郭 楊盧乃錳谷松巖何杰穎王振占

1）（南京信息工程大學(xué)，南京210044）

2）（國家衛(wèi)星氣象中心 中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

3）（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用中心，北京100190）

FY-3C微波濕溫探測(cè)儀輻射測(cè)量特性

郭 楊1）2）盧乃錳2）*谷松巖2）何杰穎3）王振占3）

1）（南京信息工程大學(xué)，南京210044）

2）（國家衛(wèi)星氣象中心 中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

3）（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用中心，北京100190）

2013年9月發(fā)射的FY-3C是我國第2代極軌氣象衛(wèi)星的第3顆星，其上裝載的微波濕溫探測(cè)儀在118 GHz氧氣吸收線和183 GHz水汽吸收線設(shè)計(jì)了兩組大氣探測(cè)通道，在大氣窗區(qū)設(shè)置了89 GHz和150 GHz探測(cè)通道。為保證微波濕溫探測(cè)儀在軌定量應(yīng)用，衛(wèi)星發(fā)射前完成了地面熱真空試驗(yàn)。該文介紹了熱真空定標(biāo)試驗(yàn)原理，并對(duì)FY-3C微波濕溫探測(cè)儀正樣產(chǎn)品真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：FY-3C微波濕溫探測(cè)儀正樣產(chǎn)品15個(gè)探測(cè)通道的靈敏度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，各通道觀測(cè)亮溫間相對(duì)獨(dú)立，定標(biāo)準(zhǔn)確度優(yōu)于1.6 K，真空試驗(yàn)過程中微波濕溫探測(cè)儀定標(biāo)結(jié)果穩(wěn)定。FY-3C微波濕溫探測(cè)儀發(fā)射前熱真空定標(biāo)特性分析結(jié)果為儀器在軌定量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

FY-3C氣象衛(wèi)星；微波濕溫探測(cè)儀；輻射特性；熱真空定標(biāo)試驗(yàn)

引 言

FY-3氣象衛(wèi)星是我國第2代極軌業(yè)務(wù)系列氣象衛(wèi)星，其中A星和B星在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行后，已經(jīng)獲取了豐富的地球大氣探測(cè)數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外天氣、氣候、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)中［1-4］。FY-3衛(wèi)星上裝載的3個(gè)大氣垂直探測(cè)儀器（微波濕度計(jì)MWHS、微波溫度計(jì)MWTS、紅外分光計(jì)IRAS）和1個(gè)微波成像儀MWRI是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化直接關(guān)注的儀器。在ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心）集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IFS）中同化MWHS資料效果與同化微波濕度計(jì)（MHS）資料效果相當(dāng)［5］。MWHS資料在大氣水汽反演、臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)和定量降水估計(jì)等方面的應(yīng)用也取得了很好的效果［6-9］。FY-3C氣象衛(wèi)星已經(jīng)于2013年9月23日發(fā)射成功，其上裝載的微波濕溫探測(cè)儀是超外差式接收機(jī)的全功率型微波輻射計(jì)。與FY-3A和FY-3B微波濕度計(jì)相比，微波濕溫探測(cè)儀的探測(cè)頻點(diǎn)設(shè)置了1個(gè)118 GHz大氣溫度探測(cè)通道，同時(shí)通道數(shù)由5個(gè)增加到15個(gè)。其中118 GHz探測(cè)頻點(diǎn)是目前國際上業(yè)務(wù)衛(wèi)星首次使用的大氣探測(cè)應(yīng)用頻點(diǎn)，可獲得高精度的大氣溫度廓線信息，與183 GHz大氣濕度探測(cè)頻點(diǎn)聯(lián)合探測(cè)，將提高大氣參數(shù)廓線探測(cè)精度。

國際上在軌運(yùn)行的、用于探測(cè)大氣溫度和濕度的微波探測(cè)器包括美國NOAA系列衛(wèi)星上裝載的AMSU-A，AMSU-B，MHS 和 Soumi／NPP 上 的ATMS等，這些微波載荷的資料已經(jīng)成功應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報(bào)［10-14］。為了保證微波探測(cè)器升空后能夠獲得可靠資料，發(fā)射前了解星載微波輻射計(jì)定標(biāo)特性，真空試驗(yàn)是目前唯一的技術(shù)途徑。鑒于此，國際上對(duì)此類微波探測(cè)載荷在發(fā)射前均開展了地面真空定標(biāo)試驗(yàn)。真空定標(biāo)試驗(yàn)均在真空罐中進(jìn)行，控制儀器溫度在未來在軌時(shí)最可能出現(xiàn)的溫度條件下（－10℃到＋30℃），測(cè)試儀器輸出對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，從而了解儀器基本性能，確定星載定標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)（非線性訂正系數(shù)），在軌后根據(jù)實(shí)時(shí)得到的定標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合定標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在軌定標(biāo)［15-17］。

FY-3C微波濕溫探測(cè)儀已于2013年2月進(jìn)行了地面熱真空試驗(yàn)，本文利用地面熱真空定標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了微波濕溫探測(cè)儀的基本輻射性能，為遙感資料的在軌定量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 微波濕溫探測(cè)儀熱真空試驗(yàn)設(shè)計(jì)

FY-3C微波濕溫探測(cè)儀的通道設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示，其真空定標(biāo)試驗(yàn)在上海航天科技集團(tuán)509所的KM2真空定標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行。熱真空試驗(yàn)為微波濕溫探測(cè)儀提供在軌定標(biāo)所需要的基礎(chǔ)參數(shù)，建立系統(tǒng)定標(biāo)方程，進(jìn)行定標(biāo)誤差分析并確定在不同環(huán)境溫度下微波濕溫探測(cè)儀的靈敏度、線性度、定標(biāo)準(zhǔn)確度等主要技術(shù)指標(biāo)。

微波濕溫探測(cè)儀熱真空定標(biāo)試驗(yàn)部分繼承了FY-3A／B星微波濕度計(jì)熱真空定標(biāo)試驗(yàn)方法［18-20］，對(duì)載荷升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程智能可控升降機(jī)構(gòu)，可遠(yuǎn)程操控調(diào)整微波濕溫探測(cè)儀高度，使兩組天線分別對(duì)準(zhǔn)冷源和變溫源。

表1 微波濕溫探測(cè)儀主要應(yīng)用目的和通道特性參數(shù)①風(fēng)云三號(hào)02批氣象衛(wèi)星遙感探測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)要求.北京：國家衛(wèi)星氣象中心，2009.Table 1 The microwave humidity and temperature sounder channel characteristics

真空試驗(yàn)過程中為模擬儀器在軌運(yùn)行的溫度變化，分別設(shè)置微波濕溫探測(cè)儀工作溫度在5℃，15℃和25℃；變溫源位置固定在儀器天底點(diǎn)，溫度變化范圍在95～330 K內(nèi)用以模擬地氣系統(tǒng)的溫度變化；使用液氮系統(tǒng)制冷，使得冷定標(biāo)源溫度穩(wěn)定在95 K左右，用來模擬冷空；熱定標(biāo)源采用微波濕溫探測(cè)儀內(nèi)部黑體。具體放置位置如圖1所示。

圖1 真空罐內(nèi)微波濕溫探測(cè)儀和冷源及變溫源之間的位置關(guān)系Fig.1 Facility for thermal vacuum test of the microwave humidity and temperature sounder

FY-3C微波濕溫探測(cè)儀熱真空試驗(yàn)中，89 GHz和118 GHz共用一副天線和熱定標(biāo)源，150 GHz和183 GHz共用一副天線和熱定標(biāo)源，兩副天線共用同一冷源和變溫源。兩副天線對(duì)應(yīng)高度不同，因此在試驗(yàn)中兩組頻率分別進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)。

2 微波濕溫探測(cè)儀輻射特性

2.1 熱真空試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

微波濕溫探測(cè)儀熱真空定標(biāo)試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括利用鉑電阻溫度計(jì)（platinum resistance thermometer，PRT）測(cè)量得到的熱定標(biāo)源、冷定標(biāo)源和變溫源溫度數(shù)據(jù)，微波濕溫探測(cè)儀對(duì)熱源、冷源和變溫源的觀測(cè)計(jì)數(shù)值。圖2給出了100條掃描線上，微波濕溫探測(cè)儀正樣產(chǎn)品在89／118 GHz（圖2a）和150／183 GHz（圖2b）頻點(diǎn)PRT對(duì)熱定標(biāo)源的測(cè)溫結(jié)果。由圖2a可見，在89／118 GHz頻點(diǎn)，除PRT4以外的4個(gè)PRT的測(cè)溫值比較一致，相差約0.7 K；由于PRT4的安裝位置在定標(biāo)體下方，受底板溫度和周圍溫度的影響，測(cè)溫值最高，與最低測(cè)溫值（PRT2）相差約1.5 K。PRT4的測(cè)溫結(jié)果對(duì)源表面溫度的代表性不強(qiáng)，在本文研究中只取前3個(gè)PRT值。對(duì)于150／183 GHz頻點(diǎn)而言，由于PRT2和PRT5的安裝位置接近且離發(fā)熱部件的位置相對(duì)較遠(yuǎn)，所以這兩個(gè)測(cè)溫電阻的溫度比其他3個(gè)電阻低，5個(gè)PRT測(cè)量的溫度差異不超過0.7 K。在變溫源從95 K變化到315 K的各溫度點(diǎn)試驗(yàn)過程中，5個(gè)PRT的測(cè)溫關(guān)系與圖2類似（圖略），表明熱平衡后，熱定標(biāo)源溫度分布特性穩(wěn)定。

圖2 微波濕溫探測(cè)儀熱定標(biāo)源PRT測(cè)溫結(jié)果（a）89／118 GHz，（b）150／183 GHzFig.2 PRT temperature distribution of 89／118 GHz（a）and 150／183 GHz（b）warm target

圖3 微波濕溫探測(cè)儀熱源、冷源和變溫源觀測(cè)計(jì)數(shù)值（a）89／118 GHz，（b）150／183 GHzFig.3 Accordance analysis of warm，cold and variable target view in scan lines（a）89／118 GHz，（b）150／183 GHz

在真空定標(biāo)試驗(yàn)中，微波濕溫探測(cè)儀在每個(gè)掃描周期，得到3個(gè)熱源觀測(cè)數(shù)據(jù)，3個(gè)冷源觀測(cè)數(shù)據(jù)和98個(gè)對(duì)地（對(duì)變溫源）觀測(cè)數(shù)據(jù)。任意選取一個(gè)掃描周期，依次給出熱源、冷源和變溫源的觀測(cè)記錄結(jié)果（如圖3所示）?？偟膩碚f，微波濕溫探測(cè)儀15個(gè)通道在各掃描周期工作性能穩(wěn)定，觀測(cè)結(jié)果有很好的一致性。在通道2和通道14對(duì)地的第96個(gè)觀測(cè)點(diǎn)后計(jì)數(shù)值有所上升，因此要選取觀測(cè)計(jì)數(shù)值穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)計(jì)算。對(duì)89／118 GHz通道而言（圖3a），通道4觀測(cè)計(jì)數(shù)值最高，通道6最低；而對(duì)于150／183 GHz通道（圖3b）來說，通道11和通道12計(jì)數(shù)值最高，通道13最低。

2.2 熱真空試驗(yàn)定標(biāo)結(jié)果

通過兩點(diǎn)定標(biāo)方法對(duì)真空試驗(yàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［14］，即利用每個(gè)掃描周期內(nèi)PRT測(cè)得的冷、熱定標(biāo)源溫度和微波濕溫探測(cè)儀觀測(cè)冷、熱源的計(jì)數(shù)值，計(jì)算出每個(gè)掃描周期內(nèi)的兩點(diǎn)定標(biāo)系數(shù)a和b，進(jìn)而計(jì)算出各通道觀測(cè)變溫源的亮溫。儀器溫度為15℃時(shí)，利用PRT直接測(cè)量和各通道觀測(cè)得到的亮溫差結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，微波濕溫探測(cè)儀的通道1和通道9的偏差最大，分別為1.5 K和－1.8 K，這是由于這兩個(gè)通道接收機(jī)工作點(diǎn)在線性區(qū)邊緣，受儀器自身非線性特性影響使得兩點(diǎn)定標(biāo)后通道觀測(cè)亮溫和PRT測(cè)量亮溫相差最大。微波濕溫探測(cè)儀其他通道的溫度偏差都在1 K以內(nèi)。各通道的定標(biāo)偏差具有非線性的特征，因此在軌時(shí)要進(jìn)行非線性訂正來提高定量應(yīng)用精度。當(dāng)儀器溫度分別為5℃和25℃時(shí)，微波濕溫探測(cè)儀15個(gè)通道的定標(biāo)偏差結(jié)果分布與圖4相近。

圖4 微波濕溫探測(cè)儀各通道兩點(diǎn)定標(biāo)結(jié)果偏差分布特征Fig.4 The calibration bias distribution of the microwave humidity and temperature sounder

為了對(duì)兩點(diǎn)定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行非線性偏差訂正，在軌定標(biāo)方程是形如式（1）的二次方程［19］，

式（1）中，C為輻射計(jì)觀測(cè)計(jì)數(shù)值，a0，a1和a2分別為在軌定標(biāo)方程的系數(shù)。這3個(gè)系數(shù)與非線性項(xiàng)和增益有關(guān)，可由式（2）～（4）求得，增益g和非線性項(xiàng)q如式（5）和式（6）所示。

式（2）～式（6）中，Rw和Cw分別為冷空輻射量和輻射計(jì)觀測(cè)的冷空計(jì)數(shù)值，Rc和Cc分別為熱源的輻射量和輻射計(jì)觀測(cè)的熱源計(jì)數(shù)值，Rs和Cs分別為變溫源輻射量和輻射計(jì)觀測(cè)的變溫源計(jì)數(shù)值，Rm為由兩點(diǎn)定標(biāo)方法得到的變溫源輻射量。通過發(fā)射前熱真空試驗(yàn)，可由式（5）、式（6）計(jì)算得到u，進(jìn)而可以求出在軌定標(biāo)方程的3個(gè)系數(shù)。

采用式（1）進(jìn)行微波濕溫探測(cè)儀定標(biāo)后，各通道在不同儀器溫度下的最大亮溫偏差由表2給出。經(jīng)非線性訂正后，兩點(diǎn)定標(biāo)亮溫差較大的通道1和通道9的亮溫差與其他通道達(dá)到同一水平。15個(gè)通道的最大偏差小于0.6 K。其中，通道11，13，15是FY-3A微波濕度計(jì)已有探測(cè)通道。這3個(gè)通道的最大亮溫偏差為0.28 K，優(yōu)于FY-3A的0.37 K的偏差［18］，即儀器性能有所提升。

表2 非線性訂正后微波濕溫探測(cè)儀各通道最大亮溫偏差Table 2 Max bias of brightness temperature after nonlinear correction

2.3 通道靈敏度和相關(guān)性

微波濕溫探測(cè)儀的靈敏度（或稱等效噪聲溫度）反映了接收機(jī)可探測(cè)的最小天線亮溫變化，靈敏度ΔNet由式（7）給出［16］。

式（7）中，Tsys為系統(tǒng)噪聲溫度，Bp為帶寬，τs和τc分別為觀測(cè)地球和定標(biāo)體的積分時(shí)間，τc為連續(xù)定標(biāo)體之間的時(shí)間間隔，w為權(quán)重，G和ΔG分別為增益和增益變化量。具體來看，表示由地球目標(biāo)造成的接收機(jī)隨機(jī)噪聲；表示由定標(biāo)體產(chǎn)生的接收機(jī)隨機(jī)噪聲，其中包括了相鄰掃描數(shù)據(jù)的加權(quán)平均；表示增益波動(dòng)。

在儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定后，利用線性定標(biāo)的方法將儀器觀測(cè)變溫源的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為亮溫，對(duì)10條連續(xù)掃描線的亮溫?cái)?shù)據(jù)求標(biāo)準(zhǔn)差，連續(xù)100條掃描線可以求得10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值得到系統(tǒng)靈敏度［16］。在不同的儀器溫度下，變溫源溫度接近300 K時(shí)，分析微波濕溫探測(cè)儀各通道的靈敏度得到表3。結(jié)果表明，在各個(gè)儀器溫度下，微波濕溫探測(cè)儀的靈敏度測(cè)試結(jié)果都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于183 GHz濕度探測(cè)通道而言，靈敏度也達(dá)到了美國NPP衛(wèi)星上ATMS的指標(biāo)要求［17］。根據(jù)溫度反演誤差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)觀測(cè)亮溫誤差為1.5 K時(shí)，能夠保證溫度反演誤差在1 K之內(nèi)［21］。除通道2外，118 GHz各通道都能滿足溫度反演的要求。通道2最靠近氧氣吸收峰，權(quán)重高度為20～30 hPa，通道設(shè)計(jì)帶寬窄會(huì)影響反演結(jié)果。

表3 微波濕溫探測(cè)儀各通道靈敏度Table 3 Radiometric sensitivity values for the microwave humidity and temperature sounder

對(duì)微波濕溫探測(cè)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理會(huì)影響儀器的靈敏度，平滑處理時(shí)掃描線計(jì)數(shù)值的計(jì)算見式（8）。

式（8）中，n為所選平滑窗的長(zhǎng)度，i為平滑窗內(nèi)掃描線所在位置，Cn為平滑處理后的計(jì)數(shù)值，Ci為第i條掃描線的技術(shù)值。

選擇不同的平滑窗長(zhǎng)度，對(duì)微波濕溫探測(cè)儀進(jìn)行平滑處理后所得靈敏度如圖5所示?？梢娖交幚頃?huì)使各通道靈敏度提高，特別是在通道2，平滑窗長(zhǎng)度為3時(shí)，靈敏度提高了0.8 K。若平滑窗長(zhǎng)度大于13，則微波濕溫探測(cè)儀各通道等效噪聲溫差值趨于穩(wěn)定，單獨(dú)考慮微波濕溫探測(cè)儀的數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，在軌定標(biāo)周期的長(zhǎng)度應(yīng)取13條線。FY-3A和FY-3B微波濕度計(jì)最佳平滑窗長(zhǎng)度為14［18］，相比之下，微波濕溫探測(cè)儀性能有所提升。

圖5 儀器靈敏度隨平滑窗長(zhǎng)度的變化Fig.5 The variation ofΔNetwith the number of scan lines included in the average windows

微波濕溫探測(cè)儀的觀測(cè)資料用于溫濕度反演時(shí)，各通道觀測(cè)亮溫間的相關(guān)性對(duì)反演算法有很大影響［22］。因此，利用真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了各通道間亮溫的相關(guān)系數(shù)（表4）?？梢娢⒉駵靥綔y(cè)儀15個(gè)通道間觀測(cè)亮溫的相關(guān)性很低，各通道觀測(cè)信息具有獨(dú)立性，有效信息量有利于資料在大氣參數(shù)反演中的應(yīng)用。

表4 微波濕溫探測(cè)儀各通道觀測(cè)亮溫的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation maxrtix for the microwave humidity and temperature sounder

2.4 真空試驗(yàn)定標(biāo)誤差

微波濕溫探測(cè)儀的定標(biāo)誤差ΔTcal由式（9）給出：

式（9）中，ΔTw為熱定標(biāo)源的不確定性，ΔTc為冷定標(biāo)源的不確定性，ΔTNL為系統(tǒng)非線性引起的不確定性，ΔTSYS為儀器隨機(jī)波動(dòng)的不確定性。其中，X＝和Tw分別表示場(chǎng)景輻射亮溫、冷定標(biāo)源輻射亮溫和熱定標(biāo)源輻射亮溫。

微波濕溫探測(cè)儀的定標(biāo)源輻射率均在0.9992以上，不確定度小于0.0003，如果冷定標(biāo)源按100 K計(jì)算，變溫源按300 K計(jì)算，則由冷定標(biāo)源和變溫源引起的誤差為0.12 K；根據(jù)微波濕溫探測(cè)儀內(nèi)部熱定標(biāo)源發(fā)射率指標(biāo)，當(dāng)熱定標(biāo)源為300 K時(shí)，由發(fā)射率不確定引起的誤差為0.13 K。根據(jù)對(duì)定標(biāo)源的驗(yàn)收測(cè)試結(jié)果，真空試驗(yàn)中所用熱源、冷源和變溫源的溫度梯度均達(dá)到0.15 K的設(shè)計(jì)指標(biāo)；定標(biāo)源溫度穩(wěn)定性和定標(biāo)源溫度測(cè)量的不確定性可達(dá)到0.1 K的源驗(yàn)收指標(biāo)。因此，由定標(biāo)源的不確定性帶來的誤差為0.12＋0.13＋0.15×3＋0.1×3＝1 K。

真空試驗(yàn)中，經(jīng)過非線性訂正以后的最大偏差為0.5 K（表2），相當(dāng)于接收機(jī)特性引起的定標(biāo)誤差和天線特性引起的定標(biāo)誤差的綜合結(jié)果。

如果不考慮系統(tǒng)噪聲，微波濕溫探測(cè)儀真空定標(biāo)的最大誤差約為滿足定標(biāo)精度設(shè)計(jì)指標(biāo)1.3 K（不考慮靈敏度）的要求。但國外同類載荷真空定標(biāo)精度能達(dá)到1.0 K。這是由于國內(nèi)真空試驗(yàn)條件與國外相比有一定差距，如試驗(yàn)中所用真空罐小，溫度控制精度較國外低，熱定標(biāo)源和冷定標(biāo)源的穩(wěn)定性比國外差，黑體發(fā)射率精度也較國外低造成的。

3 小 結(jié)

與FY-3A和FY-3B氣象衛(wèi)星裝載的微波濕度計(jì)相比，F(xiàn)Y-3C微波濕溫探測(cè)儀在設(shè)計(jì)上增加了118 GHz大氣溫度探測(cè)通道，在183 GHz水汽探測(cè)頻點(diǎn)也新增了兩個(gè)通道，這將提升我國星載微波大氣溫濕度的探測(cè)能力。通過對(duì)微波濕溫探測(cè)儀正樣產(chǎn)品發(fā)射前的熱真空定標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）微波濕溫探測(cè)儀15個(gè)探測(cè)通道靈敏度即等效噪聲溫度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。與在軌運(yùn)行的微波輻射計(jì)相比，183 GHz水汽探測(cè)通道的靈敏度也達(dá)到ATMS的要求。除118 GHz最靠近氧氣吸收峰的通道2，118 GHz探測(cè)通道的靈敏度能夠滿足溫度反演要求。通道2由于帶寬窄，受制作工藝限制，會(huì)對(duì)20～30 hPa溫度探測(cè)產(chǎn)生影響。

2）探測(cè)通道靈敏度會(huì)隨著平滑窗長(zhǎng)度的增加而提高，真空試驗(yàn)條件下，當(dāng)平滑窗長(zhǎng)度達(dá)到13個(gè)掃描周期后，系統(tǒng)噪聲水平趨于穩(wěn)定。

3）利用真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)，定標(biāo)得到微波濕溫探測(cè)儀各通道亮溫之間具有足夠的信息獨(dú)立性，確保在FY-3C氣象衛(wèi)星發(fā)射后，微波濕溫探測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠用于大氣參數(shù)反演。

4）真空試驗(yàn)條件下，經(jīng)過非線性偏差訂正后，微波濕溫探測(cè)儀15個(gè)探測(cè)通道定標(biāo)準(zhǔn)確度優(yōu)于1.12K，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5）對(duì)于首次使用的118 GHz頻點(diǎn)8個(gè)探測(cè)通道，其在真空試驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，靈敏度和定標(biāo)準(zhǔn)確度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

FY-3C氣象衛(wèi)星發(fā)射后，微波濕溫探測(cè)儀具有對(duì)大氣溫度和濕度垂直分布進(jìn)行探測(cè)的能力。為保證微波濕溫探測(cè)儀在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行后的定量應(yīng)用，發(fā)射前開展儀器熱真空試驗(yàn)，分析微波濕溫探測(cè)儀15個(gè)探測(cè)通道的輻射特性，得到的微波濕溫探測(cè)儀非線性定標(biāo)修正結(jié)果，為儀器在軌輻射定標(biāo)處理奠定基礎(chǔ)。

致 謝：對(duì)中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用中心設(shè)計(jì)完成此次熱真空定標(biāo)試驗(yàn)，并為本文提供熱真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)深表感謝。

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Radiometric Characteristics of FY-3C Microwave Humidity and Temperature Sounder

Guo Yang1）2）Lu Naimeng2）Gu Songyan2）He Jieying3）Wang Zhenzhan3）

1）（Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing210044）
2）（Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites，National Satellite Meteorological Center，CMA，Beijing100081）
3）（Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190）

The microwave humidity sounder（MWHS）is a five channel microwave radiometer in the range of 150－191 GHz onboard FY-3A and FY-3B.FY-3A and FY-3B are successfully launched in 2008 and 2010，respectively.The next generation of MWHS is a microwave humidity and temperature sounder.This sensor is developed to fly on the third satellite of new generation polar orbit meteorological satellite of China（FY-3C）is launched in September 2013.

The microwave humidity and temperature sounder has 15 channels in the range of 89－191 GHz.Eight temperature sounding channels with central frequency of 118.75 GHz oxygen gas line and five humidity sounding channels with central frequency of 183.31 GHz water vapor line.Two window channels center at 89 GHz and 150 GHz.118 GHz channel is first used to detect atmosphere on current operationalsatellite.Channels in the oxygen band are at around 54 GHz used by AMSU-A （advanced microwave sounding unit-A）and ATMS（advanced technology microwave sounder）.Channels in the next oxygen absorption band are at around 118.75 GHz，which can well detect atmosphere temperature in the lower troposphere.The temperature sounding channels around 118.75 GHz detect the atmosphere temperature from 900 hPa to 25 hPa.The microwave humidity and temperature sounder adds two humidity sounding channels compared with MWHS that can obtain fine vertical distribution structure of atmosphere humidity.

In order to determine the radiometric performance and the on-orbit use of the microwave humidity and temperature sounder，an extensive test is performed before launch.The microwave humidity and temperature sounder is placed in a thermal-vacuum chamber where the cold and earth targets are installed at fixed position.The instrument temperature is controlled at 5℃，15℃and 25℃ which is expected in orbit.The temperature of earth target maintains from 95 K to 330 K and space target is controlled at 95 K.Temperatures of these whole targets are measured by PRT （platinum resistance thermometer）and the temperature measurement accuracy is better than 0.1 K.The test database include counts of internal blackbody，earth and cold targets are obtained by the new microwave radiometer and the temperature measured by PRT.

The sounder is calibrated with the thermal-vacuum chamber test method，and test data are quantitatively analyzed.Results for noise equivalent differential temperatures of fifteen channels show that all fifteen channel measured sensitivities meet requirements of indicators.Noise equivalent differential temperatures of humidity channels are all below 0.5 K which are also at the same level of indicators from ATMS.The channels around 118.75 GHz except channel 2 are all below 1 K，and that means observations from these channels used for temperature retrieval are well.Because the narrow bandwidth of channel 2，the noise equivalent differential temperature of this channel is about 1.7 K that maybe affects retrieval precision.Correlations between all channels are independent.After correcting all biases，the calibration accuracy is well below 1.12 K.Calibration results of microwave humidity and temperature sounder are stability for each channel.The radiometric characteristic analysis of all channels provide useful reference for in-orbit application of the new microwave radiometer sounder on FY-3C.

FY-3C meteorological satellite；microwave humidity and temperature sounder；radiometric characteristics；thermal-vacuum chamber test

郭楊，盧乃錳，谷松巖，等.FY-3C微波濕溫探測(cè)儀輻射測(cè)量特性.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（4）：436-444.

2013-08-27收到，2014-04-08收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201206002），國家高技術(shù)863計(jì)劃（2011AA12A104），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41201360）

*通信作者，email：lunm＠cma.gov.cn