微波辐射计探测大气基本原理
发布时间：2018-01-03 18:24:02
微波辐射计进行大气探测工作的物理基础来自于近代量子理论和大气辐射传输原理：无论任何物质，只要温度高于绝对零，那么任何时刻都不可避免向外辐射电磁波，这种辐射一般很微弱，称为热噪声。地球大气也是热噪声源，因此时时刻刻都在向各个方向辐射噪声能量，其中向下辐射的热噪声辐射强度用亮度温度TB表示，具有如下数学关系：
其中：T∞ 是宇宙背景的辐射亮温，θ为观测角度，f是观测频率，T(z)是高度z处的大气温度，α是大气吸收系数，是大气中各组分的吸收系数之和。由上式可见，大气热噪声辐射强度已经携带了辐射源温度、观测工作频率以及传输路径的信息，因此当采取不同的观测频率和角度时，大气辐射亮温会呈现不同的数值。
图1描绘出了频率100GHz以下的微波-毫米波波段的大气吸收系数曲线，其中水汽在22GHz（位于K波段）附近呈现明显的吸收尖峰，氧气在60GHz（位于V波段）附近呈现很强的吸收尖峰，云液水则没有明显的吸收峰，而是对整个大气吸收特性都起到加强的作用。
图1 微波波段的大气吸收特性
既然大气吸收系数在微波波段具有较为明显的频谱特征，那么提取一系列敏感频率的大气微波辐射信息，就能够反映出丰富的大气温湿特性，例如大气温湿度、压强、折射率、水汽吸收系数等。
中国兵器北方天穹完全基于自主技术研制生产的地基多通道微波辐射计，正是采用了毫米波被动接收、测定空中大气自然产生的热噪声辐射的方式实现空域大气参数的垂直探测。设备主机见图2所示。
图2 地基微波辐射计主机
系统包含辐射计主机、操作终端及标定系统，工作原理是：首先利用机内高温源和外置液氮制冷低温源进行绝对定标，经计算得出系统自身参数的精确值。然后对空凝视观测，实时精确测量K波段和V波段一组特定频点的微波辐射功率，得到所需大气辐射强度谱信息。然后根据历史统计相关气象要素（大气温度、水汽含量、相对湿度、液态水含量等）垂直分布情况对敏感波段大气辐射强度谱影响的综合数值关系，采用神经网络算法实时逆向推导出对流层大气的垂直分布数据，即大气温湿度廓线，同时也得到其它一系列大气参数。整个系统的信息流程如下图所示：
图3 辐射计系统信息流图
在实现基本的大气温湿度廓线探测功能之上，通过大气参数的二次处理运算，能够进一步得出云底高度、大气对流指数、不稳定指数及热力学图解等多种实用数据。