CN104483646A - 一种地基微波辐射计实时定标装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地基微波辐射计实时定标装置，所述装置包括：地基微波辐射计(1)，第一极化线栅(2)，左热源(3)，第二极化线栅(4)，右热源(5)和下热源(6)；以地基微波辐射计(1)为中心，所述第一极化线栅(2)位于地基微波辐射计(1)的左边，所述左热源(3)位于所述第一极化线栅(2)的左边；所述第二极化线栅(4)位于地基微波辐射计(1)的右边，所述右热源(5)位于所述第二极化线栅(4)的右边；所述下热源(6)位于地基微波辐射计(1)的下方。基于所述地基微波辐射计实时定标装置，本发明还提供了一种地基微波辐射计实时定标方法，能够实现地基微波辐射计的实时定标。

Description

一种地基微波辐射计实时定标装置及方法

技术领域

本发明涉及地基微波辐射计定标技术领域，尤其涉及一种地基微波辐射计实时定标装置及方法。

背景技术

地基微波辐射计是一种地基大气廓线微波探测仪，其探测频率包括水汽吸收线20-30GHz(7通道)和氧气吸收线50-60GHz(7通道)，它通过测量微波/毫米波波段大气氧气、水汽吸收谱段以及窗口频率的辐射亮温，反演大气的温度、湿度廓线等大气参数：对流层温度廓线(0～10000m)、边界层高分辨率温度廓线(0～1000m)、对流层湿度(水汽)廓线、高时间分辨率、精确的液态水路径(LWP)和水汽积分通量(IWV)测量。

与探空雷达相比，地基微波/毫米波辐射计具有维护成本低、运行可靠等特点；此外，微波/毫米波辐射计的对云中液态水的灵敏度较高。

微波辐射计的定标精度不仅反映了仪器研制水平的高低，而且也影响微波辐射图像的解读和判读的准确度，定标是实现定量化微波遥感的前提。微波辐射计的定标是标定微波辐射计输出(电压或电压数码)与输入噪声温度之间的定量关系的过程。现有常用的地基微波辐射计定标方法是采用液氮制冷的定标黑体和常温黑体完成两点定标，但是由于液氮具有挥发性，不能满足长期实时定标的要求，现有技术通常采用噪声源内定标的方式来实现实时定标。星载辐射计在轨定标采用星载定标体和冷空做为参考源，背景纯净，技术成熟且定标精度高；而地基微波辐射计系统所处环境背景复杂，运行过程中没有冷空背景作为高稳定的低温参考源进行实时定标，因此地基微波辐射计定标比星载辐射计定标难度要高，需要考虑的因素也很多。

地基微波辐射计由于其工作环境(如气象站)通常不能保证长期有人专门值守，因此传统的两点定标方法无法保证高频次进行，一般两点定标周期在3个月左右。这就对地基微波辐射计的稳定性及内定标方法提出了严格的要求。由于地面环境的复杂性及用于地基辐射计内定标的噪声源稳定性等问题，国产地基微波辐射计由于系统稳定性达不到以及国产噪声源的稳定性也不够高，一般都不能满足定标周期3个月内还保持相对稳定及高的探测精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服目前地基微波辐射计实时定标方法中存在的上述问题，提出了一种结构简单，操作方便，稳定性强的地基微波辐射计实时定标装置，并在装置的基础上提出了一种地基微波辐射计实时定标方法，能够实现地基微波辐射计的实时定标。

为了实现上述目的，本发明提供了一种地基微波辐射计实时定标装置，所述装置包括：地基微波辐射计1，第一极化线栅2，左热源3，第二极化线栅4，右热源5和下热源6；以地基微波辐射计1为中心，所述第一极化线栅2位于地基微波辐射计1的左边，所述左热源3位于所述第一极化线栅2的左边；所述第二极化线栅4位于地基微波辐射计1的右边，所述右热源5位于所述第二极化线栅4的右边；所述下热源6位于地基微波辐射计1的下方。

上述技术方案中，所述第一极化线栅2和第二极化线栅4为可旋转的极化线栅。

上述技术方案中，所述左热源3、右热源5和下热源6为温度恒定的黑体。

基于所述地基微波辐射计实时定标装置，本发明还提供了一种地基微波辐射计实时定标方法，所述方法包括：

步骤1)当所述地基微波辐射计1观测左边时，建立地基微波辐射计1左边的第一极化线栅2提供的辐射亮温的表达式：

${T_{\mathrm{\θ}}}_1={\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1\·T_{\mathrm{SKY}}+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1\·T_{\mathrm{HOT}1}---\left(101\right)$

其中，θ₁为所述第一极化线栅2的旋转角度，T_SKY为冷空亮温，也是地基微波辐射计1观测输出的亮温；T_HOT1为左热源3辐射的亮温，为已知值；

步骤2)当地基微波辐射计1观测右边时，建立地基微波辐射计1右边的第二极化线栅4提供的辐射亮温的表达式：

${T_{\mathrm{\θ}}}_2={\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2\·T_{\mathrm{SKY}}+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2\·T_{\mathrm{HOT}2}---\left(102\right)$

其中，θ₂为所述第二极化线栅4的旋转角度，T_HOT2为右热源3辐射的亮温，为已知值；

步骤3)建立地基微波辐射计1观测上方冷空时的系统增益表达式；

$\mathrm{gain}\_\mathrm{sky}={[{{V_{\mathrm{\θ}}}_1}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α})-{V_{\mathrm{sky}}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α}))/({T_{\mathrm{\θ}}}_1-T_{\mathrm{sky}})]}^{\mathrm{\Λ}}\mathrm{\α}---\left(103\right)$

其中，α为地基微波辐射计1的非线性定标参数，为未知值；为地基微波辐射计1观测左边时的输出电压，为已知值；V_sky为地基微波辐射计1观测上方冷空时的输出电压，为已知值；

步骤4)建立地基微波辐射计1观测下热源6时的系统增益表达式；

$\mathrm{gain}\_\mathrm{bb}={[{V_{\mathrm{BB}}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α})-{{V_{\mathrm{\θ}}}_2}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α}))/(T_{\mathrm{HOT}3}-{T_{\mathrm{\θ}}}_2)]}^{\mathrm{\Λ}}\mathrm{\α}---\left(104\right)$

其中，V_BB为地基辐射计1观测下热源时的输出电压，为已知值；为地基辐射计1观测右边时的输出电压，为已知值；T_HOT3为下热源6辐射的亮温，为已知值；

步骤5)建立地基微波辐射计1观测下热源6时接收机噪声温度的表达式；

T_{rec_bb}＝(V_BB/gain_bb)^(1/α)-T_BB      (105)

其中，T_{rec_sky}为地基微波辐射计1观测下热源6时接收机噪声的温度，为已知值；V_BB为地基微波辐射计1观测下热源6时的输出电压，为已知值；

步骤6)建立地基微波辐射计1观测上方冷空时接收机噪声温度的表达式；

T_{rec_sky}＝T_{rec_bb}+β·(gain_sky-gain_bb)      (106)

其中β为定标噪声参数，为未知值；T_{rec_bb}为地基微波辐射计1观测上方冷空时接收机噪声的温度，为已知值；

步骤7)将上述公式(105)至(106)进行联立，通过最优化方法解出定标参数α，β；

步骤8)建立地基微波辐射计1观测冷空时的定标方程；

首先利用定标参数α，β，通过公式(101)至(106)计算中间变量：gain_sky、gain_bb、T_{rec_sky}、T_{rec_bb}，则地基微波辐射计1观测冷空时的定标方程为：

T_sky＝(V^sky/gain_sky)^Λ(1/α)-T_{rec_sky}         (107)。

上述技术方案中，所述步骤1)进一步包括：

调整θ₁使第一极化线栅2的输出亮温接近左热源3的亮温T_HOT1，第一极化线栅2将冷空辐射和左热源辐射按不同比例组合在一起传递到地基微波辐射计1的观测天线上。

上述技术方案中，所述步骤2)进一步包括：

调整θ₂使第二极化线栅4的输出亮温接近冷空亮温T_SKY，第二极化线栅4将冷空辐射和右热源辐射按不同比例组合在一起传递到地基微波辐射计1的观测天线上。

本发明的优点在于：

1、常规地基辐射计所用噪声定标源是一种内定标；本发明的定标方法是完全外定标，整体端对端定标，而且本发明的实时定标装置把天线的影响也纳入定标范畴内；

2、本发明提供了一种基于微波黑体的实时定标装置，微波黑体温度可以实时测量，而且在稳定性上比噪声定标源强；

3、本发明的实时定标装置和地基辐射计相互独立的，装置的加入不需要地基辐射计做任何改动，定标装置的安装和拆除不影响地基辐射计正常工作；

4、本发明的实时定标装置结构简单，组装容易，适用于大部分地基辐射计。

附图说明

图1为本发明的地基微波辐射计实时定标装置的示意图；

附图标识

1、地基微波辐射计       2、第一极化线栅            3、左热源

4、第二极化线栅         5、右热源                  6、下热源

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种地基微波辐射计实时定标装置，所述装置包括：地基微波辐射计1，第一极化线栅2，左热源3，第二极化线栅4，右热源5和下热源6；以地基微波辐射计1为中心，所述第一极化线栅2位于地基微波辐射计1的左边，所述左热源3位于所述第一极化线栅2的左边；所述第二极化线栅4位于地基微波辐射计1的右边，所述右热源5位于所述第二极化线栅4的右边；所述下热源6位于地基微波辐射计1的下方。

所述第一极化线栅2和第二极化线栅4为可旋转的极化线栅。

所述左热源3、右热源5和下热源6为温度恒定的黑体。

基于所述地基微波辐射计实时定标装置，本发明还提供了一种地基微波辐射计实时定标方法，所述方法包括：

步骤1)当所述地基微波辐射计1观测左边时，建立地基微波辐射计左边的第一极化线栅2提供的辐射亮温的表达式：

${T_{\mathrm{\θ}}}_1={\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1\·T_{\mathrm{SKY}}+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1\·T_{\mathrm{HOT}1}---\left(101\right)$

其中，θ₁为所述第一极化线栅2的旋转角度，T_SKY为冷空亮温，也是地基微波辐射计1观测输出的亮温；T_HOT1为左热源3辐射的亮温，为已知值。

调整θ₁使第一极化线栅2的输出亮温接近左热源3的亮温T_HOT1，第一极化线栅2将冷空辐射和左热源辐射按不同比例组合在一起传递到地基微波辐射计1的观测天线上。

步骤2)当地基微波辐射计1观测右边时，建立地基微波辐射计1右边的第二极化线栅4提供的辐射亮温的表达式：

${T_{\mathrm{\θ}}}_2={\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2\·T_{\mathrm{SKY}}+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2\·T_{\mathrm{HOT}2}---\left(102\right)$

其中，θ₂为所述第二极化线栅4的旋转角度，T_HOT2为右热源3辐射的亮温，为已知值。

调整θ₂使第二极化线栅4的输出亮温接近冷空亮温T_SKY，第二极化线栅4将冷空辐射和右热源辐射按不同比例组合在一起传递到地基微波辐射计1的观测天线上。

步骤3)建立地基微波辐射计1观测上方冷空时的系统增益表达式；

$\mathrm{gain}\_\mathrm{sky}={[{{V_{\mathrm{\θ}}}_1}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α})-{V_{\mathrm{sky}}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α}))/({T_{\mathrm{\θ}}}_1-T_{\mathrm{sky}})]}^{\mathrm{\Λ}}\mathrm{\α}---\left(103\right)$

其中，α为地基微波辐射计1的非线性定标参数，为未知值；为地基微波辐射计1观测左边时的输出电压，为已知值；V_sky为地基微波辐射计1观测上方冷空时的输出电压，为已知值；

步骤4)建立地基微波辐射计1观测下热源6时的系统增益表达式；

$\mathrm{gain}\_\mathrm{bb}={[{V_{\mathrm{BB}}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α})-{{V_{\mathrm{\θ}}}_2}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α}))/(T_{\mathrm{HOT}3}-{T_{\mathrm{\θ}}}_2)]}^{\mathrm{\Λ}}\mathrm{\α}---\left(104\right)$

其中，V_BB为地基辐射计1观测下热源6时的输出电压，为已知值；为地基辐射计1观测右边时的输出电压，为已知值；T_HOT3为下热源6辐射的亮温，为已知值；

步骤5)建立地基微波辐射计观测下热源6时接收机噪声温度的表达式；

T_{rec_bb}＝(V_BB/gain_bb)^(1/α)-T_BB          (105)

其中，T_{rec_sky}为地基微波辐射计1观测下热源6时接收机噪声的温度，为已知值；V_BB为地基微波辐射计1观测下热源6时的输出电压，为已知值；

步骤6)建立地基微波辐射计观测上方冷空时接收机噪声温度的表达式；

T_{rec_sky}＝T_{rec_bb}+β·(gain_sky-gain_bb)      (106)

其中β为定标噪声参数，为未知值；T_{rec_bb}为地基微波辐射计1观测上方冷空时接收机噪声的温度，为已知值；

步骤7)将上述公式(101)至(106)进行联立，通过最优化方法解出定标参数α，β；

α，β是接收机固有参数，一般随外界干扰变化不大。

步骤8)建立地基微波辐射计观测冷空时的定标方程；

首先利用定标参数α，β，通过公式(101)至(106)计算中间变量：gain_sky、gain_bb、T_{rec_sky}、T_{rec_bb}，则地基微波辐射计观测冷空时的定标方程为：

T_sky＝(V^sky/gain_sky)^Λ(1/α)-T_{rec_sky}        (107)。

本发明提出的地基微波辐射计实时定标的方法，需在每个观测周期进行一次实时定标，可以实时对环境变化敏感的参数gain_sky、gain_bb、T_{rec_sky}、T_{rec_bb}，进行校正，并同时提供实时的非线性定标参数α及定标噪声参数β，由此提高地面复杂环境中地基微波辐射计的定标精度。

Claims (6)

1.一种地基微波辐射计实时定标装置，其特征在于，所述装置包括：地基微波辐射计(1)，第一极化线栅(2)，左热源(3)，第二极化线栅(4)，右热源(5)和下热源(6)；以地基微波辐射计(1)为中心，所述第一极化线栅(2)位于地基微波辐射计(1)的左边，所述左热源(3)位于所述第一极化线栅(2)的左边；所述第二极化线栅(4)位于地基微波辐射计(1)的右边，所述右热源(5)位于所述第二极化线栅(4)的右边；所述下热源(6)位于地基微波辐射计(1)的下方。

2.根据权利要求1所述的地基微波辐射计实时定标装置，其特征在于，所述第一极化线栅(2)和第二极化线栅(4)为可旋转的极化线栅。

3.根据权利要求1所述的地基微波辐射计实时定标装置，其特征在于，所述左热源(3)、右热源(5)和下热源(6)为温度恒定的黑体。

4.一种地基微波辐射计实时定标方法，所述方法基于权利要求1-3之一所述的地基微波辐射计实时定标装置，所述方法包括：

步骤1)当所述地基微波辐射计(1)观测左边时，建立地基微波辐射计(1)左边的第一极化线栅(2)提供的辐射亮温的表达式：

$T_{{\mathrm{\θ}}_1}={\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1\·T_{\mathrm{SKY}}+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1\·T_{\mathrm{HOT}1}---\left(101\right)$

其中，θ₁为所述第一极化线栅(2)的旋转角度，T_SKY为冷空亮温，也是地基微波辐射计(1)观测输出的亮温；T_HOT1为左热源(3)辐射的亮温，为已知值；

步骤2)当地基微波辐射计(1)观测右边时，建立地基微波辐射计(1)右边的第二极化线栅(4)提供的辐射亮温的表达式：

$T_{{\mathrm{\θ}}_2}={\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2\·T_{\mathrm{SKY}}+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2\·T_{\mathrm{HOT}2}---\left(102\right)$

其中，θ₂为所述第二极化线栅(4)的旋转角度，T_HOT2为右热源(5)辐射的亮温，为已知值；

步骤3)建立地基微波辐射计(1)观测上方冷空时的系统增益表达式；

$\mathrm{gain}\_\mathrm{sky}={[{V_{{\mathrm{\θ}}_1}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α})-{V_{\mathrm{sky}}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α}))/(T_{{\mathrm{\θ}}_1}-T_{\mathrm{sky}})]}^{\mathrm{\Λ}}\mathrm{\α}---\left(103\right)$

其中，α为地基微波辐射计(1)的非线性定标参数，为未知值；为地基微波辐射计(1)观测左边时的输出电压，为已知值；V_sky为地基微波辐射计(1)观测上方冷空时的输出电压，为已知值；

步骤4)建立地基微波辐射计(1)观测下热源(6)时的系统增益表达式；

$\mathrm{gain}\_\mathrm{bb}={[{V_{\mathrm{BB}}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α})-{V_{{\mathrm{\θ}}_2}}^{\mathrm{\Λ}}(1/\mathrm{\α}))/(T_{\mathrm{HOT}3}-T_{{\mathrm{\θ}}_2})]}^{\mathrm{\Λ}}\mathrm{\α}---\left(104\right)$

其中，V_BB为地基辐射计(1)观测下热源时的输出电压，为已知值；为地基辐射计(1)观测右边时的输出电压，为已知值；T_HOT3为下热源(6)辐射的亮温，为已知值；

步骤5)建立地基微波辐射计(1)观测下热源(6)时接收机噪声温度的表达式；

T_{rec_bb}＝(V_BB/gain_bb)^(1/α)-T_BB            (105)

其中，T_{rec_sky}为地基微波辐射计(1)观测下热源(6)时接收机噪声的温度，为已知值；V_BB为地基微波辐射计(1)观测下热源(6)时的输出电压，为已知值；

步骤6)建立地基微波辐射计(1)观测上方冷空时接收机噪声温度的表达式；

T_{rec_sky}＝T_{rec_bb}+β·(gain_sky-gain_bb)        (106)

其中β为定标噪声参数，为未知值；T_{rec_bb}为地基微波辐射计(1)观测上方冷空时接收机噪声的温度，为已知值；

步骤7)将上述公式(101)至(106)进行联立，通过最优化方法解出定标参数α，β；

步骤8)建立地基微波辐射计(1)观测冷空时的定标方程；

首先利用定标参数α，β，通过公式(101)至(106)计算中间变量：gain_sky、gain_bb、T_{rec_sky}、T_{rec_bb}，则地基微波辐射计(1)观测冷空时的定标方程为：

T_sky＝(V^sky/gain_sky)^Λ(1/α)-T_{rec_sky}          (107)。

5.根据权利要求4所述的地基微波辐射计实时定标方法，其特征在于，所述步骤1)进一步包括：

调整θ₁使第一极化线栅(2)的输出亮温接近左热源(3)的亮温T_HOT1，第一极化线栅(2)将冷空辐射和左热源辐射按不同比例组合在一起传递到地基微波辐射计(1)的观测天线上。

6.根据权利要求4所述的地基微波辐射计实时定标的方法，其特征在于，所述步骤2)进一步包括：

调整θ₂使第二极化线栅(4)的输出亮温接近冷空亮温T_SKY，第二极化线栅(4)将冷空辐射和右热源辐射按不同比例组合在一起传递到地基微波辐射计(1)的观测天线上。