CN102829874B - 一种微波高光谱辐射计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波高光谱辐射计，利用一套转动平台装置调整微波反射镜装置的旋转角度，用于改变接收天线装置的工作波束指向，实现对不同仰角大气辐射谱线的测量。入射的微波能量通过微波反射镜装置反射到接收天线装置内，通过将微波反射镜装置进行360度旋转，改变天线波束的指向。此时天线波束的仰角可由俯仰角定位仪精确测得；当计算机或者远程计算机发出一系列微波辐射计的观测指令后，转动平台装置指示微波反射镜装置转动到指定的仰角和方位角。微波高光谱数字处理与控制装置将设置微波高光谱接收机装置到所需通道，同时命令微波高光谱接收机装置开始观测天空，然后将观测到的数据传入计算机或远程计算机中，以将其反演为气象参数曲线。

Description

一种微波高光谱辐射计

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，特别涉及一种微波高光谱辐射计。

背景技术

在微波遥感领域，微波辐射计是一款被动式的基微波遥感设备，能全天候、全天时工作。主要用于中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害性较大。在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的手段。微波辐射计具有独立工作能力，能在几乎各种环境条件工作，非常适合于自动天气站，用于反演完整的大气廓线，反演数据和原始数据全部保存，提供完备的顾客定制或全球标准算法。

微波辐射计虽然具有以上优点，但是，其具有频谱分辨率低，灵敏度低并且扫描速度慢的缺点。因此，如何提高微波辐射计的频谱分辨率，灵敏度以及扫描速度，是目前有待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例中提供了一种微波高光谱辐射计，以提高微波辐射计的频谱分辨率、灵敏度以及扫描速度。

为此，本发明提供一种微波高光谱辐射计，包括：

微波反射镜装置，受控于转动平台控制装置，用于扫描并反射大气辐射信号给接收天线装置；

接收天线装置，用于接收所述大气辐射信号，并将所述大气辐射信号输出至微波高光谱接收机装置；

转动平台装置，用于控制所述微波反射镜装置的旋转角度，以便于所述微波反射镜装置与所述接收天线装置的中心一致；以及改变接收天线装置的工作波束指向，实现对不同仰角大气辐射谱线的测量，并将测量的角度信息传输至所述微波高光谱数字处理与控制装置；

微波高光谱晴空定标装置，用于通过所述微波反射镜装置指向的特定天空仰角控制定标波束，测量晴空背景下所有定标波速的大气辐射温度，并计算所述大气辐射温度的大气平均辐射温度；所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；根据设定天顶方向晴空背景的大气不透明度和所述大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；测量黑体定标源的辐射温度；根据所述大气亮温和辐射温度进行两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据；

微波高光谱接收机装置，用于接收所述接收天线装置输入的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大所述第一中频信号，以及将放大后的所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号至微波高光谱数字处理与控制装置；

恒温装置，用于使所述微波高光谱接收机装置工作于恒定温度；

微波高光谱数字处理与控制装置，用于接收所述微波高光谱接收机装置输出的带有天空亮温信息的电压信号，以及采集大气廓线反演所需的实时地表气象数据，所述地表气象数据包括：微波高光谱晴空定标装置中黑体定标源的辐射温度和大气的绝对压强；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线。

可选的，所述转动平台控制装置包括：

伺服电机，用于控制微波反射镜装置的旋转；

俯仰角定位仪，用于实时测量所述微波反射镜装置的旋转角度，并将测量的角度信息传输至所述微波高光谱数字处理与系统控制装置。

可选的，所述微波高光谱晴空测量装置包括：黑体定标源单元、定标波束控制单元和微波高光谱晴空定标单元，其中，

所述黑体定标源单元，用于作为微波高光谱辐射计两点定标中的热定标源，提供大气的辐射温度，所述辐射温度取决于自身的物理温度，所述物理温度通过微波高光谱辐射计数字处理与控制装置中的温度传感器采集得到；并将所述物理温度发送所述微波高光谱晴空定标装置；

所述定标波束控制单元，用于作为微波辐射计两点定标中的冷定标源；通过微波高光谱辐射计的微波反射镜指向的九个特定天空仰角控制定标波束，并测量晴空背景下所有定标波速的大气辐射温度，并计算所述大气辐射温度的大气平均辐射温度；将所述大气平均辐射温度发送给所述微波高光谱晴空定标装置；其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；

所述微波高光谱晴空定标单元，用于设定天顶方向晴空背景的大气不透明度；根据所述大气不透明度和所述定标波束控制单元发送的大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；获取黑体定标源的辐射温度；根据所述大气亮温和辐射温度进行两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据。

可选的，所述微波高光谱晴空定标单元包括：

数据库，用于存储气象数据和定标参数数据，其中，所述定标参数数据包括：大气平均辐射温度、大气质量因子以及晴空定标模型的定标数据；其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；

设定单元，用于设定天顶方向晴空背景大气不透明度；

第一获取单元，用于从数据库中获取大气平均辐射温度；

第一计算单元，用于根据所述大气不透明度和大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；

第二获取单元，用于获取黑体定标源的辐射温度；

第二计算单元，用于根据所述大气亮温和辐射温度两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；

第三计算单元，用于根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；

迭代计算单元，用于对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据。

可选的，所述迭代计算单元包括：

质量因子获取单元，用于从数据库中获取大气质量因子；

归一化处理单元，用于根据所述大气质量因子对所述定标波束照射方向的大气不透明度进行归一化处理；

系统计算单元，用于计算所述归一化处理单元处归一化处理后的曲线的系数；

第一判断单元，用于判断所述系统是否大于定标预设值，并将大于等于定标预设值的判断结果发送给第二判断单元；将小于定标预设值的判断结果发送给重新定标单元；

第二判断单元，用于在接收到大于等于定标预设值的判断结果时，确定所述归一化处理后的曲线为直线，并继续判断所述直线是否经过原点，并将经过原点的判断结果发送给确定单元；将不经过原点的判断结果发送给斜率计算单元；

第一确定单元，用于在接收到所述经过原点的判断结果时，将所述系统增益作为满足晴空定标模型新的定标数据；

斜率计算单元，用于在接收到所述不经过原点的判断结果时，计算所述直线的斜率；

发送单元，用于将所述斜率发送给设定单元；

重新定标单元，用于在接收到所述小于定标预设值的判断结果时，重新进行定标；

所述设定单元，还用于根据将接收到的所述斜率作为新的天顶方向大气不透明度；

所述第二计算单元，还用于根据设定单元设定的新的天顶方向大气不透明度重新计算系统增益。

可选的，所述晴空测量装置还包括：

传输单元，用于将迭代计算单元得到的满足晴空定标模型新的定标数据传输到所述数字处理与系统控制装置中。

可选的，所述数据库包括：气象资料数据库和定标参数数据库，其中，

所述气象资料数据库，用于统计当地气象资料，并按月份排列后输出给定标参数数据库；其中，所述当地气象资料包括：大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；

所述定标参数数据库，用于存储接收到的当地气象资料，以及当地高频谱分辨率的大气吸收系数、大气平均辐射温度和大气质量因子，其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度。

可选的，所述微波高光谱接收机装置包括：

一级接收装置，用于接收接收天线装置输入的大气辐射信号，所述大气辐射信号为高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大输出所述第一中频信号至所述二级接收装置；

二级接收装置，用于接收放大后的所述第一中频信号，将所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号。

可选的，所述一级接收装置包括：高频放大单元、镜像噪声滤波单元、下变频单元和中频放大单元，其中，

所述高频放大单元，用于接收天线输入的高频信号，放大并输出所述高频信号；

所述镜像噪声滤波单元，用于对高频放大单元产生的额外噪声分量进行滤波；对将要输出给下变频单元的高频信号进行预滤波，抑制镜像噪声；以及接收下变频单元发出的控制信号，根据所述控制信号控制所述高频信号输出至对应的腔体滤波器中；

所述下变频单元，用于接收所述镜像噪声滤波单元预滤波后的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，输出所述第一中频信号；

所述中频放大单元，用于接收并放大所述第一中频信号，输出所述放大的第一中频信号至所述二级接收装置。

可选的，所述镜像噪声滤波单元包括：第一微波开关、第二微波开关，以及多个多阶带通滤波器，其中，每个多阶带通滤波器的一端连接有第一微波开关，另一端连接有第二微波开关，所述第一微波开关还与高频放大模块和频率合成器连接，所述第二微波开关还与下变频模块中的下变频器和频率合成器连接；第一微波开关的开和关，以及第二微波开关的开和关，受所述频率合成器输出的控制信号的控制。

可选的，所述下变频单元包括：频率合成器和下变频器，其中，

所述频率合成器，用于生成不同频率的本振信号，并输出所述本振信号给所述下变频器；以及生成控制信号，将所述控制信号输出至所述镜像噪声滤波单元；

所述下变频器，用于根据所述本振信号对所述高频放大模块输出的高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号输出给中频放大单元。

可选的，所述频率合成器包括：锁相模块和倍频模块；其中，

所述锁相模块，用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频至中频频段；

所述倍频模块，用于依据频率合成器的所需的输出频率，根据所述参考频率选取低频倍频通路或高频倍频通路，输出满足预设带宽的本振信号。

可选的，所述锁相模块包括：参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其中，

所述参考频率源，用于提供标准的参考频率；

所述数字分频器，用于提供不同分频比，以所述参考频率源提供的参考频率为频率步进，在所述鉴相器配合下控制所述压控振荡器的输出频率。

可选的，所述倍频模块包括：第一二倍频器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二二倍频器、第二带通滤波器、本振放大器和低通滤波器；其中，所述第一带通滤波器与第二二倍频器形成高频倍频通路，第二带通倍频器形成低频倍频通路，其中，

所述第一二倍频器，用于将所述锁相模块的输出信号进行倍频；

所述第一单刀双掷开关，用于控制所述第一二倍频器输出的信号输出至所述第一带通滤波器或第二带通滤波器；

所述第一带通滤波器，用于滤取接收到信号的低频信号，并将所述低频信号输出至所述第二二倍频器；

所述第二二倍频器对接收到的低频信号进行倍频后输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二带通滤波器，用于滤取所述锁相模块输出的高频信号，并将所述高频信号输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二单刀双掷开关，用于控制所述第二二倍频器发送的信号或所述第二带通滤波器发送的信号输出至本振放大器；

所述本振放大器，用于接收并放大所述第二单刀双掷开关输入的本振信号；

所述低通滤波器，用于滤取所述低频倍频通路或高频倍频通路所产生的额外噪声分量，输出本振信号至所述下变频器。

可选的，所述二级接收装置包括：

功分单元，用于将一级接收装置输出的第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并通过多路通道输出所述多路中频信号至腔体滤波单元组；

腔体滤波单元组，用于对接收到的每路中频信号进行频段划分，并将频段划分后的中频信号输出至平方率检波单元组；

平方率检波单元组，用于对接收到频段划分后的每路中频信号进行平方率检波，控制输出带有天空亮温信息的电压信号的带宽；

视频放大单元，用于对接收到平方率检波模块组输出的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输出至气象信息至微波高光谱数字处理与控制装置。

可选的，所述腔体滤波单元组包括多个腔体滤波器，每个腔体滤波器为七阶椭圆腔体滤波器；

所述平方率检波单元组包括多个检波器，每个检波器为二极管检波器；其中，所述腔体滤波器和检波器的个数相同；

所述视频放大模块包括：级联的两级运算放大器。

可选的，所述微波高光谱数字处理与控制装置包括：

采集单元，用于采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号和地表气象数据传输给所述微波高光谱数字处理装置；其中，所述地表气象数据包括：微波高光谱晴空定标装置中黑体定标源的辐射温度、大气的绝对压强；

微波高光谱数字处理单元，用于接收采集单元发送的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线。

可选的，所述采集单元包括：

高速数据采集单元，用于采集微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号；

全球定位单元，用于测量全球定位系统GPS数据，以便于对时钟进行定位；

温湿度传感单元，用于检测地表的温度、湿度信息；

气压传感单元，用于检测地表的气压信息。

可选的，所述微波高光谱数字处理单元包括：

神经网络数据处理单元，用于获取当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为第一大气亮温矩阵；并对所述第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后的第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需的已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络；

反演单元，用于根据所述神经网络数据处理单元已训练的微波高光谱神经网络将所述采集单元采集到的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线或大气廓线。

可选的，所述神经网络数据处理单元包括：

廓线收集单元，用于统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；

亮温模拟单元，用于将统计的所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大第一气亮温矩阵；所述第一大气亮温矩阵包括多年的高频谱分辨率的大气亮温信息；

第一微波高光谱信息压缩单元，用于对所述亮温模拟单元输出的第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；

神经网络训练单元，用于利用神经网络算法根据所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络。

可选的，所述神经网络训练单元包括：

输入端口，用于输入所述廓线收集单元所统计的当地大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；

神经元，用于通过设定的神经网络利用输入端口输入的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后的第一大气亮温矩阵进行迭代收敛，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络；

输出端口，用于输出所述神经元迭代收敛后的已训练的神经网络。

可选的，所述反演单元包括：

亮温数据处理单元，用于获取所述采集单元采集的大气亮温信息，根据所述大气亮温信息，产生第二大气亮温矩阵，并将所述第二大气亮温矩阵传输给第二微波高光谱信息压缩单元；

第二微波高光谱信息压缩单元，对所述亮温数据处理单元输出的第二大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第二大气亮温矩阵；

神经网络处理单元，用于根据所述神经网络训练单元已训练的微波高光谱神经网络将所述第二大气亮温矩阵反演为气象参数曲线或大气廓线。

可选的，所述微波高光谱数字处理与控制装置还包括：

控制单元，用于在所述采集单元采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，启动所述转动平台控制装置控制微波反射镜装置的旋转角度；并控制所述微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。

可选的，所述控制单元包括：

转动平台控制单元，用于控制微波反射镜单元转动到指定仰度和方位角，以便于所述微波反射镜单元与所述微波高光谱接收机单元连接的接收天线单元的中心一致；

接收机控制单元，用于控制微波高光谱接收机装置中一级接收机的频段划分；

现场操作单元，用于对微波高光谱辐射计的前置面板直接进行操作。

可选的，所述微波高光谱数字处理与控制装置还包括：

远程操作控制单元，用于在所述采集单元采集微波高光谱辐射计输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据之前，接收远程发送的控制信号，根据所述控制信号控制所述微波反射镜装置的转动角度；以及控制所述微波高光谱接收机装置中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。

由上述技术方案可知，本发明实施例中，利用一套转动平台装置调整微波反射镜装置的旋转角度，用于改变接收天线装置的工作波束指向，实现对不同仰角大气辐射谱线的测量。入射的微波能量通过微波反射镜装置反射到接收天线装置内，通过将微波反射镜装置进行360度旋转，改变天线波束的指向。此时天线波束的仰角可由俯仰角定位仪精确测得；当计算机或者远程计算机发出一系列微波辐射计的观测指令后，转动平台装置指示微波反射镜装置转动到指定的仰角和方位角。微波高光谱数字处理与控制装置将设置微波高光谱接收机装置到所需通道，同时命令微波高光谱接收机装置开始观测天空，然后将观测到的数据反演为气象参数曲线。也就是说，本发明采用微波高光谱辐射测量技术，将宽带高分辨率接收机技术与传统微波辐射计技术相结合，构成了一种高频谱分辨率、高灵敏度、低系统复杂度且扫描速度快的微波高光谱辐射计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微波高光谱辐射计的第一种结构示意图；

图1A为本发明实施例提供的微波反射镜装置的机构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种接收天线装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的微波高光谱辐射计的第二结构示意图；

图4为本发明实施例提供的微波高光谱晴空定标单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的微波高光谱晴空定标单元工作时的定标波束示意图；

图6为本发明实施例提供的微波高光谱接收机装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种微波高光谱辐射计中现场操作单元的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种微波高光谱辐射计中现场操作单元的界面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例提供的一种微波高光谱辐射计的结构示意图，所述微波高光谱辐射计包括：微波反射镜装置11、接收天线装置12、转动平台装置13、微波高光谱晴空定标装置14、微波高光谱接收机装置15、恒温装置16和微波高光谱数字处理与控制装置17，其中，

所述微波反射镜装置11，受控于转动平台控制装置13，用于扫描并反射大气辐射信号给接收天线装置12；

其中，所述微波反射镜装置（或微波反射镜单元）的结构可以是硬铝材料的平面反射镜结构，其外型为圆形；该微波反射镜装置与转动平台控制单元连接，可以扫描并反射大气辐射信号给接收天线装置。其中，微波反射镜装置的结构示意图如图1A所示，

所述接收天线装置12，用于接收所述微波反射镜装置11反射的大气辐射信号，并将所述大气辐射信号输出至微波高光谱接收机装置15；

其中，所述接收天线装置（或接收天线单元）的结构为光壁圆锥喇叭结构，具体如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种接收天线装置的结构示意图；该接收天线装置的工作波束呈圆锥面，该圆锥面的轴线经过微波反射镜装置（或微波反射镜单元）的中心；该接收天线装置由波导接口连接于微波高光谱接收机装置（或微波高光谱接收机装置单元）。

所述转动平台装置13，用于控制所述微波反射镜装置11的旋转角度，以便于所述微波反射镜装置11与所述接收天线装置12的中心一致；并将测量的角度信息传输至所述微波高光谱数字处理与控制装置17；

所述微波高光谱晴空定标装置14，用于通过所述微波反射镜装置11指向的特定天空仰角控制定标波束，测量晴空背景下所有定标波速的大气辐射温度，并计算所述大气辐射温度的大气平均辐射温度；所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；根据设定天顶方向晴空背景的大气不透明度和所述大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；测量黑体定标源的辐射温度；根据所述大气亮温和辐射温度进行两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据；

所述微波高光谱接收机装置15，用于接收所述接收天线装置12输入的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大所述第一中频信号，以及将放大后的所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号至微波高光谱数字处理与控制装置17；

所述恒温装置16，用于使所述微波高光谱接收机装置15工作于恒定温度；其中，该恒温装置（或恒温单元）可以采用KLG—9000系列紧密鼓风干燥箱实现，它包括金属箱体、风道结构、加热模块、散热模块和温度控制器等这几个部分，其中，加热模块产生的热量通过风道结构在散热模块与箱体内物品进行循环，从而使箱内温度达到均匀，工作温度则由温度控制器进行控制。

所述微波高光谱数字处理与控制装置17，用于接收所述微波高光谱接收机装置15输出的带有天空亮温信息的电压信号，以及采集大气廓线反演所需的实时地表气象数据，所述地表气象数据包括：微波高光谱晴空定标装置中黑体定标源的辐射温度、大气的绝对压强；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线。

还请参阅图3，图3为本发明实施例提供的微波高光谱辐射计的第二结构示意图，该实施例在图1实施例的基础上，其中，

所述转动平台控制装置13包括：伺服电机131和俯仰角定位仪132；其中，

所述伺服电机131，用于控制微波反射镜单元的旋转；

其中，伺服电机可以选用实时补偿型闭环控制伺服电机，它包括：电机、电机驱动器、闭环控制器和编码器等几个部分。伺服电机用于控制微波反射镜装置的旋转。

所述俯仰角定位仪132，用于实时测量所述微波反射镜装置的旋转角度，并将测量的角度信息传输至所述微波高光谱数字处理与控制装置。

其中，所述俯仰角定位仪通过所连接的微波高光谱数字处理与控制装置进行角度控制。当微波反射镜装置旋转到天顶角度的时候，伺服电机中编码器发射一个脉冲信号给微波高光谱数字处理与控制装置，用于周期校准俯仰角度。该俯仰角定位仪可以选用二维重力感应器芯片实现，它连接于伺服电机，用于实时测量微波反射镜装置的旋转角度，俯仰角定位仪连接并传输角度信息与微波高光谱数字处理与控制装置。

所述微波高光谱晴空定标装置14包括：黑体定标源单元141、定标波束控制单元142和微波高光谱晴空定标单元143；其中，

所述黑体定标源单元141，用于作为微波高光谱辐射计两点定标中的热定标源，提供大气的辐射温度，所述辐射温度取决于自身的物理温度，所述物理温度通过微波高光谱辐射计数字处理与控制装置中的温度传感器采集得到；并将所述物理温度发送所述微波高光谱晴空定标单元143；

其中，所述黑体定标源单元（或黑体定标源）可以包括：锥形吸波材料和金属保温圆桶，并将所述锥形吸波材料放置于金属保温圆桶中，所述金属保温圆桶用于恒定吸波材料周围的物理温度。

一种实施例中，所述黑体定标源单元（或黑体定标源）可以由三角锥形状的吸波材料和金属保温圆桶组成；该吸波材料可以采用角锥SA型聚氨酯泡沫吸波材料，但并不限于此。所述吸波材料放置于金属保温圆桶中，吸波材料的垂直反射率小于-20dB。该金属保温圆桶可以采用真空隔热层进行隔热，它的上方覆盖一层介电常数较低的透波材料。金属保温圆桶用于恒定吸波材料周围的物理温度，提高对黑体定标源的温度测量精度。

其中，所述黑体定标源的物理温度可以由微波高光谱辐射计数字处理与控制装置中的温度传感器采集得到，温度精度达到0.1℃。本实施例中，黑体定标源用于作为微波辐射计两点定标中的热定标源，辐射温度取决于它的物理温度。

所述定标波束控制单元142，用于作为微波辐射计两点定标中的冷定标源；通过微波高光谱辐射计的微波反射镜装置指向的九个特定天空仰角控制定标波束，并测量晴空背景下所有定标波速的大气辐射温度，并计算所述大气辐射温度的大气平均辐射温度；将所述大气平均辐射温度发送给所述微波高光谱晴空定标单元；其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度。

其中，所述定标波束控制单元所控制的定标波束为圆锥面波束，它通过微波高光谱辐射计的微波反射镜指向19.35°、23.4°、30.15°、41.85°、90°、138.15°、149.85°、156.6°和160.65°等九个特定天空仰角。这九个天空仰角满足天顶双边角度对称，用于补偿微波反射镜的角度转动误差。

所述微波高光谱晴空定标单元143，用于设定天顶方向晴空背景的大气不透明度；根据所述大气不透明度和所述定标波束控制单元发送的大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；获取黑体定标源的辐射温度；根据所述大气亮温和辐射温度进行两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据。

可选的，所述微波高光谱晴空定标单元143包括：数据库41，设定单元42，第一获取单元43，第一计算单元44，第二获取单元45，第二计算单元46、第三计算单元47和迭代计算单元48。其结构示意图如图4所示，图4为本发明实施例提供的微波高光谱晴空定标单元的结构示意图；其中，

所述数据库41，用于存储气象数据和定标参数数据，其中，所述定标参数数据包括：大气平均辐射温度、大气质量因子以及晴空定标模型的定标数据；其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；

其中，所述数据库可以包括：气象资料数据库和定标参数数据库，其中，所述气象资料数据库，用于统计当地气象资料，并按月份排列后输出给定标参数数据库；其中，所述当地气象资料包括：大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；所述定标参数数据库212，用于存储接收到的当地气象资料，以及当地高频谱分辨率的大气吸收系数、大气平均辐射温度和大气质量因子，其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度。

所述设定单元42，用于设定天顶方向晴空背景大气不透明度；所述第一获取单元43，用于从数据库中获取大气平均辐射温度；

所述第一计算单元44，用于根据所述大气不透明度和大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；

所述第二获取单元45，用于获取黑体定标源的辐射温度；

所述第二计算单元46，用于根据所述大气亮温和辐射温度两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；

所述第三计算单元47，用于根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；

所述迭代计算单元48，用于对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据。

可选的，所述迭代计算单元可以包括：质量因子获取单元，归一化处理单元，系统计算单元，第一判断单元，第二判断单元，第一确定单元，斜率计算单元，发送单元和重新定标单元，其中，

所述质量因子获取单元，用于从数据库中获取大气质量因子；所述归一化处理单元，用于根据所述大气质量因子对所述定标波束照射方向的大气不透明度进行归一化处理；所述系统计算单元，用于计算所述归一化处理单元处归一化处理后的曲线的系数；所述第一判断单元，用于判断所述系统是否大于定标预设值，并将大于等于定标预设值的判断结果发送给第二判断单元；将小于定标预设值的判断结果发送给重新定标单元；所述第二判断单元，用于在接收到大于等于定标预设值的判断结果时，确定所述归一化处理后的曲线为直线，并继续判断所述直线是否经过原点，并将经过原点的判断结果发送给确定单元；将不经过原点的判断结果发送给斜率计算单元；所述第一确定单元，用于在接收到所述经过原点的判断结果时，将所述系统增益作为满足晴空定标模型新的定标数据；所述斜率计算单元，用于在接收到所述不经过原点的判断结果时，计算所述直线的斜率；所述发送单元，用于将所述斜率发送给设定单元；所述重新定标单元，用于在接收到所述小于定标预设值的判断结果时，重新进行定标；所述设定单元，还用于根据将接收到的所述斜率作为新的天顶方向大气不透明度；所述第二计算单元，还用于根据设定单元设定的新的天顶方向大气不透明度重新计算系统增益。

其中，迭代计算单元的迭代计算过程为：从数据库中获取大气质量因子；根据所述大气质量因子对所述定标波束照射方向的大气不透明度进行归一化处理；计算归一化处理后的曲线的系数；如果所述系数大于等于定标预设值，则所述归一化处理后的曲线为直线；判断所述直线是否经过原点，如果是，将所述系统增益作为满足晴空定标模型的定标数据；否则，计算所述直线的斜率，并将所述斜率设定为新的天顶方向大气不透明度，重新计算系统增益；如果所述系数小于所述定标预设值，则重新进行定标。

其中，在该实施例中，所述定标预设值可以为0.995，但并不限于此，还可以在此基础上，上下浮动0.01-0.1，本实施例不作限制。

也就是说，根据所述大气质量因子对所述定标波束照射方向的大气不透明度进行归一化，对归一化后的曲线进行相关系数计算，若相关系数小于<0.995，则认为所测数据不符合晴空定标条件，需要微波辐射计重新进行定标；如果相关系数小于≥0.995,则可认为大气不透明度归一化后的曲线为直线；然后，判断这条直线是否过原点，如果直线没有过原点，则计算直线的斜率k；将直线的斜率k设定为新的天顶方向大气不透明度；如果直线过原点，则满足大气微波高光谱晴空定标模型，跳出迭代循环；将微波辐射计系统增益作为新的定标数据存入微波高光谱辐射计的数字处理与控制装置中。

可选的，所述微波高光谱晴空定标装置还可以包括：传输单元，用于将迭代计算单元得到的满足晴空定标模型新的定标数据传输到所述微波高光谱数字处理与控制装置中。

其中，在该实施例中，微波高光谱晴空定标单元143工作时的定标波束示意图如图5所示，图5为本发明实施例提供的微波高光谱晴空定标单元工作时的定标波束示意图。通过快速测量几个天空仰角的大气辐射，同时调整定标参数直到辐射计的系统输出符合当地的大气微波高光谱定标模型，从而得到辐射计各通道的系统增益。比如，定标波束的波束宽度为10度，天空仰角的角度误差小于0.1度。所述定标波束用于测量晴空背景的辐射温度，作为微波辐射计两点定标中的冷定标源，并将测量的辐射温度传输给微波高光谱晴空定标单元进行定标计算，其计算的过程详见下述。

也就是说，本实施例中的所述微波高光谱晴空定标单元可以通过微波高光谱晴空定标模型中所述微波高光谱晴空定标软件来实现，其中，该微波高光谱晴空定标软件基于微波高光谱晴空定标模型实现，该模型根据所在地区十年以上的气象统计数据建立。在微波高光谱晴空定标模型中，通过统计高光谱大气平均辐射温度和高光谱大气等效高度这两个参数来区分地区。它们由当地气象局获得的气象资料得到，所需气象资料包括气温廓线、气压廓线和水汽压廓线。

所述微波高光谱晴空定标软件可以通过数据库和晴空定标模块来实现，也就是说，设定单元，第一获取单元，第一计算单元，第二获取单元，第二计算单元、第三计算单元和迭代计算单元可以集成在定标模块中。其中，所述数据库包括气象资料数据库和定标参数数据库。

其中，所述气象资料数据库，用于存储某地区(比如北京市等)气象局公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线，它基于近1989～2011年的大气廓线数据统计而成。也就是说，气象资料数据库用于统计当地气象资料，并按月份排列后输出给所述定标参数数据库。

所述定标参数数据库，用于存储某地区（由北京市等）高频谱分辨率的大气吸收系数、大气平均辐射温度和大气质量因子组成。

其中，大气吸收系数K_a可以采用大气MPM模型,由氧气与水气的线性谱线拟合近似得到的；其中，大气吸收系数K_a的计算公式为：

K_a(f)＝0.1820fN″(f)          （1）

其中，f为微波高光谱下的频率参数，N″(f)为大气复折射率的虚部，在晴空天气条件下，它包括了氧气、水气线性谱线的贡献；所述氧气与水气的线性谱线的贡献计算具体如下：

$N_L\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{44}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{i}F{\left(f\right)}_i+\underset{j=1}{\overset{34}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{j}F{\left(f\right)}_j---\left(2\right)$

其中，S_i表示第i条谱线的强度（KHz），F(f)_i是对应谱线的谱形函数（GHz^-1），f_i为第i条谱线的频率。

对于氧气吸收谱：

S_i＝10^-6a₁pθ³exp[a₂(1-θ_t)]          （3）

$F{\left(f\right)}_i=\frac{f}{f_i}[\frac{1-{\mathrm{i\&delta;}}_i}{f_i-f-{\mathrm{i\&gamma;}}_i}-\frac{1+{\mathrm{i\&delta;}}_i}{f_i+f+{\mathrm{i\&gamma;}}_i}]---\left(4\right)$

其中

${\mathrm{\&gamma;}}_i={10}^{-3}{a}_3({\mathrm{p\&theta;}}_t^{(0.8-a_4)}+1.1e{\mathrm{\&theta;}}_t)---\left(5\right)$

${\mathrm{\&delta;}}_i={10}^{-3}(a_5+a_6{\mathrm{\&theta;}}_t){\mathrm{p\&theta;}}_t^{0.8}---\left(6\right)$

θ_t＝300/(t+273.15)          （7）

对于水气吸收谱：

$S_j={10}^{-3}{b}_1{\mathrm{e\&theta;}}_t^{3.5}\exp \left[b_2(1-{\mathrm{\&theta;}}_t)\right]---\left(8\right)$

$F{\left(f\right)}_j=\frac{f}{f_j}[\frac{1-{\mathrm{i\&delta;}}_j}{f_j-f-{\mathrm{i\&gamma;}}_j}-\frac{1+{\mathrm{i\&delta;}}_j}{f_j+f+{\mathrm{i\&gamma;}}_j}]---\left(9\right)$

其中

${\mathrm{\&gamma;}}_j={10}^{-3}{b}_3({\mathrm{p\&theta;}}_t^{b_4}+b_5{\mathrm{e\&theta;}}_t^{b_6})---\left(10\right)$

δ_j＝0          （11）

上述公式的中的p,t,e分别代表当前大气高度下的气压、温度和水汽压，所述气压、温度和水汽压们是由气象资料数据库中的某地区（比如北京地区）大气气压廓线、温度廓线和水汽压廓线提取出来的；而a₁～a₆和b₁～b₆分别为氧气和水气的谱线吸收效率，为已知常数。通过公式（1）计算出北京地区高频谱分辨率下的大气吸收系数K_a，并存入定标参数数据库中。大气吸收系数是用于计算大气平均辐射温度和大气质量因子的所需必要参数。

大气平均辐射温度T_mr采用辐射传输方程，由大气吸收系数和大气温度廓线计算得到。大气平均辐射温度T_mr的计算公式为：

$T_{\mathrm{mr},f}\left(\mathrm{\&theta;}\right)={\&Integral;}_0^{\&infin;}{T}_f^{\&prime;}{e}^{-{\mathrm{\&tau;}}_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{\mathrm{d\&tau;}}_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)/(1-e^{-{\mathrm{\&tau;}}_f(\&infin;,\mathrm{\&theta;})})---\left(12\right)$

其中f为频率，θ为定标波束的照射角度，T_f′定义为：

$T_f^{\&prime;}=\frac{B_f\left(t\right)c^2}{{2f}^{2}k}---\left(13\right)$

$B_f\left(t\right)=\frac{{2\mathrm{hf}}^3}{c^2}\&CenterDot;\frac{1}{\exp \left(\frac{\mathrm{hf}}{\mathrm{kt}}\right)-1}---\left(14\right)$

公式（14）中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c为光速，t为当前大气高度下的温度，由气象资料数据库中的某地区（比如北京地区）大气温度廓线提取出来。

公式（12）中，τ_f(θ)为当前高度下的大气不透明度，其计算公式为：

${\mathrm{\&tau;}}_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)={\&Integral;}_0^{h_z}{K}_a\left(z\right)\sec \mathrm{\&theta;dz}---\left(15\right)$

其中h_z为定标波束方向的大气高度，z为定标波束的所指方向,K_a为当前大气高度下的大气吸收系数，由定标参数数据库中提取出来。

通过公式（12）计算出某地区（比如北京地区）高频谱分辨率下的大气平均辐射温度T_mr，并存入定标参数数据库中。大气平均辐射温度T_mr是晴空定标模块中的必要参数，用于将大气辐射功率映射为光学不透明度。传统晴空定标方法中将大气平均辐射温度作为一个常数参数进行代入，然而微波高光谱辐射计中大气谱的测量带宽大于8GHz，通道数大于100个，此时大气平均辐射温度的变化已大于1K，无法完成准确定标。为满足微波高光谱辐射计的定标需求，定标参数数据库中计算和存储了不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度。

大气质量因子α是晴空定标方法中定义的参数，用于对大气不透明度进行归一化计算。大气质量因子的定义为θ定标波束照射方向上的大气不透明度与天顶方向上的大气不透明度的比值，即：

在理想晴空条件下大气质量因子只取决于定标波束的照射角度，然而由于地球曲率的存在，照射角度会有一定的误差。通过代入大气吸收系数K_a进行修正可以得到修正后的不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气质量因子。

在球形大气模型中，大气的不透明度τ为：

其中r_e为地球半径，此时定义一个大气等效高度，对地球曲率进行修正：

则式（17）式修正为：

结合公式（16），可将大气质量因子修正为：

$\mathrm{\&alpha;}={\mathrm{\&alpha;}}_0-{\mathrm{H\&alpha;}}_0({\mathrm{\&alpha;}}_0^2-1)/r_e---\left(20\right)$

通过公式（20）计算出北京地区高频谱分辨率下的大气质量因子α，并存入定标参数数据库中。

定标参数数据库用于提供晴空定标单元所需的微波高光谱定标参数。数据库分为十二个月，辐射计系统每个月应至少定标一次，定标时需要传输数据库中当前月份的定标参数给晴空定标模块。数据库每年升级一次，通过加入过去一年的气象资料进行定标参数更新。

该晴空定标模块采用迭代算法结构进行实现，迭代算法基于在晴空条件下大气各方向归一化大气不透明度相等的原理。通过调整定标参数直到辐射计的系统输出符合大气微波高光谱晴空定标模型，同时测量内部环境黑体定标源的辐射温度，从而得到辐射计各通道的准确增益。

所述微波高光谱接收机装置15包括：一级接收装置151和二级接收装置152，其中，所述一级接收装置151，用于接收接收天线装置输入的大气辐射信号，所述大气辐射信号为高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大输出所述第一中频信号至所述二级接收装置；所述二级接收装置152，用于接收放大后的所述第一中频信号，将所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号。

其中，所述一级接收装置151可以包括：高频放大单元1511、镜像噪声滤波单元1512、下变频单元1513和中频放大单元1514；所述二级接收装置152包括：功分单元1521，腔体滤波单元组1522，平方率检波单元组1523和视频放大单元1524，其具体结构如图6所示，图6为本发明实施例提供的微波高光谱接收机装置的结构示意图。

其中，所述高频放大单元1511，用于接收天线输入的高频信号，放大并输出所述高频信号；其中，所述高频放大模块可以包括波导同轴转换和高频低噪声放大器，所述波导同轴转换是由矩形波导接口和同轴接口组成，用于将接收天线的矩形波导接口转换为一级接收机的同轴接口；高频低噪声放大器采用两级放大器级联结构，其高频低噪声放大器电路可以用LNA芯片来实现，但并不限于此。也就是说，高频放大单元用于接收并放大接收天线输出的微弱高频信号（即微弱电信号）。

也就是说，高频放大单元是由波导同轴转换和高频低噪声放大器组成。波导同轴转换是由矩形波导接口和同轴接口组成，用于将接收天线的矩形波导接口转换为接收机的同轴接口；高频低噪声放大器采用两级放大器级联结构，放大器电路可以通过cha3689芯片来实现。基于cha3689芯片设计单级放大电路的增益为26dB，高频放大模块的增益可达到52dB。高频放大模块用于接收接收天线输出的频率为18～26GHz，功率小于-130dBm的微弱电信号，并将功率放大到-78dBm后输出到镜像噪声滤波模块。高频放大模块的技术指标如表1所示。

表1

高频放大单元的参数	技术指标
		增益	>50dB
噪声系数	<3.0dB
		功率动态范围	<2.0dB

所述镜像噪声滤波单元1512，用于对高频放大单元产生的额外噪声分量进行滤波；对将要输出给下变频单元的高频信号进行预滤波，抑制镜像噪声；以及接收下变频单元发出的控制信号，根据所述控制信号控制所述高频信号输出至对应的腔体滤波器中；

其中，所述镜像噪声滤波单元1512可以包括：第一微波开关、第二微波开关，以及多个多阶带通滤波器（带通滤波器组），其中，每个多阶带通滤波器的一端连接有第一微波开关，另一端连接有第二微波开关，所述第一微波开关还与高频放大模块和频率合成器连接，所述第二微波开关还与下变频模块中的下变频器和频率合成器连接；第一微波开关的开和关，以及第二微波开关的开和关，受所述频率合成器输出的控制信号的控制。

其中，在该实施例中，所述带通滤波器组可以采用微带滤波器结构，类型为7阶切比雪夫带通滤波器，但并不限于此。

也就是说，所述镜像噪声滤波单元通过接收下变频单元中的频率合成器发出的控制信号对第一微波开关和/或第二微波开关的状态进行控制，从而使高频放大单元输出高频信号能够进入二级接收机中合适的腔体滤波器中。其中，所述微波开关可以是SP10T开关芯片，当然，也可以是具有该功能的其他芯片，本实例不作限制。在该实施例中，各个器件之间的输入输出接口均为同轴接口。其中，镜像噪声滤波模块的技术指标如下列表2所示。

表2

所述下变频单元153，选用单边带下变频结构，用于接收所述镜像噪声滤波单元预滤波后的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，输出所述第一中频信号；

其中，所述下变频单元153包括：频率合成器和下变频器，其中，所述频率合成器，用于生成不同频率的本振信号，并输出所述本振信号给所述下变频器；以及生成控制信号，将所述控制信号输出至所述镜像噪声滤波单元；所述下变频器，用于根据所述本振信号对所述高频放大模块输出的高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号输出给中频放大单元。

也就是说，所述下变频模块用于将高频放大模块输出的高频信号划分频段，并转换为中频信号输出到中频放大模块。下变频模块的技术指标如下列表3所示。

表3

可选的，所述频率合成器包括：锁相模块和倍频模块；其中，

所述锁相模块，用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频至中频频段；其中，所述锁相模块可以包括：参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其中，所述参考频率源，用于提供标准的参考频率；所述数字分频器，用于提供不同分频比，以所述参考频率源提供的参考频率为频率步进，在所述鉴相器配合下控制所述压控振荡器的输出频率。

其中，所述锁相模块采用锁相环结构，包括参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其各个器件的功能和作用对于本领域技术人员来说，已是熟知技术，在此不再赘述。所述参考频率源可以由市场上的温补晶振提供的参考频率；数字分频器和鉴相器集成在AD4107芯片中；压控振荡器选用HMC587LC4B型号。频率合成器的输出频率通过锁相模块中数字分频器的分频比进行调整，频率步进等于参考频率源的参考频率20MHz；频率合成器的输出频率为5～10GHz，跳频时间小于10ms。。锁相模块用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频到中频频段。

所述倍频模块，用于依据频率合成器的所需的输出频率，根据所述参考频率选取低频倍频通路或高频倍频通路，输出满足预设带宽的本振信号。其中，所述倍频模块包括：第一二倍频器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二二倍频器、第二带通滤波器、本振放大器和低通滤波器；其中，所述第一带通滤波器与第二二倍频器形成高频倍频通路，第二带通倍频器形成低频倍频通路，其中，所述第一二倍频器，用于将所述锁相模块的输出信号进行倍频；所述第一单刀双掷开关，用于控制所述第一二倍频器输出的信号输出至所述第一带通滤波器或第二带通滤波器；所述第一带通滤波器，用于滤取接收到信号的低频信号，并将所述低频信号输出至所述第二二倍频器；所述第二二倍频器对接收到的低频信号进行倍频后输出至所述第二单刀双掷开关；所述第二带通滤波器，用于滤取所述锁相模块输出的高频信号，并将所述高频信号输出至所述第二单刀双掷开关；所述第二单刀双掷开关，用于控制所述第二二倍频器发送的信号或所述第二带通滤波器发送的信号输出至本振放大器；所述本振放大器，用于接收并放大所述第二单刀双掷开关输入的本振信号；所述低通滤波器，用于滤取所述低频倍频通路或高频倍频通路所产生的额外噪声分量，输出本振信号至所述下变频器。

其中，第一二倍频器首先将锁相模块的输出信号进行倍频，基于HMC573倍频芯片实现；第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关分别基于SP2T开关芯片实现，用于选取合适的频率通路，开关时间小于10ms；低频倍频通路通过第二带通滤波器滤取锁相模块输出的高频参量，第二带通滤波器可以采用微带滤波器结构，类型为3阶切比雪夫带通滤波器，通带为18～20GHz；高频倍频通路通过第一带通滤波器滤取锁相模块输出的低频参量，通带为10～13GHz，然后通过第二二倍频器进行实现高频输出，输出频率为20～26GHz。第一带通滤波器可以采用微带滤波器结构，类型为3阶切比雪夫带通滤波器。第二二倍频器电路基于HMC576倍频芯片实现；低通滤波器采用微带滤波器结构，类型为5阶切比雪夫低通滤波器，截止频率为30GHz。用于滤取倍频通路产生的额外谐波分量；本振放大器采用多级放大器级联结构，电路基于cha3689芯片实现。也就是说，所述倍频模块根据频率合成器所需的输出频率，选取低频或高频倍频通路，实现了超大带宽本振信号输出。

所述中频放大单元154，用于接收并放大所述第一中频信号，输出所述放大的第一中频信号至所述二级接收装置。

也就是说，中频放大单元用于接收并放大下变频模块输出的中频信号，然后输出给二级接收机装置。其中，中频放大模块的技术指标如表4所示：

表4

中频放大模块参数	技术指标
		增益	39dB
中心频率	2GHz
		带内平坦度	<1dB
带外抑制	>25dBc1GHz

其中，所述中频放大单元是由中频低噪声放大器和低通滤波器组成。中频低噪声放大器采用三级放大器级联结构，放大器电路为LNA芯片。低通滤波器采用LC滤波器结构，类型为5阶切比雪夫低通滤波器，它用于滤取中频低噪声放大器生产的额外噪声分量。中频放大模块用于接收并放大下变频模块输出的中频信号，然后输出给二级接收机装置。

所述功分单元1521，用于将一级接收装置输出的第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并通过多路通道输出所述多路中频信号至腔体滤波单元组；其中，功分单元，比如功分器，可以采用威尔金森微带功分器结构，是由威尔金森结构的微带线和微波电阻组成。微带线的制作材料为铜，放置于AD1000微波板材上；微波电阻选用50欧姆的微波电阻。

其中，所述功分单元，比如功分器用于将一级接收机输出的中频信号等功率划分为十个通道，并输出给腔体滤波器组。该功分器的技术指标如表5所示：

表5

功分器参数	技术指标
		频率范围	1.6～2.4GHz
插入损耗	<0.6dB

隔离度	>20dB
		幅度平衡度	<0.3dB
驻波比	<1.3

所述腔体滤波单元组1522，用于对接收到的每路中频信号进行频段划分，并将频段划分后的中频信号输出至平方率检波单元组；其中，该腔体滤波单元组可以采用腔体滤波器结构，类型为7阶椭圆带通滤波器，腔体滤波器包括谐振腔和调谐螺钉，所述谐振腔选用同轴腔结构，所述调谐螺钉用铁制成并用导电胶固定。

其中，所述腔体滤波单元组（或腔体滤波器组，包括多个腔体滤波器）组采用腔体滤波器结构，类型为7阶椭圆带通滤波器，带宽为80MHz。腔体滤波器是由谐振腔和调谐螺钉组成。谐振腔选用同轴腔结构，调谐螺钉用铁制成并用导电胶固定。腔体滤波单元组用于将中频信号进行频段划分，然后输出给平方率检波单元组(平方率检波器组)。腔体滤波单元组的技术指标如表6所示。

表6

所述平方率检波单元组1523，用于对接收到频段划分后的每路中频信号进行平方率检波，控制输出带有天空亮温信息的电压信号的带宽；其中，平方率检波单元组采用二极管检波结构，利用二极管的平方率检波区域，完成小信号下的平方率检波功能。具体包括：检波二极管、匹配电阻和视频电容。所述检波二极管可以采用零偏置肖特基二极管结构，比如HSMS282K检波二极管等。匹配电阻并联在检波二极管前端，用于实现平方率检波器输入阻抗的宽带匹配。视频电容并联在检波二极管后端，用于控制输出电压信号的带宽。匹配电阻和视频电容采用50欧姆微波电阻和100pF微波电容等，但并不限于此。

其中，所述平方率检波单元组包括多个检波器，每个检波器为二极管检波器；其中，所述腔体滤波器和检波器的个数相同。

也就是说，该平方率检波单元组采用二极管检波结构，利用二极管的平方率检波区域，完成小信号下的平方率检波功能。它是由检波二极管、匹配电阻和视频电容几个部分组成。检波二极管采用零偏置肖特基二极管结构，选取HSMS282K检波二极管实现。匹配电阻并联在检波二极管前端，用于实现平方率检波器输入阻抗的宽带匹配。视频电容并联在检波二极管后端，用于控制输出电压信号的带宽。匹配电阻和视频电容采用50欧姆微波电阻和100pF微波电容。平方率检波单元组的技术指标如表7所示：

表7

平方率检波单元组参数	技术指标
		频率范围	1.6～2.4GHz
输入功率	-40～-20dBm
		输出电压	0～15mV
线性度	>0.9999
		灵敏度	>1.0mV/μW

所述视频放大单元1524，用于对接收到平方率检波模块组输出的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输出至气象信息至微波高光谱数字处理与控制装置；其中，视频放大单元采用两级运算放大器级联结构，用以保证足够大的输入阻抗，从而平方率检波器组输出的电压信号能够完全进入到视频放大模块中。所述运算放大器可以为op777芯片等，由于平方率检波器组的输出电压非常小，所以视频放大模块需要将电压信号放大到AD采集的动态范围内。其中，所述视频放大单元包括：级联的两级运算放大器。

其中，该视频放大单元采用两级运算放大器级联结构，用以保证足够大的输入阻抗，从而平方率检波器组输出的电压信号能够完全进入到视频放大单元中。运算放大器基于op777芯片实现，由于平方率检波单元组的输出电压非常小，所以视频放大单元用于将电压信号放大到AD采集的动态范围内。视频放大单元的技术指标如表8所示：

表8

视频放大模块参数

技术指标

频率范围	0～50MHz
		放大倍数	>200倍
输出电压	0～3V

在该实施例中，一级接收机装置的结构可以是超外差接收机，二级接收机装置的结构可以是多通道接收机阵列结构。其微波高光谱接收机装置的技术指标如表9所示。

表9

接收机参数	技术指标
		增益	>80dB
噪声系数	<3.0dB
		线性度	>0.9999
标准通道	>100通道
		观测信道带宽	<80MHz
全通道测量时间	<0.1秒

可选的，所述微波高光谱数字处理与控制装置17包括：采集单元171和微波高光谱数字处理单元172，采集单元171包括：高速数据采集单元1711，全球定位单元1712，温湿度传感器1713和气压传感器1714；所述微波高光谱数字处理单元172包括：神经网络数据处理单元1721和反演单元1722；其具体结构如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种微波高光谱辐射计中现场操作单元的结构示意图。其中，

所述采集单元171，用于采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号和地表气象数据传输给所述微波高光谱数字处理装置；其中，所述地表气象数据包括：微波高光谱晴空定标装置中黑体定标源的辐射温度、大气的绝对压强。

其中，采集单元171具体包括：高速数据采集单元1711，全球定位单元1712，温湿度传感器1713和气压传感器1714。

所述高速数据采集单元1711，用于采集微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号；其中，所述高速数据采集单元可以是AD采集模块，所述AD采集模块选用AD芯片实现，即通过多路复用结构实现多通道采样。其中，AD采集模块的技术指标如表9所示。

表9

AD采集模块	技术指标
		采集通道数	>10个
采样精度	16位
		采样率	>1KHz

所述全球定位单元1712，用于测量全球定位系统GPS数据，以便于对时钟进行定位；其中，全球定位单元可以是GPS模块，其选用型号可以是LEA-5S型号，所述GPS模块包括GPS天线和GPS接收机，其具体的过程，对于本领域技术人员来说，已是熟知技术，在此不再赘述。

所述温湿度传感单元1713，比如温湿度传感器，用于检测地表的温度、湿度信息；其中，所述温湿度传感器选用的型号可以是JCJ100N型号的温湿度传感器，但并不限于此；

所述气压传感单元1714，比如气压传感器，用于检测地表的气压信息；其选用的型号可以是BMP085型号的气压传感器，但并不限于此。其中，上述检测地表的气压传感器的精度如表10所示：

表10

地表的气压传感器	精度
		温度（-20℃～60℃）	0.5℃25℃
相对湿度(0～100%)	3%
		气压(800～1060mb)	0.3mb

所述微波高光谱数字处理单元172，用于接收采集单元发送的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线。具体包括：神经网络数据处理单元1721和反演单元1722，其中，

所述神经网络数据处理单元1721，用于获取当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为第一大气亮温矩阵；并对所述第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后的第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需的已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络；

其中，所述神经网络数据处理单元1721具体包括：廓线收集单元，亮温模拟单元，第一微波高光谱信息压缩单元和神经网络训练单元，其中，

所述廓线收集单元，用于统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；比如，统计北京气象局公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线等信息，该信息基于近1989～2011年的大气廓线数据统计而成。气象资料数据按月份排列，根据该气象资料数据可以统计出当地气象资料，并将所述气象资料输出给亮温模拟单元；

所述亮温模拟单元，用于将统计的所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大第一气亮温矩阵；所述第一大气亮温矩阵包括多年的高频谱分辨率的大气亮温信息；

也就是说，所述亮温模拟单元312基于Liebe87辐射传输模型，将廓线收集单元所统计的北京地区大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大气亮温矩阵，其中，大气亮温矩阵T_f(θ)的计算公式为公式（21），但并不限于此下述方式，也可以通过其他方式，本实施例不作限制：

$T_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)={\&Integral;}_0^{\&infin;}{T}_f^{\&prime;}{e}^{-{\mathrm{\&tau;}}_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{\mathrm{d\&tau;}}_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)/(1-e^{-{\mathrm{\&tau;}}_f(\&infin;,\mathrm{\&theta;})})---\left(21\right)$

其中，f为频率，θ为微波高光谱辐射计的照射角度，T_f′定义为：

$T_f^{\&prime;}=\frac{B_f\left(t\right)c^2}{{2f}^{2}k}---\left(22\right)$

$B_f\left(t\right)=\frac{{2\mathrm{hf}}^3}{c^2}\&CenterDot;\frac{1}{\exp \left(\frac{\mathrm{hf}}{\mathrm{kt}}\right)-1}---\left(23\right)$

其中，公式（23）中h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c为光速，t为当前大气高度下的温度，该温度是由从廓线收集单元统计的北京地区大气温度廓线中提取出来的。

其中，公式（21）中τ_f(θ)为当前高度下的大气不透明度，具体为：

${\mathrm{\&tau;}}_f\left(\mathrm{\&theta;}\right)={\&Integral;}_0^{h_z}{K}_a\left(z\right)\sec \mathrm{\&theta;dz}---\left(24\right)$

其中，h_z为辐射计照射角度的大气高度，z为辐射计的照射方向,K_a为当前大气高度下的大气吸收系数；其中，大气吸收系数K_a由氧气与水气的线性谱线拟合近似得到，所述大气吸收系数K_a的计算公式为：

K_a(f)＝0.1820f_N″(f)          （25）

其中，N″(f)是大气复折射率的虚部，它包括了氧气、水气线性谱线的贡献。氧气与水气的线性谱线的贡献计算具体如下：

$N_L\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{44}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{i}F{\left(f\right)}_i+\underset{j=1}{\overset{34}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{j}F{\left(f\right)}_j---\left(26\right)$

其中，S_i表示第i条谱线的强度（KHz），F(f)_i是对应谱线的谱形函数（GHz^-1），f_i为第i条谱线的频率。

对于氧气吸收谱：

S_i＝10^-6a₁pθ³exp[a₂(1-θ_t)]          （27）

$F{\left(f\right)}_i=\frac{f}{f_i}[\frac{1-{\mathrm{i\&delta;}}_i}{f_i-f-{\mathrm{i\&gamma;}}_i}-\frac{1+{\mathrm{i\&delta;}}_i}{f_i+f+{\mathrm{i\&gamma;}}_i}]---\left(28\right)$

其中

${\mathrm{\&gamma;}}_i={10}^{-3}{a}_3({\mathrm{p\&theta;}}_t^{(0.8-a_4)}+1.1e{\mathrm{\&theta;}}_t)---\left(29\right)$

${\mathrm{\&delta;}}_i={10}^{-3}(a_5+a_6{\mathrm{\&theta;}}_t){\mathrm{p\&theta;}}_t^{0.8}---\left(30\right)$

θ_t＝300/(t+273.15)          （31）

对于水气吸收谱：

$S_j={10}^{-3}{b}_1{\mathrm{e\&theta;}}_t^{3.5}\exp \left[b_2(1-{\mathrm{\&theta;}}_t)\right]---\left(32\right)$

$F{\left(f\right)}_j=\frac{f}{f_j}[\frac{1-{\mathrm{i\&delta;}}_j}{f_j-f-{\mathrm{i\&gamma;}}_j}-\frac{1+{\mathrm{i\&delta;}}_j}{f_j+f+{\mathrm{i\&gamma;}}_j}]---\left(33\right)$

其中

${\mathrm{\&gamma;}}_j={10}^{-3}{b}_3({\mathrm{p\&theta;}}_t^{b_4}+b_5{\mathrm{e\&theta;}}_t^{b_6})---\left(34\right)$

δ_j＝0          （35）

其中，上述公式的中的p,t,e分别代表当前大气高度下的气压、温度和水汽压，他们由廓线收集单元中提取出某地区（比如北京地区）大气气压廓线、温度廓线和水汽压廓线。而所述a₁～a₆和b₁～b₆分别为氧气和水气的谱线吸收效率，为已知常数。通过式（5）计算出某地区（比如北京地区）高频谱分辨率下的大气吸收系数K_a，并代入式（1）和式（4）得到不同频率、不同照射角度下的大气亮温矩阵。大气亮温矩阵包含了1989～2011年内北京地区高频谱分辨率的大气亮温信息。

所述第一微波高光谱信息压缩单元，用于对所述亮温模拟单元输出的第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；

所述神经网络训练单元，用于利用神经网络算法根据所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络。

其中，所述神经网络训练单元包括：输入端口，神经元和输出端口，其中，所述输入端口，用于输入所述廓线收集单元所统计的当地大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；所述神经元，用于通过设定的神经网络利用输入端口输入的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后的第一大气亮温矩阵进行迭代收敛，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络；所述输出端口，用于输出所述神经元迭代收敛后的已训练的神经网络。

该实施例中，神经网络训练单元通常采用误差反向传播（BP）神经网络算法，神经元的输出函数采用S形传输函数，其S形传输函数如下所述：

T_f(θ)＝1/[1+e^-Σ(Wp+b)]          （36）

其中，T_f(θ)为大气亮温矩阵，f和θ分别为微波高光谱辐射计的工作频率和照射角度。p为输入端口，例如需要训练温度廓线神经网络时，p代表大气温度廓线，W和b分别为计算过程所需的权值和门限值。神经网络的计算过程如下：

1、由输入端口输入已知的大气廓线，通过设置的神经元结构和前一次迭代的权值和门限值，得到最后一层的神经元输出。

2、对所述权值和门限值进行修改，从最后一层向前计算权值和门限值对总误差的影响，并对它们进行修改后返回第1步。

对上述过程进行迭代收敛后，即得到所需的神经网络，也就是说，所述神经网络训练单元用于提供反演模块所需的神经网络。

所述反演单元1722，用于根据所述神经网络数据处理单元已训练的微波高光谱神经网络将所述采集单元采集到的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线或大气廓线；

其中，所述反演单元1722具体包括：亮温数据处理单元，第二微波高光谱信息压缩单元和神经网络处理单元，

所述亮温数据处理单元，用于获取所述采集单元采集的大气亮温信息，根据所述大气亮温信息，产生第二大气亮温矩阵，并将所述第二大气亮温矩阵传输给第二微波高光谱信息压缩单元；

所述第二微波高光谱信息压缩单元，对所述亮温数据处理单元输出的第二大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第二大气亮温矩阵；

其中，该第二微波高光谱信息压缩单元与神经网络数据处理单元中的第一微波高光谱信息压缩单元采用相同的结构，其区别在于，该此第二微波高光谱信息压缩单元用于压缩微波高光谱辐射计实测的大气亮温矩阵。

所述神经网络处理单元，用于根据所述神经网络训练单元已训练的微波高光谱神经网络将所述第二大气亮温矩阵反演为气象参数曲线或大气廓线。

其中，所述神经网络处理单元基于神经网络算法，通过提取神经网络训练单元（又称为神经网络数据库）中已训练好的神经网络，将微波高光谱信息压缩单元输出的第二大气亮温矩阵反演为大气廓线。

可选的，在上述实施例中，所述微波高光谱数字处理与控制装置还可以包括：控制单元，用于在所述采集单元采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，启动所述转动平台控制装置控制微波反射镜装置的旋转角度；并控制所述微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。

其中，所述控制单元包括：转动平台控制单元，接收机控制单元和现场操作单元，，其中，所述转动平台控制单元，用于控制微波反射镜装置转动到指定仰度和方位角，以便于所述微波反射镜装置与所述微波高光谱接收机装置连接的接收天线单元的中心一致；其中，所述转动平台控制单元可以采用嵌入式系统的六路I/O接口结构来实现，具体包括：脉冲信号接口、使能信号接口、方向信号接口、零位信号接口、A路信号接口和B路信号接口，但并不限于此，其中，A、B两路信号相位相差90度，通过判断它们之间的相位关系控制电机转动速度和方向，也就是说，所述转动平台控制单元用于控制微波反射镜装置的转动角度。

所述接收机控制单元，用于控制微波高光谱接收机装置中一级接收机的频段划分；其中，所述接收机控制单元采用嵌入式系统的多路并行接口结构来实现，并行接口所代表的4位二进制数字表示了一级接收机的当前工作通道，也就是说，所述接收机控制单元用于控制一级接收机的频段划分，所述接收机控制单元的并行接口如表11所示：

表11

一级接收机各通道中心频率	4位并行接口
		18.4GHz	0000
19.2GHz	0001
		20.0GHz	0010
20.8GHz	0011
		21.6GHz	0100
22.4GHz	0101
		23.2GHz	0110
24.0GHz	0111
		24.8GHz	1000
25.6GHz	1001

所述现场操作单元，用于对微波高光谱辐射计的前置面板直接进行操作。其中，所述现场操作单元包括：液晶触屏81、数字键盘82和现场人机界面（图中未示）等几个部分，其结构示意图如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种微波高光谱辐射计中现场操作单元的界面示意图。

如图8所示，所述液晶触屏81和数字键盘82安装于微波高光谱辐射计一个侧面；液晶触屏82受控于远程操作控制单元；现场人机界面是安装于嵌入式系统中的控制界面，并通过液晶屏幕81进行显示，通过液晶触屏81和数字键盘82进行操作，也就是说，现场操作单元用于实现室外对辐射计的直观操作。

可选的，在上述实施例中，所述微波高光谱数字处理与控制装置还可以包括：远程操作控制单元，用于在所述采集单元采集微波高光谱辐射计输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据之前，接收远程发送的控制信号，根据所述控制信号控制所述微波反射镜装置的转动角度；以及控制所述微波高光谱接收机装置中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。

其中，所述远程操作控制单元可以由远程计算机和远程人机界面组成；其中，所述远程计算机可以是安装了Windows XP操作系统的台式电脑或者笔记本电脑，所述远程计算机放置于距离微波高光谱辐射计50米远的室内，通过网线或者带有usb接口的存储设备与微波高光谱辐射计进行连接或传输。远程人机界面是通过软件来实现的，比如，Microsoft Visual Studio10.0软件中的C++语言等。也就是说，所述远程操作单元用于实现室内对辐射计的自动化操作。

本发明实施例提供了一种微波高光谱辐射计，采用微波高光谱辐射测量技术，将宽带高分辨率接收机技术与传统微波辐射计技术相结合，构成了一种高频谱分辨率、高灵敏度、低系统复杂度且扫描速度快的微波高光谱辐射计。其微波高光谱辐射计技术指标如表12所示：

表12

参数	技术指标
		长期稳定性	<1.0K/月
分辨率（取决于取样时间）	0.1～0.5K
		天线波束宽度	10度
积分时间	0.1～10秒
		通道数量	>100通道
通道带宽	<80MHz/通道
		定标方法	微波高光谱晴空定标方法
扫描周期	<1分钟

本发明实施例中，利用一套转动平台装置调整微波反射镜装置的旋转角度，用于改变接收天线装置的工作波束指向，实现对不同仰角大气辐射谱线的测量。入射的微波能量通过微波反射镜装置反射到接收天线装置内，通过将微波反射镜装置进行360度旋转，改变天线波束的指向。此时天线波束的仰角可由俯仰角定位仪精确测得；当计算机或者远程计算机发出一系列微波辐射计的观测指令后，转动平台装置指示微波反射镜装置转动到指定的仰角和方位角。微波高光谱数字处理与控制装置将设置微波高光谱接收机装置到所需通道，同时命令微波高光谱接收机装置开始观测天空，然后将观测到的数据反演为气象参数曲线；或者，微波高光谱数字处理与控制装置件观测的数据传入远程计算机中，以便于远程计算机将该数据反演为气象参数曲线。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (25)

1.一种微波高光谱辐射计，包括：

微波反射镜装置，受控于转动平台控制装置，用于扫描并反射大气辐射信号给接收天线装置；

接收天线装置，用于接收所述大气辐射信号，并将所述大气辐射信号输出至微波高光谱接收机装置；

转动平台装置，用于控制所述微波反射镜装置的旋转角度，以便于所述微波反射镜装置与所述接收天线装置的中心一致；以及改变接收天线装置的工作波束指向，实现对不同仰角大气辐射谱线的测量，并将测量的角度信息传输至微波高光谱数字处理与控制装置；

其特征在于，还包括：

微波高光谱晴空定标装置，用于通过所述微波反射镜装置指向的特定天空仰角控制定标波束，测量晴空背景下所有定标波速的大气辐射温度，并计算所述大气辐射温度的大气平均辐射温度；所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；根据设定天顶方向晴空背景的大气不透明度和所述大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；测量黑体定标源的辐射温度；根据所述大气亮温和辐射温度进行两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据；

微波高光谱接收机装置，用于接收所述接收天线装置输入的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大所述第一中频信号，以及将放大后的所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号至微波高光谱数字处理与控制装置；

恒温装置，用于使所述微波高光谱接收机装置工作于恒定温度；

微波高光谱数字处理与控制装置，用于接收所述微波高光谱接收机装置输出的带有天空亮温信息的电压信号，以及采集大气廓线反演所需的实时地表气象数据，所述地表气象数据包括：微波高光谱晴空定标装置中黑体定标源的辐射温度和大气的绝对压强；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线。

2.根据权利要求1所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述转动平台控制装置包括：

伺服电机，用于控制微波反射镜装置的旋转；

俯仰角定位仪，用于实时测量所述微波反射镜装置的旋转角度，并将测量的角度信息传输至所述微波高光谱数字处理与系统控制装置。

3.根据权利要求1所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述微波高光谱晴空测量装置包括：黑体定标源单元、定标波束控制单元和微波高光谱晴空定标单元，其中，

所述黑体定标源单元，用于作为微波高光谱辐射计两点定标中的热定标源，提供大气的辐射温度，所述辐射温度取决于自身的物理温度，所述物理温度通过微波高光谱辐射计数字处理与控制装置中的温度传感器采集得到；并将所述物理温度发送所述微波高光谱晴空定标装置；

所述定标波束控制单元，用于作为微波辐射计两点定标中的冷定标源；通过微波高光谱辐射计的微波反射镜指向的九个特定天空仰角控制定标波束，并测量晴空背景下所有定标波速的大气辐射温度，并计算所述大气辐射温度的大气平均辐射温度；将所述大气平均辐射温度发送给所述微波高光谱晴空定标装置；其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；

所述微波高光谱晴空定标单元，用于设定天顶方向晴空背景的大气不透明度；根据所述大气不透明度和所述定标波束控制单元发送的大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；获取黑体定标源的辐射温度；根据所述大气亮温和辐射温度进行两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据。

4.根据权利要求3所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述微波高光谱晴空定标单元包括：

数据库，用于存储气象数据和定标参数数据，其中，所述定标参数数据包括：大气平均辐射温度、大气质量因子以及晴空定标模型的定标数据；其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度；

设定单元，用于设定天顶方向晴空背景大气不透明度；

第一获取单元，用于从数据库中获取大气平均辐射温度；

第一计算单元，用于根据所述大气不透明度和大气平均辐射温度计算天顶方向晴空背景的大气亮温；

第二获取单元，用于获取黑体定标源的辐射温度；

第二计算单元，用于根据所述大气亮温和辐射温度两点定标，计算微波高光谱辐射计的所有通道的系统增益；

第三计算单元，用于根据所述系统增益计算所有定标波速照射方向的大气不透明度；

迭代计算单元，用于对所述大气不透明度进行迭代计算，获得满足晴空定标模型新的定标数据。

5.根据权利要求4所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述迭代计算单元包括：

质量因子获取单元，用于从数据库中获取大气质量因子；

归一化处理单元，用于根据所述大气质量因子对所述定标波束照射方向的大气不透明度进行归一化处理；

系统计算单元，用于计算所述归一化处理单元处归一化处理后的曲线的系数；

第一判断单元，用于判断所述系统是否大于定标预设值，并将大于等于定标预设值的判断结果发送给第二判断单元；将小于定标预设值的判断结果发送给重新定标单元；

第二判断单元，用于在接收到大于等于定标预设值的判断结果时，确定所述归一化处理后的曲线为直线，并继续判断所述直线是否经过原点，并将经过原点的判断结果发送给确定单元；将不经过原点的判断结果发送给斜率计算单元；

第一确定单元，用于在接收到所述经过原点的判断结果时，将所述系统增益作为满足晴空定标模型新的定标数据；

斜率计算单元，用于在接收到所述不经过原点的判断结果时，计算所述直线的斜率；

发送单元，用于将所述斜率发送给设定单元；

重新定标单元，用于在接收到所述小于定标预设值的判断结果时，重新进行定标；

所述设定单元，还用于根据将接收到的所述斜率作为新的天顶方向大气不透明度；

所述第二计算单元，还用于根据设定单元设定的新的天顶方向大气不透明度重新计算系统增益。

6.根据权利要求4或5所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述晴空测量装置还包括：

传输单元，用于将迭代计算单元得到的满足晴空定标模型新的定标数据传输到所述数字处理与系统控制装置中。

7.根据权利要求4所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述数据库包括：气象资料数据库和定标参数数据库，其中，

所述气象资料数据库，用于统计当地气象资料，并按月份排列后输出给定标参数数据库；其中，所述当地气象资料包括：大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；

所述定标参数数据库，用于存储接收到的当地气象资料，以及当地高频谱分辨率的大气吸收系数、大气平均辐射温度和大气质量因子，其中，所述大气平均辐射温度为不同地区、不同月份、不同频率以及不同仰角的大气平均辐射温度。

8.根据权利要求1所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述微波高光谱接收机装置包括：

一级接收装置，用于接收接收天线装置输入的大气辐射信号，所述大气辐射信号为高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号下变频为第一中频信号，放大输出所述第一中频信号至二级接收装置；

二级接收装置，用于接收放大后的所述第一中频信号，将所述第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并对所述多路中频信号中的每路中频信号进行频段划分后进行平方率检波，得到带有天空亮温信息的电压信号，放大并输出所述电压信号。

9.根据权利要求8所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述一级接收装置包括：高频放大单元、镜像噪声滤波单元、下变频单元和中频放大单元，其中，

所述高频放大单元，用于接收天线输入的高频信号，放大并输出所述高频信号；

所述镜像噪声滤波单元，用于对高频放大单元产生的额外噪声分量进行滤波；对将要输出给下变频单元的高频信号进行预滤波，抑制镜像噪声；以及接收下变频单元发出的控制信号，根据所述控制信号控制所述高频信号输出至对应的腔体滤波器中；

所述下变频单元，用于接收所述镜像噪声滤波单元预滤波后的高频信号，对所述高频信号进行频段划分，并将频段划分的所述高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，输出所述第一中频信号；

所述中频放大单元，用于接收并放大所述第一中频信号，输出所述放大的第一中频信号至所述二级接收装置。

10.根据权利要求9所述的微波高光谱辐射计，其特征在于：所述镜像噪声滤波单元包括：第一微波开关、第二微波开关，以及多个多阶带通滤波器，其中，每个多阶带通滤波器的一端连接有第一微波开关，另一端连接有第二微波开关，所述第一微波开关还与高频放大模块和频率合成器连接，所述第二微波开关还与下变频模块中的下变频器和频率合成器连接；第一微波开关的开和关，以及第二微波开关的开和关，受所述频率合成器输出的控制信号的控制。

11.根据权利要求9所述的微波高光谱辐射计，其特征在于：所述下变频单元包括：频率合成器和下变频器，其中，

所述频率合成器，用于生成不同频率的本振信号，并输出所述本振信号给所述下变频器；以及生成控制信号，将所述控制信号输出至所述镜像噪声滤波单元；

所述下变频器，用于根据所述本振信号对高频放大模块输出的高频信号进行下变频处理，得到第一中频信号，并将所述第一中频信号输出给中频放大单元。

12.根据权利要求11所述的微波高光谱辐射计，其特征在于：所述频率合成器包括：锁相模块和倍频模块；其中，

所述锁相模块，用于将低频的参考频率源提供的参考频率倍频至中频频段；

所述倍频模块，用于依据频率合成器的所需的输出频率，根据所述参考频率选取低频倍频通路或高频倍频通路，输出满足预设带宽的本振信号。

13.根据权利要求12所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述锁相模块包括：参考频率源、数字分频器、鉴相器和压控振荡器，其中，

所述参考频率源，用于提供标准的参考频率；

所述数字分频器，用于提供不同分频比，以所述参考频率源提供的参考频率为频率步进，在所述鉴相器配合下控制所述压控振荡器的输出频率。

14.根据权利要求12所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述倍频模块包括：第一二倍频器、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二二倍频器、第二带通滤波器、本振放大器和低通滤波器；其中，所述第一带通滤波器与第二二倍频器形成高频倍频通路，第二带通倍频器形成低频倍频通路，其中，

所述第一二倍频器，用于将所述锁相模块的输出信号进行倍频；

所述第一单刀双掷开关，用于控制所述第一二倍频器输出的信号输出至所述第一带通滤波器或第二带通滤波器；

所述第一带通滤波器，用于滤取接收到信号的低频信号，并将所述低频信号输出至所述第二二倍频器；

所述第二二倍频器对接收到的低频信号进行倍频后输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二带通滤波器，用于滤取所述锁相模块输出的高频信号，并将所述高频信号输出至所述第二单刀双掷开关；

所述第二单刀双掷开关，用于控制所述第二二倍频器发送的信号或所述第二带通滤波器发送的信号输出至本振放大器；

所述本振放大器，用于接收并放大所述第二单刀双掷开关输入的本振信号；

所述低通滤波器，用于滤取所述低频倍频通路或高频倍频通路所产生的额外噪声分量，输出本振信号至所述下变频器。

15.根据权利要求8至14任一项所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述二级接收装置包括：

功分单元，用于将一级接收装置输出的第一中频信号等功率划分为多路中频信号，并通过多路通道输出所述多路中频信号至腔体滤波单元组；

腔体滤波单元组，用于对接收到的每路中频信号进行频段划分，并将频段划分后的中频信号输出至平方率检波单元组；

平方率检波单元组，用于对接收到频段划分后的每路中频信号进行平方率检波，控制输出带有天空亮温信息的电压信号的带宽；

视频放大单元，用于对接收到平方率检波模块组输出的电压信号进行放大，并将放大后的电压信号输出至气象信息至微波高光谱数字处理与控制装置。

16.根据权利要求15所述的微波高光谱辐射计，其特征在于：

所述腔体滤波单元组包括多个腔体滤波器，每个腔体滤波器为七阶椭圆腔体滤波器；

所述平方率检波单元组包括多个检波器，每个检波器为二极管检波器；其中，所述腔体滤波器和检波器的个数相同；

所述视频放大单元包括：级联的两级运算放大器。

17.根据权利要求1所述的微波高光谱辐射计，其特征在于：所述微波高光谱数字处理与控制装置包括：

采集单元，用于采集微波高光谱辐射计中微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号和地表气象数据传输给所述微波高光谱数字处理装置；其中，所述地表气象数据包括：微波高光谱晴空定标装置中黑体定标源的辐射温度、大气的绝对压强；

微波高光谱数字处理单元，用于接收采集单元发送的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据；并将所述电压信号以及地表气象数据反演为气象参数曲线。

18.根据权利要求17所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述采集单元包括：

高速数据采集单元，用于采集微波高光谱接收机单元输出的带有天空亮温信息的电压信号；

全球定位单元，用于测量全球定位系统GPS数据，以便于对时钟进行定位；

温湿度传感单元，用于检测地表的温度、湿度信息；

气压传感单元，用于检测地表的气压信息。

19.根据权利要求17所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述微波高光谱数字处理单元包括：

神经网络数据处理单元，用于获取当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；将所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为第一大气亮温矩阵；并对所述第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；以及利用神经网络算法对压缩后的第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需的已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络；

反演单元，用于根据所述神经网络数据处理单元已训练的微波高光谱神经网络将所述采集单元采集到的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据反演为气象参数曲线或大气廓线。

20.根据权利要求19所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述神经网络数据处理单元包括：

廓线收集单元，用于统计当地气象局多年公开的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；

亮温模拟单元，用于将统计的所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线换算为大第一气亮温矩阵；所述第一大气亮温矩阵包括多年的高频谱分辨率的大气亮温信息；

第一微波高光谱信息压缩单元，用于对所述亮温模拟单元输出的第一大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第一大气亮温矩阵；

神经网络训练单元，用于利用神经网络算法根据所述大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后第一大气亮温矩阵进行训练处理，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络，并存储所述已训练的微波高光谱神经网络。

21.根据权利要求20所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述神经网络训练单元包括：

输入端口，用于输入所述廓线收集单元所统计的当地大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线；

神经元，用于通过设定的神经网络利用输入端口输入的大气温度廓线、气压廓线和水汽压廓线对压缩后的第一大气亮温矩阵进行迭代收敛，得到反演单元所需已训练的微波高光谱神经网络；

输出端口，用于输出所述神经元迭代收敛后的已训练的神经网络。

22.根据权利要求19所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述反演单元包括：

亮温数据处理单元，用于获取所述采集单元采集的大气亮温信息，根据所述大气亮温信息，产生第二大气亮温矩阵，并将所述第二大气亮温矩阵传输给第二微波高光谱信息压缩单元；

第二微波高光谱信息压缩单元，对所述亮温数据处理单元输出的第二大气亮温矩阵进行频谱压缩，得到压缩后的第二大气亮温矩阵；

神经网络处理单元，用于根据神经网络训练单元已训练的微波高光谱神经网络将所述第二大气亮温矩阵反演为气象参数曲线或大气廓线。

23.根据权利要求17至22任一项所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述微波高光谱数字处理与控制装置还包括：

控制单元，用于在所述采集单元采集到所述电压信号以及地表气象数据之前，启动所述转动平台控制装置控制微波反射镜装置的旋转角度；并控制所述微波高光谱接收机单元中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。

24.根据权利要求23所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述控制单元包括：

转动平台控制单元，用于控制微波反射镜单元转动到指定仰度和方位角，以便于所述微波反射镜单元与所述微波高光谱接收机单元连接的接收天线单元的中心一致；

接收机控制单元，用于控制微波高光谱接收机装置中一级接收机的频段划分；

现场操作单元，用于对微波高光谱辐射计的前置面板直接进行操作。

25.根据权利要求17至22任一项所述的微波高光谱辐射计，其特征在于，所述微波高光谱数字处理与控制装置还包括：

远程操作控制单元，用于在所述采集单元采集微波高光谱辐射计输出的带有天空亮温信息的电压信号以及大气廓线反演所需的实时地表气象数据之前，接收远程发送的控制信号，根据所述控制信号控制所述微波反射镜装置的转动角度；以及控制所述微波高光谱接收机装置中一级接收机的频段通道选择；以及控制微波高光谱辐射计的人工操作或自动化操作。

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