CN106405558B - 基于双频天线的地基气象微波辐射计系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双频天线的地基气象微波辐射计系统及测量方法，地基气象微波辐射计系统中气压传感器、红外辐射计、GPS、温湿传感器、雨量传感器分别与数据采集与控制器相连，数据采集与控制器与计算机相连，通过电源模块为系统各器件供电，室温黑体定标源安装在微波辐射计内，所述的微波辐射计由K波段天线、K波段接收机、V波段天线、V波段接收机组成，K波段天线与K波段接收机相连，V波段天线与V波段接收机相连，K波段接收机和V波段接收机分别与数据采集与控制器相连，且K波段天线与V波段天线背对背安装，电机控制整个微波辐射计旋转。本发明的辐射计采用双频独立旋转天线来替代采用极化栅网共用反射面或抛物面的双频天线。

Description

基于双频天线的地基气象微波辐射计系统及测量方法

技术领域

本发明属于大气微波无源遥感领域，具体涉及到一种基于双频天线的地基气象微波辐射计系统及测量方法。

背景技术

微波辐射计作为一种被动遥感探测设备，其结构简单，可以连续不间断的接收大气自身发射的微波辐射信号，并从大气亮温信号中直接反演出温度、湿度以及液态水含量等气象要素的大气垂直分布信息，从而准确的预测中小尺度天气灾害，对于实时气象预报具有非常重要的实用价值。近年来，国内对气象微波辐射计在灾害天气预报方面的应用已经引起了广泛的关注。理论及实践研究证明：对于暴风雨、降雨、雾、冰冻等天气能满足即时预报的要求，从而能弥补气象雷达、探空气球等其它设备在天气即时预报方面的不足。

目前，美国Radiometrics公司和德国RPG公司生产的微波辐射计均采用了通过极化栅网共用反射面或者抛物面的方式，这种天线形式的缺点是：天线加工成本比较高，同时极化栅网引入了损耗，降低了天线的性能。国内有单位提出了双频独立反射面的地基微波辐射计，但是，两个频段(K波段和V波段)的天线并排独立放置，所占体积较大；同时由于天线并排放置，两个频段所测量的天空大气在空间位置上有一定的错位，引入了额外的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双频天线的地基气象微波辐射计系统及测量方法，本发明的辐射计采用双频独立旋转天线来替代采用极化栅网共用反射面或抛物面的双频天线。

基于双频天线的地基气象微波辐射计系统，包括微波辐射计、电机、气压传感器、红外辐射计、GPS、温湿传感器、雨量传感器、数据采集与控制器、电源模块、计算机、室温黑体定标源，气压传感器、红外辐射计、GPS、温湿传感器、雨量传感器分别与数据采集与控制器相连，数据采集与控制器与计算机相连，通过电源模块为系统各器件供电，室温黑体定标源安装在微波辐射计内，其特征在于：所述的微波辐射计由K波段天线、K波段接收机、V波段天线、V波段接收机组成，K波段天线与K波段接收机相连，V波段天线与V波段接收机相连，K波段接收机和V波段接收机分别与数据采集与控制器相连，且K波段天线与V波段天线背对背安装，电机控制整个微波辐射计旋转。微波辐射计系统进行大气测量时，需要对微波辐射计进行定标。系统自身带有室温黑体定标源，通过对微波辐射计进行定标，使系统的输出电压转换为大气辐射亮温。本发明的两个独立旋转天线用于信号接收，其中K波段天线和V波段天线接收的信号分别送入K波段接收机和V波段接收机，信号经滤波、放大、下变频以及检波后，与气压传感器、GPS、温湿传感器、雨量传感器以及红外辐射计采集的信号一起送入计算机进行处理，最终反演出大气温度、湿度廓线以及液态水含量。其中，红外辐射计可用来判断是否有云，并根据有云的情况测出云底的温度和云底的高度，这些信息可用于大气参量的反演。

所述的K波段天线和V波段天线背对背安装是指K波段天线和V波段天线的前馈抛物面天线或卡塞格伦天线上下背靠背叠放，当K波段天线指向天空进行测量时，V波段天线指向室温黑体进行定标；然后旋转微波辐射计，V波段天线指向天空进行测量时，K波段天线指向室温黑体进行定标，周而复始。这种天线体制的加工难度和成本不仅较低，而且由于减少了极化栅网，天线损耗降低，增加了辐射计系统的灵敏度；此外，由于一个频段的辐射计进行大气测量时，另外一个频段可以进行常温黑体定标，通过增加定标的次数，有利于提高微波辐射计的长期稳定度；与其它并排独立放置两个频段天线的模式相比，两个频段的天线所测量的大气在空间位置上是重叠的，减少了两个频段天线接收区域错位带来的误差，同时有效节省了空间。

一种基于双频天线的地基气象微波辐射计系统的测量方法，其特征在于按系统四点定标、噪声注入定标或者增益定标、以及倾斜曲线定标的步骤进行，具体如下：

(1)进行大气亮温测量前，首先对辐射计系统进行四点定标；辐射计系统的非线性模型由下式给出：

V＝GT^α,0.9≤α≤1.1 (1)

上式中，V为检波器端电压,G是系统增益,a是非线性因子,T是系统噪声温度T_sys与环境噪声温度T_SC之和；其中，非线性因子α，系统噪声温度T_sys以及系统增益G都是未知的，常规两点定标无法求出三个未知数；为此，采用四点定标的方法，即通过增加一个额外的注入噪声温度T_n来产生四个方程，从而获得系统的定标方程；

T_sys+T_cold＝G^-α'V₁ ^α' (2)

T_sys+T_cold+T_n＝G^-α'V₂ ^α' (3)

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃ ^α' (4)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄ ^α' (5)

上式中，V₁是噪声二极管关闭时辐射计天线端指向冷源时的输出电压，V₃是噪声二极管关闭时辐射计天线端指向热源时的输出电压，冷源指液氮，热源指室温黑体，T_cold是冷源温度，T_hot是热源温度，V₂是噪声二极管打开时辐射计天线端指向冷源时的输出电压；V₄是噪声二极管打开时辐射计天线端指向热源时的输出电压；

(2)当K波段天线指向天空进行测量时，V波段天线指向室温黑体进行定标；此时，V波段天线根据需要进行噪声注入定标或者增益定标；其中，增益定标的次数应多于噪声注入定标的次数；通过增加定标的次数，有利于提高微波辐射计的长期稳定度；旋转天线，当V波段天线指向天空进行测量时，此时，K波段天线指向室温黑体进行定标，K波段天线根据需要进行噪声注入定标或者增益定标；而噪声注入定标和增益定标的具体步骤分别如下：

噪声注入定标的步骤：四点定标过程结束后，由于噪声二极管的注入噪声温度T_n和系统非线性因子a比较稳定，系统的噪声温度T_sys和增益G相对没那么稳定，需要实时再进行修正；此时，在不使用液氮冷源的情况下，只使用内部的室温吸波材料作为热源(T_hot)，采用噪声注入的方法进行定标，再次修正T_sys和G；此处，噪声二极管注入温度T_n和非线性修正系数α为已知值，定标方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃ ^α' (6)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄ ^α' (7)

增益定标的步骤：接收机温度的微小变化都将使增益产生波动，因此需要更加频繁的对增益记性定标；假定系统噪声温度T_sys稳定，通过单点定标就可以对增益G进行修正，定标方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃ ^α' (8)

(3)倾斜曲线定标

微波辐射计K波段接收机每天进行一次倾斜曲线定标，在微波辐射计长期的使用过程中，噪声二极管的注入噪声温度T_n会发生变化，因此通过倾斜曲线定标来修正噪声二极管的注入噪声温度T_n。

倾斜曲线定标来修正噪声二极管的的注入噪声温度T_n的具体步骤为：令T_n'＝r×T_n；其中r为修正因子；此时,真正注入到通道的噪声温度为r×T_n；为了计算出修正因子r，具体为：首先定义大气的Atmospheric airmass为：

a(θ)＝τ(θ)/τ(90)＝1/sin(θ) (9)

上式中，θ是微波辐射计的观测角，τ(θ)为微波辐射计观测角为θ时的不透明度；当微波辐射计中K波段天线在两个不同的观测角θ₁和θ₂时，测量出不同观测角对应的亮度温度T_b(θ₁)和T_b(θ₂)，那么计算出观测角为θ₁和θ₂时的不透明度τ₁(θ₁)、τ₂(θ₂)，若用τ₁，τ₂都用a(θ)归一化，则归一化后：

t₁＝τ₁(θ₁)/a(θ₁)且应等于t₂＝τ₂(θ₂)/a(θ₂) (10)

因此，调整r使得t₁＝t₂，此时计算出修正因子r。

本发明的技术效果体现在：

本发明采用的双频独立旋转天线，这种天线体制的加工难度和成本不仅较低，而且由于减少了极化栅网，天线损耗降低，增加了辐射计系统的 灵敏度，有效节省了空间；此外，由于一个频段的辐射计进行大气测量时，另外一个频段可以进行常温黑体定标，通过增加定标的次数，有利于提高微波辐射计的长期稳定度；与其它并排独立放置两个频段天线的模式相比，两个频段的天线所测量的大气在空间位置上是重叠的。

附图说明

图1为本发明的框图。

图2为本发明的测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

如图1所示，基于双频天线的地基气象微波辐射计系统，包括微波辐射计、电机、气压传感器、红外辐射计、GPS、温湿传感器、雨量传感器、数据采集与控制器、电源模块、计算机、室温黑体定标源，气压传感器、红外辐射计、GPS、温湿传感器、雨量传感器分别与数据采集与控制器相连，数据采集与控制器与计算机相连，通过电源模块为系统各器件供电，室温黑体定标源安装在微波辐射计内，其特征在于：所述的微波辐射计由K波段天线、K波段接收机、V波段天线、V波段接收机组成，K波段天线与K波段接收机相连，V波段天线与V波段接收机相连，K波段接收机和V波段接收机分别与数据采集与控制器相连，且K波段天线与V波段天线背对背安装，电机控制整个微波辐射计旋转，微波辐射计系统进行大气测量时，需要对微波辐射计进行定标。系统自身带有室温黑体定标源，通过对微波辐射计进行定标，使系统的输出电压转换为大气辐射亮温。本发明的两个独立旋转天线用于信号接收，其中K波段天线和V波段天线接收的信号分 别送入K波段接收机和V波段接收机，信号经滤波、放大、下变频以及检波后，与气压传感器、GPS、温湿传感器、雨量传感器以及红外辐射计采集的信号一起送入计算机进行处理，最终反演出大气温度、湿度廓线以及液态水含量。其中，红外辐射计可用来判断是否有云，并根据有云的情况测出云底的温度和云底的高度，这些信息可用于大气参量的反演。

如图2所示，一种基于双频天线的地基气象微波辐射计系统的测量方法，其特征在于按系统四点定标、噪声注入定标或者增益定标、以及倾斜曲线定标的步骤进行，具体如下：

(1)进行大气亮温测量前，首先对辐射计系统进行四点定标；辐射计系统的非线性模型由下式给出：

V＝GT^α,0.9≤α≤1.1 (1)

上式中，V为检波器端电压,G是系统增益,a是非线性因子,T是系统噪声温度T_sys与环境噪声温度T_SC之和；其中，非线性因子α，系统噪声温度T_sys以及系统增益G都是未知的，常规两点定标无法求出三个未知数；为此，我们可以采用四点定标的方法，即通过增加一个额外的注入噪声温度T_n来产生四个方程，从而获得系统的定标方程；

T_sys+T_cold＝G^-α'V₁ ^α' (2)

T_sys+T_cold+T_n＝G^-α'V₂ ^α' (3)

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃ ^α' (4)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄ ^α' (5)

上式中，V₁是噪声二极管关闭时辐射计天线端指向冷源时的输出电压，V₃是噪声二极管关闭时辐射计天线端指向热源时的输出电压，冷源指液氮， 热源指室温黑体，T_cold是冷源温度，T_hot是热源温度，V₂是噪声二极管打开时辐射计天线端指向冷源时的输出电压；V₄是噪声二极管打开时辐射计天线端指向热源时的输出电压；建议5-6个月进行一次四点定标以修正a和T_n。

(2)当K波段天线指向天空进行测量时，V波段天线指向室温黑体进行定标，此时，V波段天线可以根据需要可以进行噪声注入定标或者增益定标。其中，增益定标的次数应多于噪声注入定标的次数。通过增加定标的次数，有利于提高微波辐射计的长期稳定度；旋转天线，当V波段天线指向天空进行测量时，此时，K波段天线指向室温黑体进行定标，K波段天线可以根据需要可以进行噪声注入定标或者增益定标。而噪声注入定标和增益定标的具体步骤分别如下：

噪声注入定标的步骤：四点定标过程结束后，由于噪声二极管的注入噪声温度T_n和系统非线性因子a可认为比较稳定，但是系统的噪声温度T_sys和增益G相对没那么稳定，需要实时再进行修正。此时，可以在不使用液氮冷源的情况下，只使用内部的室温吸波材料作为热源(T_hot)，采用噪声注入的方法进行定标，再次修正T_sys和G。此处，噪声二极管注入温度T_n和非线性修正系数α为已知值，定标方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃ ^α' (6)

T_sys+T_hot+T_n＝G^-α'V₄ ^α' (7)

增益定标的步骤：接收机温度的微小变化都将使增益产生波动，因此需要更加频繁的对增益记性定标。假定系统噪声温度T_sys稳定，通过单点定标就可以对增益G进行修正，定标方程如下：

T_sys+T_hot＝G^-α'V₃ ^α' (8)

(3)倾斜曲线定标

微波辐射计K波段接收机每天进行一次倾斜曲线定标，在微波辐射计长期的使用过程中，噪声二极管的注入噪声温度T_n会发生变化，因此通过倾斜曲线定标来修正噪声二极管的注入噪声温度T_n。

倾斜曲线定标来修正噪声二极管的的注入噪声温度T_n的具体步骤为：令T_n'＝r×T_n；其中r为修正因子；此时,真正注入到通道的噪声温度为r×T_n；为了计算出修正因子r，具体为：首先定义大气的Atmospheric airmass为：

a(θ)＝τ(θ)/τ(90)＝1/sin(θ) (9)

上式中，θ是微波辐射计的观测角，τ(θ)为微波辐射计观测角为θ时的不透明度；当微波辐射计中K波段天线在两个不同的观测角θ₁和θ₂时，测量出不同观测角对应的亮度温度T_b(θ₁)和T_b(θ₂)，那么计算出观测角为θ₁和θ₂时的不透明度τ₁(θ₁)、τ₂(θ₂)，若用τ₁，τ₂都用a(θ)归一化，则归一化后：

t₁＝τ₁(θ₁)/a(θ₁)且应等于t₂＝τ₂(θ₂)/a(θ₂) (10)

因此，调整r使得t₁＝t₂，此时计算出修正因子r。

Claims (1)

1.基于双频天线的地基气象微波辐射计系统，包括微波辐射计、电机、气压传感器、红外辐射计、GPS、温湿传感器、雨量传感器、数据采集与控制器、电源模块、计算机、室温黑体定标源，气压传感器、红外辐射计、GPS、温湿传感器、雨量传感器分别与数据采集与控制器相连，数据采集与控制器与计算机相连，通过电源模块为系统各器件供电，室温黑体定标源安装在微波辐射计内,其特征在于：所述的微波辐射计由K波段天线、K波段接收机、V波段天线、V波段接收机组成，K波段天线与K波段接收机相连，V波段天线与V波段接收机相连，K波段接收机和V波段接收机分别与数据采集与控制器相连，且K波段天线与V波段天线背对背安装，电机控制整个微波辐射计旋转，微波辐射计系统进行大气测量时，需要对微波辐射计进行定标；通过对微波辐射计进行定标，使系统的输出电压转换为大气辐射亮温；所述的K波段天线和V波段天线背对背安装是指K波段天线和V波段天线的前馈抛物面天线或卡塞格伦天线上下背靠背叠放，当K波段天线指向天空进行测量时，V波段天线指向室温黑体进行定标；然后旋转微波辐射计，V波段天线指向天空进行测量时，K波段天线指向室温黑体进行定标，周而复始。