基于FPGA的微波輻射計數控系統設計與實現QFW-6000型微波輻射計可連續監測大氣溫度和濕度廓線，并實時輸出大氣水汽含量和液態水含量等信息。本文介紹了海霧的形成條件和觀測手段，并詳細闡述基于QFW-6000型微波輻射計
基于FPGA的微波輻射計數控系統設計與實現
QFW-6000型微波輻射計可連續監測大氣溫度和濕度廓線，并實時輸出大氣水汽含量和液態水含量等信息。本文介紹了海霧的形成條件和觀測手段，并詳細闡述基于QFW-6000型微波輻射計進行海霧監測的方法，通過海霧生消過程下的觀測結果分析，表明該設備具有優良的海霧觀測能力。
【關鍵詞】微波輻射計 海霧 逆溫 濕度廓線
1 概述
海霧是在特定氣象和水文條件下生產，其可使能見度降低到1km以下。海霧種類很多，依據形成特征及海洋環境，可分為平流霧、混合霧、輻射霧、地形霧等四種類型，常見并且范圍較大的是暖空氣平流到冷海面上而形成的平流冷卻霧。
海霧主要觀測手段是依靠沿海地區稀疏的地面觀測站點，主要包括探空資料、地面氣象觀測站的能見度等數據。但是由于布站限制，其很難監測大范圍海霧的分布狀況。非常規監測主要包括激光雷達、云高儀、衛星遙感等，用于進行霧的判識和定量反演方面，但由于這些觀測手段難以區分大氣粒子的相態，對霧和霾的監測比較難區分。
2 基于微波輻射計進行海霧監測方法
微波輻射計是一種用于測量場景（目標）微波熱輻射的高靈敏度接收機，它本身不發射信號，只是被動的接收各種物質發射的自然輻射信號或反射、散射信號。它由于靈敏度高、功耗小、重量輕、壽命長、可靠性好、成本低，還有隱蔽性好的特點，因此獲得了廣泛的應用。
微波輻射計測量反演對流層大氣溫度廓線，水汽廓線，大氣總水汽含量，云中液態水含量，邊界層區域逆溫及大氣不穩定度、大氣不透明度等信息，由其中的邊界層溫濕度廓線，可判斷大氣低層的氣象狀況，這對判斷霧的生消都是十分有益的。
基于輻射計的輸出量，對海霧的監測可從以下的切入點進行。
2.1 判斷當前天氣形勢是否有利于霧的產生
由地面溫濕壓數據及廓線數據，實時的大氣的穩定性及是否有逆溫出現，并可得到高濕區的分布區域，幫助判斷是否有利于霧的產生。
2.2 可作為單點監測和預報的輸入量
溫濕廓線、積分水汽含量可提供單點的閾值，同時可作為模式的輸入量，但會受布點的影響存在局限性。
2.3 區分霧與云
利用衛星監測大霧的難點在于大霧和層云的物理特性幾乎完全相同，臨近地面為霧，抬升到一定高度就是層云。衛星從太空向地面觀測時，如果同時存在層云和霧，很難從觀測數據中區分層云和大霧，因為它們具有幾乎相同的物理特性和形態表現。由輻射計輸出的相對濕度廓線及云底高度，可區分霧與云。
2.4 區分霧與霾
霧與霾在能見度上具有相似性，只依靠能見度難以對二者進行區分。二者的主要區別在相對濕度的差異上，輻射計提供的實時濕度廓線及積分水汽和液水含量，均對二者的區別提供有力的參考。
3 基于QFW-6000型微波輻射計對海霧監測案例
QFW-6000型多通道微波輻射計在氣象、環保等大氣參數遙感監測領域獲得廣泛使用，為數值預報、人工影響天氣、短臨天氣預報、海洋氣象監測、霧霾監測、大氣環境立體監測等應用系統提供高精度實時大氣參數信息，獲得了明顯的經濟社會效益。
QFW-6000型微波輻射計產品在全國各區域已布設數十套，實踐證明，產品技術先進、性能可靠，受到用戶肯定。本文選取一套在寧波運行的QFW6000輻射計為例，對QFW-6000型地基多通道并行體制微波輻射計在海霧天氣過程下輸出產品情況進行說明。
圖1是此次海霧天氣過程中QFW-6000型微波輻射計的觀測數據，分別是大氣中水汽含量、云底溫度數據、云中液態水含量、大氣的相對濕度及溫度二維時空分布圖。
從相對濕度二維時空分布圖上可以看出，霧持續時間段為00：40-8：30；16：30-18：50，共發生兩次，霧垂直厚度約700米，霧區的相對濕度大于85%。
如圖中所示，在霧發生的第1階段、第2階段，伴有云層出現，云高在4000米和1500米左右，云厚2000米左右，云底溫度也一直維持在高值區域，這些觀測量都很好的表征了霧和云的空間分布，有效區分霧和云。
在霧產生過程中，大氣中水汽供應充足，同時大氣層結穩定，出現逆溫現象，逆溫高度在700米左右，有利于霧的產生和維持；到中午時分，大氣層結不穩定，逆溫層消失，同時近地面相對濕度降低，霧隨之消散。這些實時觀測量有助于監測海霧的生消，同時可為海霧預報提供重要參考量。
4 結論
本文對國產QFW-6000型微波輻射計在海霧觀測的方法進行了詳細的論述，同時分析了QFW-6000型微波輻射計在海霧生消過程中的測量數據。結果表明，QFW-6000型微波輻射計可正確描述海霧生消的動態變化，其輸出參數可應用于海霧監測，可為海霧監測及預報預警提供必要依據.
參考文獻
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QFW6000 微波輻射計技術資料
伽太科技提供微波輻射計前端組件及測試子系統等等，產品聯系：sales@gamtic.com，021-5197 0121
微波輻射計是一種全天候“綠色”設備，本身不發射信號，通過直接測量大氣輻射亮溫，實時輸出所選路徑上大氣積分水汽含量和路徑積分液態水含量，連續監測地面大氣溫度、濕度、氣壓和空中大氣中的水汽和路徑積分液態水的演變過程，反演大氣水汽密度廓線、濕度廓線、溫度廓線和折射率廓線。 | ||
特點 | ||
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典型應用 | ||
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| 技術指標 | ||
| 溫濕度廓線垂直分辨率30 m (0-500 m)40 m (500-1000 m)60 m (1000-1500 m)90 m (1500-2000 m)120 m (2000-3000 m)160 m (3000-4000 m)200 m (4000-10000 m)精度0.24 K RMS (0-500 m) 0.45 K RMS (500-1200 m) 0.70 K RMS (1200-4000 m)0.90 K RMS (4000-10000 m) 濕度精度0.4g/m3 RMS (abs. humidity) 5% RMS (RHi)液態水廓線垂直分辨率250 m (0-2000 m) 300 m (2000-5000 m)500 m (5000-10000 m)50 m (0-300 m)100 m (300-1000 m) 200 m (1000-3000 m) 400 m (3000-5000 m) 600 m (5000-10000 m) 密度: 0.03 g/m3 RMS 閾值: 50 g/m2 LWP大氣剖面探測高至10km, 120層（50m/層，0-2000m；100m/層，2000-10000m） 溫度、RH、水汽、液態水液態水路徑LWP精度：±20 g/m2； 噪聲：2 g/m2 RMS水汽含量IWV精度: ±0.2 kg/m2 RMS； 噪聲: 0.05 kg/m2 RMS并行直接濾波器組系統K-波段：24通道（22.24～31.40 GHz）V-波段：24通道（51.26～58.00 GHz）通道帶寬200～3000 MHz輻射分辨率K-波段：0.10 K RMS（1秒積分時間）V-波段：0.20 K RMS（1秒積分時間）定標后的絕對亮溫精度0.2 K (1秒積分時間)輻射測量范圍0～800 K>天線波束分辨率大天線〔天線直徑250mm〕、窄波束，旁瓣電平 <-30 dBc3.4 度（濕度探測） 1.5 度（溫度探測）積分時間各通道≥0.4秒：用戶可選擇廓線采樣速率0-3600秒，用戶可選擇雨/霧防護系統微波透射窗帶有疏水涂層、大功率風機系統加熱模塊，防止有霧氣形成露水數據接口自適應網口，直接接入局域網通訊儀器控制工業伺服系統, 4×RS232, 2×LAN, 2×USB反演算法神經網絡，線性/非線性回歸算法測量模式定向觀測和掃描觀測模式工作溫度范圍-60°C～60°C相對濕度范圍0～100％海拔高度從海拔負500 m到6500 m抗風性8級風正常工作，12級風不損壞功耗平均<120 W，開機最大峰值為350 W（不啟動風機加熱時）輸入電壓220 V AC, 50～60 Hz重量< 100 kg |