Remote Sensing Science May 2015, Volume 3, Issue 2, PP.17-24
Introduction of MWHTS onboard FY-3C Satellite and Typhoon Detecting Jieying He#, Shengwei Zhang
Key Laboratory of Microwave Remote Sensing, Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China #
Email: hejieing@mirslab.cn
Abstract Advanced Microwave temperature and humidity Sounder (MWHTS) has been launched in the Sept 23, 2013 and beginning to work from Sept 30, 2013, which is the new generation of Microwave Humidity Sounder onboard Feng Yun 3C (FY-3C) satellite, and is inheritance and development of MWHS onboard FY-3(A/B) satellite. MWHTS onboard FY-3C satellite is a fifteen-channel total power microwave radiometer in the range of 89GHz to 191GHz, among which 118GHz is the first time to be used in the international polar-orbit meteorological satellite in scanning mode. This paper introduces the system design and analysis in orbit testing. Also, using the origin and processing data from MTHS shows that the instrument plays an important role in monitor extreme climate, especially for typhoon ‘Fitow’ , including its generating, evolution, strengthen and die out and very helpful in the work of number weather forecast and nowcast. Keywords FY-3C; MWHTS; 118GHz; Fitow
FY-3C 微波温湿探测仪及其在台风监测中的应用 何杰颖，张升伟 中国科学院微波遥感技术重点实验室 中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 100190 摘 要：2013 年 9 月 23 日 11 时 07 分发射的风云三号 C(FY-3C)星是我国第二代极轨气象卫星的第三颗星。其上装载的 新型微波温湿探测仪已于 2013 年 9 月 30 日开机工作。与风云三号 A/B 星微波湿度计(MWHS)相比，新一代微波湿度计 (MWHTS)在 118GHz 氧气吸收线和 183GHz 水汽吸收线设计了两组共 15 个大气探测通道，在大气窗区设置了 89GHz 和 150GHz 探测通道。118GHz 是国际上首次使用的星载探测频点。本文主要对新一代微波湿度计系统进行阐述，对其开机 后的在轨性能进行分析，并着重分析利用微波湿度计监测台风菲特的生成、演化、增强和消亡的整个过程，从而为数值 天气预报和现报提供重要的价值。 关键词：FY-3C；微波温湿探测仪；118GHz；菲特
前言 FY-3A/B 星分别于 2008 年 5 月 27 日和 2010 年 11 月 5 日在中国太原卫星发射中心发射升空。微波湿度计 (MWHS)是风云三号 A/B 星的主载荷之一，是搭载于极轨气象卫星的微波辐射计，目的是探测大气湿度廓线的 垂直分布以及液态水含量等参数，其包括 150 GHz 和 183 GHz 两个探测频率以及 5 个探测通道，主要功能是探 测全球大气湿度廓线及强降雨；按照卫星总体要求，工作寿命设计为 3 年，2 年在轨运行考核。在轨运行中， MWHS 工作正常，积累了大量全球大气水汽及强降雨等气象资料，图像层次分明，信息量丰富。目前风云三号 A 星、B 星 MWHS 以上午星和下午星形式交叉运行，提供了大量的湿度信息，与星载温度计联合使用，可获 得全球大气的三维温湿度信息，有利于气象资料同化和融合[1]。 风云三号 C 星搭载的新一代微波湿度计 MWHTS 在 MWHS 在探测性能上有较大改进，探测在原来的 - 17 http://www.ivypub.org/RSS
150GHz 和 183.31GHz 基础上，增加了 89GHz 和 118.75GHz 探测频率。其中 118.75GHz 是世界首次在极轨气 象卫星上使用，包含了 118.75GHz 附近的 8 个氧气吸收通道，用来获取大气不同高度的温度分布数据。150GHz 由双极化更改为垂直极化，183.31GHz 为中心的探测通道由原来 3 个增加为 5 个探测通道，工作在水汽吸收频 段，用来获取大气层不同高度的湿度分布的数据。此外，150GHz 和 89GHz 还用来探测云中含水量和强降雨、 卷云等大气参数[2]。
1
微波湿度计性能指标运行状态 风云三号卫星微波湿度计是超外差接收机的全功率型微波辐射计，性能指标、通道特性与应用目的见表 1。
水汽垂直廓线通过测量位于 183.31GHz 水汽吸收线的 5 个不同通道的亮度温度所获得，温度垂直廓线通过测量 位于 118.75GHz 氧气吸收线的 8 个不同通道的亮度温度所获得。系统由天线与接收机单元、数据处理单元和电 源单元组成，系统框图如图 1 所示。 表 1 微波湿度计主要应用目的和通道特性参数 序号
中心频率(GHz)
极化
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
89.0 118.75±0.08 118.75±0.2 118.75±0.3 118.75±0.8 118.75±1.1 118.75±2.5 118.75±3.0 118.75±5.0 150.0 183.31±1 183.31±1.8 183.31±3 183.31±4.5 183.31±7
V H H H H H H H H V H H H H H
带宽 (MHz) 1500 20 100 165 200 200 200 1000 2000 1500 500 700 1000 2000 2000
频率稳定 度(MHz) 50 30 30 30 30 30 30 30 30 50 30 30 30 30 30
动态范 围(K) 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340 3－340
灵敏度 (K) 1.0 3.6 2.0 1.6 1.6 1.6 1.6 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
定标精 注 度[ ] (K) 1.3 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3
主波束 宽度 2.0° 2.0° 2.0° 2.0° 2.0° 2.0° 2.0° 2.0° 2.0° 1.1° 1.1° 1.1° 1.1° 1.1° 1.1°
主波束 效率 >92% >92% >92% >92% >92% >92% >92% >92% >92% >95% >95% >95% >95% >95% >95%
交叉极 化电平 -17.5dB ---------17.5dB ------
（b） 150/183.31GHz 接收机框图
（a）89/118.75GHz 接收机框图
图 1 接收机系统框图
图 3 天线与接收机单元 图 2 风云三号卫星微波湿度计信息流程图 - 18 http://www.ivypub.org/RSS
微波湿度计接收到的信号来自于地球大气层的自由空间辐射，通过一个垂直于卫星飞行轨迹进行扫描的天 线反射面所获取。为标定接收机的增益与噪声，消除信道增益波动的影响[3]，每个扫描周期进行一次高低温两 点定标[4,5,6]。高温源为湿度计内部的吸收体，其物理温度由一组高精度的温度传感器实时测量获得，低温源为 宇宙冷空间背景的微波辐射（约 3K）。接收机采用直接混频方式，接收到的信号聚焦于馈源，然后通过本振 和混频器实现双边带下变频，由中频处理器进行放大、滤波、检波和积分[7,8]。数据处理单元进行数据采集与量 化处理，并通过 1553B 总线与卫星进行通讯，见图 2，天线与接收机单位实物图见图 3。 风云三号卫星轨道高度 836km，卫星地速约 7.5km/s，扫描角度范围（相对于天底点）为±53.35º，89/118GHz 天线波束宽度为 2º，150/183GHz 天线 3dB 波束宽度为 1.1º。 风云三号 C 星微波湿度计，其中刈幅宽度为 2645 km，每条扫描线 98 个像元；刈幅间隔 20km；空间分辨 率天底点像元为圆形，直径 16km；随着入射角增大，地面像元逐渐变化为椭圆形，而且尺寸变大，最远端像 元尺寸 41kmx27km；每个像元驻留时间为 17.4ms。
2
微波湿度计在轨性能测试分析 先进微波大气探测仪最重要的指标是亮温灵敏度。亮温灵敏度 ∆T（辐射分辨率），又称“噪声等效亮温
差 NEDT”，被定义为微波辐射计接收机能够检测到的最小天线温度的变化，用下面的公式表示： 1 ΔG 2 + +X Bτ G 2
ΔT = Tsys ⋅
（1）
其中，B 为检波前带宽，τ 为积分时间，G 为检波前增益，∆G/G 表示一个扫描周期内两点定标之间的增益 稳定度，Tsys 为天线温度 TA 与接收机等效温度 Trec 之和。X 表示量化处理过程的噪声贡献。对于实时两点定 标的辐射计系统，增益波动的影响基本消除。 系统测试按照微波湿度计正常在轨运行模式进行，在一个扫描周期内分别对高温参考源、低温参考源和 目标进行观测及数据采集和记录。其中，微波湿度计内部的吸收体作为高温参考源，位于天顶点位置；液氮 制冷的吸收体作为低温参考源，置于在轨运行时的冷空定标方向；目标源为实验室环境状态下的吸收体，置 于天底点观测方向。参考源和目标源的发射率已知，物理温度在吸收体的多个不同位置经过精密测量，因此 其亮度温度可以准确计算出来。 微波辐射计的噪声功率/电压转换采用平方律检波方式，因此被观测的目标亮度温度与输出电压之间为线 性关系，即 V = a ⋅ T + b ，其中 a 和 b 为常数。假定 TH 和 TL 分别为高温参考源和低温参考源的亮度温度，而 VH 和 VL 为对应输出，目标源对应输出为 V0 ，那么根据高低温参考源确定的线性关系可以推导出目标源的亮度 温度 T0 ： = T0
TH − TL T V − TH VL ⋅ V0 + L H VH − VL VH − VL
（2）
对一定时间内的目标源的测量数据进行统计，其平均值为亮度温度的测量值，与亮度温度计算值的差即为 测量的准确度，测试结果表明，测量准确度小于 1.4K；其方差统计值为 σ ，那么灵敏度为： ΔT = σ ⋅ (TH − TL ) / (VH − VL )
（3）
先进微波探测仪主要性能指标要求与测试结果的对比见表 2。可以看出，主要性能指标满足设计要求，系 统灵敏度。 数据分析结果表明：风云三号 C 星新型微波辐射计正样产品 15 个探测通道的灵敏度均满足指标要求；其 中水汽探测通道灵敏度和美国 ATMS (Advanced Technology Microwave Sounder)指标相当，温度探测通道除通 道 2 以外，灵敏度都满足温度反演要求；各通道观测亮温间无相关性，有利于观测资料在大气参数反演中的应 用；仪器定标准确度优于 1.12K。新型微波辐射计辐射特性热真空分析结果，为仪器在轨辐射定标及资料定量 应用奠定了基础。 - 19 http://www.ivypub.org/RSS
表 2 主要性能指标要求与测试结果对比 项目
指标要求
测试结果
扫描角度范围
±53.35±0.3º (相对天底点)
±53.35º
扫描刈幅
约 2700 km
2645km
成像像元数
98 /每条扫描线
98
在轨定标
冷空间与吸收体
冷空间与吸收体
指向精度
≦0.1º
0.1 º
扫描周期
2.667s
2.667s
89/118.75GHz
2.0 º
89GHz:1.898゜; 118.75GHz:1.847゜
150/183.31GHz
150GHz:1.082゜3.31GHz:0.955゜
89GHz
1.0 º ≦1.0K
118.75±0.08GHz
≦3.6K
2.3K
118.75±0.2GHz
≦2.0K
0.9K
118.75±0.3GHz
≦1.6K
0.8K
118.75±0.8GHz
≦1.6K
0.8K
天线 3dB 波束宽度
灵 敏 度
3
0.3K
118.75±1.1GHz
≦1.6K
0.8K
118.75±2.5GHz
≦1.6K
0.7K
118.75±3.0GHz
≦1.0K
0.4K
118.75±5.0GHz
≦1.0K
0.4K
150GHz
≦1.0K
0.5K
183±1GHz
≦1.0K
0.8K
183±1.8GHz
≦1.0K
0.6K
183±3GHz
≦1.0K
0.6K
183±4.5GHz
≦1.0K
0.5K
183±7GHz
≦1.0K
0.4K
微波湿度计原始数据分析 图 4 是微波湿度计分析软件显示的所有通道 2383 条扫描线对地观测中心点的电压值。
图 4 微波湿度计对地观测中心点电压值
图中横坐标为扫描线计数，纵坐标对地观测天底点电压值，不同频率通道标记为不同颜色，电压值经过定 标转换，即可得到 1 级亮温数据，从而实现台风天亮温及温湿度廓线的实时监测。 图 5 是 FY-3C 微波湿度计地检显示界面，图（a）显示湿度计接收机在轨性能，各通道热源冷源及对地观 测电压输出值，标准差等，右侧是窗区通道 150GHz 的亮温值，图（b）和（c）是全部通道输出亮温值。图（b） - 20 http://www.ivypub.org/RSS
主要针对 2013 年 10 月2 号 13 时 37 分开始记录的一轨数据进行原始数据分析， 轨道开始时间为 20131002_1337， 图（c）轨道开始时间为 20131011_0219。
(a)
(b)
(c)
图 5 FY-3C 微波湿度计地检显示界面
4
台风菲特实时监测 2013 年 9 月底以来，陆续有“圣帕”热带风暴、“菲特”台风等在太平洋上生成并登陆我国东南沿海，特
别是今年第 23 号台风“菲特”于 10 月 4 日下午加强为强台风，5 日夜间进入东海东南部海面，6 日在福建福 鼎登陆后，已造成浙江、福建 456 万人受灾，造成超过 10 亿的经济财产损失。
强对流中心
台湾 圣帕热带风暴
通道 9: 118GHz-8
通道 15: 183GHz-5
图 6 2013 年 10 月 1 日：FY-3C 星微波湿度计探测到“圣帕”热带风暴 - 21 http://www.ivypub.org/RSS
风云三号 A、B、C 星微波湿度计在“圣帕”、“菲特”台风监测中发挥了重要作用，监测到热带风暴、 台风的发展路径，以及登陆我国东南沿海的过程。 201310061643
201310061245
+110° +40°
+120°
+130°
+110° +40°
+140°
+30°
+30°
+20°
+20°
150
200
250
300
300
250
200
150
A 星微波湿度计
+140°
+130°
+120°
B 星微波湿度计
图 7 2013 年 10 月 4 日：FY-3A、B 星微波湿度计探测“菲特”台风 201310041141
201310041539
+110° +40°
150
+120°
+130°
+110° +40°
+140°
+30°
+30°
+20°
+20°
200
300
250
150
+120°
200
+130°
+140°
250
300
图 8 2013 年 10 月 6 日：FY-3A、B 星微波湿度计探测到“菲特”台风登陆我国东南沿海
118GHz： “菲特”台风内部亮温分布
183GHz：“菲特”台风内部亮温分布
图 9 2013 年 10 月 2 日：FY-3C 星微波湿度计探测 “菲特”台风内部结构(左图，中图)
图 10 FY-3C 星微波湿度计 150GHz 全球亮温图像（右图）
2013 年第 23 号热带风暴“菲特”于 9 月 30 日 20 时在菲律宾以东洋面生成，10 月 1 日 17 时在西北太平 洋洋面上加强为强热带风暴，10 月 3 日凌晨加强为台风，4 日下午加强为强台风。此后，“菲特”以每小时 15-20 公里的速度向西偏北方向移动，逐渐向浙江南部到福建北部沿海靠近，并于 10 月 6 日在浙江温岭到福建霞浦 - 22 http://www.ivypub.org/RSS
一带沿海登陆。FY-3C 星于 2013 年 9 月 23 日发射升空，其上搭载的新型微波温湿探测仪于 2013 年 9 月 30 日 开机工作，及时监测到整个热带风暴“菲特”的生成、演化、发展和消亡的全过程，见图 8 所示，与分别于 2008 年 5 月和 2010 年 11 月发射升空的风云三号 A、B 星微波湿度计联合监测，能更好的应用在台风的监测和预报 中，如图 7 和 8 所示。 微波湿度计还能深入穿透云层，探测台风内部亮温分布，通过其内部亮温分布对台风内部结构进行诊断， 对台风路径的发展走势预判提供技术手段，如图 9 所示。微波湿度计还能够全天候、全天时获取全球大气亮温 分布图像，见图 10，进而反演全球降雨及温度和湿度的垂直分布，为中长期数值天气预报，以及全球环境和气 候变化研究提供服务。
5
总结 风云三号卫星先进微波大气探测仪搭载在新一代极轨气象卫星上，可以全天时、全天候地观测大气温度和
湿度的垂直分布（廓线）、水汽含量和降雨量等空间气象资料，为数值天气预报、气候变化研究和环境监测提 供重要参数，为我国空间大气温度和湿度探测技术的研究与发展奠定了技术基础[9,10]。地面测试结果表明，主 要性能指标满足设计指标要求。经过对风云三号先进微波大气探测仪原始数据预处理及后续数据产品生成，可 以实现异常天气的实时监测和预报，从而可以提高中、长期数值天气预报，以及天气预报的准确性[11]。
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【作者简介】 1
何杰颖（1984-），汉，中科院博士学
2
张升伟（1963-），汉，硕士学位，中国科学院空间科学与
位。中国科学院空间科学与应用研究中
应用研究中心微波遥感技术重点实验室，研究员，研究方向
心微波遥感技术重点实验室，副研究员，
为星载微波辐射计设计与研制。
研究方向为星载微波湿度计定标与数据 处理。 Email: hejieying@mirslab.cn
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