通道、从K波段到THz波段，已形成QFW系列微波辐射计，尤其是QFW-6000型微波辐射计产品，作为国内首款地基16通道并行体制微波辐射计，已应用于气象、环保、导航、遥感等多个领域。

1 QFW-6000型微波辐射计介绍

1.1 工作原理

QFW-6000型微波辐射计选择合适的工作频率，通过遥感测量大气辐射亮度温度的方法来测量反演大气结构参数，选用22.235GHz水汽吸收线附近的大气辐射亮温测量反演大气水汽廓线和水汽总含量，选用50～60GHz氧吸收带的大气辐射亮温测量反演温度廓线，而选用31～35GHz频段的大气辐射亮温测量反演云中液态水含量。

1.2 系统组成

微波辐射计系统主要由接收天线、微波前端及接收机、信号处理终端、测量控制和反演软件等几部分所组成。

微波辐射计接收机工作体制主要有串行体制和并行体制两种。串行体制接收机工作流程：输入的信号，被RF低噪声放大并馈进混频器中。混频器和可调本地振荡器进行混频处理，得到中频信号。中频信号然后进过放大、滤波、放大、检波处理，进过视频放大部分放大处理进入AD采集部分后进行数字处理。串行体制接收机核心部分是可调本地振荡器（TLO）。它包含了一个参考振荡信号，从而产生一个稳定的频率输出，同时需要多级倍频器和谐波滤波器，以便滤除不需要的谐波成分。串行接收机主要缺点是占空比低，即每次只能完成一个频率通道的探测，因此需要多次才能扫描完一周期。而且探测通道数目越多，工作效率越低。

并行体制接收机工作流程：低噪声放大器放大输入进来的信号，被分成多路信号同时探测，频率的分离是依靠带通滤波器组实现的。每个通道都有自己独立的检波器，从而允许并行的检波和积分处理。优点是占空比高（达100%），即一次即可完成所有多通道的探测，工作效率高，这意味着更快的扫描得到水汽和氧气廓线。缺点是电路结构复杂，成本较高。

总体上，并行体制接收机技术难度大、工艺要求高，但输出实时性高、精度好，在微波辐射计应用具有重要优势，代表当前微波辐射计技术发展方向。

1.3 输出产品

QFW-6000型微波辐射计设备主要输出产品：

（1）探测频率：22～32（GHz），51～59（GHz）；

（2）温度廓线测量误差：≤1.0K；

（3）水汽廓线测量误差：≤8%；

（4）亮温误差：≤0.2K.

1.4 工作特点

微波辐射计需要高精度地捕获大气微波辐射信息。实践中所有仪器的测量都产生噪声而制约测量精度。噪声通常来自白噪声（与频率无关），其基本降噪技术就是最大化积分时间。测量的积分时间越长，噪声就越低而精度就越高。噪声的振幅（用于衡量噪声大小）与积分时间的平方根成反比，而高的占空比就意味着高的积分时间，所以并行体制不仅在探测效率上有着无可比拟的先天优势，而且比串行体制的辐射计探测精度更高。

这种并行体制带来的探测速度、探测精度上的优势可以具体体现为：

1.4.1 边界层逆温

辐射计的一个重要应用是探测边界层逆温现象。近地层逆温影响热通量（阻止热量和空气向上方传导）、降低气溶胶和化学物质从地面进入高层大气的能力。QFW-6000可以通过增加不同俯仰角度扫描来提高氧气谱线通道的独立信息量，获得20米的高垂直分辨率，而仅通过通道数目增加并不能提高边界层逆温垂直结构解析能力。因此，单进行天顶方向观测获得高垂直分辨率的能力有限，而并行体制辐射计在俯仰扫描，数据高精度采集方面具有独特优势。

1.4.2 快速全天空成像

在扫描得到水汽、液态水、云结构及云变化二维空间分布上，并行体制技术也有巨大的优势。它可以在5min时间内完成一个2维区域的空间扫描。而串行体制辐射计无法给出这样的信息。

2 结论

本文对地基16通道并行体制微波辐射计的工作原理、系统组成、输出产品及工作特点等进行了详细的论述，表明其可正确描述大气状况的动态变化，可应用于中小尺度天气监测，可为短时临近天气预报、人工增雨作業有效降水时机选择及雾霾立体监测提供必要依据。

参考文献

[1]张祖荫，林士杰.微波辐射测量技术及应用[M].北京：电子工业出版社，1995：5-7.

[2]EdR.Westwater.Susanne Crewell，Christian Matzler and Domenico Cimini.Principles of surface-based microwave and millimeter wave radiometer remote sensing of the troposphere[J].Quaderni Della Societa Italiana Di Elettor-magnetism，2005，1（03）：50-90.

[3]周秀骥，吕达仁，黄润恒等.大气微波辐射及遥感原理[M].北京：科学出版社，1982：51-54.

作者简介

于永杰（1984-），男，山东省威海市乳山市人。硕士研究生学历。现为中国电波传播研究所工程师.主要研究方向为被动遥感。

作者单位

1.中国电波传播研究所 山东省青岛市 266107

2.山东省荣成市成山头气象站 山东省威海市 264300