CN108594333A - 一种大气温湿度廓线微波探测仪及其探测方法 - Google Patents

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Abstract

一种大气温湿度廓线微波探测仪包括:电子学机箱(1)、扫描驱动机构(2)和外定标模块(3)；扫描驱动机构(2)驱动电子学机箱(1)对辐射计的旋转扫描观测；外定标模块(3)，包括相同结构的定标热源(301)和定标常温源(302)，设置于电子学机箱(1)外部为电子学机箱(1)提供定标基准参数；电子学机箱(1)接收K和V两个波段大气的微波辐射，处理后得到辐射亮温的相关参数，结合所述的定标基准参数，计算大气温湿度辐射亮温TA，反演出大气温湿度廓线。基于该探测仪，本发明还提供了一种大气温湿度廓线微波探测方法。本发明的探测仪及其探测方法能够不间断对低层大气特别是边界层的温湿度廓线进行连续不间断的探测，为大气科学研究和气象预报业务提供重要的数据来源。

Description

一种大气温湿度廓线微波探测仪及其探测方法
技术领域
本发明涉及微波辐射计领域，具体而言，涉及一种大气温湿度廓线微波探测仪。
背景技术
大气温度和湿度廓线是重要的气象参数，目前在气象业务应用中通常采用的探测方法包括无线电探空仪、探空气球现场测量和卫星遥感等。其主要局限性包括：
无线电探空仪体积庞大、成本较高而且需要复杂的安装和运行条件，需要大功率的无线电辐射，不能安装和运行在人口稠密地区，并且空间分辨率和时间分辨率都较低。
气球现场探测只能进行离散时间上有限的测量，长期探测的成本高，一般每天只能获得1～2次测量数据，并且其施放受限于气象条件。
卫星遥感，主要是星载微波/毫米波辐射计，具有全球探测能力，特别在海洋上空和人迹罕至的陆地地区，但其空间分辨率较低，并且受限于观测几何，对于高空具有较高的垂直分辨率，而对于低空的垂直分辨率较差，特别是云的遮挡和强吸收，以及大气对毫米波波段电磁波的不透明性，卫星遥感对对流层底部、边界层的探测性能很差，并且其时间分辨率决定于卫星轨道的重复覆盖时间，单颗卫星一般仅能实现一天两次的重复观测。
微波辐射计通过接收来自地物目标的电磁辐射或者反射进行探测，是一种被动微波遥感器。微波辐射计与红外及可见光遥感器相比，具有波长更长、穿透能力强的优势，并且能够全天时、全天候工作，特别适合于观测地球物理参数。微波辐射计在对地观测和日常生活中正发挥着越来越重要的作用。它不但能够应用于海洋环境监测、大气与气象观测、农业监测、地质探查和军事侦察等方面，还可以用于导弹的末端制导、射电天文、医疗病理研究等领域。微波辐射计可以进行幅相、极化和相干接收，可以进行灵活的信号处理，以获取更多的有用信息。与主动遥感器相比，微波辐射计具有功耗低、体积小、质量轻和工作稳定可靠等特点。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有探空探测手段的缺陷和不足，连续不间断对低层大气、特别是边界层的温湿度廓线进行连续不间断的探测，为大气科学研究和气象预报业务提供重要的数据来源。
为实现上述目的，本发明提出一种大气温湿度廓线微波探测仪，包括:电子学机箱(1)、扫描驱动机构(2)和外定标模块(3)；
所述扫描驱动机构(2)，用于驱动电子学机箱(1)对辐射计的旋转扫描观测；
所述外定标模块(3)，包括相同结构的定标热源(301)和定标常温源(302)，设置于电子学机箱(1)外部；用于为电子学机箱(1)提供定标源，供所述电子学机箱(1)采集定标基准参数；
所述电子学机箱(1)，用于接收K和V两个波段大气的微波辐射，处理后得到辐射亮温的相关参数，结合所述的定标基准参数，计算大气温湿度辐射亮温TA，反演出大气温湿度廓线。
作为上述装置的一种改进，所述电子学机箱(1)包括天线单元、辐射接收单元和数字单元；
所述天线单元，采用波纹喇叭天线作为天线，将采集到的信号通过直接检波体制接收机进行放大输出，并接收K和V波段大气的微波辐射；
所述辐射接收单元，用于将射频信号下变频至中频信号并进行预放大，完成信号的放大、平方律检波、低频放大和积分处理，输出所述数字单元所需的相关参数；
所述数字单元，用于对所述辐射接收单元输出的相关参数进行数字化处理，得到一组数据，包括所述定标热源(301)和定标常温源源(302)的基准参数值，根据两点定标原理求得所述大气温湿度辐射亮温TA，反演出大气温湿度廓线。
作为上述装置的一种改进，所述电子学机箱(1)还包括:温控单元和电源单元；
所述温控单元，用于完成电子学机箱(1)、外定标模块(3)的温度控制；
所述电源单元，用于为所述探测仪供电。
作为上述装置的一种改进，所述扫描驱动机构(2)包括角编码器，所述角编码器设置于电子学机箱(1)内部。
作为上述装置的一种改进，所述外定标热源(301)包括外部的定标源壳体(15)，所述定标源壳体(15)内部底面覆盖一层黑体口面保温层(11)，四周侧面贴有一层黑体侧面保温层(5)；所述定标源壳体(15)内部设置黑体(14)，黑体(14)上部覆盖黑体底板(13)，黑体底板(13)上面覆盖开槽板(12)，在所述黑体底板(13)与开槽板(12)四周边缘与定标源壳体(15)侧壁之间填充底板侧面保温层(10)，开槽板(12)上方等距间隔放置三个加热/制冷单元(8)，所述加热/制冷单元(8)之间有局部保温块(7)，定标源底板(9)覆盖在定标源壳体(15)上方开口处，所述开槽板(12)和定标源底板(9)之间间隙填充底板保温层(6)。
作为上述装置的一种改进，所述定标热源(301)内安装多个测温电阻，用于对黑体(14)的温度梯度进行测量。
作为上述装置的一种改进，所述定标热源(301)内部的黑体口面保温层(11)、黑体侧面保温层(5)、底板侧面保温层(10)和底板保温层(6)采用泡沫材料。
作为上述装置的一种改进，所述定标热源(301)还包括驱动风扇。
基于上述装置，本发明还提出一种实现的大气温湿度廓线微波探测的方法，所述方法包括：
步骤1)将所述探测仪设置为为K和V双波段，定标热源(301)和定标常温源(302)分别作为探测仪高、低亮温定标的基准；
步骤2)在所述扫描驱动机构(2)的驱动下，所述电子学机箱(1)在所述周期性旋转过程中获得一组大气温湿度辐射信息以及定标热源(301)和定标常温源(302)的定标基准辐射信息，并转化为一组数据参数，包括定标基准和大气温湿度辐射亮温的输出电压参数；
步骤3)根据所述数据参数，利用两点定标原理求得大气温湿度辐射亮温TA，然后根据所述TA反演大气温湿度廓线。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)中的数据参数包括：TH，TC，VH，VC，VA，其中TH表示高温定标参考源的辐射亮温，TC表示低温定标参考源的辐射亮温，VH为测量高温定标参考源时得到的输出电压，VC为测量低温定标参考源时得到的输出电压，VA为测量大气温湿度时所述天线单元的输出电压值；
作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体为：
根据数据参数TH，TC，VH，VC，VA，利用两点定标原理求得所述电子学机箱(1)的天线单元观测到的大气温湿度辐射亮温TA：
根据所述大气温湿度辐射亮温TA反演出大气温湿度廓线。
本发明的优势在于：
1、与现有探空手段相比，大气温湿度廓线微波探测仪基于被动微波遥感技术可以连续不间断对低层大气、特别是边界层的温湿度廓线进行连续不间断的探测，弥补现有探测手段的缺陷和不足，为大气科学研究和气象预报业务提供重要的数据来源，具有维护成本低、运行可靠等特点；
2、本发明的大气温湿度廓线微波探测仪的另一优点是其对云中液态水的灵敏度较高，在陆地上空，被动微波遥感是目前最准确、成本最低的液态水路径和水汽总量测量的手段，对提高天气预报准确性，特别是暴雨等强对流天气的短期预报水平将产生重要作用，为我国在预防自然灾害方面带来直接的效益，对我国大气科学研究、气象业务应用和发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的大气温湿度廓线微波探测仪设计图；
图2为本发明的天线单元；
图3为本发明的外定标源结构图；
图4为本发明的微波辐射计外部两点定标示意图。
附图标识
1、电子学机箱 2、扫描驱动机构 3、外定标模块
301、定标热源 302、定标常温源
5、黑体侧面保温层 6、底板保温层 7、局部保温层
8、加热/制冷单元 9、定标源底板 10、底板侧面保温层
11、黑体口面保温层 12、开槽板 13、黑体底板
14、黑体 15、定标源壳体 16、波纹喇叭天线
17、辐射接收单元
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示,本发明提出的新型大气温湿度廓线微波探测仪是一种微波辐射计。按照功能划分，本发明所述的大气温湿度廓线微波探测仪可以由以下模块组合而成：电子学机箱1、扫描驱动机构2、外定标模块3。
所述电子学机箱1，用于完成从天线接收微波辐射到信号数字化处理输出的全过程；扫描驱动机构2用于实现旋转扫描观测；外定标模块3用于完成本发明所述大气温湿度廓线微波探测仪的外定标。
所述电子学机箱1，由天线单元、辐射接收单元、数字单元、温控单元、电源单元组成；
所述天线单元，用来实现大气观测，接收K和V波段大气的微波辐射；辐射接收单元用于将射频信号下变频至中频信号并进行预放大，完成信号的放大、平方律检波、低频放大和积分处理；
所述数字单元，用于将所述辐射接收单元处理完成的中频信号的进行数字化处理，对系统外定标，通过运算，获得大气温湿度信息，进而反演大气温湿度廓线；
所述温控单元，用于完成电子学机箱1、外定标模块3的温度控制；
所述电源单元，用于为本发明系统供电。
如图2所示，所述天线单元直接采用波纹喇叭天线作为天线，将采集到的信号通过直接检波体制接收机进行放大输出，避免了传统抛物面天线和馈源形式的天馈单元在目标观测及定标时近场效应的影响。
本发明提出的大气温湿度廓线微波探测仪简化了所述扫描驱动机构2的设计，所述扫描驱动机构2具有角编码器，本发明将其角编码器设置于电子学机箱1内部，只需要扫描驱动机构2驱动电子学机箱1匀速旋转，角编码器就可以读出入射角度值，降低了系统复杂度，使得仪器更加小型化。
本发明提出的大气温湿度廓线微波探测仪外定标模块3由两个相同结构的外定标源单元组成，所述定外标模块3包括定标热源301和定标常温源302。
如图3所示，所述定标热源301包括外部的定标源壳体15，所述定标源壳体15内部底面覆盖一层黑体口面保温层11，四周侧面贴有一层黑体侧面保温层5，所述定标源壳体15内部设置黑体14，所述黑体14上部覆盖有黑体底板13，所述黑体底板13上面覆盖开槽板12，所述黑体底板12与开槽板四周边缘与壳体侧壁之间填充底板侧面保温层10，所述开槽板12上方等距间隔放置三个加热/制冷单元8，加热/制冷模单元8之间有局部保温块7，定标源底板9盖在定标源壳体15上方开口处，所述开槽板12和定标源底板9之间间隙填充底板保温层6。
为了保证所述黑体14的亮度温度的准确性，本发明所述大气温湿度廓线微波探测仪在所述定标黑体14的不同位置安装多个测温电阻，以便对黑体14的温度梯度进行测量；为了减小黑体14上的温度梯度，所述定标热源301采用增加空气流动的驱动风扇，保温层全部采用具有良好隔热性能的泡沫材料。当探测仪绕水平轴旋转观测目标时，将周期性经过外部定标模块3的定标热源301和定标常温源302，从而实现周期性实时外定标。
本发明提出的大气温湿度廓线微波探测仪是一种新型地基大气廓线微波探测仪，其探测频率为双波段设置，即K波段和V波段，这两个波段分布于水汽和氧气吸收谱带，包括水汽吸收线20-30GHz和氧气吸收线50-60GHz，每个频段包含7个探测通道，每个通道带宽为300-600MHz，由扫描驱动机构2带动K，V波段天线旋转，可实现俯仰向360度匀速或者变速旋转，其中对天观测角度为60-300度，通过观测，可探测大气中温湿度信息以及云水信息。
本发明提出的大气温湿度廓线微波探测仪采用了“端—端”即从天线接收端到数据输出端的全程控制方式，在扫描驱动机构2的驱动下使电子学机箱1旋转，实现了周期性实时外定标，电子学机箱1内部的温控单元使得接收到的辐射亮温非常准确和稳定，进而使得利用观测到的辐射亮温反演大气温湿度廓线的精度得以进一步提高。
本发明提出的大气温湿度廓线微波探测仪采用完全外定标方式进行实时定标，此方法可以校正系统增益波动的影响，实现系统高精度亮度温度测量。即在探测仪外部设置一个高温定标源和一个低温定标源，分别作为探测仪高、低亮温的基准。
如图4所示，用TH表示定标热源的辐射能量，TC表示定标常温源的辐射能量，再加上本发明所述的大气温湿度廓线微波探测仪测量高、低温定标参考源时得到的输出电压VH和VC，根据两点定标原理可以求得辐射亮温即天线视在温度TA：
进而利用观测到的TA反演大气温湿度廓线，使得大气温湿度廓线精度得以进一步提高。
本发明提出的大气温湿度廓线微波探测仪除了观测时的周期性外定标以外，还要进行多点低温定标，也就是增加液氮低温点的绝对定标，外定标信号源采用液氮制冷定标源、常温定标源和高温定标源进行，通过多点低温外定标可以对本发明探测仪系统的非线性进行校正和验证。根据本发明探测仪稳定性，辐射亮温TA多点低温外定标在使用中可一年左右进行一次，作为系统维护程序的一部分。
综上所述，本发明提出的一种大气温湿度廓线微波探测仪采用了新的体制，对天线单元和定标方式等进行了创新性设计，降低了仪器探测误差，提高了大气温湿度廓线反演精度，并对其进行了小型化设计，对提高天气预报准确性，特别是暴雨等强对流天气的短期预报水平产生重要作用，为我国在预防自然灾害方面带来直接的效益，对我国大气科学研究、气象业务应用和发展具有重要意义。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述探测仪包括:电子学机箱(1)、扫描驱动机构(2)和外定标模块(3)；
所述扫描驱动机构(2)，用于驱动电子学机箱(1)对辐射计的旋转扫描观测；
所述外定标模块(3)，包括相同结构的定标热源(301)和定标常温源(302)，设置于电子学机箱(1)外部；用于为电子学机箱(1)提供定标源，供所述电子学机箱(1)采集定标基准参数；
所述电子学机箱(1)，用于接收K和V两个波段大气的微波辐射，处理后得到辐射亮温的相关参数，结合所述的定标基准参数，计算大气温湿度辐射亮温TA，反演出大气温湿度廓线。
2.根据权利要求1所述的大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述电子学机箱(1)包括天线单元、辐射接收单元和数字单元；
所述天线单元，采用波纹喇叭天线作为天线，将采集到的信号通过直接检波体制接收机进行放大输出，并接收K和V波段大气的微波辐射；
所述辐射接收单元，用于将射频信号下变频至中频信号并进行预放大，完成信号的放大、平方律检波、低频放大和积分处理，输出所述数字单元所需的相关参数；
所述数字单元，用于对所述辐射接收单元输出的相关参数进行数字化处理，得到一组数据，包括所述定标热源(301)和定标常温源源(302)的基准参数值，根据两点定标原理求得所述大气温湿度辐射亮温TA，反演出大气温湿度廓线。
3.根据权利要求2所述的大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述电子学机箱(1)还包括:温控单元和电源单元；
所述温控单元，用于完成电子学机箱(1)、外定标模块(3)的温度控制；
所述电源单元，用于为所述探测仪供电。
4.根据权利要求1所述的大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述扫描驱动机构(2)包括角编码器，所述角编码器设置于电子学机箱(1)内部。
5.根据权利要求1所述的大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述外定标热源(301)包括外部的定标源壳体(15)，所述定标源壳体(15)内部底面覆盖一层黑体口面保温层(11)，四周侧面贴有一层黑体侧面保温层(5)；所述定标源壳体(15)内部设置黑体(14)，黑体(14)上部覆盖黑体底板(13)，黑体底板(13)上面覆盖开槽板(12)，在所述黑体底板(13)与开槽板(12)四周边缘与定标源壳体(15)侧壁之间填充底板侧面保温层(10)，开槽板(12)上方等距间隔放置三个加热/制冷单元(8)，所述加热/制冷单元(8)之间有局部保温块(7)，定标源底板(9)覆盖在定标源壳体(15)上方开口处，所述开槽板(12)和定标源底板(9)之间间隙填充底板保温层(6)。
6.根据权利要求5所述的大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述定标热源(301)内安装多个测温电阻，用于对黑体(14)的温度梯度进行测量。
7.根据权利要求5所述的大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述定标热源(301)内部的黑体口面保温层(11)、黑体侧面保温层(5)、底板侧面保温层(10)和底板保温层(6)采用泡沫材料。
8.根据权利要求5所述的大气温湿度廓线微波探测仪，其特征在于，所述定标热源(301)还包括驱动风扇。
9.一种基于权利要求1-8之一所述探测仪实现的大气温湿度廓线微波探测方法，所述方法包括：
步骤1)将所述探测仪设置为为K和V双波段，定标热源(301)和定标常温源(302)分别作为探测仪高、低亮温定标的基准；
步骤2)在所述扫描驱动机构(2)的驱动下，所述电子学机箱(1)在所述周期性旋转过程中获得一组大气温湿度辐射信息以及定标热源(301)和定标常温源(302)的定标基准辐射信息，并转化为一组数据参数，包括定标基准和大气温湿度辐射亮温的输出电压参数；
步骤3)根据所述数据参数，利用两点定标原理求得大气温湿度辐射亮温TA，然后根据所述TA反演大气温湿度廓线。
10.根据权利要求9所述的大气温湿度廓线微波探测方法，其特征在于，所述步骤2)中的数据参数包括：TH，TC，VH，VC，VA，其中TH表示高温定标参考源的辐射亮温，TC表示低温定标参考源的辐射亮温，VH为测量高温定标参考源时得到的输出电压，VC为测量低温定标参考源时得到的输出电压，VA为测量大气温湿度时所述天线单元的输出电压值；所述步骤3)具体为：
根据数据参数TH，TC，VH，VC，VA，利用两点定标原理求得所述电子学机箱(1)的天线单元观测到的大气温湿度辐射亮温TA：
根据所述大气温湿度辐射亮温TA反演出大气温湿度廓线。
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