微波輻射計是用微波進行遙感，從而對地物進行探測的微波接收機，在探測大氣、海洋、植被和土壤等方面有廣泛應用，而數據處理與控制單元作為微波輻射計的重要組成部分，承擔了所有的驅動及控制功能，對時序及精度要求十分嚴格。由于系統對可靠性要求較高，故采用單片機作為220 GHz微波輻射計數控單元的核心，通過精確的時序控制，實現了數據采集、天線控制、狀態提取、串口通信等功能。同時，該數控單元具有功耗低，采樣精度高，接口簡便等特點。

微波輻射計，是利用被動的接收，各個高度傳來的溫度輻射的微波信號來判斷溫度、溫度曲線，是一款被動式地基微波遙感設備，微波遙感起步晚于可見光和紅外遙感。但相對于可見光和紅外遙感而言，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，但不能穿透云霧。

微波輻射計是一種用于測量物體微波熱輻射的高靈敏度接收機。通過測量天線接收到的輻射功率反演被觀測目標的亮度溫度；測量的物理量為亮度溫度（K）。工作原理：輻射計天線接收的輻射能量來自地面物體的發射輻射和反射輻射，根據瑞利-金斯公式，物體發射的功率與溫度成正比。物體的發射特性用輻射測量亮度溫度表征。表征微波輻射計性能的主要參數是溫度分辨率（靈敏度）和空間分辨率（角分辨率）。

微波輻射計主要用于中小尺度天氣現象，如暴風雨、閃電、強降雨、霧、冰凍及邊界層紊流。對于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；天氣雷達資料基本局限于降雨過程無降水時的欠缺；在離地面5公里范圍內衛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，非常適合于自動天氣站。用于反演完整的大氣廓線，反演數據和原始數據全部保存。提供完備的顧客定制或全球標準算法。主要應用如下：對流層剖面的溫度、濕度和液態水，天氣和氣候模型研究，衛星追蹤（GPS，伽利略）濕/干延遲和濕度廓線，臨近預報大氣穩定性（災害性天氣檢測），溫度反演檢測、霧、空氣污染，絕對校準云雷達，濕/干延遲改正VLBI。下面以微波輻射計反演海表面溫度為例做一介紹：

微波輻射計測量海表面溫度的原理：

微波的波長為0.1~100 cm，微波又可細分為毫米波、厘米波和分米波等。微波的特點是能穿透云霧，具有全天候工作特點。微波遙感分為主動微波遙感和被動微波遙感。

在不考慮大氣中各種粒子的貢獻時，微波輻射計探測到的海面亮溫Tb(f)與海表面溫度T_S有簡單關系。將瑞利-金斯定律代入公式，獲得

T（f，θ，φ，T_SST）=e (f，θ，φ) T_SST    (1)

式中：T(f，θ，φ，T_SST)代表微波輻射計探測到的海面亮溫；T_SST是海表面一個薄層海水的溫度，它代表海表面的熱力學溫度，當然它與常規水桶采水法在一定深度取水測得的海表面溫度略有差別。如果傳感器位于海表面之上某一個足夠高度的平臺例如飛機或衛星上，還要考慮大氣校正，即在公式(1)中還要補充大氣層空氣自發輻射項和大氣透射率因子等。

根據基爾霍夫定律，平靜海面的發射率e與菲涅爾反射率ρ之間的關系是

e _HV(f，θ，φ)=1-ρ_HV（f，θ，φ）   (2)

式中：下標H和V分別表示電磁波的水平極化狀態和垂直極化狀態；f為微波頻率；θ為觀測的天頂角，它代表衛星的觀測方向與海面法線之間的夾角，簡稱為觀測角或入射角；φ為方位角，它代表輻射計觀測方向與風向的夾角。平靜海面的菲涅爾反射率ρ的表達式是
     （3）

   （4）

式中：R_hh(θ)和R_vv(θ)分別代表水平和垂直極化狀態下的菲涅爾反射系數，它的絕對值平方等于菲涅爾反射率ρ。ε_r為海水的復相對電容率。海水的復相對電容率ε_r可由德拜方程(Debye Equation)計算，即

  （5）

式中：ε_r為復相對電容率；ω=2πf為電磁波的角頻率；T_S為海表面溫度；S_S為θ海表面鹽度；ε_∞為無限高頻相對電容率；ε_S為靜態相對電容率；

τ為張弛時間；σ為離子電導率；ε₀為真空中的電容率。利用海水復相對電容率在微波各波段的某些特殊性質，可以使用特定的波段測量海表面鹽度、海表面溫度、海面風速等。在小于10 GHz的微波頻率范圍，Klein和Swift(1977)采用各種濃度的NaCl水溶液代替海水作為樣本，并通過對水溶液樣本的實驗測量獲得了對德拜方程中各參數的估計公式。在3~20 GHz頻率范圍，Ellison等(1998)通過對溫度為-2℃~30℃、鹽度為20~40的大洋海水樣本的實驗測量提出了類似的估計公式。根據德拜方程(6)和參數估計公式可以獲得海水的相對電容率。在6~7 GHz之間的頻率范圍，菲涅爾反射率ρ隨鹽度變化很小，隨溫度變化也很小。這樣，可以近似地認為海面發射率e在6~7 GHz不是海表面溫度和鹽度的函數，而是一個常數。這時，利用微波輻射計接收到的海面亮溫Tb  (λ)=e ?t ?TS，如果知道大氣透射率t，就可以計算海表面溫度T_S。實際反演應用時需要考慮海面粗糙度效應，將前述平靜海面發射率表達式略作修正。

作者：羅宏斌