应用气象学报  2010, 21 (3): 335-342   PDF    
引用本文
谷松岩, 王振占, 李靖, 张升伟. 风云三号A星微波湿度计主探测通道辐射特性[J]. 应用气象学报, 2010, 21(3): 335-342.
Gu Songyan, Wang Zhenzhan, Li Jing, Zhang Shengwei. The Radiometric Characteristics of Sounding Channels for FY-3A/MWHS[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(3): 335-342  
风云三号A星微波湿度计主探测通道辐射特性
谷松岩1, 王振占2, 李靖2, 张升伟2     
1. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室国家卫星气象中心, 北京 100081;
2. 中国科学院空间科学与应用中心, 北京 100190
2009-04-13 收到, 2010-01-06 收到修改稿.
资助项目: 国家863计划项目 (2007AA12Z115) 资助    
摘要: 微波湿度计装载在2008年5月27日发射升空的我国新一代极轨气象卫星风云三号A星上，完成全天候大气湿度信息的被动微波遥感探测。主探测通道中心频点位于183.31 GHz，设置有3个双边带探测通道。为保证风云三号微波湿度计在轨定量应用，研制过程中完成了地面真空试验。该文对风云三号A星微波湿度计正样产品真空试验数据进行了定量分析，数据分析结果表明:风云三号A星微波湿度计正样产品主探测频点183.31 GHz附近的3个探测通道等效噪声温差小于等于0.91 K；定标准确度优于1.05 K；真空试验过程中微波湿度计辐射定标结果稳定。风云三号A星微波湿度计发射前辐射定标特性分析结果，为仪器在轨定量应用奠定了基础。
关键词: 风云三号    微波湿度计    辐射特性    
The Radiometric Characteristics of Sounding Channels for FY-3A/MWHS
Gu Songyan1, Wang Zhenzhan2, Li Jing2, Zhang Shengwei2     
1. Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081;
2. Center for Space Science and Applied Research Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190
Abstract: The microwave humidity sounder (MWHS) is installed on new generation of Fengyun polar orbiters, FY 3A satellite, which is launched on 27 May 2008, for global all weather humidity sounding. The sounder produced by Center for Space Science and Applied Research Chinese Academy of Sciences has 5 channels in the range of 150—191 GHz. Around the center frequency of 183.31 GHz water vapor line, there are 3 sounding channels at 183.31±1, 183.31±3, and 183.31±7 GHz. All these three channels have two pass bands, and are only sensitive to vertical polarization at nadir. At 150 GHz there are 2 subsidiary window channels of V/H polarization. Every 2.667 s, MWHS scans through 98 earth views, 3 space views, and 3 internal black body target views. Each pixel has a nominal field of 1.1° (15 km on surface at nadir). One scan line could cover±53.35° from sub satellite point. The instruments are comprehensively tested to determine their actual antenna, spectral, thermal and radiometric characteristics. In order to determine the radiometric performance and verify the method for calibration of MWHS, an extensive test is performed on the flight models. The instruments are placed in a 3 m thermal-vacuum chamber where the temperature could be controlled simulating the conditions in orbit and they are used to observe an earth target and a space one. The thermal-vacuum facility is used to modify temperature circularly to test the instrument in vacuum before launch. The temperature of MWHS is controlled at 273 K, 283 K, 293 K and 303 K except in the earth and space directions where the shroud is maintained at any desired temperature between 100 K and 350 K for an earth target, and 90 K for space target. The whole targets temperature is measured to an absolute accuracy of better than 0.1 K by regularly calibrating the PRT with a standard one traceable to a national standard. The T/V test data are quantitatively analyzed, and the TNE of MWHS three channels on 183.31 GHz water vapor line at 183.31±1, 183.31±3 and 183.31±7 GHz are calculated. All three channel TNEare less than 0.90 K. MWHS is designed to allow a 2 point calibration, for each scan line, from the internal target and space views. The instrument response is assumed to be linear between these two calibration points. After correcting all the biases, the calibration accuracy is well below 1.05 K, and the changes of calibration results with instrument temperature are relatively small. Therefore, it's expected that temperature variations in orbit will not affect measuring brightness temperatures much. The radiometric characteristics analysis of sounding channels for FY-3A/MWHS will be the base for quantitative application in orbit. And the T/V test results will be directly used in orbit calibrating. Once MWHS is in orbit, the TNE will not be measured directly but the variance of the internal target will provide a measurement of the noise for each channel, and the in orbit radiometric sensitivities can be monitored. The MWHS calibration test can be validated using NWP results and intensive field campaigns. The lab test results will be valuable for interpretation of the in orbit data.
Key words: FY-3A     MWHS     radiometric characteristics    
引言

大气中水汽分布特征与各类天气系统的发生发展密切相关, 风云三号A星微波湿度计具有全天候获取全球大气水汽垂直分布信息的能力, 能获取与台风､暴雨等强对流天气现象密切相关的云雨大气参数, 从而提升我国极轨气象卫星灾害性天气监测预警能力｡风云三号A星微波湿度计与同星装载的微波温度计和红外分光计共同组成风云三号大气探测仪器组, 实现全天候全球大气探测, 为数值天气预报提供及时准确的初始场信息[1]｡

国际上用于大气湿度探测的星载被动微波遥感器始于1978年, 美国在其业务环境卫星TIROS-(Television InfraRed Operational Satellite-) N系列上装载了微波探测器MSU (Mirowave Sounder U-nit), 与高分辨率红外探测器HIRS (High Resolu-tion Infrared Radiation Sounder) 结合, 实现了大气垂直温度廓线的遥感探测, 形成美国星载大气探测业务体系TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder)｡之后美国于1987年在国防系列卫星DMSP (Defense Meteorological Satellites Program) 上搭载了大气垂直探测仪SSM/T (the Special Sen-sor Microwave Temperature sounder), 随后又增载了SSM/T-2(the Special Sensor Microwave Tem-perature sounder-2；Special Sensor Microwave Wa-ter Vapor Profiler), 提高大气垂直探测能力, 尝试开展大气湿度廓线的垂直探测, 取得长足进展｡在美国当代DMSP计划中, 用SSMIS (the Special Sensor Microwave Imager/Sounder) 取代SSM/I, SSM/T和SSM/T-2, 实现垂直探测和成像遥感的有机结合｡同时美国在NOAA-15, NOAA-16和NOAA-17上, 装载了20通道先进微波探测器AM-SU (Advanced Microwave Sounding Unit), 取代MSU, 形成新一代大气探测业务系统ATOVS (theAdvanced TIROS Operational Vertical Sound-er)[2-4]｡

2002年升空的美国EOS-(the Earth Observing System-) PM1 Aqua卫星上, 仍载有与AMSU性能相当的先进微波大气探测器, 其中包括巴西研制的湿度探测仪HSB (the Humidity Sounder for Bra-zil)｡美国NOAA-18以及欧洲新一代极轨气象卫星MetOp卫星上都装载了性能优于AMSU-B的微波湿度探测器MHS (the Microwave Humidity Sounder)｡美国下一代极轨气象卫星NPOESS (National Polar-orbiting Operational Environmen-tal Satellite System) 系列上计划装载更为先进的微波大气探测载荷ATMS (Advanced Technology Mi-crowave Sounder), 形成更加精准的星载大气探测业务体系[5]｡

为逐步建立我国星载大气探测业务体系, 提升我国对天气气候系统星载监测探测能力, 风云三号气象卫星在我国首次设计装载了频率为183.31GHz的微波遥感载荷用于大气湿度探测, 并开展了地面真空定标试验｡本文利用地面真空定标试验数据, 分析了风云三号A星微波湿度计的基本辐射性能, 为遥感资料的在轨定量应用奠定了基础｡

1 风云三号A星微波湿度计基本性能

风云三号A星微波湿度计[1]由中国科学院空间科学与应用中心承制, 为全功率型微波辐射计, 两副偏置抛物面天线在扫描机构驱动下以切轨变速扫描方式完成周期对地观测, 将地气系统的微波辐射反射到圆锥形波纹喇叭馈源, 经准光学系统极化分离和分频得到以计数值形式表示的各通道观测值, 利用仪器内部黑体和宇宙背景作为稳定的高､低温定标参考源, 实现在轨定标, 完成大气湿度廓线的定量遥感｡

风云三号A星微波湿度计对地扫描张角为±53.35°, 扫描带宽度约为2700km, 每条扫描线观测像元数达到98个, 星下点水平分辨率约15km, 星上配有2个黑体分别用于两个探测频点的辐射定标, 波束指向误差小于0.1°, 扫描周期2.667s, 遥感数据量化等级达到15bit, 仪器设计定标精度1.5K｡

风云三号A星微波湿度计主探测频点在183.31GHz强水汽吸收线附近, 设置了3个双边带通道, 分别为183.31±1 GHz, 183.31±3 GHz, 183.31±7GHz, 这些探测通道对大气中各层水汽的分布特征表现出不同响应特性, 位于水汽吸收带中心的183.31±1GHz通道对大气上层水汽含量敏感, 而183.31±3GHz和183.31±7GHz通道逐渐远离吸收线中心移向翼区, 穿透深度逐渐加强, 分别对大气中层和低层水汽敏感, 因此利用风云三号A星微波湿度计可以定量反演大气不同层的湿度信息｡而大气窗区的辅助双极化探测通道频率为150GHz, 除用来修正主探测通道的数据外, 还可以用来探测强降雨和卷云等｡主探测频点通道参数见表 1｡

表 1 风云三号A星微波湿度计主探测频点 (183.31GHz) 通道性能参数 Table 1 Channel characteristics of the FY-3A/MWHS at 183.31 GHz

2 风云三号A星微波湿度计真空定标试验简介

风云三号A星微波湿度计真空定标试验目的是全面测量微波湿度计的系统响应特性, 建立真空环境下各种参数对于微波湿度计输出影响的量化关系｡主要内容包括真空条件下微波湿度计整体性能指标测试；在真空条件下进行微波湿度计定标试验, 建立系统定标方程, 进行定标误差分析并确定在不同环境温度下微波湿度计的灵敏度和定标准确度等主要技术指标｡

风云三号A星微波湿度计真空定标试验在上海航天科技集团509所经过改造的KM2真空罐内进行, 真空度为1.3×10-3Pa到1.5×10-3Pa｡试验测试设备包括测试小车和计算机采集设备｡小车上安装微波湿度计及其数控单元和电源单元, 另外还包括湿度计温控设备､冷源, 以及屏蔽罩｡图 1是风云三号A星微波湿度计真空定标试验设备安装示意图｡

图 1. 风云三号A星真空定标试验设备安装示意图 (单位:cm) Fig 1. Facility for thermal vacuum test of FY-3A/MWHS (unit:cm)

为模拟风云三号A星微波湿度计在轨运行仪器温度的变化, 真空试验过程中通过温控系统, 保持湿度计底板温度在0~30℃范围内变化；用变温源来模拟地气系统的温度变化, 变温源位置固定在仪器天底点, 温度变化范围在80~330K内, 变温源温度控制稳定性优于±0.1K/10min；冷定标源使用液氮系统冷却, 用来模拟冷空, 位置固定在仪器冷空观测点 (+72.9°), 温度稳定在80K附近, 冷源温度控制稳定性也优于±0.1K/10min；热定标源采用微波湿度计内部黑体｡真空试验过程中, 3个源的温度测量均采用铂电阻测温, 测温精度优于0.1K[6-7]｡

按照真空试验设计方案, 微波湿度计150GHz和183.31GHz两个频点分别进行真空试验, 本文只针对主探测频点的真空试验进行了细致分析, 方法原理完全等同于辅助窗区通道的热真空试验数据处理｡

3 风云三号A星微波湿度计主探测频点 (183.31GHz) 通道辐射特性

风云三号A星微波湿度计主探测通道真空试验中为了模拟在轨运行时仪器温度的变化, 通过温控系统, 使微波湿度计的底板温度分别稳定在0, 10, 20 ℃和30 ℃；相应的接收机中频温度分别为-3.1, 8.3, 17.6 ℃和27.1 ℃；变温源固定在仪器天底点, 用来模拟对地观测目标的亮温变化, 变温源温度在80~330K范围内以15K为间隔设置了17个测温点；冷定标源固定在仪器冷空观测点 (+72.9°) 位置, 使用液氮系统冷却, 稳定温控在80~100K范围内某一个温度值, 用来模拟冷空；热定标源直接用微波湿度计的内部黑体｡

3.1 真空试验辐射定标数据处理原理

风云三号A星微波湿度计真空定标试验过程中每条扫描线通过测量热定标源和冷定标源的温度及辐射测量计数值, 实现两点定标｡如果在两个定标点间仪器有很好的线性响应, 微波湿度计通过天馈系统得到辐射量与湿度计的输出量应满足线性关系:

(1)

式 (1) 中, R为辐射量, C为通道计数值, 与湿度计输出电压成正比；a, b为线性定标系数, 其中a为斜率, b为截距, 每个扫描周期根据微波湿度计对冷､热定标源的观测结果可以确定定标系数:

(2)

式 (2) 中, Rw, Rc是真空定标试验中热源和冷源的辐射量, 利用埋嵌在黑体中的测温电阻得到温度测量值, 经带宽订正和普朗克函数换算得到辐射量；普朗克函数形如, 其中C1, C2为常数, C1=1.1910439×10-5, C2=1.438768, T是以K为单位经带宽订正处理的定标体等效温度, v是以cm-1为单位的通道中心波数, 风云三号A星微波湿度计主探测频点183.31GHz, 中心波数为6.1146cm-1｡Cw, Cc为微波湿度计各扫描周期观测冷定标源 (Cc) 和热定标源 (Cw) 得到3组计数值的平均值｡

每个扫描周期根据冷定标源和热定标源的观测结果计算定标系数, 利用定标系数将微波湿度计变温源观测结果转换为辐射量并进而转换得到变温源观测亮温, 根据变温源系统本身的温度测量结果结合变温源微波发射率可以计算得到变温源的测量亮温, 通过分析变温源的测量亮温和微波湿度计遥感变温源得到的亮温二者之间的辐射偏差特性, 可以建立微波湿度计通道辐射非线性偏差特性, 为在轨订正奠定基础｡

3.2 真空定标实验基础数据分析

微波湿度计真空定标试验基础数据包括冷定标源､热定标源和变温源的测温数据；以及微波湿度计对上述3个源的观测计数值数据和微波湿度计仪器工作温度等数据｡微波湿度计正样产品183.31GHz频点的热定标源共用了5个铂电阻 (PRT) 测温｡真空试验数据分析表明5个PRT的测值一致性很好, 取100条线的实验数据分析, 每个PRT测值稳定, 最高温度 (PRT5) 与最低温度 (PRT1) 差值为0.21K (图 2)；在315K到105K各温度点试验过程中, 5个PRT测值之间相互关系具有很好的复现性, 这说明热定标源黑体达到热平衡后温度分布特性稳定｡

图 2. 183.31GHz热定标源PRT温度测值 Fig 2. PRT temperature distribution of 183.31 GHz warm target

任选微波湿度计183.31GHz3个通道连续的多条扫描线数据, 以观测计数值为纵坐标, 以观测像元为横坐标, 横坐标按照热定标源观测数据 (3个)､冷定标源观测数据 (3个) 加上变温源观测数据 (98个) 的排布顺序摆放试验数据, 得到图 3, 可以看到3个通道各扫描周期间观测结果具有非常好的一致性, 这表明微波湿度计在扫描周期间工作性能稳定；3个通道间, 通道1和通道3观测计数值接近, 通道2观测计数值低于通道1和通道3｡

图 3. 热源､冷源和变温源观测值在多个扫描周期中的一致性 Fig 3. Accordance analysis of warm, cold and variable target view in scan lines

3.3 定标结果分析

分析真空试验定标结果[8-10]的偏差分布可以了解微波湿度计的基本辐射特性｡

以环境温度为10℃的测试过程为例, 在线性定标并假设冷､热定标源均为黑体的条件下, 将微波湿度计遥感得到的变温源观测计数值经定标转换得到的亮温 (Tb1) 与变温源PRT温度测量结果 (Tb2) 进行比较, 得到图 4所示的当变温源温度分别稳定在17个测量点时, 变温源微波湿度计遥感数据定标结果与变温源温度直接测量结果间的偏差, 可以看到各通道温度偏差分布特征有差异, 183.31 GHz通道1和183.31GHz通道2偏差分布特征一致, 其中183.31GHz通道1最大温度偏差达到-1.9K, 183.31GHz通道2最大温度偏差达到-1.3 K；183.31GHz通道3最大温度偏差达到-1.1 K｡微波湿度计定标的偏差具有非线性特征, 在轨应采用非线性定标处理, 以满足定量应用的精度｡

图 4. 微波湿度计183.31GHz频点3个通道定标结果偏差分布特征 Fig 4. The calibration bias distribution of micro-wave humidity sounder at 183.31 GHz

当环境温度分别为0 ℃, 10 ℃, 20 ℃和30 ℃时, 微波湿度计183.31GHz频点3个通道定标偏差分布具有相同的分布趋势, 根据真空试验数据分析结果, 采用3参数二次方程形式的非线性偏差订正 (式 (3)), 可以最好地订正非线性偏差, 提高定标准确度｡经非线性修正后, 微波湿度计183.31GHz频点3个通道的温度偏差 (表 2) 最大为0.37K｡

表 2 非线性修正后通道亮温最大偏差 (单位:K) Table 2 Max bias of brightness temperature after nonlinear correction (unit: K)

(3)

式3中, e2(ic, Tinst), e1(ic, Tinst), e0(ic, Tinst) 为非线性订正方程的回归系数, 是仪器温度 (Tinst) 和通道序号 (ic) 的函数；T(ic) 为非线性亮温偏差订正量；T0(ic) 为变温源定标得到的温度值, 先通过线性定标得到辐射量 (R), 再经过普朗克函数反变换得到温度值 (T0(ic))；Tna(ic) 为订正后的非线性天线温度｡

3.4 通道灵敏度分析

全攻率型微波湿度计接收机灵敏度 (TNEδ), 反映了接收机可探测的最小天线亮温变化｡它是接收机系统噪声的函数, 影响因素包括电子器件的噪声､增益的短期变化和定标观测计数值噪声等｡

(4)

式 (4) 中, Tsys为系统噪声温度, 微波湿度计的Tsys=1500K；B, τ分别为带宽和积分时间；G, △G分别为系统增益和增益变化量；NEδN为系统等效噪声计数值；TNEδ为系统等效噪声温差｡利用真空定标试验数据进行灵敏度分析时, 获取仪器工作状态稳定后变源连续扫描线数据, 用线性定标方程计算定标系数, 对定标处理后的亮温数据进行标准差统计分析, 估算系统灵敏度｡

利用仪器温度为10℃, 变温源温度为281K时连续100条扫描线真空观测数据进行灵敏度分析, 得到表 3的结果, 真空试验结果表明, 风云三号A星微波湿度计的灵敏度测试结果达到了设计指标｡

表 3 微波湿度计灵敏度分析结果 Table 3 Radiometric sensitivity values for FY-3A/MWHS

计算仪器灵敏度时, 灵敏度随数据平滑处理时平滑窗的长度发生变化 (图 5), 对微波湿度计183.31GHz频点各通道而言, 当平滑窗长度大于14以后, 等效噪声温差值趋于稳定, 单独考虑微波湿度计的数据预处理时, 在轨定标周期的长度应该取14条线｡如果考虑与同星装载的微波温度计和红外分光计资料的协同使用, 应最后综合考虑3种仪器的特性, 确定在轨定标周期｡

图 5. 灵敏度随平滑窗长度的变化 Fig 5. The variation of TNEδ with the number of scanlines included in the average windows

3.5 定标误差分析

微波湿度计定标的误差和不确定性△T主要来自3个方面:冷､热定标源辐射的不确定性△Tt, 接收机特性引起的定标误差△Tn和天线特性引起的定标误差△Ta [11-15]｡其中接收机特性引起的定标误差包括系统非线性､系统随机噪声､系统增益波动､频率响应函数变化､天馈系统和源之间的匹配等；天线特性引起的定标误差包括旁瓣影响､交叉极化和冷空溢出等｡

定标源的误差△Tt主要包括定标源辐射率△T1､定标源温度△T2､定标源罩的耦合损耗､反射的本振泄漏和接收机逆向辐射等引起的误差△T3｡微波湿度计定标源辐射率根据定标源验收测试结果都在0.9990以上, 热定标源在300K时, 由发射率不确定引起的亮温误差为0.13K, 冷定标源和变温源发射率的不确定度约为0.0003, 如果冷定标源按100K计算, 变温源按300K计算, 3个定标源由于源辐射率的不确定引起的亮温偏差会达到:△T1=0.03K+0.09K+0.13K=0.25K｡

微波湿度计定标源温度特性引起的误差△T2主要包括定标源温度梯度､定标源温度稳定性和定标源温度测量的不确定性等3个方面引起的误差｡真空试验中微波湿度计用到的3个定标源温度梯度通过对源的验收测试, 均达到了0.01 K的设计指标；定标源温度稳定性和定标源温度测量的不确定性按照源验收时达到的指标, 可以达到0.1K；这样△T2=0.01K×3+0.1K×3=0.33K｡

微波湿度计定标源罩的耦合损耗以及反射的本振泄漏和接收机逆向辐射引起的误差根据试验分析约为△T3=0.1 K｡定标源总的误差为: △Tt=△T1+△T2+△T3=0.25 K+0.33 K+0.1 K=0.68K｡

微波湿度计仪器真空试验中的定标误差是定标确定的变温源亮温与实际变温源亮温之间的偏差, 这种偏差包含了仪器整个系统观测过程中所产生各种误差, 其中既有接收机非线性引起的误差, 也有仪器天馈系统等产生的误差｡风云三号A星微波湿度计天馈系统从德国引进, 在产品交付验收测试中, 天线系统达到设计指标主波束效率大于96%, 真空试验数据处理过程中经非线性订正后, 最大定标偏差约为0.37K (根据表 2结果), 相当于接收机特性引起的定标误差△Tn和天线特性引起的定标误差Ta两项的综合结果｡△T=△Tt+△Tn+△Ta=0.68K+0.37K=1.05K｡

根据前面的分析, 微波湿度计真空定标最大误差约为1.05K｡微波湿度计定标精度设计指标为1.5K (不考虑灵敏度), 根据本文真空试验数据的处理分析结果, 微波湿度计定标精度可以达到设计指标｡

4 小结

风云三号A星微波湿度计正样产品发射前完成了真空定标试验, 真空试验数据分析结果表明:

1) 风云三号A星微波湿度计主探测频点各通道等效噪声温差小于等于0.91K｡

2) 真空试验条件下, 当平滑窗长度达到14个扫描周期后, 系统噪声水平趋于稳定｡

3) 真空试验条件下, 考虑非线性偏差订正后, 风云三号A星微波湿度计主探测频点各通道定标准确度优于1.5K, 达到设计指标｡

4) 真空定标试验过程中微波湿度计主探测频点各通道辐射定标结果稳定｡

风云三号A星微波湿度计发射前主探测通道辐射定标分析结果, 为仪器在轨定量应用奠定了基础｡通过真空试验数据分析得到的微波湿度计非线性定标修正结果, 将用于在轨微波湿度计的辐射定标处理｡

参考文献
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