地基多通道微波辐射计功能规格需求书试行

地基多通道微波辐射计功能规格需求书（试行）中国气象局2013年5月目录1.概述.................................................12.系统原理和组成.......................................22.1系统原理...........................................22.2系统组成...........................................32.3管理应用软件.......................................63.总体要求.............................................64.功能要求.............................................74.1主体设备...........................................74.2外围设备..........................................104.3管理应用软件......................................105.技术性能指标及要求..................................125.1基本探测性能......................................125.2天线组件..........................................135.3微波辐射接收单元..................................135.4定标..............................................135.5数据采集与系统控制单元............................135.6辅助单元..........................................145.7电源..............................................145.8数据线缆..........................................145.9计算机............................................145.10连续工作时间.....................................155.11平均功耗.........................................155.12可靠性...........................................155.13环境适应性.......................................155.14安全性...........................................165.15结构和外观要求...................................165.16基本探测产品.....................................175.17探测数据文件要求.................................175.18运行状态监控.....................................185.19数据文件及格式说明...............................186.性能检测............................................196.1考核与评估........................................196.2探测误差评估方法..................................196.3强制评估内容......................................19附件产品数据文件格式..................................20—1—1.概述为规范地基微波辐射计的研制和生产，制定本功能规格需求书。地基微波辐射计（MicrowaveRadiometer）是基于大气微波遥感技术的气象观测设备，可实现对中尺度强天气系统大气层结的监测和预警、云物理特征的监测和人工影响天气科研及业务的应用、雾霾天气等边界层大气环境质量的监测，同时可作为常规高空观测的有益补充，为下一步实现无球探空技术打下基础。地基微波辐射计在典型的微波V波段大气氧气窗口（51GHz-59GHz）和微波K波段大气水汽窗口（22GHz-31GHz）内选择合适的频率（在寒冷干旱的低水汽密度条件下也可选用微波183GHz的水汽窗口反演水汽），通过对大气微波辐射的遥感测量，反演获得对流层大气温度、湿度廓线、大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等信息。氧气和水汽大气窗口中的不同微波通道，具有不同的谱宽和衰减特性，采用多通道进行同时或分时探测，可以更全面地得到大气微波背景的辐射特性，通过综合分析和反演，减小大气垂直温度和湿度测量的误差。因此，本功能规格需求书要求地基微波辐射计采用多通道测量的方案设计。由于云水对于天气和人工影响天气作业具有重要意义，本功能规格需求书要求地基微波辐射计配置红外辐射仪，以获取云底温度等探测数据，为产品提供验证，提高探测数据的准确性。本功能规格需求书规定了地基多通道微波辐射计的系统组成、功—2—能要求、技术性能指标和检测要求等，适用于气象业务使用的地基多通道微波辐射计的研制、考核、生产和产品验收。2.系统原理和组成2.1系统原理地基微波辐射计的测量原理是，根据大气对于不同频率微波频段辐射吸收的差异，选择不同微波通道探测大气的亮度温度（亮温）的变化，通常使用微波遥感反演是对大气在22GHz至200GHz的频率带中的微波辐射进行测量。其中，22.2GHz附近和183GHz附近的特征表现为一个水汽谐振带，即根据水汽分布的气压高度表现的压力加宽；60GHz附近的特征表现为大气氧气谐振带；而在此波段云液态水的发射光谱无谐振，并近似与频率的二次方成正比。通过测量氧气在60GHz附近的辐射强度或亮度温度得出温度分布。谱线峰值中心位置由于不透明性很强，所有信号均仅仅来源于天线上方附近；在此峰值中心两侧的频率位置吸收减弱，辐射计则会“看”得远一些。从此峰值向谱线两侧下方扫描，仪器则可通过此方法获得高度信息。在任意高度上的氧气发射电磁波都与当地的温度和氧气密度分布成正比，因此可以得到温度廓线。通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射的强度和形状的信息，可以得到水汽廓线。22GHz附近适合进行相对潮湿地区的地基廓线反演；较敏感的183GHz适合干旱环境的地基水汽廓线反演。水汽的发射物在高纬度地区显示为一个很窄的线条，而在低纬度地区显示较宽。发射强度与水蒸气密度和温度成正比。通过扫描光谱分布和数学反演观—3—测数据，可以得到水汽廓线。式(1)是地基微波大气遥感的基本方程，其右边第一项是大气层向下的辐射贡献，第二项是宇宙背景辐射，一般cT=2.7K，有时可以忽略。c0'sec0sec)()0,(TdzezTldzBT(1)对于非降水云的有云大气，式中为有云大气的吸收系数，它包括三项即cOOH22，OH2、2O和c分别为水汽、氧气和云的吸收系数。对降水云层为雨云大气的吸收系数，它包括四项即rcOOH22，式中r为雨的吸收系数。所以，地基遥测到辐射亮温)0,(TB为频率λ和天顶角θ，大气的温度T(z)，压强P(z)和水汽密度)(zv参数以及云雨等大气信息的函数，即知道以上参数就可以计算出亮温)0,(TB的值，这个过程称为正向或前向问题。与此相反的，用测量到的几个频率v或天顶角θ上的几个)0,(TB值作为反演算法的输入变量而得到感兴趣的大气参数变量的过程称为反演过程。根据上述探测原理，地基多通道微波辐射计应能通过探测大气亮温，结合使用物理方法和统计方法建立反演方法，能长期、自动、连续的提供0～10km的温湿度廓线，并进而计算得出大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等多种应用产品，满足气象业务和科研的实际使用需求。2.2系统组成地基多通道微波辐射计硬件由主体设备和外围设备两部分组成，—4—组成结构如图1所示。其中，主体设备包含微波辐射接收单元、数据采集与系统控制管理单元、内部定标单元和辅助单元。其中辅助单元包括外部液氮定标组件、防雨雾干燥组件、地面气象要素观测组件、时间同步组件、红外辐射仪组件、机体和支架等；外围设备包括计算机和供电电源。地基多通道微波辐射计的控制管理应用软件安装于外部计算机中。图1微波辐射计组成示意图2.2.1主体设备2.2.1.1微波辐射接收单元微波辐射接收单元包含天线组件和接收器组件。1）天线组件，包括微波天线、仰角转动器件和其他辅助器件。—5—2）接收器组件。包括滤波和检测等器件的接收电路，输出为数字信号。2.2.1.2内部定标单元内部定标单元包括内部黑体定标组件和噪声源定标组件等内部定标组件，具备实现包括黑体、噪声源、多点非线性自动定标等多种内部定标功能。2.2.1.3数据采集与系统控制管理单元数据采集与系统控制单元由嵌入式处理器及其配套电路组成，实现仪器控制、恒温控制、探测数据接收与储存等。在嵌入式处理器中安装内部控制管理软件，实现对设备硬件控制和数据采集，并负责与外部控制器之间的指令和数据交换。2.2.1.4辅助单元辅助单元包括外部液氮定标组件、防雨雾干燥组件、地面气象要素观测组件、时间同步组件、红外辐射仪组件、机体、支架等组成。外部液氮定标组件：包括液氮容器和主机附着支架等，安装于主体设备外部，数据输出到数据采集与系统控制单元。地面气象要素观测组件：包括温度、湿度、气压和雨雪传感器及其采集电路，安装于主体设备外部，数据输出到数据采集与系统控制单元。防雨雾干燥组件：包括鼓风机和加热器件。根据地面气象要素观测组件观测信息，工作状态受数据采集与系统控制单元控制。时间同步组件：安装于主体设备外部，授时或定位数据输出到数—6—据采集与系统控制单元。红外辐射仪组件：安装于主体设备外部，数据输出到数据采集与系统控制单元。机体，包括底板、机壳盖和微波辐射窗口防护罩（即天线罩）等，防护罩材料为疏水材质。支架。2.2.2外围设备包括计算机和供电电源。1）供电电源：包括主机供电电源、防雨雾干燥组件和外部计算机供电电源。2）外部计算机：包括主机、显示屏和相关通用配件，计算机安装控制管理应用软件控制主体设备进行探测、定标和数据交换。2.3管理应用软件是安装于外部计算机的控制管理应用软件，实现微波辐射计的控制、管理和数据采集，数据存储、查询、检索、显示和分析，并具备打印、窗口查看、快捷操作和帮助查询等通用功能。3.总体要求微波辐射计应测量准确，工作稳定、可靠和易维护维修。满足以下总体要求：1）能全天候、自动长期稳定运行，在中雨以下可进行有效探测。2）具备对对流层范围内的大气温度廓线、湿度廓线、大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量、云底温度和高度的探测能力。—7—3）能开展边界层大气温度廓线的探测。4）日常运行过程中能实时内部自动定标，并具备不定期进行绝对定标的能力。5）采用模块化结构设计，运行稳定可靠，易于安装和调校，维修维护方便，可根据实际需要进行功能扩充。6）外部计算机应用软件设计符合要求，控制管理和数据处理功能完备，操作界面简明，使用方便，能够满足操作人员对仪器和探测结果进行控制管理和产品显示应用等要求。7）具备抗外界电磁干扰能力，不受电台和手机等射频信号干扰。8）设备环境适应能力强，机体结构合理，具被抗风和耐潮等的能力。9）整体构件和电气性能应满足防雷等安全规范要求。10）具备设备运行状态远程