微波輻射計

表面輻射率為

(0≤

≤1)、絕對温度為

(

>0 K)的物體在整個電磁波的頻譜上都會輻射出電磁波，其頻譜與噪聲相似，這種輻射稱為熱輻射，不同物體具有不同的熱輻射頻譜，有些物體輻射連續頻譜，有些物體輻射離散頻譜，通過測量和分析其輻射頻譜，就可以區分不同物體。 ^[1] 

微波輻射計作為一種無源微波遙感儀器，正是根據自然界中所有物體都有輻射電磁波的原理而製成的。

微波輻射計是一款被動式微波遙感設備，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器而言，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。

微波輻射計主要由三部分組成，即提供空間分辨能力，能收集能量的天線；將收到的噪聲功率轉換為電壓的接收機部分，記錄和顯示設備等。使用最多的是鋭方向束天線，共分反射天線、透鏡天線和陣列天線三種。主要技術性能表現在温度分辨力和空間分辨力上。空間分辨力主要取決於天線孔徑和波長。 ^[2] 

1946年，狄克(Dicke，R.H.)首先研製成第一台測量微波輻射的裝置，稱為狄克式輻射計，現在各種微波輻射計都是在狄克型接收機基礎上改進而成的，有零平衡型輻射計、雙參考温度輻射計、自動反饋型輻射計、相關型輻射計、掃描型輻射計等。 ^[1] 

微波輻射計分兩類：頻譜式和連續式，前者頻率窄，工作於微波諧振線上，後者用於遙感具有寬廣頻譜特性的目標，微波輻射計在軍事偵察、氣象學、海洋學和天文學等領域中得到廣泛應用。 ^[1]  如圖《原理圖》所示。

微波輻射計還可以分為圖像型和非圖像型，其中採用掃描天線的掃描微波輻射計就是圖像型輻射計，其特點是天線可以對地面目標進行掃描探測，獲取地面目標的微波輻射信息，把所獲取的信息轉換成以灰度等級顯示的物體圖像，掃描方式有兩類：

（1）電掃描，如雨雲5號和6號氣象衞星上的電掃描微波輻射計；

（2）機械掃描，如雨雲7號和海洋衞星1號上的掃描多通道微波輻射計和泰羅斯N號上的微波探測器。

從微波輻射計出現至今，人們已經發展了地基、空基(含飛機導彈氣球平台)、星基(含衞星飛船航天飛機平台)的基於各種平台的系列微波輻射計。

在目前基於各個運載平台的微波輻射計中，星基微波輻射計以微波輻射計獨有的特點和從衞星高度獲取全球資料的便利性，成為從衞星上觀測地球的一種重要手段，由於地基空基輻射計是星基輻射計的基礎，它們的發展就更加迅猛，只不過眾多的地基、空基輻射計沒有數量有限的星基輻射計那麼聲名顯赫而已。 ^[3] 

目前星載微波輻射計大多是全功率型微波輻射計。採用全功率型接收機、週期性定標的微波輻射計原

理如圖《全功率微波輻射計原理》所示。

全功率型週期定標微波輻射計由天線子系統(包括反射面、饋源和天線罩)、分極化分頻器、接收機子系統(包括高頻通道和中低頻通道)、信息處理和控制單元、熱輻射定標源子系統(包括輻射體、温度控制器和測温電路)、掃描伺服機構等組成。

天線接收到的信號，經過分極化分頻器分別輸入各自的高頻通道，高頻通道輸出的中頻信號經過中頻放大、檢波器平方律檢波，低頻放大器放大及直流補償，然後由A/D變換器轉換成數字量，在信息處理和控制單元經過數字積分和定標處理，反演出各個視場的天線温度。信息處理和控制單元還實現中頻放大器的增益控制和接收機；子系統本機噪聲的直流補償，以及對掃描伺服機構和熱輻射定標源的信息處理和控制等功能。

星載微波輻射計具有功耗低、體積小、質量輕和工作穩定可靠等特點，應用領域非常寬廣。從大的方面來説，星載微波輻射計主要應用於大氣探測、海洋觀測、對地觀測微波遙感3個方面；從具體探測目標來説，星載微波輻射計主要應用於氣象、農林、地質、海洋環境監測和軍事偵察等；還可用於天文、醫療和導彈的末制導等方面。

（1）大氣探測

從空間對大氣進行探測已經有40多年的歷史。具有代表性的有1968年前蘇聯發射的Cosmos243衞星，裝載有4通道(3.5，8.8，22.2，37.0GHz)微波輻射計，用以測大氣水汽、液態水、地表温度、水；第一顆業務衞星是1978年美國發射的Tiros-N極軌氣象衞星，裝載有微波探測儀MSU，用以探測大氣垂直温度。最近十年，主要有美國DMSP(美國氣象衞星計劃)系列衞星裝載的微波輻射計SSM/T.SSMI間和NOAA(美國海洋和大氣局)系列衞星裝載的AMSU等。

（2） 海洋觀測

星載微波輻射計在海洋觀測方面主要用於觀測海洋温度、海面風速、海水鹽度、海面油污染及海冰厚度、面積、冰山、冰齡問等。具有代表性的有SEASAT衞星裝載的SMMR微波輻射計129.ERS-1/2衞星裝載的ATSR-M軌跡拉描軻晶射計131、ENVISAT-1衞星裝載的AATSR微波輻射計、ADE0S-2衞星裝載的AMSR微波3描輻射計。

（3）對地觀測

該類微波輻射計主要用於探測土壤温度、降水、大氣水汽含量、積雪、土壤成分、海面温度，還可以得到植被生長情況，對農作物進行估產，監測水、早、林火、雪暴等自然災害和生態環境的動態變化,進行作物估產等服務。

用微波輻射計對各種物體發射的自然輻射信號進行被動接收具有相當多的優點： ^[3] 

（1）由於是被動接收.所以不容易被發現從而有良好的保密性，同時輻射計的體積功耗都很小；

（2）由於微波具有穿透雲層、小雨、霧和抗太陽輻射的影響，所以具有較強的全天候全天時工作能力此優點強於可見光和紅外；

（3）微波具有一定的穿透被測物體的能力；

（4）微波遙感具有一定定量測量的能力。

微波輻射計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；天氣雷達資料基本侷限於降雨過程無降水時的欠缺；在離地面5公里範圍內衞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算法。主要應用如下：對流層剖面的温度、濕度和液態水，天氣和氣候模型研究，衞星追蹤（GPS，伽利略）濕/幹延遲和濕度廓線，臨近預報大氣穩定性（災害性天氣檢測），温度反演檢測、霧、空氣污染，絕對校準雲雷達，濕/幹延遲改正VLBI。

微波輻射計的主要技術指標是頻段和温度分辨率、空間分辨率。

目前機載微波輻射計實測温度分辨率達0.02K，星載微波輻射計温度分辨率達0.2～1K。

早期的微波輻射計技術採用單檢測器變頻技術，目前國際上新成熟的技術為並行多檢測器多通道直接測量技術，二種技術都採用K波段和V波段的水汽和氧氣通道觀測反演大氣的水汽和温度信息。 由於基於並行技術的微波輻射計探測速度和穩定性大大高於前者，已經成為當今微波輻射計發展的重要方向。並行技術微波輻射計的各通道帶寬獨立，積分時間充足的條件下可採用邊界層多角度掃描捕捉到邊界層1K的微小亮温變化，大大提高了邊界層温度垂直分辨率。並行多通道也使得快速全天空掃描和方位-時間掃描得以實現，特別有助於監測天空快速水汽變化和雲天變化。

我國微波輻射計的研究工作始於70年代初，已經歷了從地基到空載，從單頻到多頻的發展進程，並取得一系列有價值的成果。儘管如此，星載微波輻射計的研究工作剛剛列入日程，目前，仍處在論證、研製、機械樣機的試驗階段。並且都侷限於傳統微波輻射計的工作模式，與國外的先進技術相比，還相差很遠。 ^[4] 

當前，微波傳感器正處在研究開發和向實用化發展的階段。它正以前所未有的步伐向前發展，其發展趨勢預示着微波遙感技術在地學各個應用領域中佔據越來越重要的地位。

90年代是世界遙感技術發展的黃金時代，如果我們不抓住目前國際發展的大趨勢，有效佈署和規劃各類微波傳感器的發展，我們將陷於被動，與國際水平的差距還將加大。

為此，在發展我國空間平台的同時，應加速星載微波輻射計系統的研究，同時，組織力量，緊跟國際發展的動向，研究和發展最新的星載微波輻射計系統。為我國未來發射的衞星提供更加先進的遙感設備，使我國在微波遙感技術領域早日躋身於國際先進行列。 ^[4]