CN108254076A - 一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多通道毫米波辐射计的数据实时处理技术领域,特别涉及一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法。本发明包括首先选择标定模式,再获取标定数据,构建标定模型,然后解算标定模型,最终得出标定结果,将所述标定结果保存到配置文件中,为后续实时获取温度、湿度廓线产品提供较精准的亮温输入数据,为多通道毫米波辐射计产品数据高精度的实时获取提供支持。本发明大大地提高了温度、湿度廓线数据反演精度,为气候研究、天气预报、气象保障工作提供了有力的保障,本发明能够将反演结果送至终端显示监控系统,并将分析结果呈现给用户,从而提高相关气象部门对温度、湿度应用管理的能力。
Description
技术领域
本发明属于多通道毫米波辐射计的数据实时处理技术领域,特别涉及一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法。
背景技术
大气的温度、湿度廓线是描述大气热力状态的基本参数,实时探测到大气的温度、湿度状态及其变化,对于气候研究、天气预报、气象保障工作提供了必要的依据。
现有技术中对温度的探测主要采用卫星传感器探测方式,由于卫星传感器探测到的能量是来自某一厚度层大气的辐射,反演的垂直层的温度和湿度分辨率精度比较低,使得卫星传感器探测大气得到的数据在使用的过程中具有较大的局限性,因此亟需提出一种能够提高温度、湿度廓线数据反演精度的用于多通道毫米波辐射计的标定方法。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足,提供了一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,本发明大大地提高了温度、湿度廓线数据反演精度,为气候研究、天气预报、气象保障工作提供了有力的保障。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术措施:
一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,包括以下步骤:
S1、选择标定模式;
S2、获取标定数据;
S3、构建标定模型;
S4、解算标定模型,得出标定结果;
S5、将所述标定结果保存到配置文件中。
优选的,步骤S1中的选择标定模式包括选择实时标定模式或绝对标定模式。
优选的,步骤S2的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,利用两点标定法获取标定数据;
当标定模式为绝对标定模式,利用四点标定法获取标定数据。
优选的,利用两点标定法获取标定数据的具体操作步骤包括:
获取黑体的电压值U3和环境温度Tk,打开微波辐射计的标定装置中的噪声源开关,获取多通道输出电压U4和环境温度T4,得到实时标定模式的标定数据。
优选的,利用四点标定法获取标定数据的具体操作步骤包括:
向微波辐射计的标定装置中注入液氮后,获取待标定通道的电压值U1和环境温度TC;打开微波辐射计的标定装置中噪声源开关,获取液氮加入噪声源后的电压值U2和环境温度T2;获取黑体的电压值U3和环境温度Tk,打开微波辐射计的标定装置中的噪声源开关,获取多通道输出电压U4和环境温度T4,得到绝对标定模式的标定数据。
优选的,步骤S3的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,利用实时标定模型,多通道毫米波辐射计的标定系统噪声等效温度Tsys和系统增益G;
当标定模式为绝对标定模式,利用绝对标定模型,标定系统噪声等效温度Tsys、系统增益G、非线性参数a以及注入的噪声温度Tn,多通道毫米波辐射计的标定系统非线性特征如公式(1)所示:
U=GPa,0.9≤a<1 (1)
其中,U表示微波辐射计待标定通道的电压值,G表示系统增益,P表示噪声能量,a表示非线性参数,噪声能量P与微波辐射计待标定通道的温度TR的关系如公式(2)所示:
其中,ν表示微波辐射计待标定通道的频率,TR表示微波辐射计待标定通道的温度,P(TR)表示微波辐射计待标定通道的温度为TR时所对应的噪声能量,kB表示波尔兹曼常数,h表示普朗克常数。
进一步的,步骤S4的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,根据黑体的电压值U3和环境温度Tk,以及多通道输出电压U4和环境温度T4得到公式(3):
其中,公式(3)中的Th=Tsys+T测量值,T4=Tsys+T测量值+Tn,因此,公式(3)转换为公式(3-1):
对公式(3-1)中的系统增益G、标定系统噪声等效温度Tsys求偏导,构造雅可比矩阵如公式(4)所示:
令则公式(3)转换为U=U0+JΔ矩阵;
给定标定参数初始值[G0,Tsys0],利用最小二乘法求取Δ=[ΔG,ΔTsys],Δ表示系统增益G、标定系统噪声等效温度Tsys的变化量,更改标定参数的初始值进行迭代求解,直到||U-U0||2小于10-3,迭代终止;
当标定模式为绝对标定模式,根据电压值U1和环境温度TC、电压值U2和环境温度T2、电压值U3和环境温度Tk、多通道输出电压U4和环境温度T4得到方程组如公式(5)所示:
其中,公式(5)中的TC=Tsys+T测量值,T2=Tsys+T测量值+Tn,Th=Tsys+T测量值,T4=Tsys+T测量值+Tn,因此,公式(5)转换为公式(5-1):
采取高斯牛顿法求解公式(5),并对公式(5-1)中的系统增益G、非线性参数a、标定系统噪声等效温度Tsys和噪声温度Tn四个绝对标定参数求偏导,构造的雅可比矩阵如公式(6)所示;
令则公式(5)转换为U=U0+JΔ矩阵;
给标定参数初始值[G0,a0,Tsys0,Tn0],利用最小二乘法求取Δ=[ΔG,Δa,ΔTsys,ΔTn],更改标定参数的初始值进行迭代求解,直到||U-U0||2小于10-3,迭代终止。
进一步的,步骤S5中的将所述标定结果保存到配置文件中,并将标定结果发送至终端显示监控系统。
进一步的,步骤S1~S5均在Linux平台上实现。
更进一步的,步骤S1~S5均为并行操作。
本发明的有益效果在于:
1)、本发明包括首先选择标定模式,再获取标定数据,构建标定模型,然后解算标定模型,最终得出标定结果,将所述标定结果保存到配置文件中,本发明大大地提高了温度、湿度廓线数据反演精度,为气候研究、天气预报、气象保障工作提供了有力的保障,本发明能够将反演结果送至终端显示监控系统,并将分析结果呈现给用户,从而提高相关气象部门对温度、湿度应用管理的能力。
2)、本发明的标定模式的选择,可以根据用户的标定需求进行标定方法的选择,从而提高标定软件的通用性。
3)、本发明是在Linux平台上对多通道毫米波辐射计进行标定,而且所有的通道的标定过程都是并行的,极大地提高了数据处理的效率,使用户执行操作时能最快的获得标定的结果。
附图说明
图1为本发明的标定方法的工作流程图;
图2为本发明的实时标定的工作流程图;
图3为本发明的绝对标定的工作流程图;
图4为本发明的绝对标定的模型精度分析图;
图5为本发明的实时标定的模型精度分析图。
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、完整地描述,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做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。
如图1所示,一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,包括以下步骤:
S1、选择标定模式;
S2、获取标定数据;
S3、构建标定模型;
S4、解算标定模型,得出标定结果;
S5、将所述标定结果保存到配置文件中,为后续实时获取温度、湿度廓线产品提供较精准的亮温输入数据,为多通道毫米波辐射计产品数据高精度的实时获取提供支持。
选择标定模式包括选择实时标定模式或绝对标定模式,根据用户的标定需求,选择不同的标定模式,从而提高标定方法的通用性。
如图2所示,当标定模式为实时标定模式,利用两点标定法获取标定数据;
具体的,利用两点标定法获取标定数据的具体操作步骤包括:
获取黑体的电压值U3和环境温度Tk,打开微波辐射计的标定装置中的噪声源开关,获取多通道输出电压U4和环境温度T4,得到实时标定模式的标定数据。
黑体能够吸收外来的全部电磁辐射,并且不会有任何的反射与透射。
如图3所示,当标定模式为绝对标定模式,利用四点标定法获取标定数据;
具体的,利用四点标定法获取标定数据的具体操作步骤包括:
向微波辐射计的标定装置中注入液氮后,获取待标定通道的电压值U1和环境温度TC;打开微波辐射计的标定装置中噪声源开关,获取液氮加入噪声源后的电压值U2和环境温度T2;获取黑体的电压值U3和环境温度Tk,打开微波辐射计的标定装置中的噪声源开关,获取多通道输出电压U4和环境温度T4,得到绝对标定模式的标定数据。
如图2、3所示,构建标定模型的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,利用实时标定模型,多通道毫米波辐射计的标定系统噪声等效温度Tsys和系统增益G;
当标定模式为绝对标定模式,利用绝对标定模型,标定系统噪声等效温度Tsys、系统增益G、非线性参数a以及注入的噪声温度Tn,多通道毫米波辐射计的标定系统非线性特征如公式(1)所示:
U=GPa,0.9≤a<1 (1)
其中,U表示微波辐射计待标定通道的电压值,G表示系统增益,P表示噪声能量,a表示非线性参数,噪声能量P与微波辐射计待标定通道的温度TR的关系如公式(2)所示:
其中,ν表示微波辐射计待标定通道的频率,TR表示微波辐射计待标定通道的温度,P(TR)表示微波辐射计待标定通道的温度为TR时所对应的噪声能量,kB表示波尔兹曼常数,h表示普朗克常数。
解算标定模型,得出标定结果的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,根据黑体的电压值U3和环境温度Tk,以及多通道输出电压U4和环境温度T4得到公式(3):
公式(2)中的TR在实际计算时,TR具体数值应该与Th,T4一致;
其中,公式(3)中的Th=Tsys+T测量值,T4=Tsys+T测量值+Tn,因此,公式(3)转换为公式(3-1):
对公式(3-1)中的系统增益G、标定系统噪声等效温度Tsys求偏导,构造雅可比矩阵如公式(4)所示:
雅可比矩阵的元素是求偏导的结果,
对公式(3-1)中的U3中的系统增益G求偏导,得到公式(4)中第一行第一列的元素,对U3中的标定系统噪声等效温度Tsys求偏导,得到公式(4)中第一行第二列的元素,对U4中的系统增益G求偏导,得到公式(4)中第二行第一列的元素,对U4中的标定系统噪声等效温度Tsys求偏导,得到公式(4)中第二行第二列的元素。
给定标定参数初始值[G0,Tsys0],利用最小二乘法求取Δ=[ΔG,ΔTsys],Δ表示系统增益G、标定系统噪声等效温度Tsys的变化量,更改标定参数的初始值进行迭代求解,直到||U-U0||2小于10-3,迭代终止,下标2代表矩阵的2范数;
当标定模式为绝对标定模式,根据电压值U1和环境温度TC、电压值U2和环境温度T2、电压值U3和环境温度Tk、多通道输出电压U4和环境温度T4得到方程组如公式(5)所示:
其中,公式(5)中的TC=Tsys+T测量值,T2=Tsys+T测量值+Tn,Th=Tsys+T测量值,T4=Tsys+T测量值+Tn,因此,公式(5)转换为公式(5-1):
采取高斯牛顿法求解公式(5),并对公式(5-1)中的系统增益G、非线性参数a、标定系统噪声等效温度Tsys和噪声温度Tn四个绝对标定参数求偏导,构造的雅可比矩阵如公式(6)所示;
令则公式(5)转换为U=U0+JΔ矩阵;
雅可比矩阵的元素是求偏导的结果,
对公式(5-1)中的U1中的系统增益G求偏导,得到公式(6)中第一行第一列的元素,对U1中的非线性参数a求偏导得到公式(6)中第一行第二列的元素,对U1中的标定系统噪声等效温度Tsys求偏导,得到公式(6)中第一行第三列的元素,对U1中的噪声温度Tn求偏导得到公式(6)中第一行第四列的元素;同理对U2中的四个元素分别求偏导构成公式(6)的第二行,对U3中的四个元素分别求偏导构成公式(6)的第3行,对U4中的四个元素分别求偏导构成公式(6)的第4行。
给标定参数初始值[G0,a0,Tsys0,Tn0],利用最小二乘法求取Δ=[ΔG,Δa,ΔTsys,ΔTn],更改标定参数的初始值进行迭代求解,直到||U-U0||2小于10-3,迭代终止。
为了提高获取标定数据的可靠性,在数据准备时,需要设置定时器,对该时间段获取的各通道电压数据和环境温度数据进行筛选处理,求取时间段的内获取的各通道电压数据和环境温度数据的均值、方差,各通道电压数据和环境温度数据以均值为中心,方差为阈值进行数据筛选,剔除偏离均值较大的数据,便与后续标定精度的提升。
步骤S5中的将所述标定结果保存到配置文件中,并将标定结果发送至终端显示监控系统。
步骤S1~S5均在Linux平台上实现。
步骤S1~S5均为并行操作,所有通道的标定过程都是并行的。
当标定模式为绝对标定模式,利用四点标定法获取标定数据。
如图4、5所示,其中,“-”表示探测到电压值和相对应的温度值;“*”表示利用本发明的标定方法得到的电压值和相对应的温度值,由图3和图4可知绝对标定和实时标定的精度在0.1V范围内。
综上所述,本发明的绝对标定和实时标定是标定输出多通道电压值和环境温度之间定量关系的过程。标定精度的高低直接影响多通道毫米波辐射计对大气亮温的测量,进而影响其对获取温度、湿度廓线参数的遥感。绝对标定和实时标定是利用多通道毫米波辐射计测量的重要前提。
Claims (10)
1.一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、选择标定模式;
S2、获取标定数据;
S3、构建标定模型;
S4、解算标定模型,得出标定结果;
S5、将所述标定结果保存到配置文件中。
2.如权利要求1所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于:步骤S1中的选择标定模式包括选择实时标定模式或绝对标定模式。
3.如权利要求2所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于,步骤S2的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,利用两点标定法获取标定数据;
当标定模式为绝对标定模式,利用四点标定法获取标定数据。
4.如权利要求3所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于,利用两点标定法获取标定数据的具体操作步骤包括:
获取黑体的电压值U3和环境温度Tk,打开微波辐射计的标定装置中的噪声源开关,获取多通道输出电压U4和环境温度T4,得到实时标定模式的标定数据。
5.如权利要求3或4所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于,利用四点标定法获取标定数据的具体操作步骤包括:
向微波辐射计的标定装置中注入液氮后,获取待标定通道的电压值U1和环境温度TC;打开微波辐射计的标定装置中噪声源开关,获取液氮加入噪声源后的电压值U2和环境温度T2;获取黑体的电压值U3和环境温度Tk,打开微波辐射计的标定装置中的噪声源开关,获取多通道输出电压U4和环境温度T4,得到绝对标定模式的标定数据。
6.如权利要求5所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于,步骤S3的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,利用实时标定模型,多通道毫米波辐射计的标定系统噪声等效温度Tsys和系统增益G;
当标定模式为绝对标定模式,利用绝对标定模型,标定系统噪声等效温度Tsys、系统增益G、非线性参数a以及注入的噪声温度Tn,多通道毫米波辐射计的标定系统非线性特征如公式(1)所示:
U=GPa,0.9≤a<1 (1)
其中,U表示微波辐射计待标定通道的电压值,G表示系统增益,P表示噪声能量,a表示非线性参数,噪声能量P与微波辐射计待标定通道的温度TR的关系如公式(2)所示:
其中,ν表示微波辐射计待标定通道的频率,TR表示微波辐射计待标定通道的温度,P(TR)表示微波辐射计待标定通道的温度为TR时所对应的噪声能量,kB表示波尔兹曼常数,h表示普朗克常数。
7.如权利要求6所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于,步骤S4的具体操作步骤包括:
当标定模式为实时标定模式,根据黑体的电压值U3和环境温度Tk,以及多通道输出电压U4和环境温度T4得到公式(3):
其中,公式(3)中的Th=Tsys+T测量值,T4=Tsys+T测量值+Tn,因此,公式(3)转换为公式(3-1):
对公式(3-1)中的系统增益G、标定系统噪声等效温度Tsys求偏导,构造雅可比矩阵如公式(4)所示:
令则公式(3)转换为U=U0+JΔ矩阵;
给定标定参数初始值[G0,Tsys0],利用最小二乘法求取Δ=[ΔG,ΔTsys],Δ表示系统增益G、标定系统噪声等效温度Tsys的变化量,更改标定参数的初始值进行迭代求解,直到||U-U0||2小于10-3,迭代终止;
当标定模式为绝对标定模式,根据电压值U1和环境温度TC、电压值U2和环境温度T2、电压值U3和环境温度Tk、多通道输出电压U4和环境温度T4得到方程组如公式(5)所示:
其中,公式(5)中的TC=Tsys+T测量值,T2=Tsys+T测量值+Tn,Th=Tsys+T测量值,T4=Tsys+T测量值+Tn,因此,公式(5)转换为公式(5-1):
采取高斯牛顿法求解公式(5),并对公式(5-1)中的系统增益G、非线性参数a、标定系统噪声等效温度Tsys和噪声温度Tn四个绝对标定参数求偏导,构造的雅可比矩阵如公式(6)所示;
令则公式(5)转换为U=U0+JΔ矩阵;
给标定参数初始值[G0,a0,Tsys0,Tn0],利用最小二乘法求取Δ=[ΔG,Δa,ΔTsys,ΔTn],更改标定参数的初始值进行迭代求解,直到||U-U0||2小于10-3,迭代终止。
8.如权利要求7所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于,步骤S5中的将所述标定结果保存到配置文件中,并将标定结果发送至终端显示监控系统。
9.如权利要求8所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于:步骤S1~S5均在Linux平台上实现。
10.如权利要求9所述的一种用于多通道毫米波辐射计的标定方法,其特征在于:步骤S1~S5均为并行操作。
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GR01 | Patent grant | ||
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