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一种地基微波辐射计定标方法

阅读:514发布:2020-05-20

专利汇可以提供一种地基微波辐射计定标方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种地基 微波 辐射 计定标方法,包括:获得不同衰减值时各通道输出的 电压 值,利用衰减值计算对应的等效亮温值,根据各等效亮温值与各通道 输出电压 之间的对应关系,从而计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声,完成初步定标;根据时间地点匹配的探空廓线数据,建立大气光学厚度和大气 质量 的对应关系,代入定标参数,得到一定标关系曲线,根据定标关系曲线确定定标参数;在每个衰减值处观测冷空和冷空耦合噪声,获得不同衰减值时各通道输出的电压值,并对衰减值和电压值进行拟合;利用 衰减器 衰减值与输出电压值的关系,计算天线对准冷空时观测到的等效噪声 温度 ,确定所述地基微波辐射计观测不同时间和地点的冷空所对应的亮温值。,下面是一种地基微波辐射计定标方法专利的具体信息内容。

1.一种地基微波辐射计定标方法,包括:
步骤1)、将地基微波辐射计的天线和射频接收模之间连接步进衰减器,将所述天线对准液氮冷却的定标黑体;设置所述步进衰减器的衰减值在0~35dB之间,获得不同衰减值时各通道输出的电压值,利用衰减值计算对应的等效亮温值,根据各等效亮温值与各通道输出电压之间的对应关系,从而计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声,完成初步定标;
步骤2)、将所述地基微波辐射计的天线对准冷空,将所述步进衰减器的衰减值设定为
0,将所述天线的扫描模式设置为变速扫描,并在相对天顶±60度内做跳跃式扫描,步进为5度,每个停留时间为40ms,期间噪声源开关实现通断各一次,收集定标数据,其余角度变速扫描,不收集数据;然后根据时间地点匹配的探空廓线数据,建立大气光学厚度和大气质量的对应关系,代入步骤1)中所确定的注入噪声、系统非线性因子,得到一定标关系曲线,如果所述定标关系曲线经过原点,则步骤1)所得到的定标参数正确,步骤2)结束,否则利用微调逼近的方法调整定标参数,直至所述定标关系曲线经过原点;
步骤3)、将所述地基微波辐射计的天线对准宇宙冷空背景后固定,将所述步进衰减器的衰减值在0~25dB之间对数步进,在每个衰减值处观测冷空和冷空耦合噪声,获得不同衰减值时各通道输出的电压值,并对衰减值和电压值进行拟合;
然后从步骤1)所得到的结果中得到衰减值为0时的电压值,从所得到的拟合结果中查找出与所述电压值相对应的观测冷空背景时的衰减值,利用衰减器衰减值与输出电压值的关系,计算天线对准冷空时观测到的等效噪声温度,确定所述地基微波辐射计观测不同时间和地点的冷空所对应的亮温值。
2.根据权利要求1所述的地基微波辐射计定标方法,其特征在于,还包括用户使用地基微波辐射计时对所述地基微波辐射计进行实时定标的步骤,该步骤包括:
步骤a)、采用所述地基微波辐射计对宇宙冷空进行实时观测,得到电压值V1;
步骤b)、所述地基微波辐射计周期性观测内置定标黑体且噪声源开关各1次,周期性地计算系统增益G以及系统接收机噪声Trec;
步骤c)、将步骤1)-步骤3)中计算得到的噪声源注入噪声Tn、系统非线性因子a以及步骤a)中得到的电压值V1,步骤b)中得到的系统增益G以及系统接收 机噪声Trec代入下列公式:
V1=G(Trec+Tsky+Tn)α  (4)
计算出大气辐射亮温Tsky,利用该值实现实时定标。
3.根据权利要求1或2所述的地基微波辐射计定标方法,其特征在于,在所述的步骤1)中,所述的计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声包括:利用公式(1)和(2),组建包含已测电压值V2、液氮冷却定标黑体经过衰减后的等效亮温值TA、未知的定标参数以及系统增益G、系统接收机噪声Trec在内的方程组,通过求解方程组,计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声;所述的定标参数包括噪声源注入噪声Tn、系统非线性因子α;其中,所述的公式(1)为天线对准液氮时,不同衰减值时的等效噪声温度的计算公式:
Tn=T0*(1-1/L)+TLN*1/L  (1)
上述公式中的L为衰减值,是衰减器固有衰减值和衰减器的调节值之和,T0为环境温度黑体辐射亮温,TLN为液氮辐射亮温;
所述公式(2)为定标公式:
V2=G(Trec+TA+Tn)α  (2)。
4.根据权利要求1或2所述的地基微波辐射计定标方法,其特征在于,在所述的步骤3)中,计算天线对准冷空时观测到的等效噪声温度所采用的计算公式如下:
TLN=T0*(1-1/L)+Tsky*1/L  (3)
其中,L为衰减值,是衰减器固有衰减值和衰减刻度值之和,T0为环境温度黑体辐射亮温,均为已知值,TLN为天线对准液氮冷却定标源时的辐射亮温,为已知值,Tsky为大气辐射亮温,是天线对准冷空时的等效噪声温度,是定标过程中的待计算量。

说明书全文

一种地基微波辐射计定标方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种定标方法,特别涉及一种地基微波辐射计定标方法。

背景技术

[0002] K波段微波辐射计是一种被动式的微波遥感器,能穿透层和雨区,可用于全天时、全天候地观测全球大气湿度、汽含量、降雨量等气象资料。定标技术是微波辐射计设计中的一项关键技术。由于地基辐射计工作环境特殊,受大气衰减的影响,在地面没有宇宙冷空背景可以利用,参考源相比大气辐射亮温均为高温源,利用传统定标方法不能避免由于外推而引入的误差,因此确定全观测范围的动态响应关系非常关键。
[0003] 目前对地基微波辐射计定标普遍使用的是理想情况下的高低温两点线性定标法。在高低温两点线性定标法中,理想的辐射计接收机是一个线性系统,利用两个定标源Tlow和Thigh的输出电压Vlow和Vhigh来计算定标方程时,所得到的方程是一条理想直线。但在实际检测中,实际的辐射计响应是一条通过已知点的曲线,因此参照高低温两点线性定标法,根据观测时的输出电压Vmea所得到的对应真实温度Tmea就可能出现较大误差。基于液氮冷却定标黑体作为参考源之一的四点非线性定标法考虑了检波管的非线性特征,但选取的参考源温度均高于观测的大气辐射,定标亮温值通过定标曲线外推获得,引入误差具有不确定性,且非线性越明显,定标亮温值误差越大。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的用于地基微波辐射计定标方法引入误差具有不确定性的缺陷,从而提供一种准确性高的定标方法。
[0005] 为了实现上述目的,本发明提供了一种地基微波辐射计定标方法,包括:
[0006] 步骤1)、将地基微波辐射计的天线和射频接收模之间连接步进衰减器,将所述天线对准液氮冷却的定标黑体;设置所述步进衰减器的衰减值在0~35dB之间,获得不同衰减值时各通道输出的电压值,利用衰减值计算对应的等效亮温值,根据各等效亮温值与各通道输出电压之间的对应关系,从而计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声,完成初步定标;
[0007] 步骤2)、将所述地基微波辐射计的天线对准冷空,将所述步进衰减器的衰减值设定为0,将所述天线的扫描模式设置为变速扫描,并在相对天顶±60度内做跳跃式扫描,步进为5度,每个停留时间为40ms,期间噪声源开关实现通断各一次,收集定标数据,其余角度变速扫描,不收集数据;然后根据时间地点匹配的探空廓线数据,建立大气光学厚度和大气质量的对应关系,代入步骤1)中所确定的注入噪声、系统非线性因子,得到一定标关系曲线,如果所述定标关系曲线经过原点,则步骤1)所得到的定标参数正确,步骤2)结束,否则利用微调逼近的方法调整定标参数,直至所述定标关系曲线经过原点;
[0008] 步骤3)、将所述地基微波辐射计的天线对准宇宙冷空背景后固定,将所述步进衰减器的衰减值在0~25dB之间对数步进,在每个衰减值处观测冷空和冷空耦合噪声,获得不同衰减值时各通道输出的电压值,并对衰减值和电压值进行拟合;
[0009] 然后从步骤1)所得到的结果中得到衰减值为0时的电压值,从所得到的拟合结果中查找出与所述电压值相对应的观测冷空背景时的衰减值,利用衰减器衰减值与输出电压值的关系,计算天线对准冷空时观测到的等效噪声温度,确定所述地基微波辐射计观测不同时间和地点的冷空所对应的亮温值。
[0010] 上述技术方案中,还包括用户使用地基微波辐射计时对所述地基微波辐射计进行实时定标的步骤,该步骤包括:
[0011] 步骤a)、采用所述地基微波辐射计对宇宙冷空进行实时观测,得到电压值V1;
[0012] 步骤b)、所述地基微波辐射计周期性观测内置定标黑体且噪声源开关各1次,周期性地计算系统增益G以及系统接收机噪声Trec;
[0013] 步骤c)、将步骤1)-步骤3)中计算得到的噪声源注入噪声Tn、系统非线性因子a以及步骤a)中得到的电压值V1,步骤b)中得到的系统增益G以及系统接收机噪声Trec代入下列公式:
[0014] V1=G(Trec+Tsky+Tn)α   (4)
[0015] 计算出大气辐射亮温Tsky,利用该值实现实时定标。
[0016] 上述技术方案中,在所述的步骤1)中,所述的计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声包括:利用公式(1)和(2),组建包含已测电压值V2、液氮冷却定标黑体经过衰减后的等效亮温值TA、未知的定标参数以及系统增益G、系统接收机噪声Trec在内的方程组,通过求解方程组,计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声;所述的定标参数包括噪声源注入噪声Tn、系统非线性因子α;其中,
[0017] 所述的公式(1)为天线对准液氮时,不同衰减值时的等效噪声温度的计算公式:
[0018] Tn=T0*(1-1/L)+TLN*1/L   (1)
[0019] 上述公式中的L为衰减值,是衰减器固有衰减值和衰减器的调节值之和,T0为环境温度黑体辐射亮温,TLN为液氮辐射亮温;
[0020] 所述公式(2)为定标公式:
[0021] V2=G(Trec+TA+Tn)α   (2)。
[0022] 上述技术方案中,在所述的步骤3)中,计算天线对准冷空时观测到的等效噪声温度所采用的计算公式如下:
[0023] TLN=T0*(1-1/L)+Tsky*1/L   (3)
[0024] 其中,L为衰减值,是衰减器固有衰减值和衰减刻度值之和,T0为环境温度黑体辐射亮温,均为已知值,TLN为天线对准液氮冷却定标源时的辐射亮温,为已知值,Tsky为大气辐射亮温,是天线对准冷空时的等效噪声温度,是定标过程中的待计算量。
[0025] 本发明的优点在于:
[0026] 本发明利用地基微波辐射计天线指向液氮冷却定标黑体、相对天顶正负60度定点扫描冷空和天线对准冷空3个步骤,通过相互校正和比对,有效减小了定标误差,提高了定标精度,从而提高K波段地基微波辐射大气湿度廓线等参数的反演精度,避免了目前K波段地基微波辐射计常用定标方法的不足。附图说明
[0027] 图1是本发明中所涉及的K波段地基微波辐射计的结构示意图;
[0028] 图2是本发明方法的流程图
[0029] 图3是天线对准液氮冷却定标黑体的示意图;
[0030] 图4是天线对准冷空的示意图;
[0031] 图5是相对天顶正负60度扫描示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0033] 本发明的方法适用于K波段的地基微波辐射计,也适用于大气透过率较高的窗区和其他波段的地基微波辐射计。在本实施例中,将以K波段的地基微波辐射计为例对本发明的方法做详细说明。
[0034] 在对本发明的方法做详细说明前,为了便于理解,首先对所述K波段地基微波辐射计的结构做一简要描述。
[0035] 参考图1,K波段地基微波辐射计包括天线、多通道接收机、数据记录模块。其中,多通道接收机包括射频接收模块、中频模块和低频检波视放模块;天线接收到的射频信号传输到射频接收模块中,然后在中频模块中将混频转换为中频信号,在低频检波视放模块中,中频信号经过放大、滤波、积分转换为视频信号,再经过放大后信号通过数据记录模块采集并做进一步的处理。
[0036] 下面以前述K波段地基微波辐射计为基础,对本发明的定标方法的实现步骤做详细说明。
[0037] 参考图2,本发明的方法包括以下步骤:
[0038] 步骤1)、如图3所示,将K波段地基微波辐射计的天线和射频接收模块之间接一精密步进衰减器,将天线对准液氮冷却的定标黑体;通过设置步进衰减器的衰减值(0~35dB),获得不同衰减值时各通道输出的电压值,利用衰减值计算对应的等效亮温值,根据各等效亮温值与各通道输出电压之间的对应关系,利用公式(1)和(2),组建包含已测电压值V2、所要计算的等效亮温值TA及未知的定标参数(包括噪声源注入噪声Tn、系统非线性因子α)以及系统增益G和系统接收机噪声Trec在内的方程组,从而通过求解方程组,计算出系统非线性因子和噪声源注入噪声,即完成初步定标。
[0039] 天线对准液氮时,不同衰减值时的等效噪声温度的计算公式如下:
[0040] Tn=T0*(1-1/L)+TLN*1/L    (1)
[0041] 其中,上述公式中的L为衰减值,是衰减器固有衰减值和衰减器的调节值之和,T0为环境温度黑体辐射亮温,TLN为液氮辐射亮温,均为已知值。
[0042] 下面的公式(2)为一定标公式:
[0043] V2=G(Trec+TA+Tn)α    (2)
[0044] 其中,TA为液氮冷却定标黑体经过衰减后的等效亮温值,V2是对应的电压值。
[0045] 步骤2)、如图4所示,将K波段地基微波辐射计的天线对准冷空,将步进衰减器的衰减值设定为0,利用冷空背景,设置天线的扫描模式为变速扫描,在相对天顶±60度内做跳跃式扫描(参见图5),步进为5度,每个角度停留时间为40ms,期间噪声源开关实现通断各一次,收集定标数据,其余角度变速扫描,不收集数据;然后根据时间地点匹配的探空廓线数据,建立大气光学厚度和大气质量的对应关系,代入步骤1)中所确定的定标参数(包括注入噪声、系统非线性因子),如果定标关系曲线经过原点,则步骤2)结束,证明步骤1)所得到的定标参数正确,否则利用微调逼近的方法调整定标参数,直至定标关系曲线经过原点。
[0046] 步骤3)、将K波段地基微波辐射计的天线对准宇宙冷空背景(参见图4)后固定,步进衰减器的衰减值在0~25dB之间对数步进,在每个衰减值处观测冷空和冷空耦合噪声,获得不同衰减值时各通道输出的电压值,并对衰减值和电压值进行拟合。查找与步骤1)中衰减值为0时相等的电压值和观测冷空背景时的衰减值,利用衰减器衰减值与输出电压值的关系,计算天线对准冷空时观测到的等效噪声温度,确定地基微波辐射计观测不同亮温目标时的输出响应。天线对准冷空时,等效噪声温度的计算公式如下:
[0047] TLN=T0*(1-1/L)+Tsky*1/L    (3)
[0048] 其中,L为衰减值,是衰减器固有衰减值和衰减刻度值之和,T0为环境温度黑体辐射亮温,均为已知值,TLN为天线对准液氮冷却定标源时的辐射亮温,为已知值,Tsky为大气辐射亮温,在定标公式中为一定值,是天线对准冷空时的等效噪声温度,是定标过程中的待计算量。
[0049] 根据公式(3),推导出冷空的亮温值Tsky,与利用时间地点匹配的探空廓线仿真的冷空亮温值进行数值比较,当误差小于0.5K时,即完成K波段探测水汽廓线的地基微波辐射计出厂前的系统定标过程。
[0050] 设备出厂后,在用户实际使用K波段地基微波辐射计时,利用公式(4)还可以进行实时定标。
[0051] V1=G(Trec+Tsky+Tn)α   (4)
[0052] 公式中,V1是观测冷空时的电压值,是实测值,Tn是噪声源注入噪声,a是系统非线性因子,通过步骤1~3获得并进行了有效性校正和理论验证,G是系统增益,Trec是系统接收机噪声,这两个参数通过地基微波辐射计实时运行过程中内置热源及内置热源耦合噪声这两个参考源周期定标而得,定标过程见公式(3),定标周期小于1min,Tsky为K波段地基微波辐射计定标过程中需计算的量。
[0053] 综上所述,本发明的地基微波辐射计改进的定标方法适用于出厂前的系统验证和定标,确定设备出厂后实时运行过程中必须的定标参数,包括3个定标步骤。运用本发明的定标方法较目前常用的两点定标法及四点非线性定标法相比,能够有效提高K波段地基微波辐射计定标精度,从而提高K波段地基微波辐射计的探测精度,更准确地探测大气湿度廓线,水汽含量,云液水含量等。
[0054] 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。
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