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地基 16 通道并行体制微波辐射计系统特点

热度0票  浏览0次 时间:2017年5月18日 09:29
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。
地基 16 通道并行体制微波辐射计系统特点
文/于永杰 1 朱卫民 2 钱恒臣 2 刘萱 1
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。
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、人工增雨作业有效降
水时机选择及雾霾立体监测提供必要依据。
参考文献
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用[M].北京:电子工业出版社,1995:5-7.
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Domenico Cimini.Principles of
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Quaderni Della Societa Italiana Di
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[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



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