CN113390901B - 高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪 - Google Patents

高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高垂直分辨率0‑4km大气温湿度微波探测仪，包括驱动控制与数据处理系统，所述驱动控制与数据处理系统与电机和微波精细谱系统连接，所述微波精细谱系统包括微波精细谱接收机，所述电机连接有平面镜，所述平面镜与所述微波精细谱接收机的信号路径之间设有抛物面，所述平面镜附近设有定标体。本发明设计了一台具备全球观测能力的高精度高垂直分辨率的0‑4km温湿度微波探测仪。该仪器将实现可调可编程、高灵敏度、高稳定的微波精细谱探测，能获取时间连续、高精度、高空间分辨率的大气边界层温湿度廓线信息，而且能部署在飞机、浮空气球等多种空基平台，并为实现下一步相关仪器布置到空间站、卫星等天基平台提供必要的技术储备。

Description

高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪
技术领域
本发明涉及微波仪器原理设计领域，特别涉及高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪。
背景技术
经过半个世纪努力，我国已成功发射了17颗气象卫星，目前在轨运行7颗，形成了兼顾成像探测、覆盖可见红外微波等谱段的综合对地观测能力，成为全球同时具有极轨和静止两个系列业务气象卫星的少数几个国家之一。我国第二代风云气象卫星——风云三号上搭载了微波温度计和微波湿度计等两个大气微波探测仪器。作为我国独立自主生产的遥感仪器，风云三号上的微波温度计和微波湿度计经过仪器偏差订正后的数据产品已得到国际同行的广泛认可，认为其数据质量已达到国际同类仪器水准，其数据已经在中国气象局数值天气预报中心、欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）、英国气象局（UKMO）等全球主要的数值预报中心得到了业务同化应用。
虽然卫星微波大气探测及其应用已有了长足的进步，形成了完善的全球观测系统。但由于微波探测仪器设计制造能力的限制，现有观测系统中往往仅配置三四个对边界层及地表敏感的宽通道。一方面由于通道较少，垂直探测能力不足以有效反映边界层温湿度垂直变化梯度，另一方面由于接近地表的0-4km大气受到地表的干扰，是强地表背景下的弱信号。因此，要实现高垂直分辨率大气温湿度微波探测，需要利用微波精细谱探测，获得边界层（0-4km）大气不同高度上的信息。
大气边界层（0-4km）是人类生存和社会经济活动的主要空间，也是大气与地表相互作用与影响的桥梁，对科学认识天气、气候、自然灾害等问题，乃至保障人类社会可持续发展都具有重要意义。边界层温湿度廓线是关键基础数据，传统观测及地基遥感手段无法实现全球观测。尽管卫星遥感能提供空间连续的边界层大气温湿度廓线信息，但探测总信号中边界层信息相对地表为弱信号，大气信息提取精度低。
我国国产微波探测仪器起步于上世纪六十年代，2008年风云三号A星是我国首颗搭载了微波大气探测仪器的地球观测卫星。经过十几年的发展，风云气象卫星已经建立了完善的全球观测网络，其观测数据质量也已经达到国际同类仪器相当的水平。
通过借鉴红外分光计到红外高光谱探测的发展理念，基于现有宽谱段微波探测仪器向微波精细谱探测仪器发展趋势和能力，发展更高精度、更精细光谱分辨率的微波温湿度廓线探测仪替换宽通道微波探测仪，结合地基探测结果提高对全球大气温湿度廓线的联合反演及修正，是未来突破大气边界层的高垂直分辨率探测能力、为全球变化研究提供全新边界层信息的探测手段。
要突破利用微波高精度精细谱微波探测仪的高精度精细谱技术，需要突破微波精细谱通道方案设计，实现高精度接收系统噪声抑制技术等对边界层温湿度廓线高精度高垂直分辨率探测。该仪器的研制成功将形成大气探测领域的新突破，极大改进现有全球数据集对边界层温湿度特征的描述能力，支撑大气科学、海洋科学及气候变化研究，为生态文明建设、污染防治、地面交通/航海/航空安全等提供基础数据支撑。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪，包括驱动控制与数据处理系统，所述驱动控制与数据处理系统与电机和微波精细谱系统连接，所述微波精细谱系统包括微波精细谱接收机，所述电机连接有平面镜，所述平面镜与所述微波精细谱接收机的信号路径之间设有抛物面，所述平面镜附近设有定标体。
优选地，所述微波精细谱接收机电子学部分包括馈源，所述馈源与射频放大器连接，所述射频放大器与混频器连接，所述混频器还连接有本振，所述混频器与中频放大器连接，所述中频放大器与滤波器连接，所述滤波器与高速数据采集部件连接，所述高速数据采集部件与数字谱分析部件连接，所述数字谱分析部件与输出端连接。
优选地，所述微波精细谱接收机包括20-40GHz、45-60GHz、110-125GHz、177-189GHz、238-242GHz五个频段。
优选地，所述20-40GHz频段采用H、V双极化，微波精细谱分辨率为100-400MHz，可编程可调；所述45-60GHz频段采用H/V极化，微波精细谱分辨率为2-500MHz，可编程可调；所述110-125GHz频段采用极化栅网（V极化），微波精细谱分辨率为2-500MHz可编程谱仪；所述177-189GHz频段采用极化光栅网（H极化），微波精细谱分辨率为2-500MHz可编程谱仪；所述238-242GHz采用H、V双极化。
优选地，所述20-40GHz频段和所述45-60GHz频段分别采用低频天线，通过极化和高、低频率分离。
本发明涉及针对我国气象卫星微波探测仪0-4km大气温湿度探测仪的设计方案，聚焦大气边界层（0-4km）探测的难点问题，独辟蹊径提出结合微波精细谱探测技术，实现高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪的设计思想，主要包括以下2点：
（1）利用微波精细谱探测实现对大气边界层的高垂直分辨率探测
利用20-40GHz（双极化）通道探测近地表温湿度信息，利用45-60GHz探测温度廓线、利用110-125GHz辅助探测温湿度廓线、利用177-189GHz探测湿度廓线、利用238-242GHz（双极化）频段探测冰云等辅助信息；针对上述20-40GHz和238-242GHz等H、V双极化通道，根据大气、地表和云雨的极化特性差异，构造双频极化差分比算法，实现强背景下弱信号的提取。
（2）微波精细谱探测综合噪声抑制技术
采用先进的靶向制冷降噪技术、高精度谱测量弱信号自适应检测技术（通道频率、带宽、积分时间等可调可编程）降低仪器噪声。此外，进一步通过微波辐射计观测系统仿真与偏差订正技术提高微波精细谱探测仪的数据精度。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明设计了一台具备全球观测能力的高精度高垂直分辨率的0-4km温湿度微波探测仪。该仪器将实现可调可编程、高灵敏度、高稳定的微波精细谱探测，能获取时间连续、高精度、高空间分辨率的大气边界层（0-4km）温湿度廓线信息，而且能部署在飞机、浮空气球等多种空基平台，并为实现下一步相关仪器布置到空间站、卫星等天基平台提供必要的技术储备。
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是根据本发明实施例所述的高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪的结构示意图；
图2是微波精细谱接收机电子学部分的结构示意图；
图3是微波谱段大气温湿度探测的敏感性测试图；
图4是微波谱段地表温度的敏感性测试图。
具体实施方式
下面将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1-2所示，根据本发明实施例所述的高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪，包括驱动控制与数据处理系统，所述驱动控制与数据处理系统与电机和微波精细谱系统连接，所述微波精细谱系统包括微波精细谱接收机，所述电机连接有平面镜，所述平面镜与所述微波精细谱接收机的信号路径之间设有抛物面，所述平面镜附近设有定标体；所述微波精细谱接收机电子学部分包括馈源，所述馈源与射频放大器连接，所述射频放大器与混频器连接，所述混频器还连接有本振，所述混频器与中频放大器连接，所述中频放大器与滤波器连接，所述滤波器与高速数据采集部件连接，所述高速数据采集部件与数字谱分析部件连接，所述数字谱分析部件与输出端连接；所述微波精细谱接收机包括20-40GHz、45-60GHz、110-125GHz、177-189GHz、238-242GHz五个频段；所述20-40GHz频段采用H、V双极化，微波精细谱分辨率为100-400MHz，可编程可调；所述45-60GHz频段采用H/V极化，微波精细谱分辨率为2-500MHz，可编程可调；所述110-125GHz频段采用极化栅网（V极化），微波精细谱分辨率为2-500MHz可编程谱仪；所述177-189GHz频段采用极化光栅网（H极化），微波精细谱分辨率为2-500MHz可编程谱仪；所述238-242GHz采用H、V双极化；所述20-40GHz频段和所述45-60GHz频段分别采用低频天线，通过极化和高、低频率分离。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，平面镜通过扫描大气和定标体将接收到的微波信号反射至抛物面，抛物面将微波信号反射至微波精细谱接收机的馈源；信号进入馈源后依次经过经射频放大器、混频器、中频放大器、示波器、高速数据采集部件、数字谱分析部件最终输出到驱动控制及数据处理系统。数据处理分析后的信号经软件模拟得到图3所示的微波谱段大气温湿度探测的敏感性测试图和图4所示的微波谱段地表温度的敏感性测试图。
图3中填色表示大气层顶不同频率微波信号对大气温度和水汽的敏感性。微波精细谱以边界层大气温湿度廓线精细探测为主要应用目的，需要对精细谱通道进行甄选，主要通过水汽雅可比矩阵计算不同微波频率信号对不同高度大气水汽信息的敏感性；其中，0-1.2表示随着水汽含量增加大气层顶向外微波辐射增加，见图3a；-1.2-0表示随水汽含量增加大气层顶向外微波辐射减少，见图3b。通过温度雅可比矩阵计算不同频率微波信号对不同高度大气温度信息的敏感性，其中，0-0.1表示随温度升高则大气层顶向外微波辐射增加，见图3c。
选取微波谱段大气窗区附近的弱吸收通道作为主探测通道，选取氧气、水汽等气体吸收线作为辅助探测通道，通过精细谱的宽频率覆盖综合观测，实现边界层温湿度探测能力。在1000GHz以下，大气主要的水汽吸收线有30条，氧气吸收线有44条。虽然有许多较强的氧气和水汽吸收线可以用于大气温度、湿度及云雨大气参数的遥感探测，从图3的吸收特性参数上可以发现，55-63GHz区间丰富的氧气吸收线组成的氧气吸收带，仍是大气温度廓线的最佳探测频段，220GHz以下较强的氧气吸收线还有118.75GHz；220GHz以下最强的水汽吸收线位于183.31 GHz。10GHz-50GHz为窗区谱段，其中20-40GHz范围内为弱水汽吸收通道，通常选取23GHz附近作为水汽吸收探测通道。
图4中雅可比矩阵定义为大气层顶不同频率微波信号相对于地表温度的敏感性。在不同频段处，权重函数在大气不同高度的峰值分布有明显区别，且亮温值差别较大。在不同频段处，不同频点的带宽选择与硬件水平相关，且影响系统灵敏度，在系统其它条件不变的前提下，带宽越宽，灵敏度越高，但带宽较宽时，对大气温湿度及降水和台风的反演性能有很大的影响。由于地表辐射率与极化方式有关，因此与单极化方式相比，双极化通道反映了地表不同的温湿度信息，结合双极化通道，可用来探测地表温湿度廓线，以及云中含水量和强降雨。
根据不同频率大气吸收特性，分别采用传统体制的模拟接收机和新型精细谱接收机实现对大气温湿度等参数的高垂直分辨率探测。其中20-40GHz，45-60GHz，118GHz和183GHz为大气吸收频率，接收机后端采用精细谱技术体制，探测通道可通过软件进行配置，实现2-2000MHz的通道带宽，最高频谱分辨率为2MHz，提高探测的垂直分辨率。
采用4个微波精细谱辐射计体制，利用超外差下变频将射频信号转换为中频，中频带宽10GHz。宽带数字谱仪对10GHz中频信号进行高速数字采样，通过快速傅里叶变换（FFT）实现高频谱分辨率垂直探测。
综上所述，本发明设计的仪器能获取高垂直分辨率的大气边界层（0-4km）温湿度信息，能够填补0-4km探测信息的空白，能够极大改进目前缺少边界层空天基观测资料的现状。大气边界层直接观测资料的获取，对于加强边界层（0-4km）大气层空间结构的复杂性和时空变化的多样性、科学认识不同下垫面天气过程具有重要意义，更是发展精细化数值天气预报的边界层大气参数化方案的主要基础。通过科学认识大气边界层过程和数值预报参数化，能为防灾减灾和大气污染防治等国家战略提供更为有力的支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪，其特征在于，包括驱动控制与数据处理系统，所述驱动控制与数据处理系统与电机和微波精细谱系统连接，所述微波精细谱系统包括微波精细谱接收机，所述电机连接有平面镜，所述平面镜与所述微波精细谱接收机的信号路径之间设有抛物面，所述平面镜附近设有定标体，所述微波精细谱接收机包括20-40GHz、45-60GHz、110-125GHz、177-189GHz、238-242GHz五个频段，所述20-40GHz频段采用H、V双极化，微波精细谱分辨率为100-400MHz，可编程可调；所述45-60GHz频段采用H/V极化，微波精细谱分辨率为2-500MHz，可编程可调；所述110-125GHz频段采用极化栅网，即V极化，微波精细谱分辨率为2-500MHz可编程谱仪；所述177-189GHz频段采用极化光栅网，即H极化，微波精细谱分辨率为2-500MHz可编程谱仪；所述238-242GHz采用H、V双极化；利用20-40GHz双极化通道探测近地表温湿度信息，利用45-60GHz探测温度廓线、利用110-125GHz辅助探测温湿度廓线、利用177-189GHz探测湿度廓线、利用238-242GHz双极化频段探测冰云辅助信息，根据大气、地表和云雨的极化特性差异，构造双频极化差分比算法，实现强背景下弱信号的提取；采用4个微波精细谱辐射计体制，利用超外差下变频将射频信号转换为中频，中频带宽10GHz，宽带数字谱仪对10GHz中频信号进行高速数字采样，通过快速傅里叶变换FFT实现高频谱分辨率垂直探测。
2.根据权利要求1所述的高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪，其特征在于，所述微波精细谱接收机电子学部分包括馈源，所述馈源与射频放大器连接，所述射频放大器与混频器连接，所述混频器还连接有本振，所述混频器与中频放大器连接，所述中频放大器与滤波器连接，所述滤波器与高速数据采集部件连接，所述高速数据采集部件与数字谱分析部件连接，所述数字谱分析部件与输出端连接。
3.根据权利要求1所述的高垂直分辨率0-4km大气温湿度微波探测仪，其特征在于，所述20-40GHz频段和所述45-60GHz频段分别采用低频天线，通过极化和高、低频率分离。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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雷林.海洋渔业遥感.海洋出版社,正文第85-86页. *

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