微波輻射儀

微波輻射儀是用微波進行遙感，從而對地物進行探測的微波接收機，在探測大氣、海洋、植被和土壤等方面有廣泛應用，而數據處理與控制單元作為微波輻射計的重要組成部分，承擔了所有的驅動及控制功能，對時序及精度要求十分嚴格。由於系統對可靠性要求較高，故採用單片機作為220GHz微波輻射計數控單元的核心，通過精確的時序控制，實現了數據採集、天線控制、狀態提取、串口通信等功能。同時，該數控單元具有功耗低，採樣精度高，介面簡便等特點。微波輻射計，是利用被動的接收，各個高度傳來的溫度輻射的微波信號來判斷溫度、溫度曲線，是一款被動式地基微波遙感設備，微波遙感起步晚於可見光和紅外遙感。但相對於可見光和紅外遙感而言，微波輻射計能全天候、全天時工作。可見光遙感只能在白天工作，紅外遙感雖可在夜晚工作，但不能穿透雲霧。微波輻射計是一種用於測量物體微波熱輻射的高靈敏度接收機。通過測量天線接收到的輻射功率反演被觀測目標的亮度溫度；測量的物理量為亮度溫度(K)。輻射計天線接收的輻射能量來自地面物體的發射輻射和反射輻射，根據瑞利-金斯公式，物體發射的功率與溫度成正比。物體的發射特性用輻射測量亮度溫度表徵。表徵微波輻射計性能的主要參數是溫度解析度(靈敏度)和空間解析度(角解析度)。

微波輻射儀測量海表面溫度的原理：微波的波長為0.1~100 cm，微波又可細分為毫米波、厘米波和分米波等。微波的特點是能穿透雲霧，具有全天候工作特點。微波遙感分為主動微波遙感和被動微波遙感。在不考慮大氣中各種粒子的貢獻時，微波輻射計探測到的海面亮溫Tb(f)與海表面溫度TS有簡單關係。將瑞利-金斯定律代入公式，獲得 T(f，θ，φ，TSST)=e (f，θ，φ) TSST (1) 式中：T(f，θ，φ，TSST)代表微波輻射計探測到的海面亮溫;TSST是 海表面一個薄層海水的溫度，它代表海表面的熱力學溫度，當然它與常規水桶采水法在一定深度取水測得的海表面溫度略有差別。如果感測器位於海表面之上某一個 足夠高度的平台例如飛機或衛星上，還要考慮大氣校正，即在公式(1)中還要補充大氣層空氣自發輻射項和大氣透射率因子等。根據基爾霍夫定律，平靜海面的發射率e與菲涅爾反射率ρ之間的關係是 e HV(f，θ，φ)=1-ρHV(f，θ，φ) (2) 式中：下標H和V分別表示電磁波的水平極化狀態和垂直極化狀態;f為微波頻率;θ為觀測的天頂角，它代表衛星的觀測方向與海面法線之間的夾角，簡稱為觀測角或入射角;φ為方位角，它代表輻射儀觀測方向與風向的夾角

微波輻射儀實際上是一個接收無規則噪音信號的高靈敏度接收機。它所接收的信號是微弱的非相干的和不可控制的雜訊，這種雜訊和接收機內部元素器件產生的雜訊信號無本質上的區別。為了測量出被接收到的外部噪音，就必須把內部雜訊在終端產生輸出電壓消去，消去改電壓最有效的方法就是連續比較天線輸出和標準雜訊源的輸出。

典型的微波輻射儀是由提空空間分辨力的微波天線、提供頻率選擇與放大的接收機、保證輸出電壓正比於接收電壓的輻射功率的平方律撿波器、消去內部雜訊在終端輸出電壓並獲得輻射溫度輸出的信號處理器及對數據進行處理、記錄和顯示等設備組成。

根據輻射儀的用途和特點可以進行分類。按照工作環境可分為實驗室用、地面野外用、機載和星載輻射儀；按用途可以分為射電天文、大氣探測、測繪和跟蹤輻射儀；按照電路特點可以分為全功率式、調製式、相關式和相位開關式輻射儀；此外還可以分為帶鎖式開關和不帶鎖式開關兩類。

微波輻射儀主要用於中小尺度天氣現象，如暴風雨、閃電、強降雨、霧、冰凍及邊界層紊流。對於短時間內生成或消散的中小尺度天氣災害，雖然只是地區性的，但部分事件危害性較大。在目前中尺度天氣現象監測過程中，探空氣球和天氣雷達是常用的手段。探空氣球會受到使用時間和空間的限制；天氣雷達資料基本局限於降雨過程無降水時的欠缺；在離地面5公里範圍內衛星遙感數據存在較大的誤差。被動式地基微波輻射計的出現，填補上述研究方法監測方面的空白，是其有效的補充手段。微波輻射具有獨立工作能力，能在幾乎各種環境條件工作，非常適合於自動天氣站。用於反演完整的大氣廓線，反演數據和原始數據全部保存。提供完備的顧客定製或全球標準演演算法。主要應用如下：對流層剖面的溫度、濕度和液態水，天氣和氣候模型研究，衛星追蹤（GPS，伽利略）濕/干延遲和濕度廓線，臨近預報大氣穩定性（災害性天氣檢測），溫度反演檢測、霧、空氣污染，絕對校準雲雷達，濕/干延遲改正VLBI技術。

在地面上用頻率為52—56千兆赫的微波輻射儀，通過不同仰角亮度溫度的測量，可以遙測大氣的溫度層結。遙測對流層上部(500mb以上)的溫度，頻率在53.1千兆赫附近效果較好。