基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計系統及測量方法與流程
本發明屬于大氣微波無源遙感領域，具體涉及到一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計系統及測量方法。
背景技術：
微波輻射計作為一種被動遙感探測設備，其結構簡單，可以連續不間斷的接收大氣自身發射的微波輻射信號，并從大氣亮溫信號中直接反演出溫度、濕度以及液態水含量等氣象要素的大氣垂直分布信息，從而準確的預測中小尺度天氣災害，對于實時氣象預報具有非常重要的實用價值。近年來，國內對氣象微波輻射計在災害天氣預報方面的應用已經引起了廣泛的關注。理論及實踐研究證明：對于暴風雨、降雨、霧、冰凍等天氣能滿足即時預報的要求，從而能彌補氣象雷達、探空氣球等其它設備在天氣即時預報方面的不足。
目前，美國Radiometrics公司和德國RPG公司生產的微波輻射計均采用了通過極化柵網共用反射面或者拋物面的方式，這種天線形式的缺點是：天線加工成本比較高，同時極化柵網引入了損耗，降低了天線的性能。國內有單位提出了雙頻獨立反射面的地基微波輻射計，但是，兩個頻段(K波段和V波段)的天線并排獨立放置，所占體積較大；同時由于天線并排放置，兩個頻段所測量的天空大氣在空間位置上有一定的錯位，引入了額外的誤差。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計系統及測量方法，本發明的輻射計采用雙頻獨立旋轉天線來替代采用極化柵網共用反射面或拋物面的雙頻天線。
基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計系統，包括微波輻射計、電機、氣壓傳感器、紅外輻射計、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器、數據采集與控制器、電源模塊、計算機、室溫黑體定標源，氣壓傳感器、紅外輻射計、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器分別與數據采集與控制器相連，數據采集與控制器與計算機相連，通過電源模塊為系統各器件供電，室溫黑體定標源安裝在微波輻射計內，其特征在于：所述的微波輻射計由K波段天線、K波段接收機、V波段天線、V波段接收機組成，K波段天線與K波段接收機相連，V波段天線與V波段接收機相連，K波段接收機和V波段接收機分別與數據采集與控制器相連，且K波段天線與V波段天線背對背安裝，電機控制整個微波輻射計旋轉。微波輻射計系統進行大氣測量時，需要對微波輻射計進行定標。系統自身帶有室溫黑體定標源，通過對微波輻射計進行定標，使系統的輸出電壓轉換為大氣輻射亮溫。本發明的兩個獨立旋轉天線用于信號接收，其中K波段天線和V波段天線接收的信號分別送入K波段接收機和V波段接收機，信號經濾波、放大、下變頻以及檢波后，與氣壓傳感器、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器以及紅外輻射計采集的信號一起送入計算機進行處理，最終反演出大氣溫度、濕度廓線以及液態水含量。其中，紅外輻射計可用來判斷是否有云，并根據有云的情況測出云底的溫度和云底的高度，這些信息可用于大氣參量的反演。
所述的K波段天線和V波段天線背對背安裝是指K波段天線和V波段天線的前饋拋物面天線或卡塞格倫天線上下背靠背疊放，當K波段天線指向天空進行測量時，V波段天線指向室溫黑體進行定標；然后旋轉微波輻射計，V波段天線指向天空進行測量時，K波段天線指向室溫黑體進行定標，周而復始。這種天線體制的加工難度和成本不僅較低，而且由于減少了極化柵網，天線損耗降低，增加了輻射計系統的靈敏度；此外，由于一個頻段的輻射計進行大氣測量時，另外一個頻段可以進行常溫黑體定標，通過增加定標的次數，有利于提高微波輻射計的長期穩定度；與其它并排獨立放置兩個頻段天線的模式相比，兩個頻段的天線所測量的大氣在空間位置上是重疊的，減少了兩個頻段天線接收區域錯位帶來的誤差，同時有效節省了空間。
一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計系統的測量方法，其特征在于按系統四點定標、噪聲注入定標或者增益定標、以及傾斜曲線定標的步驟進行，具體如下：
(1)進行大氣亮溫測量前，首先對輻射計系統進行四點定標；輻射計系統的非線性模型由下式給出：
V＝GTα,0.9≤α≤1.1 (1)
上式中，V為檢波器端電壓,G是系統增益,a是非線性因子,T是系統噪聲溫度Tsys與環境噪聲溫度TSC之和；其中，非線性因子α，系統噪聲溫度Tsys以及系統增益G都是未知的，常規兩點定標無法求出三個未知數；為此，采用四點定標的方法，即通過增加一個額外的注入噪聲溫度Tn來產生四個方程，從而獲得系統的定標方程；
Tsys+Tcold＝G-α'V1α' (2)
Tsys+Tcold+Tn＝G-α'V2α' (3)
Tsys+Thot＝G-α'V3α' (4)
Tsys+Thot+Tn＝G-α'V4α' (5)
上式中，V1是噪聲二極管關閉時輻射計天線端指向冷源時的輸出電壓，V3是噪聲二極管關閉時輻射計天線端指向熱源時的輸出電壓，冷源指液氮，熱源指室溫黑體，Tcold是冷源溫度，Thot是熱源溫度，V2是噪聲二極管打開時輻射計天線端指向冷源時的輸出電壓；V4是噪聲二極管打開時輻射計天線端指向熱源時的輸出電壓；
(2)當K波段天線指向天空進行測量時，V波段天線指向室溫黑體進行定標；此時，V波段天線根據需要進行噪聲注入定標或者增益定標；其中，增益定標的次數應多于噪聲注入定標的次數；通過增加定標的次數，有利于提高微波輻射計的長期穩定度；旋轉天線，當V波段天線指向天空進行測量時，此時，K波段天線指向室溫黑體進行定標，K波段天線根據需要進行噪聲注入定標或者增益定標；而噪聲注入定標和增益定標的具體步驟分別如下：
噪聲注入定標的步驟：四點定標過程結束后，由于噪聲二極管的注入噪聲溫度Tn和系統非線性因子a比較穩定，系統的噪聲溫度Tsys和增益G相對沒那么穩定，需要實時再進行修正；此時，在不使用液氮冷源的情況下，只使用內部的室溫吸波材料作為熱源(Thot)，采用噪聲注入的方法進行定標，再次修正Tsys和G；此處，噪聲二極管注入溫度Tn和非線性修正系數α為已知值，定標方程如下：
Tsys+Thot＝G-α'V3α' (6)
Tsys+Thot+Tn＝G-α'V4α' (7)
增益定標的步驟：接收機溫度的微小變化都將使增益產生波動，因此需要更加頻繁的對增益記性定標；假定系統噪聲溫度Tsys穩定，通過單點定標就可以對增益G進行修正，定標方程如下：
Tsys+Thot＝G-α'V3α' (8)
(3)傾斜曲線定標
微波輻射計K波段接收機每天進行一次傾斜曲線定標，在微波輻射計長期的使用過程中，噪聲二極管的注入噪聲溫度Tn會發生變化，因此通過傾斜曲線定標來修正噪聲二極管的注入噪聲溫度Tn。
傾斜曲線定標來修正噪聲二極管的的注入噪聲溫度Tn的具體步驟為：令Tn'＝r×Tn；其中r為修正因子；此時,真正注入到通道的噪聲溫度為r×Tn；為了計算出修正因子r，具體為：首先定義大氣的Atmospheric airmass為：
a(θ)＝τ(θ)/τ(90)＝1/sin(θ) (9)
上式中，θ是微波輻射計的觀測角，τ(θ)為微波輻射計觀測角為θ時的不透明度；當微波輻射計中K波段天線在兩個不同的觀測角θ1和θ2時，測量出不同觀測角對應的亮度溫度Tb(θ1)和Tb(θ2)，那么計算出觀測角為θ1和θ2時的不透明度τ1(θ1)、τ2(θ2)，若用τ1，τ2都用a(θ)歸一化，則歸一化后：
t1＝τ1(θ1)/a(θ1)且應等于t2＝τ2(θ2)/a(θ2) (10)
因此，調整r使得t1＝t2，此時計算出修正因子r。
本發明的技術效果體現在：
本發明采用的雙頻獨立旋轉天線，這種天線體制的加工難度和成本不僅較低，而且由于減少了極化柵網，天線損耗降低，增加了輻射計系統的 靈敏度，有效節省了空間；此外，由于一個頻段的輻射計進行大氣測量時，另外一個頻段可以進行常溫黑體定標，通過增加定標的次數，有利于提高微波輻射計的長期穩定度；與其它并排獨立放置兩個頻段天線的模式相比，兩個頻段的天線所測量的大氣在空間位置上是重疊的。
附圖說明
圖1為本發明的框圖。
圖2為本發明的測量流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進一步說明。
如圖1所示，基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計系統，包括微波輻射計、電機、氣壓傳感器、紅外輻射計、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器、數據采集與控制器、電源模塊、計算機、室溫黑體定標源，氣壓傳感器、紅外輻射計、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器分別與數據采集與控制器相連，數據采集與控制器與計算機相連，通過電源模塊為系統各器件供電，室溫黑體定標源安裝在微波輻射計內，其特征在于：所述的微波輻射計由K波段天線、K波段接收機、V波段天線、V波段接收機組成，K波段天線與K波段接收機相連，V波段天線與V波段接收機相連，K波段接收機和V波段接收機分別與數據采集與控制器相連，且K波段天線與V波段天線背對背安裝，電機控制整個微波輻射計旋轉，微波輻射計系統進行大氣測量時，需要對微波輻射計進行定標。系統自身帶有室溫黑體定標源，通過對微波輻射計進行定標，使系統的輸出電壓轉換為大氣輻射亮溫。本發明的兩個獨立旋轉天線用于信號接收，其中K波段天線和V波段天線接收的信號分 別送入K波段接收機和V波段接收機，信號經濾波、放大、下變頻以及檢波后，與氣壓傳感器、GPS、溫濕傳感器、雨量傳感器以及紅外輻射計采集的信號一起送入計算機進行處理，最終反演出大氣溫度、濕度廓線以及液態水含量。其中，紅外輻射計可用來判斷是否有云，并根據有云的情況測出云底的溫度和云底的高度，這些信息可用于大氣參量的反演。
如圖2所示，一種基于雙頻天線的地基氣象微波輻射計系統的測量方法，其特征在于按系統四點定標、噪聲注入定標或者增益定標、以及傾斜曲線定標的步驟進行，具體如下：
(1)進行大氣亮溫測量前，首先對輻射計系統進行四點定標；輻射計系統的非線性模型由下式給出：
V＝GTα,0.9≤α≤1.1 (1)
上式中，V為檢波器端電壓,G是系統增益,a是非線性因子,T是系統噪聲溫度Tsys與環境噪聲溫度TSC之和；其中，非線性因子α，系統噪聲溫度Tsys以及系統增益G都是未知的，常規兩點定標無法求出三個未知數；為此，我們可以采用四點定標的方法，即通過增加一個額外的注入噪聲溫度Tn來產生四個方程，從而獲得系統的定標方程；
Tsys+Tcold＝G-α'V1α' (2)
Tsys+Tcold+Tn＝G-α'V2α' (3)
Tsys+Thot＝G-α'V3α' (4)
Tsys+Thot+Tn＝G-α'V4α' (5)
上式中，V1是噪聲二極管關閉時輻射計天線端指向冷源時的輸出電壓，V3是噪聲二極管關閉時輻射計天線端指向熱源時的輸出電壓，冷源指液氮， 熱源指室溫黑體，Tcold是冷源溫度，Thot是熱源溫度，V2是噪聲二極管打開時輻射計天線端指向冷源時的輸出電壓；V4是噪聲二極管打開時輻射計天線端指向熱源時的輸出電壓；建議5-6個月進行一次四點定標以修正a和Tn。
(2)當K波段天線指向天空進行測量時，V波段天線指向室溫黑體進行定標，此時，V波段天線可以根據需要可以進行噪聲注入定標或者增益定標。其中，增益定標的次數應多于噪聲注入定標的次數。通過增加定標的次數，有利于提高微波輻射計的長期穩定度；旋轉天線，當V波段天線指向天空進行測量時，此時，K波段天線指向室溫黑體進行定標，K波段天線可以根據需要可以進行噪聲注入定標或者增益定標。而噪聲注入定標和增益定標的具體步驟分別如下：
噪聲注入定標的步驟：四點定標過程結束后，由于噪聲二極管的注入噪聲溫度Tn和系統非線性因子a可認為比較穩定，但是系統的噪聲溫度Tsys和增益G相對沒那么穩定，需要實時再進行修正。此時，可以在不使用液氮冷源的情況下，只使用內部的室溫吸波材料作為熱源(Thot)，采用噪聲注入的方法進行定標，再次修正Tsys和G。此處，噪聲二極管注入溫度Tn和非線性修正系數α為已知值，定標方程如下：
Tsys+Thot＝G-α'V3α' (6)
Tsys+Thot+Tn＝G-α'V4α' (7)
增益定標的步驟：接收機溫度的微小變化都將使增益產生波動，因此需要更加頻繁的對增益記性定標。假定系統噪聲溫度Tsys穩定，通過單點定標就可以對增益G進行修正，定標方程如下：
Tsys+Thot＝G-α'V3α' (8)
(3)傾斜曲線定標
微波輻射計K波段接收機每天進行一次傾斜曲線定標，在微波輻射計長期的使用過程中，噪聲二極管的注入噪聲溫度Tn會發生變化，因此通過傾斜曲線定標來修正噪聲二極管的注入噪聲溫度Tn。
傾斜曲線定標來修正噪聲二極管的的注入噪聲溫度Tn的具體步驟為：令Tn'＝r×Tn；其中r為修正因子；此時,真正注入到通道的噪聲溫度為r×Tn；為了計算出修正因子r，具體為：首先定義大氣的Atmospheric airmass為：
a(θ)＝τ(θ)/τ(90)＝1/sin(θ) (9)
上式中，θ是微波輻射計的觀測角，τ(θ)為微波輻射計觀測角為θ時的不透明度；當微波輻射計中K波段天線在兩個不同的觀測角θ1和θ2時，測量出不同觀測角對應的亮度溫度Tb(θ1)和Tb(θ2)，那么計算出觀測角為θ1和θ2時的不透明度τ1(θ1)、τ2(θ2)，若用τ1，τ2都用a(θ)歸一化，則歸一化后：
t1＝τ1(θ1)/a(θ1)且應等于t2＝τ2(θ2)/a(θ2) (10)
因此，調整r使得t1＝t2，此時計算出修正因子r。
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